近日，筆者走進包頭稀土研究院（以下簡稱“稀土院”）和中科院包頭稀土研發(fā)中心（以下簡稱“中科院”），探究使釹鐵硼材料煥發(fā)新生機的秘訣所在。

在稀土院，筆者近距離感受高熵合金靶材的制作過程，這是制作釹鐵硼鍍膜的第一步。只見研發(fā)人員將合金粉末篩分處理后，加入固定尺寸的模具中，裝入真空熱壓燒結爐。“研發(fā)人員正在進行的是高熵合金靶材壓制、燒結。該合金粉末就是高熵合金粉末，需經(jīng)特殊材質冶煉坩堝經(jīng)真空感應熔煉爐鑄錠，破碎而成。”稀土院高級工程師魯飛介紹道。

所謂高熵合金，是由五種或五種以上等量或大約等量金屬形成的合金。

據(jù)魯飛介紹，他們與中科院進行了高熵合金靶材體系設計，在高混合熵合金薄膜制備及應用技術方面開展了大量研究工作。研究發(fā)現(xiàn)，有些高熵合金的強度、硬度、耐腐蝕及抗氧化性能都優(yōu)于傳統(tǒng)的合金，它是一種突破傳統(tǒng)合金設計理念的多主元超級固溶體，是一種新的材料，作靶材很合適。

釹鐵硼磁體的

防腐技術亟需升級

釹鐵硼（NdFeB）永磁材料在稀土功能材料行業(yè)中占據(jù)較大市場份額，但其本身的一些不足，也制約著它的高端應用。

眾所周知，NdFeB磁體是由主相Nd2Fe14B、富硼相、富釹相組成的多相合金，加工工藝為粉末冶金成型，結構相對疏松，各相之間的電位差較大，服役過程中容易產(chǎn)生嚴重的晶間腐蝕，表面局部區(qū)域將產(chǎn)生成分和結構的破壞，影響磁體外形尺寸的完整性和磁學性能的穩(wěn)定性，降低磁體實際使用壽命。

近年來，通過關鍵裝備的引進吸收以及制備工藝的提升，我國以燒結NdFeB為代表的高端稀土永磁材料在磁性能方面已經(jīng)可以與日本產(chǎn)品媲美，“但在磁體耐候性上還存在較大差距，磁體表面防護新工藝、新鍍層、新鍍種的研發(fā)速度無法跟上稀土磁體應用技術的發(fā)展速度。對現(xiàn)有技術的改進、新技術的開發(fā)等研究工作既落后于國際先進水平，也落后于產(chǎn)業(yè)需求。”魯飛對此憂心忡忡。

由此可以看出，NdFeB的防腐蝕技術已經(jīng)成為制約我國稀土產(chǎn)業(yè)做優(yōu)做強的重要瓶頸。

目前，國內(nèi)常見的工業(yè)規(guī)模的NdFeB表面防護涂層制備方法為電鍍和化學鍍。“雖然這些方法能在一定程度上提高磁體的耐蝕性能，使磁體的耐鹽霧性能達到100小時左右，但其本身存在局限性。因為在采用這些方法制備NdFeB防護層的過程中，鍍液可能會殘留在NdFeB內(nèi)部且NdFeB可能發(fā)生吸氫反應，往往會降低產(chǎn)品的成品率，且污染較嚴重。”中科院力學所研究員夏原說道。

真空鍍膜技術作為一種環(huán)境友好技術，近年來在NdFeB磁體表面防護上的應用受到廣泛關注。經(jīng)研究，真空鍍膜的關鍵耗材是鋁基的高熵合金靶材。

隨著技術不斷進步和相關產(chǎn)業(yè)轉型升級，對鋁基合金濺射靶材需求量與日俱增，對靶材的純度、相對密度、組織性能控制及靶材組件整體品質等方面提出更高要求。

“這個就必須得通過關鍵共性技術突破，實現(xiàn)高性能NdFeB永磁材料真空鍍膜用靶材國產(chǎn)化，增強產(chǎn)業(yè)競爭力和發(fā)展自主權，保障下游產(chǎn)業(yè)快速、穩(wěn)定、健康發(fā)展。”魯飛說道。

高熵合金靶材

試制取得突破

5月，稀土院開發(fā)的高熵合金靶材通過鍍膜試驗驗證，滿足磁控濺射使用要求。項目申報專利5項，已授權2項，制定標準1項，發(fā)表學術論文1篇。

“選擇高熵合金，是因為高混合熵降低了系統(tǒng)的吉布斯自由能，增進組份間的相容性，抑制了金屬間化合物有序相的生成，促進簡單固溶體結構甚至非晶相的形成，和以往的合金不同，有多種金屬卻不會脆化。”魯飛說道。

據(jù)筆者了解，目前開發(fā)的高性能非晶態(tài)鋁錳（AlMn）鍍層，錳含量過高，合金脆性大，靶材成型困難，制造成本偏高，導致真空鍍膜在NdFeB表面防護領域推廣受限，需要進行AlMn基材料體系優(yōu)化設計，改善塊材加工性能。

