晶粒细化诱导钐钴永磁塑性变形及强韧化机制研究

针对Sm2Co17型稀土永磁极低的力学性能，本项目拟采用细化胞状结构的方法，通过优化时效方式、时效温度、时效时间和降温速度等工艺条件，制备出具有塑性变形特征的高磁性能、高强度、高韧性的纳米晶（40-100nm）Sm2Co17型稀土永磁。研究不同工艺和成分条件下胞状结构的尺寸、均匀性、完整性，探讨胞状组织细化对磁性能及力学性能的影响，阐明最大磁能积和极值强度与临界Sm2Co17R、SmCo5晶粒尺寸之间的关联。重点研究"塑性平台"产生前后，晶粒尺寸为40-50nm的永磁合金的断口形貌、Sm2Co17R-SmCo5界面状况、SmCo5晶界相内部位错组态，揭示塑性变形机制；通过综合分析胞状结构尺寸、断裂特征，并对比商业磁体的力学性能与断裂行为，揭示Sm2Co17型稀土永磁的纳米强韧化机理。本研究为材料的强韧化和高强度高磁性能材料的研制开辟了一个新领域，并将对相关工业应用领域产生重要推动作用。

本项目对比研究了微波时效处理和传统时效处理下Sm2Co17型稀土永磁材料的磁性能、力学性能及其显微组织结构。发现合金的力学性能与胞状结构的尺寸及其均匀性有关，并且随Sm2Co17R相胞状结构尺寸的减小而增大。微波时效处理后，合金的胞状结构细小、均匀、完整：胞状基体相Sm2Co17R晶粒形状近似为球形，不存在尖锐的边角；Sm2Co17R平均晶粒尺寸为40-60nm，晶粒尺寸分布窄；Sm2Co17R晶粒边界被一层厚度约 3-5nm 的富Cu的SmCo5胞壁晶界薄层相所包围，使Sm2Co17R相的晶粒与晶粒之间彼此孤立起来，不存在磁交换耦合作用。微波时效处理后获得的这种理想的微结构不但使合金具有优异的磁性能，而且合金的力—位移曲线表现出典型的“弹性变形-塑性变形-断裂”特征，大幅改善了合金的力学性能。分析表明，微波的高频电磁场所产生的电磁扰动和在磁体内产生磁致伸缩可促进合金中空位缺陷的迁移和湮没，减少系统的能量，有效降低新相Sm2Co17R相、SmCo5 相等从SmCo7高温相中析出的成核势垒，增加形核率，从而细化胞状结构尺寸。发现细小的Sm2Co17R胞状结构使胞内的位错密度减小,导致 Sm2Co17R相界面存在大量缺陷, 使应力作用下原子和空位的迁移和扩散更易发生；同时由于SmCo5胞壁相本身属于软相, 可赋予晶界一定的柔性,同时其尺寸只有3-5nm，在大量缺陷的作用下SmCo5胞壁晶界相产生滑动，从而导致塑性变形的发生，使材料的力学性能得到进一步大幅提高。合金最佳的磁性能和力学性能为：Br为11.13kGs， Hci为17.54kOe，Hcb为10.48kGs，(BH)max为30.2MGOe，断裂韧性为4.11MPa.m1/2、抗弯强度为180.2MPa。