纳米体系Sm-Co相图的构建与新型亚稳相高温永磁合金的设计

The Sm-Co type alloys are regarded as the preferential candidates for high-temperature permanent magnets with excellent performance. New findings have shown that at the same composition, the nanocrystalline and conventional polycrystalline Sm-Co alloys may have different phase constitution, phase stability and phase transformation characteristics, as well as distinctly different magnetic properties. Accordingly, we propose to establish the nanoscale Sm-Co phase diagram, in which new phase equilibrium may be revealed. Take advantage of thermodynamic modeling and experimental investigations, variation of phase equilibrium containing stable and/or metastable phase with composition, temperature and grain size level will be disclosed. Furthermore, according to the criterion for the stabilization of metastable phase in the nanoscale system, new-type nanocrystalline metastable-phase Sm-Co alloys will be designed and prepared, with high thermal stability and magnetocrystalline anisotropy. Assisted by the preparation technique for nanocrystalline bulk alloys with single or multiphase constitution and various grain size levels, the effect of phase equilibrium on high-temperature magnetic performance will be studied. The results of this project will provide significant basis and technical approach for developing advanced high-temperature permanent magnets.

Sm-Co型合金是目前已知的磁性材料中开发高性能高温永磁体的首选体系。基于最近发现的纳米晶Sm-Co合金可与同一成分的常规粗晶合金具有不同的相组成、相稳定性和相变特征，并相应具有显著不同的磁学特征和磁性能，本项目提出构建纳米体系的Sm-Co合金相图，获得由传统相图无法推知的纳米尺度下新的相平衡关系。结合纳米晶合金热力学建模计算和系列实验，揭示包含稳定相和/或亚稳相的多类相平衡随成分、温度和晶粒尺度的变化规律。进而，根据粗晶合金的亚稳相在纳米体系中的稳定化条件，设计和研制兼具高稳定性和强磁晶各向异性的新型纳米晶亚稳相Sm-Co永磁合金。依托由单相或多相构成、不同晶粒尺寸级别的纳米晶合金块体材料的可控制备技术，阐释包含尺度效应的相平衡关系对纳米晶亚稳相合金高温磁性能的调控机理。本项目研究结果将为新型高性能高温稀土永磁合金的研究开发提供关键的科学依据和技术途径。

目前，Sm-Co合金体系仍然是稀土磁性材料中开发高温下保持高性能的永磁合金的首选体系。已有研究表明，纳米组织的Sm-Co合金与同成分粗晶合金相比具有明显提高的磁性能。然而，对于纳米尺度的Sm-Co体系，多年来国内外一直缺乏完整的相平衡关系或相图的基础研究。另一方面，相对于传统Sm-Co相图中的热力学稳定相，亚稳相（如Sm5Co19、SmCo7等）具有高的居里温度和强的磁晶各向异性，但受限于制备技术，对其单相的形成条件、稳定性、相变特征及对室温和高温磁性能的影响研究很少。针对上述背景，本项目建立了纳米晶合金热力学模型，定量化描述纳米尺度下Sm、Co间交互作用；开发出纳米晶Sm-Co合金的创新制备技术，实现了相组成和晶粒尺寸可控；揭示了纳米Sm-Co体系的相稳定性和相变规律，提出了具有尺度效应的相平衡关系；发现了相稳定性对纳米晶Sm-Co合金磁性能的影响规律，阐明了其作用机制。本项目解决了两个方面的关键科学问题：获得了Sm-Co体系纳米尺度下含稳定相或亚稳相的各类相平衡关系，进而构建了纳米Sm-Co合金相图；发明了高稳定性的纳米晶亚稳相Sm-Co永磁合金的制备方法，并提出了其高温磁性能的调控机理。.本项目全面完成了申请书和计划书的研究任务，实现了预期研究目标。研究成果可为新型高性能高温永磁合金的成分与相结构设计提供定量化科学依据和关键技术途径，对通过基础研究产生源头创新的研究成果、增强我国在先进稀土材料领域的国际竞争力具有重要意义。项目执行期间，正式发表SCI论文13篇（其中影响因子>3.0论文9篇），被SCI刊源接受发表论文2篇，在国内外学术会议上做邀请报告10次；基于建立的热力学计算模型和纳米合金相图，授权软件著作权2项；围绕开发的核心技术，申报发明专利4项，授权2项；培养了青年学术人才3名、博士生2名、硕士生4名；举办了本项目相关的国际学术研讨会，在纳米晶合金稳定性控制领域开展了国际合作研究。