為了優(yōu)化這一合金性能，稀土院開展了AlMn平面靶材制備。稀土院針對錳含量不同，采用不同工藝技術制備AlMn合金靶材。其中，低錳含量Al-Mn合金靶材主要采用真空熔煉、鑄錠板坯真空熱壓變形工藝制作。高錳含量Al-Mn合金靶材，通過真空熱壓燒結一次性得到高錳含量Al-Mn合金靶材坯體和Cu背板復合而成的Al-Mn合金靶材組件。

“工藝好了，但在濺射過程中，靶材也會出現(xiàn)問題，對此，我們做了大量科研攻關。”稀土院高級工程師李慧介紹道。

李慧說，對于高錳含量Al-Mn合金而言，隨著Mn含量的增加，Al-Mn金屬間化合物相增多，導致合金脆性較高，內(nèi)應力大，導致在濺射過程出現(xiàn)開裂問題，無法使用。

課題組分析認為，AlMn靶材濺射過程開裂一方面源于靶材內(nèi)部熱應力；另一方面源于靶材本征脆性所致。為此對AlMn靶材試樣進行了真空退火和粘接背板材料處理。

經(jīng)退火處理后，靶材濺射開裂問題得到改善，濺射使用1小時后，出現(xiàn)裂縫，但未整體開裂脫靶。粘接Al背板后，濺射使用2小時，靶材濺射面出現(xiàn)裂紋，濺射效果得到顯著改善。粘接Cu背板后，靶材濺射過程完好，沒有出現(xiàn)裂紋，可以達到使用要求。

“雖然粘接Cu背板后Al-Mn靶材濺射過程開裂問題得到解決，但所制備靶材在濺射使用過程中放氣嚴重。”李慧說道。

經(jīng)研究，初步判斷是由于所制備靶材致密度不高。課題組結合AlMn合金粉DSC曲線，通過調(diào)整熱壓工藝參數(shù)，提高了靶材坯體的組織致密性，所制備的Al-Mn靶材組件的相對密度可達99%以上。經(jīng)中科院力學所鍍膜試驗，靶材放氣現(xiàn)象得到顯著改善。

“對低錳含量鋁錳靶材鑄錠坯體進行真空熱壓變形處理得到高致密度靶材制品。該方法制備的鋁錳合金靶材相對密度在99%以上，內(nèi)部無孔隙，外部無裂紋，可以滿足真空鍍膜對高質量鋁錳靶材的需求。”魯飛激動地說。

磁控濺射

讓釹鐵硼的膜終成型

據(jù)魯飛回憶，2019年12月26日，他和李慧去中科泰磁涂層科技有限責任公司（以下簡稱“中科泰磁”）學習參觀，中科院力學所博士許億介紹中科泰磁磁體鍍膜生產(chǎn)線及現(xiàn)有磁體真空鍍膜防護涂層體系，雙方就該項目實施進度及互訪交流方式進行深入溝通。

“目前，產(chǎn)品的性能比較穩(wěn)定。2019年，公司總產(chǎn)值8.03萬元，解決就業(yè)11人。2020年開始融資擴股。”中科泰磁法人總經(jīng)理張延杰說道。

中科泰磁專注于釹鐵硼磁體表面高能脈沖磁控濺射（HiPIMS）技術的開發(fā)，以“燒結NdFeB磁鐵高強耐蝕稀土鍍層”為核心產(chǎn)品，形成手機、電機用NdFeB磁鐵耐蝕涂層、汽車模具用高溫涂層等系列產(chǎn)品成套設備和系統(tǒng)性解決方案。

“磁控濺射鍍膜過程是將欲沉積成薄膜的材料制成靶材，固定在濺射沉積系統(tǒng)的陰極上，待沉積薄膜的基片放在正對靶面的陽極上。在靶材表面建立與電場正交的磁場，使得二次電子電離出更多離子，提高濺射效率。”夏原介紹道。

然后用濺射系統(tǒng)抽至高真空后充入氬氣等，在陰極和陽極之間加載高壓，陰陽極之間會產(chǎn)生低壓輝光放電。放電產(chǎn)生的等離子體中，氬氣正離子在電場作用下向陰極移動，與靶材表面碰撞，受碰撞而從靶材表面濺射出的靶材原子稱為濺射原子，濺射原子的能量一般在一至幾十電子伏范圍，濺射原子在基片表面沉積而后成膜。

“我們將高能脈沖磁控濺射技術與等離子體反饋控制技術相結合，形成一種先進的成膜過程與質量調(diào)控技術，通過成膜過程中入射粒子能量與分布的有效操控，實現(xiàn)高膜基結合力、高品質、高均勻性薄膜的制備以及沉積速率的大幅提升。”夏原說道。

“下一步，無論從積極關注靶材在真空鍍膜沉積系統(tǒng)中的使用情況及靶材濺射使用過程中存在的問題，完善靶材制造技術，還是從靶材研究與真空鍍膜應用結合，靶材性能與涂層關聯(lián)度等方面，我們?nèi)孕枧c鍍膜應用單位緊密合作。”魯飛說。