热变形Nd-Fe-B磁体的微观结构与晶界平面分布之间的相关性——基于五参数分析方法的研究视角

《Materials Research Bulletin》：The correlation between microstructure and grain boundary plane distribution of hot-deformed Nd-Fe-B magnets—From the perspective of the five parameter analysis method

纳米晶Nd-Fe-B磁体通过火花等离子烧结和热变形制备，利用电子背散射衍射和五参数分析研究晶界取向分布与磁各向异性的关系，发现沿c轴方向磁性能显著提升，归因于强(001)织构和连续晶界网络的形成。

　　

钱丽|王文辉|唐素杰|滕远|周汉霄

成都理工大学博士后创新与实践基地，中国成都610041

摘要

由于具有优异的磁性能，热变形Nd-Fe-B磁体是许多高效能源技术的基础。然而，其强各向异性的微观结构起源——特别是晶界结构和性质的影响——仍仅部分得到解析。在这项工作中，我们将晶界平面分布与不同晶体学方向的磁各向异性进行了关联。纳米晶Nd-Fe-B磁体通过火花等离子烧结制备，随后进行热压和热变形处理。利用电子背散射衍射结合五参数分析，我们定量绘制了沿c轴和非c轴方向的晶界取向和微观结构特征。c轴对齐的样品表现出明显的(001)织构，剩磁为12.5 kG，最大能量积为34.9 MGOe——比非c轴方向的数值高出约150%。五参数分析进一步表明，平行于c轴的晶界富含39°/(001)的错位，并在(110)平面附近强烈聚集（随机分布的倍数，MRD = 7.4），而沿非c轴方向采样的晶界则相对分散（MRD = 2.3）。这些观察结果表明，较高的剩磁主要反映了强化的c轴织构，而较高的矫顽力与抑制畴壁运动的连续晶界网络相关。总体而言，我们的结果为通过有意的织构控制设计各向异性Nd-Fe-B磁体提供了微观结构基础，既提供了机制上的洞察，也为改进永磁体加工提供了实际途径。

引言

钕铁硼（Nd-Fe-B）永磁体作为第三代稀土永磁材料[1,2]，由于其出色的最大能量积（超过50 MGOe）和高能量密度[3,4]，已成为推动低碳技术革命的核心功能材料。它们在新能源车辆的驱动电机和永磁直驱风力涡轮机等领域找到了关键应用[5,6]。热变形工艺结合了热压和热变形，通过高温塑性变形使纳米晶熔融旋压Nd-Fe-B磁粉致密化，同时诱导Nd-Fe-B硬磁相颗粒沿c轴优先取向[[7], [8], [9]]。在此过程中，施加的压力使颗粒的c轴与变形方向对齐，从而显著提高了剩磁[10,11]。此外，纳米晶的致密晶界作为富Nd液相的渗透通道，形成了连续的非磁性晶界层，有效阻碍了磁畴的回移，从而提高了矫顽力[12,13]。然而，变形过程中形成的复杂晶体学织构在不同晶体轴方向上引入了显著的各向异性，直接影响了磁体在实际使用环境中的整体性能。然而，这种加工方法引入了一个核心材料挑战：c轴和非c轴取向之间的强磁性和微观结构各向异性。虽然c轴对齐显著提升了磁性能，但在远离易轴方向的性能明显下降。这种方向差异源于Nd?Fe??B的内在四方对称性，微观上表现为晶粒形状的变化（片状与等轴）、织构强度的差异以及残余应力的不均匀性。因此，晶界——即错位晶体之间的界面——预计会高度依赖于取向。它们控制着富Nd晶界相的传输，抵抗磁畴壁的运动，并作为机械裂纹扩展的屏障。尽管晶界起着关键作用，但对于热变形Nd-Fe-B磁体而言，c轴和非c轴方向之间晶界平面分布的定量三维图像，以及这些分布如何转化为观察到的宏观各向异性，仍然很大程度上缺失。

