【摘 要】
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钕铁硼永磁因其优异的硬磁性能在电动汽车、风力发电、医疗器械、航天航空、电力机械等众多领域有着重要应用。钕铁硼用量的不断增加消耗了大量的镨、钕、镝、铽等稀土元素,而与此同时,镧、铈、钇等高丰度稀土大量积压,导致了稀土资源应用不平衡。本文瞄准开发基于高丰度稀土元素钇(Y)的稀土永磁材料,系统地研究了三元Y-Fe-B合金的相析出行为、磁性能和热稳定性,并且利用钕(Nd)和钆(Gd)替代Y,调整Y-Fe-
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钕铁硼永磁因其优异的硬磁性能在电动汽车、风力发电、医疗器械、航天航空、电力机械等众多领域有着重要应用。钕铁硼用量的不断增加消耗了大量的镨、钕、镝、铽等稀土元素,而与此同时,镧、铈、钇等高丰度稀土大量积压,导致了稀土资源应用不平衡。本文瞄准开发基于高丰度稀土元素钇(Y)的稀土永磁材料,系统地研究了三元Y-Fe-B合金的相析出行为、磁性能和热稳定性,并且利用钕(Nd)和钆(Gd)替代Y,调整Y-Fe-B合金的综合磁性能,改善其耐腐蚀性。论文首先通过熔体快淬技术制备了Y2Fe14B合金,研究了快淬速度和热处理温度对相析出行为、磁性能以及微观结构的影响。结果表明,快淬速度为10 m/s和20 m/s的样品磁性能较差,较低的快淬速度导致α-Fe软磁相的析出;30 m/s和40 m/s速度获得的样品晶粒细小,磁性能较好;在快淬速度小于40 m/s的样品中均存在Y2Fe14B硬磁相,而速度为50 m/s时样品全部由非晶组成,硬磁性能较低。与Nd-Fe-B等合金不同,Y2Fe14B合金可以在相对较宽的快淬速度范围内(30-40 m/s)获得较优化的硬磁性能。在36 m/s获得的合金综合磁性能为:内禀矫顽力Hcj=149 k A/m,饱和磁极化强度Js=1.43 T,剩磁Jr=0.88 T,最大磁能积(BH)max=6.8 MGOe。显微组织分析表明,优化淬火的合金中Y2Fe14B晶粒均匀分布,尺寸在20-50 nm之间,不存在晶界相和第二相。此外,研究了非晶Y2Fe14B合金在加热过程中的相析出行为,发现在249°C时,合金中析出α-Fe相,提高温度到606°C时,析出Y2Fe14B相,继续升温到816°C时检测到FexB相的析出,此时合金由α-Fe相、Y2Fe14B相和FexB相构成。在500-800°C温度范围内热处理,矫顽力随热处理温度升高而增加,在700°C时达到最大值。继续升高温度时,由于晶粒的进一步长大,矫顽力下降。由于析出相比较复杂,热处理后合金的硬磁性能显著低于优化的直接快淬合金。其次,为提高硬磁性能,制备了(Y1-xNdx)2Fe14B(x=0-1)快淬合金,研究了Nd替代Y对合金相结构、磁性能以及耐腐蚀性等的影响。结果表明,Nd替代可以明显改善合金磁性能,(Y0.5Nd0.5)2Fe14B合金的室温矫顽力达到416 k A/m。Y2Fe14B合金在一定温度范围内具有正的矫顽力温度系数,Nd替代对温度系数有一定的负面影响,但在部分Nd替代的样品中仍然可以获得较好的热稳定性。Nd替代还会提高合金晶粒之间的交换耦合作用强度,减小回复曲线张开的程度。此外,研究了稀土含量对富稀土的(Y1-xNdx)yFe14B(x=0-0.5,y=2.5、3)合金相结构和磁性能的影响。结果表明,y=3的合金中出现了YFe2相。随稀土含量增加,合金矫顽力增加,直接快淬Y3Fe14B合金的矫顽力为281 k A/m。为了进一步提高热稳定性,制备了(Y1-xGdx)2Fe14B(x=0-1)快淬合金,研究了Gd替代Y对相结构、磁性能以及热稳定性等的影响。结果表明,Gd原子会进入2:14:1主相,替代Y的位置,导致晶格常数增大。Gd替代会小幅增加合金的矫顽力,但降低饱和磁化强度、剩磁以及最大磁能积。所有的(Y1-xGdx)2Fe14B(x=0-1)合金均具有正的矫顽力温度系数,矫顽力随温度升高呈现不同程度的增加趋势,表明该系列合金具有很好的高温稳定性。此外,Gd的添加还会提高合金在3.5 wt.%Na Cl溶液中的腐蚀电位,降低腐蚀电流密度,提高合金的耐腐蚀性能。论文通过对三元Y-Fe-B合金以及Nd、Gd替代的四元合金的研究,进一步厘清了Y基稀土永磁合金的基本行为,对于开发高丰度综合性能优异的稀土永磁、促进稀土资源平衡综合利用具有一定的指导意义。
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