【摘要】：永磁合金能夠提供穩(wěn)定持久的磁通量并實(shí)現(xiàn)電信號(hào)轉(zhuǎn)換、電能與機(jī)械能傳遞等功能,是現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)不可缺少的一種重要的基礎(chǔ)功能材料,在能源、交通、機(jī)械、電子、醫(yī)療、國(guó)防等眾多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。目前,最具有代表性的永磁合金是釹鐵硼(Nd-Fe-B)體系,通常采用燒結(jié)或粘結(jié)的方法制備,昂貴的稀土元素以及復(fù)雜的工藝流程使得磁體的成本較高。為了降低生產(chǎn)成本,研究和開(kāi)發(fā)無(wú)稀土高性能新型永磁合金(如Mn-Bi合金),或采用直接鑄造的工藝來(lái)制備N(xiāo)d-Fe-B磁體乃至軟硬磁納米復(fù)合磁體,成為近期的研究熱點(diǎn)。材料的磁性能與其微觀(guān)組織密切相關(guān),為進(jìn)一步提高以上永磁合金的磁性能,有必要通過(guò)工藝手段對(duì)其顯微組織進(jìn)行調(diào)控和優(yōu)化。外磁場(chǎng)作為一種輔助加工的有效手段,已經(jīng)在鑄造領(lǐng)域應(yīng)用并產(chǎn)生顯著效果,但對(duì)以上永磁合金體系有何影響及其影響規(guī)律與機(jī)制還有待進(jìn)一步研究與闡釋。為此,本論文采用相場(chǎng)模擬的方法,圍繞外磁場(chǎng)對(duì)Mn-Bi合金和Nd-Fe-B合金在凝固過(guò)程中微觀(guān)組織演化的影響開(kāi)展系列研究工作。首先,本論文針對(duì)Mn-Bi合金磁場(chǎng)凝固的制備工藝,研究了外加磁場(chǎng)對(duì)凝固包晶反應(yīng)(Liquid+Mn_(1.08)Bi=MnBi)的影響。通過(guò)將外加磁場(chǎng)所引起的各個(gè)磁能項(xiàng)(塞曼能、磁晶各向異性能、退磁能)分別引入相場(chǎng)模型中,分別研究各磁能項(xiàng)對(duì)包晶反應(yīng)過(guò)程中MnBi晶粒的影響,再將全部磁能項(xiàng)引入模型中得出外加磁場(chǎng)對(duì)MnBi晶粒生長(zhǎng)的綜合影響。研究結(jié)果表明,塞曼能可加快鐵磁相MnBi晶粒的生長(zhǎng)速度;磁晶各向異性能使MnBi晶粒內(nèi)部的磁矩逐漸轉(zhuǎn)向與易軸方向平行;退磁能可使MnBi晶粒沿外加磁場(chǎng)方向被拉長(zhǎng),晶粒由等軸球形變成長(zhǎng)軸沿外磁場(chǎng)方向的橄欖形;外加磁場(chǎng)對(duì)包晶反應(yīng)過(guò)程中MnBi晶粒的影響為上述效果的疊加。然后,采用相場(chǎng)法對(duì)Nd-Fe-B合金過(guò)冷熔體的凝固過(guò)程進(jìn)行模擬,將磁能項(xiàng)引入體系自由能以及形核功,同時(shí)將實(shí)際快速凝固過(guò)程中可能出現(xiàn)的非晶相考慮在內(nèi),研究不同強(qiáng)度外磁場(chǎng)對(duì)Nd_(7.57)Fe_(88.65)B_(3.78)(at.%)合金凝固組織的影響。研究結(jié)果表明外磁場(chǎng)能有效細(xì)化組織晶粒,結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),可進(jìn)一步推斷外磁場(chǎng)下晶粒細(xì)化是由形核功ΔG降低和激活能Q減小兩者共同作用的結(jié)果;外磁場(chǎng)會(huì)促進(jìn)易軸方向與磁場(chǎng)方向接近的晶粒形核,使凝固組織中出現(xiàn)沿外加磁場(chǎng)方向的(00L)織構(gòu);對(duì)比不同溫度下磁場(chǎng)對(duì)T_1、α-Fe和非晶相競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)的影響,發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)對(duì)非晶相的形成具有抑制作用。將相場(chǎng)模擬得出的組織形貌進(jìn)行微磁學(xué)模擬,證明磁場(chǎng)對(duì)凝固組織的影響(晶粒細(xì)化、軟磁相分布分散化、取向優(yōu)化及非晶相體積減小等)有利于磁體矯頑力的提升。最后,針對(duì)納米復(fù)合Nd_9Fe_(85)B_6合金的熔體快淬工藝,利用相場(chǎng)法模擬Nd_9Fe_(85)B_6熔體在400 K-600 K溫度范圍內(nèi)連續(xù)冷卻時(shí)組織的演化狀態(tài),研究初始液相中的有序小團(tuán)簇、冷卻速度以及外加磁場(chǎng)對(duì)凝固組織的影響。結(jié)果表明,Nd、Fe和B的成分接近于2:14:1的有序小團(tuán)簇能使凝固組織中形成以T_1相為核、α-Fe相為殼的納米復(fù)合核殼結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)有利于Nd-Fe-B磁體的磁性能;隨著冷卻速度或外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加,T_1晶粒的尺寸減小,α-Fe晶粒的形核數(shù)量以及體積分?jǐn)?shù)增加;而過(guò)大的冷卻速度或外加磁場(chǎng)強(qiáng)度將導(dǎo)致凝固組織中T_1相體積分?jǐn)?shù)過(guò)小而使合金的磁性能較差。本研究通過(guò)相場(chǎng)法研究了外加磁場(chǎng)對(duì)Mn-Bi合金以及Nd-Fe-B合金組織演化的影響,從理論上對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了解釋,并在此基礎(chǔ)上提出了新的發(fā)現(xiàn),為實(shí)際制備工藝提供了理論支持。
【圖文】：

