外加磁场对Mn-Bi合金与Nd-Fe-B合金凝固过程微观组织演化影响的相场法研究

发布时间：2020-04-28 13:42

【摘要】：永磁合金能够提供稳定持久的磁通量并实现电信号转换、电能与机械能传递等功能,是现代工业和科学技术不可缺少的一种重要的基础功能材料,在能源、交通、机械、电子、医疗、国防等众多领域应用广泛。目前,最具有代表性的永磁合金是钕铁硼(Nd-Fe-B)体系,通常采用烧结或粘结的方法制备,昂贵的稀土元素以及复杂的工艺流程使得磁体的成本较高。为了降低生产成本,研究和开发无稀土高性能新型永磁合金(如Mn-Bi合金),或采用直接铸造的工艺来制备Nd-Fe-B磁体乃至软硬磁纳米复合磁体,成为近期的研究热点。材料的磁性能与其微观组织密切相关,为进一步提高以上永磁合金的磁性能,有必要通过工艺手段对其显微组织进行调控和优化。外磁场作为一种辅助加工的有效手段,已经在铸造领域应用并产生显著效果,但对以上永磁合金体系有何影响及其影响规律与机制还有待进一步研究与阐释。为此,本论文采用相场模拟的方法,围绕外磁场对Mn-Bi合金和Nd-Fe-B合金在凝固过程中微观组织演化的影响开展系列研究工作。首先,本论文针对Mn-Bi合金磁场凝固的制备工艺,研究了外加磁场对凝固包晶反应(Liquid+Mn_(1.08)Bi=MnBi)的影响。通过将外加磁场所引起的各个磁能项(塞曼能、磁晶各向异性能、退磁能)分别引入相场模型中,分别研究各磁能项对包晶反应过程中MnBi晶粒的影响,再将全部磁能项引入模型中得出外加磁场对MnBi晶粒生长的综合影响。研究结果表明,塞曼能可加快铁磁相MnBi晶粒的生长速度;磁晶各向异性能使MnBi晶粒内部的磁矩逐渐转向与易轴方向平行;退磁能可使MnBi晶粒沿外加磁场方向被拉长,晶粒由等轴球形变成长轴沿外磁场方向的橄榄形;外加磁场对包晶反应过程中MnBi晶粒的影响为上述效果的叠加。然后,采用相场法对Nd-Fe-B合金过冷熔体的凝固过程进行模拟,将磁能项引入体系自由能以及形核功,同时将实际快速凝固过程中可能出现的非晶相考虑在内,研究不同强度外磁场对Nd_(7.57)Fe_(88.65)B_(3.78)(at.%)合金凝固组织的影响。研究结果表明外磁场能有效细化组织晶粒,结合实验数据,可进一步推断外磁场下晶粒细化是由形核功ΔG降低和激活能Q减小两者共同作用的结果;外磁场会促进易轴方向与磁场方向接近的晶粒形核,使凝固组织中出现沿外加磁场方向的(00L)织构;对比不同温度下磁场对T_1、α-Fe和非晶相竞争生长的影响,发现磁场对非晶相的形成具有抑制作用。将相场模拟得出的组织形貌进行微磁学模拟,证明磁场对凝固组织的影响(晶粒细化、软磁相分布分散化、取向优化及非晶相体积减小等)有利于磁体矫顽力的提升。最后,针对纳米复合Nd_9Fe_(85)B_6合金的熔体快淬工艺,利用相场法模拟Nd_9Fe_(85)B_6熔体在400 K-600 K温度范围内连续冷却时组织的演化状态,研究初始液相中的有序小团簇、冷却速度以及外加磁场对凝固组织的影响。结果表明,Nd、Fe和B的成分接近于2:14:1的有序小团簇能使凝固组织中形成以T_1相为核、α-Fe相为壳的纳米复合核壳结构,该结构有利于Nd-Fe-B磁体的磁性能;随着冷却速度或外加磁场强度的增加,T_1晶粒的尺寸减小,α-Fe晶粒的形核数量以及体积分数增加;而过大的冷却速度或外加磁场强度将导致凝固组织中T_1相体积分数过小而使合金的磁性能较差。本研究通过相场法研究了外加磁场对Mn-Bi合金以及Nd-Fe-B合金组织演化的影响,从理论上对实验结果进行了解释,并在此基础上提出了新的发现,为实际制备工艺提供了理论支持。
【图文】：

图 1-1 稀土永磁材料的发展历程[2]Fig. 1-1 Development of permanent magnetic materials1.1.1 Nd-Fe-B 合金简介Sagawa 等[3]在 1983 年首次提出采用粉末冶金的方法制备高性能 Nd-Fe-B 磁体，并发现其硬磁性能的主要贡献者为 Nd2Fe14B 相。在 Nd-Fe-B 磁体中，硬磁相 Nd2Fe14B 通常被称为 T1相，又被称为主相，属于四角晶系，其晶体结构如图 1-2[4]所示。在居里温度 TC（约 585 K）以下时，T1相具有单轴各向异性，其 c 轴为易磁化轴。晶体结构中Nd 和 Fe 的 4f 与 3d 电子轨道磁矩与晶格场相互作用，加之晶格场的不对称性，导致Nd2Fe14B 相具有很强的各向异性场，其各向异性场强度为 6.7 T，室温下的各向异性参数 K1、K2分别为 4.2 MJ/m3、0.7 MJ/m3。晶格中的 Fe 原子磁矩决定了饱和磁化强度 MS其 MS值为 1.61 T。

图 1-2 Nd2Fe14B 相的晶体结构Fig. 1-2 Crystal structure of Nd2Fe14B前 Nd-Fe-B 磁体主要的制备工艺是烧结和粘结，两种制备工艺流程如图 1-铁硼是先通过熔炼甩带、氢爆和气流磨制备磁粉，然后将磁粉在压制成形结，随后进行热处理和表面处理的方法制备；粘结钕铁硼是在磁体粉末加料、橡胶等），通过注射成型、压缩成型等方法制备。目前，，各向异性钕大磁能积已经接近其理论极限值[5]，但其工艺繁杂，存在粉末冶金缺陷，成本较高；粘结钕铁硼因为非磁性粘接剂的加入以及工艺条件的受限使得于烧结钕铁硼，但粘结磁体尺寸精度高，可塑性强，加工性能好，也受到]。为适应永磁元器件微型化、轻薄化、复杂化的发展趋势，部分学者将目磁体的研究，采用快速凝固-热处理的简单工艺，即先通过快速凝固（如
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG132.27

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本文编号：2643530