中国粉体网讯 重稀土晶界扩散（GBD）是提高钕铁硼磁体内禀矫顽力的一个关键工艺，不过扩散深度有限、重稀土梯度分布不理想始终是需要解决的难题。目前工业规模实施晶界扩散的磁体厚度一般在4～6mm，很少超过8mm。电动机、发电机在超过125℃的环境下工作时，需要用厚度超过10mm的厚磁体，这样才能提供足够的磁通量保证电机的扭矩，所以业界正在积极研究厚磁体的晶界扩散方法。
一个对策是开发新型扩散源材料。选用Pr、Cu、Al等低熔点金属部分替代重稀土，不仅可以降低重稀土用量，又能在扩散过程形成液相、易于晶界渗透，低熔点金属浸润晶界并诱导重稀土向纵深扩散，效果明显；第二个对策是调整热处理工艺。北京工业大学的Wang等人研究了固液相同步扩散和分步扩散两种方式，看它们对4mm、8mm厚N52磁体渗TbH3有什么影响，先让重稀土沿着液化的晶界相渗到磁体深处，接下来再提高温度，让它进入主相晶粒，形成核壳结构，发现渗入深度明显更大，还能避免重稀土都堆在浅表层，8mm磁体经过分步扩散之后，内禀矫顽力从1134提升到了1804kA/m，最大磁能积从387提升到了391kJ/m³。
研究还发现，重稀土沿着易磁化轴渗进去的深度，明显比垂直方向要深。中南大学的Zhong团队在厚度为11毫米、掺镓量不同的垂直易磁化轴磁体表面，喷涂了Tb70Cu15Al15涂层，结果显示低镓掺杂比例下，矫顽力仅提高532kA/m，而高镓掺杂比例时，矫顽力提升至800kA/m，该增幅与在薄型磁体上沿易磁化轴方向开展元素扩散处理所获得的效果基本相当。高Ga使磁体在垂直方向形成更宽、连续、低熔点且润湿性好的晶间相，利于重稀土迁移。11mm磁体处理后矫顽力达2229kA/m、最大磁能积385kJ/m³，可满足多数高性能应用。
厚磁体元素面扫（EPMA/EDS）深度梯度图
可见，超厚磁体晶界扩散既要开发渗透力更强的新型扩散源，也要从基材成分、微观组织及热处理工艺等方面全面提升。
针对电机失磁的难题，行业里还提出了宏观选区镀渗的做法，对磁体的边角这些容易退磁的地方，多镀一些重稀土，中间区域少镀甚至不镀，这样既能避免失磁风险，又能省下不少成本。
沈阳工业大学的Li团队用Dy/Tb一起浸渍的办法做了选择性区域晶界扩散，只处理一面时矫顽力提高了27.30%，两面都处理则提高了31.25%。但狭小区域差异化涂镀工艺难度较大，现阶段采用掩模技术是较为可行的手段。
重稀土晶界扩散对磁体力学性能带来的影响同样不能忽视。北京科技大学包小倩团队的研究发现，Tb如果顺着易磁化轴的方向渗进去，材料的抗弯强度会掉1.76%，可要是换成垂直方向扩散的话，下降幅度就变成了6.14%，也就是说，它的力学性能有着很突出的各向异性，对比一下就能看出，Pr-Cu扩散能让强度提高8.8%，而Pr-Al和Pr-Tb-Cu扩散，则会分别让强度下滑8%和7.6%；哈尔滨工业大学Zhou等发现渗TbH3后抗压强度提高4.02%、洛氏硬度提高7.9%；安徽大学Zhu等对比渗Pr、Pr75Cu25和Cu，抗弯强度分别提高29.8%、69.3%、85.9%，源于Cu渗入强化了晶界相；中科院宁波材料所宋振纶团队发现，酸洗加上900℃热处理再加500℃退火，会让抗弯强度大幅下降35.2%，不过再涂镀一层4μm厚的Tb膜做扩散处理后，性能基本能恢复到接近烧结态的水平，而且随着Tb渗入量增多，增强效果反而会变弱，渗Tb还能让磁体的断裂方式发生改变，沿晶断裂减少，更多变成穿晶断裂。
综上，重稀土晶界扩散正从扩散源材料、基材组织、热处理工艺、选区镀渗及力学性能等多维度协同优化，以支撑新能源汽车驱动电机、风力发电电机等高温厚磁体应用需求。
参考来源：
田广科.重稀土晶界扩散工艺制备高矫顽力钕铁硼磁体研究进展与应用现状
Wang J，Lu S X，Chen F G，et al． Journal of Alloys and Compounds
Zhan Y J，Liu Y Y，Dai Y，et al． Journal of Magnetism and Magnetic Materials