从晶体学角度来看，Nd-Fe-B相的四方结构决定了其易磁化轴严格沿(001)方向对齐。因此，如剩磁(Mr)和矫顽力(Hcj)等磁性能在c轴方向达到理论最大值，而偏离该易轴的方向则导致性能显著下降[[14], [15], [16]]。微观上，这种各向异性源于两个主要因素：c轴取向的颗粒表现出明显的片状形态和强烈的织构对齐[17,18]，而偏离c轴的颗粒由于塑性变形过程中的晶格旋转而采用多尺度随机取向。这种错位导致晶界结构、内部应力分布以及富Nd相的偏聚行为产生显著差异[[19], [20], [21]]。在机械载荷或热应力作用下，非c轴晶界的滑移阻力降低，增加了微裂纹形成的倾向，而c轴方向上磁畴壁的固定则放大了磁机械耦合失效的风险[22,23]。这种取向依赖的性能差异对热变形磁体的工程应用构成了重大挑战。因此，阐明微观结构织构与c轴和非c轴方向宏观性能之间的相关性不仅对优化整体磁性能至关重要，也是确保下一代能源技术高可靠性和长使用寿命的关键。解决这一知识空白需要能够详细解析晶界的微观结构表征方法。五参数分析（FPA）——一种基于统计稳健的电子背散射衍射数据集的立体学框架——通过同时指定晶格错位和晶界平面取向来捕捉晶界特性。超越传统的织构指标，FPA能够直接、定量地评估晶界网络内部的各向异性。

尽管热变形Nd-Fe-B磁体的各向异性磁行为已被广泛记录，但关键机制上的空白仍然存在。特别是，晶界平面分布如何在c轴和非c轴取向之间有所不同，以及这些差异如何转化为宏观磁各向异性，目前尚不清楚。传统的织构分析可以解析晶粒的晶体学对齐，但只能有限地了解晶界的完整特性，尽管晶界对畴壁固定、富Nd相传输和机械完整性至关重要。在这里，我们使用基于统计稳健的EBSD数据集的FPA立体学框架来填补这一空白，通过共同描述错位和晶界平面取向来捕捉晶界特性。(i)我们通过火花等离子烧结制备纳米晶Nd-Fe-B磁体，随后进行热变形，并量化其磁各向异性；(ii)使用FPA比较沿c轴和非c轴方向的晶界平面分布；(iii)建立了连接各向异性晶界特征和富Nd相拓扑与磁性能的直接微观结构-性能关联。我们的发现共同为具有定向定制性能的织构化Nd-Fe-B磁体的合理设计提供了微观结构基础，为下一代永磁体加工提供了基本见解和实际指导。

实验

在本研究中，使用MQU-F商用熔融旋压Nd-Fe-B磁粉（Nd??.?Fe??.?Co?.?Ga?.?B?.?，Magnequench Co.）作为起始材料。通过火花等离子烧结（VHPsp-10/25-2500）使用硬质合金模具在600°C和200 MPa下制备了方形和圆柱形热压前驱体。对于热变形，将圆柱形前驱体插入石墨模具并在750°C下进行变形，得到高度减小的热变形（HD）Nd-Fe-B磁体。

结果与讨论

图1展示了HD Nd-Fe-B磁体的性能表征。如图1b和1c所示，沿不同采样方向测量的滞后回线显示出显著差异，表明在热变形过程中形成了显著的晶体学各向异性。定量分析表明，沿晶体学c轴取向的表面样品表现出优异的磁性能，剩磁(Mr)为12.5 kG，矫顽力(Hcj)为13.7 kOe，最大能量积(BH)max为...

结论

在这项工作中，我们通过热压后进行热变形制备了纳米晶Nd-Fe-B磁体，并使用五参数分析量化了代表性c轴和非c轴样品中的晶界取向织构。主要结论如下：

(1)

热变形的Nd-Fe-B磁体沿c轴表现出明显的(001)优先取向，导致剩磁为12.5 kG，最大能量积为34.9 MGOe。

(2)

FPA方法定量揭示了...

资助

不适用

CRediT作者贡献声明

钱丽：概念构思。王文辉：方法论。唐素杰：写作——审稿与编辑。滕远：监督。周汉霄：数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢北京理工大学的岳明教授、张东涛教授和袁晓坤教授在计算表征设施方面的宝贵见解和支持，这对本研究帮助很大。