本发明涉及一种永磁真空波荡器(ivu)，尤其涉及一种ivu永磁体及其制备方法。
背景技术：
：永磁真空波荡器(ivu)是第三代同步辐射光源及自由电子激光装置的关键设备。自美国halbach教授提出永磁波荡器新概念磁结构以来，近三十多年，基于各种性能永磁波荡器占据同步辐射和自由电子激光波荡器的绝大多数。在众多永磁波荡器中，真空波荡器的比例较大，如同步辐射光源中永磁真空波荡器数量几乎达到70％以上；在自由电子激光领域真空波荡器数量也很多，且随时间推移呈现逐年增加趋势。数量众多的各种永磁真空波荡器在线运行为同步辐射用户的各种丰富多彩科学实验提供了有力的保障。追求高磁场是同步辐射光源及自由电子激光真空波荡器主要发展方向之一。随着社会技术的进步，用户对同步辐射光源及自由电子激光装置真空波荡器也提出了越来越高的要求。目前国内外在线运行的永磁真空波荡器的技术特点如下表1所示，主要包括以下几种类型：●钐钴真空波荡器其优点是波荡器磁场稳定，能耐较高温度烘烤，但磁场峰值偏低(工作点mr在1.05-1.10t之间)，同时由于钐钴永磁体磁结构的先天缺陷对真空波荡器磁场均匀性如相位误差、磁场积分等带来一定不利的影响，制约了用户的一些科学实验需求。目前国内外在线运行的ivu多数是钐钴真空波荡器。●钕铁硼真空波荡器其优点是磁场峰值相比钐钴有较大程度提高(一般约5-25％)，波荡器磁场均匀性也有所改善，缺点是钕铁硼经受长时间高温烘烤后容易产生大幅度退磁。钕铁硼是近几十年出现的新型永磁体，号称“磁王”，目前正处于技术不断进步的阶段。真空波荡器的钕铁硼的综合磁性能如能获得大幅度提升，有望取代部分cpmu。表1各种ivu(含cpmu)典型参数●钕(镨)铁硼低温永磁波荡器(cpmu)目前cpmu一般采用钕铁硼或镨铁硼永磁体作为磁场源。其优点是低温运行磁场峰值可获得大幅度提高(一般约8-30％)，永磁体耐辐射性能优良。但这几年研究经验表明，cpmu也有磁场均匀性不佳(一般情况磁场相位误差不如常规ivu)、故障较频繁、研制运行成本高等缺点。特殊设计的低温系统结构也对同步辐射光源或自由电子激光装置宝贵的直线节带来一定长度损失；需要研制复杂的低温磁测系统及低温冷却系统，价格较贵；而且cpmu为获得高磁场，一般采用常温hcj/hk不高的钕(镨)铁硼永磁体，不能适应高温长时间烘烤，cpmu真空罐内卫生差，长期加速器在线运行残余分子气体不断“漏出”，影响真空度改善。同时ivu磁极头的饱和效应，使cpmu深冷低温的磁场增加幅度和永磁体低温br增加幅度不成正比，造成br较大“浪费”。目前国内外已有若干台cpmu在线运行。目前提高永磁真空波荡器的性能，有以下三种研究方向：第一，设计研制综合磁性能更高的且稳定性良好的钐钴永磁体，但结合国内外公开的资料及从磁学原理考虑。目前这一方向只存在理论上可能性，现实几乎不存在可操作性。第二，利用钕(镨)铁硼低温负温度系数特征，设计研制低温永磁波荡器，同时持续改进永磁体综合磁性能。其技术特点前面已经有所阐述，这方面国内外一直在不断努力，也取得了不少成果。第三，设计研制综合磁性能更高的新型钕铁硼永磁体，这方面也如前所述，仅日本等极少数国家对此进行了大量的研究，并在持续的改进。从理论原理及技术可操作性出发，该方向也是值得进一步深入研究的。选择第三种研究方向设计研制磁性能更高的永磁体的情况下，目前国际上已经有少量钕铁硼真空波荡器在线运行，但现有的钕铁硼真空波荡器如下表2所示，或多或少存在一定的技术缺陷：表2国内外类似ivu钕铁硼永磁体的磁性能技术指标(1)德国的ivu用钕铁硼的hcj很高，达到2700ka/m，但br较低(工作点mr仅有1.14t左右)，和钐钴相比ivu磁场峰值增加的不是特别多。(2)日本ivu用钕铁硼的br较高达到1.25t以上(工作点mr达到1.20t左右)，但hcj特别是hk相对较低，预留的ivu高温烘烤“安全温度余量”不是特别大，给ivu调试时烘烤温度控制等带来一定的困难。(3)欧洲部分同步辐射光源ivu采用的新型gbd钕铁硼虽然br达到1.25t以上甚至更高，但gbd方法只在钕铁硼永磁体取向厚度较薄的情况有效果，并不适应所有厚度钕铁硼永磁体，这使应用范围受到限制，并且主要磁性能参数(br、hcj、hk等)等也并不具有优势。技术实现要素：本发明目的是提供一种ivu钕铁硼永磁体的制备方法，使采用该钕铁硼永磁体作为磁场源的ivu具有较高磁场峰值，更耐高温，磁场一致性高，且研制运行性价比高。本发明基于以下方向来研制ivu钕铁硼永磁体：在研制具有极高内禀矫顽力hcj/hk和较高剩磁br的钕铁硼永磁体的同时，适当控制温度系数(主要是hcj的温度系数)，这样高温烘烤时即便hcj/hk有大幅度下降，但安全工作点和hcj/hk值的余量仍然是足够的，同时也可以预留较大ivu高温烘烤“温度阀值范围”，以实现耐高温的效果，使其符合更为广泛的高端应用需要。