定向凝固NdFeB合金的组织演化及控制

摘要

NdFeB永磁合金自1983年问世以来,在磁性相结构、晶体学特性、材料的制备工艺等方面均取得了很大的进展,磁体的性能也有很大程度地提高,如实验室制备的NdFeB磁体从1983年的286.5KJ/m3提高到目前的445.6KJ/m3,工业生产的磁体从1984年的278.5KJ/m3提高到目前的400KJ/m3,但是理论计算结果表明,NdFeB永磁材料的最大磁能积(BH)max可达512KJ/m3,尚有进一步提高的空间.鉴于NdFeB磁体有如此高的磁性能,且价格低廉,因而被广泛应用于计算机硬盘音圈电机及外围设备、各种电动机/发电机、核磁共振诊断装置、音响器材、家用电器和仪器仪表等高科技领域.对NdFeB磁体首先应尽量提高其磁体的磁能积,这就要求有合适的磁性主相数量;其次提高磁体的内禀矫顽力和耐腐蚀等使用性能.本研究在低和高温度梯度下对NdFeB合金的定向凝固组织进行了研究,获得了不同定向凝固速率下合金的非平衡凝固组织.在实验的定向凝固条件下,无论是亚包晶成分、包晶成分和过包晶成分的NdFeB合金,定向凝固组织中都存在初生的α-Fe相枝晶、磁性主相T1相(Nd2Fe14B)和后续凝固的富Nd相组织.定向凝固下的组织有别于相图中的平衡凝固组织,并且组织中的相的相对含量受凝固工艺参数的控制.如随定向凝固速率的增加,磁性主相的体积分数是先较快增加后缓慢降低,上述变化与其凝固的机制即包晶反应有关.在低速定向凝固下,由于形成的初生α-Fe相枝晶较大数量较少,其与液相反应生成磁性T1相的体积分数也就较少,但随凝固速率的增加,初生α-Fe数量增多,且尺度较小,有利于与液相反应生产T1,造成T1相的体积分数增多.一旦定向凝固速率达到一定值时,抽拉速率的继续增大相应地会造成温度梯度的降低,结果抽拉速率和温度的乘积一冷却速率并不是总是增加的,结果造成T1相的数量减少;其次,抽拉速率的提高使得凝固时间缩短也是T1相数量减少的原因之一.通过对比相同定向凝固速率下,不同温度梯度下的定向凝固组织,发现高的温度梯度可以细化合金的凝固组织,有利于获得更多体积分数的包晶T1相(Nd2Fe14B),这对NdFeB合金的定向凝固组织控制有较为重要的意义.利用激光快速定向凝固技术对NdFeB合金的凝固组织进行了初步研究,发现在快速定向凝固下,无论是亚包晶、包晶和过包晶NdFeB合金的凝固组织中T1相都可作为初生相首先析出,而原来的定向凝固下首先析出的α-Fe枝晶被抑制,其中低速的小平面生长T1相在激光快速凝固下呈现出典型的非小平面的枝晶生长形态.另外随NdFeB合金成分向过包晶成分靠近,T1相首先作为初生相析出的凝固速率越低.在理论分析中,采用最高界面生长温度判据,对α-Fe枝晶和T1枝晶的界面生长温度进行了计算,并与实验中的制备工艺参数一凝固速率进行了比较,两者吻合较好.传统的定向凝固技术中,NdFeB磁体的四方主相Nd2Fe14B的晶体学择优生长方向与易磁化方向垂直,这不利于磁体磁晶各向异性性能的发挥,如采用籽晶法定向凝固Nd13.5Fe79.75B6.75合金,发现其择优生长方向在不同的定向凝固速率下有较大的改变,其中凝固速率为2μm/s时,合金中T1相的(208)晶面衍射峰最高,籽晶中原有的(410)和(411)晶面衍射峰均消失;而在100μm/s时,籽晶中的(410)、(411)和(006)晶面衍射峰依然存在,且(411)和(006)方向出现较大的增长,说明籽晶取向、定向热流、凝固速率及合金自身的各向异性等因素都会影响到磁体主相Nd2Fe14B取向生长.