圖 1-1 稀土永磁材料的發(fā)展歷程[2]Fig. 1-1 Development of permanent magnetic materials1.1.1 Nd-Fe-B 合金簡(jiǎn)介Sagawa 等[3]在 1983 年首次提出采用粉末冶金的方法制備高性能 Nd-Fe-B 磁體，并發(fā)現(xiàn)其硬磁性能的主要貢獻(xiàn)者為 Nd2Fe14B 相。在 Nd-Fe-B 磁體中，硬磁相 Nd2Fe14B 通常被稱(chēng)為 T1相，又被稱(chēng)為主相，屬于四角晶系，其晶體結(jié)構(gòu)如圖 1-2[4]所示。在居里溫度 TC（約 585 K）以下時(shí)，T1相具有單軸各向異性，其 c 軸為易磁化軸。晶體結(jié)構(gòu)中Nd 和 Fe 的 4f 與 3d 電子軌道磁矩與晶格場(chǎng)相互作用，加之晶格場(chǎng)的不對(duì)稱(chēng)性，導(dǎo)致Nd2Fe14B 相具有很強(qiáng)的各向異性場(chǎng)，其各向異性場(chǎng)強(qiáng)度為 6.7 T，室溫下的各向異性參數(shù) K1、K2分別為 4.2 MJ/m3、0.7 MJ/m3。晶格中的 Fe 原子磁矩決定了飽和磁化強(qiáng)度 MS其 MS值為 1.61 T。

圖 1-2 Nd2Fe14B 相的晶體結(jié)構(gòu)Fig. 1-2 Crystal structure of Nd2Fe14B前 Nd-Fe-B 磁體主要的制備工藝是燒結(jié)和粘結(jié)，兩種制備工藝流程如圖 1-鐵硼是先通過(guò)熔煉甩帶、氫爆和氣流磨制備磁粉，然后將磁粉在壓制成形結(jié)，隨后進(jìn)行熱處理和表面處理的方法制備；粘結(jié)釹鐵硼是在磁體粉末加料、橡膠等），通過(guò)注射成型、壓縮成型等方法制備。目前，，各向異性釹大磁能積已經(jīng)接近其理論極限值[5]，但其工藝繁雜，存在粉末冶金缺陷，成本較高；粘結(jié)釹鐵硼因?yàn)榉谴判哉辰觿┑募尤胍约肮に嚄l件的受限使得于燒結(jié)釹鐵硼，但粘結(jié)磁體尺寸精度高，可塑性強(qiáng)，加工性能好，也受到]。為適應(yīng)永磁元器件微型化、輕薄化、復(fù)雜化的發(fā)展趨勢(shì)，部分學(xué)者將目磁體的研究，采用快速凝固-熱處理的簡(jiǎn)單工藝，即先通過(guò)快速凝固（如
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TG132.27

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本文編號(hào)：2643530