[发明专利]一种具有复合硬磁壳层结构的高性能稀土永磁材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种具有复合硬磁壳层结构的高性能稀土永磁材料及其制备方法，基于多主相合金技术和晶界扩散技术，先制备多主相烧结磁体，主相晶粒形成富重稀土硬磁壳层；然后在多主相磁体表面磁控溅射沉积重稀土合金薄膜，经晶界扩散及低温回火热处理，主相晶粒表面形成重稀土含量更高的新硬磁壳层。本发明主相晶粒具有多层富重稀土硬磁壳层，有效提高反磁化畴形核场，大幅提高矫顽力；有效降低重稀土元素磁稀释效应，保持高剩磁；具有连续富稀土晶界相，有效隔绝相邻晶粒短程磁交换作用，进一步提高矫顽力。本发明提供了一种高效利用重稀土元素的方法，制备兼具高矫顽力和高磁能积的稀土永磁材料，满足高温稀土永磁电机等新兴产业的迫切应用需求。

技术领域

本发明涉及稀土永磁领域，具体涉及一种具有复合硬磁壳层结构的高性能稀土永磁材料及其制备方法。

背景技术

第三代稀土永磁钕铁硼具有其他永磁材料无法比拟的高磁能积，特别有利于实现仪表仪器的小型化、轻量化和薄型化，广泛应用于能源、交通、信息、医疗和国防等领域，已发展成为现代社会军民各领域不可或缺的战略性功能材料。尤其是烧结钕铁硼材料，经过了30多年的发展，磁体性能不断的提升，最大磁能积(BH)_max和剩磁B_r实验值均已接近理论值。然而，烧结钕铁硼材料的矫顽力H_cj仍较低，仅为理论值的1/5～1/3，在很大程度上限制了烧结钕铁硼材料在高温领域的应用。

添加重稀土元素Dy/Tb，部分取代Nd，是目前提升烧结钕铁硼磁体矫顽力最常规的办法。但是Dy/Tb等重稀土原子与Fe原子之间为反铁磁耦合，导致在稀土永磁中过多的添加Dy/Tb，会严重降低磁体的最大磁能积和剩磁。目前普遍认为，烧结钕铁硼磁体的矫顽力是由反磁化畴形核机制决定的，其理论极限值是2:14:1铁磁性主相的内禀磁晶各向异性场H_A，其实际值与主相晶粒外延层的成分/缺陷、主相晶粒间的富Nd相分布密切相关。在实际磁体中，通常由于主相晶粒外延层成分偏离正化学计量比，以及结构缺陷导致其具有较低的磁晶各向异性场H_A，易成为反磁化畴形核位点。

为了提高重稀土Dy/Tb的利用效率且避免Dy/Tb原子与Fe原子之间的反铁磁耦合，在主相晶粒外延层形成富重稀土的磁硬壳层是一个有效的途径。烧结稀土磁体的矫顽力不仅与内禀磁晶各向异性场有关，还与富稀土晶界相的分布密切相关。优化主相与富稀土晶界相之间的润湿性，在磁体中形成连续的晶界相，隔绝邻近主相晶粒之间的短程磁交换耦合作用，也是提高磁体矫顽力的重要途径。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种具有复合磁硬壳层结构的高性能稀土永磁材料及其制备方法，充分利用多主相合金工艺和晶界扩散工艺，在主相晶粒外延层形成多层富重稀土硬磁壳层，形成连续富稀土晶界相，大幅提高磁体矫顽力同时保持磁体高剩磁，制备集高矫顽力和高磁能积于一体的高性能稀土永磁材料。

本发明的目的之一在于提供一种具有复合硬磁壳层结构的高性能稀土永磁材料的制备方法，首先利用一种不含重稀土的主相合金I和一种或者多种添加重稀土的主相合金II，制备具有富重稀土硬磁壳层的多主相磁体；然后在多主相磁体表面磁控溅射沉积重稀土合金薄膜，经晶界扩散及低温回火热处理，主相晶粒表面形成重稀土含量更高的新硬磁壳层。

其中，不含重稀土的主相合金I以质量百分比计，其成分为RE_x1Q_balM_y1B_z1，RE为除重稀土元素Dy、Tb外的其他镧系稀土元素中的一种或几种，Q为Fe、Co、Ni元素中的一种或几种，M为Al、Cr、Cu、Ga、Mn、Mo、N、Nb、P、Pb、Si、Ta、Ti、V、Zr元素中的一种或几种，B为硼元素，x1、y1、z1满足以下关系：27≤x1≤36，0≤y1≤3，0.8≤z1≤1.2；