极端条件下变形对稀土永磁纳米晶织构形成及磁性的影响

Exchange coupling between soft and hard magnetic materials in nanoscale is considered an effective way to achieve high energy product in permanent magnets, and the breakthrough obtained in nanocomposite thin films proves that it is feasible. The obstacle in nanocomposite bulk materials is ultrafine hard phase size and texture cannot be realized simultaneously by traditional technique like powder sintering and hot deformation. In this project, innovative extreme deformation technique including high pressure, low temperature, slow /creep deformation will be applied to investigate the evolution of texture in NdFeB magnets with ultrafine nano grains, in which higher pressure is used to induce deformation at low temperature, slow/creep deformation gives successive energy for the formation of texture through atom diffusion, grain sliding/rotating. The influence of deformation pressure, deformation temperature and deformation rate during this extreme deformation condition on the grain boundary, stress state, grain deformation/rotation and the formation of texture will be deeply studied accompanied by modling thermodynamic and dynamics simulation in order to find out the texture formation mechanism in rare earth permanent magnetic alloys, and finally a high magnetic performance in ultrafine nanograins and strong textured permanent bulk materials will be obtained.

纳米复合被认为是最有可能获得磁能积突破的新一代永磁材料的有效途径。近年来在永磁薄膜材料研究上取得的突破性的研究进展充分说明了其可行性。制约纳米复合块体永磁研究进展的主要原因是传统的粉末烧结和高温热变形工艺下硬磁相的超细纳米晶尺寸和强织构无法同时实现。本项目以NdFeB为主要研究对象，创新性的采用高压在低温下启动超细晶纳米颗粒的变形；采用慢速乃至蠕变的变形速度给原子扩散、晶界滑移和晶粒转动以充分的时间进行，为织构的形成提供持续的动力；通过高压、低温、蠕变变形的极端条件下来研究NdFeB纳米晶织构的演化规律，并深入研究极端变形条件下变形压力、变形温度、变形速度等对纳米晶晶界、应力状态、晶粒的变形、转动以及织构形成的影响，进而通过变形热力学和动力学模拟织构的形成，澄清稀土永磁合金纳米晶织构的形成机制，并获得具有超细纳米晶和强织构的高性能稀土永磁块体材料。

纳米复合被认为是最有可能获得磁能积突破的新一代永磁材料的有效实现途径，近年来在永磁薄膜材料研究上的研究进展充分说明了其可行性。然而相对薄膜复合永磁材料的研究进展，块体复合的研究却相对进展缓慢。制约纳米复合块体永磁研究进展的主要原因是纳米晶硬磁相颗粒的取向困难，尤其是晶粒尺寸降低到一百纳米以下后基本难以形成织构。传统的粉末烧结法得到的硬磁相取向后的晶粒尺寸在微米量级，而用高温热变形工艺可降低晶粒尺寸到三百纳米左右后就无法进一步降低了。本项目针对100纳米以下硬磁纳米晶粒尺寸和织构难以同时实现的技术难题，以NdFeB硬磁相为研究体系，创新性的采用高压（50~100吨）在450~550摄氏度的低温（低于富Nd晶界相熔点）下启动超细晶纳米颗粒的变形；采用慢速乃至蠕变的变形速度（10-3~10-6 s-1）给原子扩散、晶界滑移和晶粒转动以充分的时间进行，为织构的形成提供持续的动力，成功制备出了晶粒尺寸在80–110 nm，织构度达到 90%以上，磁能积(BH)max≥45 MGOe的纳米晶NdFeB磁体。微观结构表征发现了松散并且较宽的晶界组织，进一步研究发现在慢速变形过程中的应力应变曲线出现了类似蠕变变形的平台区，这些都证明了不需要传统的高温液相，在低温下以固相晶界为媒介的蠕变变形下晶粒的转动是高取向NdFeB纳米晶织构形成的新型变形机制。此外对于这种低对称性的NdFeB和SmCo金属间化合物合金材料，塑性的产生和织构的形成都不同于高对称性的单质金属材料。项目组进一步通过分子动力学计算，发现这种材料不需要位错就能表现出大的塑性变形。通过强度对晶粒尺寸的依赖性关系研究，我们通过理论预测和实验首次揭示出SmCo5合金具有剪切带和反HP关系的特征，这些特征区别于在金属体系中报道的典型的观察结果。SmCo5合金具有的非晶剪切带使得变形下裂纹不容易产生进而使得这类材料的塑性增加。这些结果对低对称性的稀土合金的纳米晶尺寸下的织构形成具有重要的理论和现实意义。