中國(guó)擁有豐富的稀土資源，在地殼中的分布呈現共伴生的特性，主要以北方的輕稀土礦及南方的離子型中重稀土礦爲主，不僅滿足了國(guó)内經(jīng)濟社會發(fā)展的需要，而且爲全球稀土供應作出了重要貢獻。當前，中國(guó)以23%的稀土資源承擔了全球90%以上的市場供應。中國(guó)生産的稀土永磁材料總産量占世界總産量的80%以上，消耗了我國(guó)稀土總應用量的40%左右，稀土永磁材料産業的發(fā)展對(duì)稀土資源的平衡利用起(qǐ)著(zhe)舉足輕重的作用。
在稀土永磁領域，利用稀土元素替代實現對(duì)磁體硬磁相内禀磁性調節在産業界的應用已經(jīng)較爲成(chéng)熟，尤其是以重稀土元素Dy、Tb進(jìn)行元素替代，然而高豐度低成(chéng)本稀土元素La、Ce、Y在稀土永磁材料中的應用相對(duì)較少，造成(chéng)高豐度稀土La、Ce、Y的囤積和浪費。因此，針對(duì)稀土資源的分布和應用不平衡的現狀，發(fā)展高豐度稀土元素在永磁材料中的應用成(chéng)爲重要的方向(xiàng)。近日，中國(guó)科學(xué)院甯波材料技術與工程研究所稀土磁性功能(néng)材料實驗室針對(duì)南方離子型中、高钇礦的特點，在高豐度钇混合稀土永磁材料研發(fā)和産業化方面(miàn)取得系列進(jìn)展，通過(guò)對(duì)硬磁主相的結構設計與界面(miàn)分布的優化調控，開(kāi)發(fā)出具有優異耐溫特性的高矯頑力磁體，突破了高豐度稀土元素在永磁領域的應用瓶頸。
燒結Nd-Fe-B永磁體的磁性能(néng)取決于磁體的相組成(chéng)及微觀結構，而磁體相組成(chéng)和微觀結構主要由制備過(guò)程中合金元素冶金行爲控制，研究人員首先系統研究了高豐度稀土元素La/Ce/Y在磁體制備過(guò)程中的分布及遷移特征，澄清其對(duì)合金成(chéng)相及微觀組織結構的影響規律。研究發(fā)現在速凝過(guò)程中，La和Ce在合金的晶界相中大量富集，Y主要富集于合金的2:14:1主相中，分析表明Y的引入可以穩定四方相，避免La、Ce對(duì)硬磁相結構的破壞。在後(hòu)續工藝過(guò)程中，Y則進(jìn)一步從晶界向(xiàng)主相晶粒内部偏聚。圖1反映了這(zhè)種(zhǒng)稀土冶金行爲造成(chéng)的不同高豐度稀土元素在合金内分布的差異性。
基于對(duì)該冶金行爲特征及磁體反磁化機理的認識，研究人員進(jìn)一步提出了Y在主相内部偏聚的結構設計思路，并獲得了Y偏聚于主相晶粒核心的核殼結構，如圖2所示，晶粒表層的較低的Y含量使得主相晶粒具有更高各向(xiàng)異性場的殼層區域，能(néng)夠有效抑制晶粒表面(miàn)的反磁化形核過(guò)程，增強磁體的矯頑力。進(jìn)一步通過(guò)合理設計晶界成(chéng)分，利用晶界相區域的溶解析出作用，解決由于晶粒生長(cháng)及稀土钇元素強烈的遷移偏聚行爲造成(chéng)的晶粒黏連、晶界相缺失及偏聚的難題，成(chéng)功實現了連續均勻的晶界相對(duì)核殼結構硬磁相的包覆，有效增強了晶粒間的磁隔離效應，使得高豐度钇混合稀土磁體表現出較高的室溫矯頑力及優異的耐溫特性，在Y替代Nd40%之内均可獲得最大磁能(néng)積大于40MGOe的磁性能(néng)，Y替代15%Nd獲得矯頑力大于17kOe的磁性能(néng)，綜合性能(néng)優于Ce取代磁體。該研究結合主相結構調控及晶界增強技術，解決了高豐度稀土磁體成(chéng)相難及結構不均勻的問題。
相關研究成(chéng)果相繼發(fā)表在IEEE Trans. Magn.(2015, 51(8): 1-4)、Appl. Phys. Lett.(2017, 110(17): 172405)、Acta Mater.(154 (2018) 343-354) 等學(xué)術期刊上，受到國(guó)家重點研發(fā)計劃和國(guó)家自然科學(xué)基金等項目的支持。該團隊正與中國(guó)稀土六大集團之一的中國(guó)鋁業進(jìn)行合作，開(kāi)發(fā)高豐度钇混合稀土磁體産業化技術，在中鋁集團的生産基地初步實現了技術轉移和批量牌号的生産（如圖3所示），并在2018年6月于常州舉辦的江蘇稀土新材料産業發(fā)展論壇上進(jìn)行了相關成(chéng)果推介，受到稀土産業鏈相關單位的廣泛關注。
圖1 不同高豐度稀土元素（La、Ce、Y）取代合金TEM微觀結構及界面(miàn)元素分布
圖2 Y取代磁體的微觀組織結構及晶粒内部元素分布狀态
圖3 中國(guó)鋁業進(jìn)行中試生産現場（左）和Y混合稀土磁體的産品推介（右）
（稀土實驗室 丁廣飛、範曉東）
