中国粉体网讯 杭州电子科技大学张雪峰老师课题组提出两步晶界扩散工艺，利用镝与铽之间的竞争晶格扩散效应，大幅降低稀缺铽元素的用量。
结钕铁硼永磁凭借优异磁性能，是电机轻量化、小型化不可或缺的关键材料。但高温工况下磁体矫顽力会发生显著衰减，这是长期存在的工程痛点。传统做法是在合金中直接添加镝（Dy）、铽（Tb）等重稀土来提升矫顽力，代价却同样明显：重稀土资源稀缺、价格昂贵，且与铁存在反铁磁耦合，会带来剩磁损失。
晶界扩散工艺（GBD）改变了思路——它只在晶粒表层形成高磁晶各向异性的富重稀土壳层，在维持高剩磁的同时提升矫顽力，如今已是主流的改性手段。不过现有单铽源扩散仍不理想：铽容易大量富集在磁体表层，向内的扩散深度有限，要达到目标矫顽力依旧需要较高的铽添加量。
问题出在迁移路径上。重稀土在钕铁硼中存在晶界扩散与晶格扩散两条通道，晶格扩散会让重稀土白白消耗在晶粒表层内部，造成浪费。此前已有研究利用镧、铈等轻稀土调控铽的扩散行为，但镝与铽之间的竞争晶格扩散效应，尚未被系统研究。
杭州电子科技大学材料与环境工程学院的张雪峰课题组提出了一个新工艺，两步晶界扩散，第一步先做镝扩散，第二步再做铽扩散，利用Dy与Tb的竞争晶格扩散效应后，完整的梯度核-壳结构被构建了出来而且重稀土用量很少。
机理拆解：富镝壳层如何"逼"铽向内走
两步扩散的核心机制，在于第一步形成的富镝壳层。第一性原理计算证实，在Dy₂Fe₁₄B晶格中，Tb置换Dy存在正置换能垒——也就是说，从热力学上看，铽很难进入富镝的晶粒内部。
这道"能量壁垒"抑制了铽向晶粒内部发生无效晶格扩散，迫使铽更多沿着晶界通道向磁体深部迁移，进而在更深位置形成连续富铽壳层，构建出多层梯度核壳结构。
实验结果证实了这个判断，在离表面50μm的地方形成了富镝壳，铽主要分布在三角晶界的位置，而在150μm深的地方，形成了Dy/Tb一起富集的梯度核壳RE₂Fe₁₄B结构。EPMA元素面分布、STEM高分辨观察和原位洛伦兹透射电镜，从微观尺度完整地还原了重稀土是怎么迁移演化的。
数据佐证：0.18% 铽撬动超 10 kOe 矫顽力提升
性能提升非常直观。两步扩散工艺只加了0.15wt%镝和0.18wt%铽，磁体的矫顽力就从12.56kOe提到了22.82kOe，涨了超过10kOe，要是用传统的单步铽扩散，想达到同样的效果，得用大约0.65wt%的铽这样一来，稀缺的铽用量就省下了很多。与此同时剩磁的最大衰减不到2%，矫顽力的温度稳定性也变好了，而且这个工艺还能用在厚度6mm的比较厚的磁体上。
矫顽力提升的根源在于多层梯度核壳结构带来了多重各向异性界面，这种梯度结构会产生比较强的畴壁钉扎作用，能有效阻碍反磁畴的形核和扩张，相场模拟也复现了实验结果富镝壳阻碍铽晶格扩散、引导铽沿晶界向内输运的过程，和实验观测是一致的。
横向对比已报道的各类重稀土扩散合金化工艺，该两步扩散方案在铽利用效率上处于领先水平，优于绝大多数晶界扩散方案。其意义不止于一个具体配方——它用"元素竞争"这一思路，为重稀土复合晶界扩散源的设计提供了理论支撑，为开发低重稀土、高性能、绿色化的烧结钕铁硼磁体开辟了可行路径。
来源：
Rui Chang, Fang Wang.Minimal Dy/Tb competitive lattice diffusion engineering for ultrahigh-coercivity sintered NdFeB magnets