本发明提供了一种ivu钕铁硼永磁铁，其特征在于，其由质量百分比以nd24.5-atb6.0-bdybfe66.28+a+c-gco1.5-cnb0.2-dzrdal0.3-e-fga0.1+ecu0.12+fb1.0+g表示的合金组成，其中，a＝0～0.2；b＝0～0.5；c＝0～0.2；d＝0～0.2；e＝0～0.05；f＝0～0.05；g＝0～0.05。所述钕铁硼永磁铁是nd24.5tb6.0co1.5fe66.28nb0.2al0.3ga0.1cu0.12b1.0，或nd24.5tb6.0co1.5fe66.28nb0.12zr0.08al0.3ga0.1cu0.12b1.0。所述钕铁硼永磁体表面镀有tin镀层，该镀层厚度为4-7μm。进一步地，本发明还提供了一种ivu钕铁硼永磁铁的制备方法，该方法包括：(1)按照由质量百分比以nd24.5-atb6.0-bdybfe66.28+a+c-gco1.5-cnb0.2-dzrdal0.3-e-fga0.1+ecu0.12+fb1.0+g表示的合金组成进行配料并制得合金粉末，其中，a＝0～0.2；b＝0～0.5；c＝0～0.2；d＝0～0.2；e＝0～0.05；f＝0～0.05；g＝0～0.05；(2)将合金粉末压制成型以制得永磁铁生坯；(3)对永磁铁生坯烧结回火以制得永磁铁熟坯；(4)对永磁铁熟坯机械加工以制得钕铁硼永磁铁。所述步骤(1)包括在配料后通过速凝甩带工艺制得速凝片，然后通过氢爆与气流磨工艺制得合金粉末。所述步骤(2)包括采用压力方向与磁场方向垂直的横向垂直压制方式进行取向压制成型。所述步骤(3)包括在1050-1070℃烧结，在460-520℃回火；或在1050-1060℃烧结，在880-900℃进行一级回火，以及在460-520℃进行二级回火。所述步骤(4)包括通过六面均匀去皮进行切割加工，并且加工面与磁场方向垂直或平行。所述的ivu钕铁硼永磁铁的制备方法进一步包括步骤(5)：采用tin镀层对钕铁硼永磁铁进行密封。所述的ivu钕铁硼永磁铁的制备方法进一步包括步骤(6)：采用145-155℃高温老化方式对钕铁硼永磁铁进行稳定化处理。所述步骤(6)中，高温老化的处理时间为2-24小时。所述步骤(1)-(3)在低氧环境下进行。本发明的ivu钕铁硼永磁体的有益效果如下：1)基于本发明的钕铁硼永磁体ivu可获得较高磁场峰值。常规真空波荡器用钐钴常温工作点mr在1.05-1.10t之间，本发明的钕铁硼永磁体常温工作点mr达到1.22t以上。相对高mr为真空波荡器磁场峰值的大幅度提高提供了空间。且因无磁极头饱和效应等因素，钕铁硼mr增加对真空波荡器(ivu)磁场峰值提高贡献是“实实在在的”。2)ivu钕铁硼永磁体更耐高温。本发明的ivu钕铁硼永磁体常温hk达2300ka/m以上,在hk变动不大甚至更高的情况下，适当控制hcj的温度系数在较低水平，此外,结合本发明的ivu钕铁硼永磁体具有的金属陶瓷tin镀层，使本发明的永磁体更耐高温，从而使采用本发明钕铁硼永磁体制造的ivu获得超高真空环境。3)ivu钕铁硼永磁体可获得较好磁场一致性。相比于现有的钐钴永磁体，本发明的ivu钕铁硼永磁体高温烘烤退磁同步性获得明显改善。退磁幅度的大幅度降低对ivu磁场垫补后磁场相位误差及积分场的改善十分有利。4)该钕铁硼永磁体的制备及基于该永磁体的ivu研制运行成本低，具有良好的性价比。本发明的钕铁硼永磁体不采用成本较高的晶界扩散方法，永磁体制备本身综合成本优于一般晶界扩散制备的钕铁硼。此外，由于本发明的钕铁硼永磁体更耐高温烘烤，可用于制作高性能的ivu以代替具有类似性能的cpmu。相对于cpmu，基于本发明的钕铁硼永磁体制造的ivu，其设计研制、磁场测量、在线运行不需要研制昂贵的低温系统及磁场测量系统，且在加速器上在线运行管理相对简单，具有良好的性价比优势。附图说明图1为10件本发明的ivu钕铁硼永磁体和10件同尺寸规格高性能钐钴永磁体经过100-200℃/24小时烘烤的工作点磁化强度(mr)平均值变化趋势图。图2为10件本发明的ivu钕铁硼永磁体和10件同尺寸规格高性能钐钴永磁体经过100-200℃/24小时烘烤的工作点磁化强度(mr)不可逆退磁的比率变化趋势图。图3为10件本发明的ivu钕铁硼永磁体经过100-200℃/24小时烘烤的永磁体样件之间工作点(mr)退磁同步一致性即离散性情况图。图4为10件本发明的ivu钕铁硼永磁体和10件同尺寸规格高性能钐钴永磁体经过100℃/24小时和120℃/24小时两次高温烘烤后工作点磁化强度(mr)的稳定性情况图。图5为10件本发明的ivu钕铁硼永磁体和10件同尺寸规格高性能钐钴永磁体分别经过100℃/24小时和120℃/24h高温烘烤后不可逆退磁一致性情况图。具体实施方式本发明提供了一种ivu钕铁硼永磁铁及其制备方法，该ivu钕铁硼永磁铁的制备方法包括如下步骤：(1)根据合金组成进行配料并制得合金粉末按高br和高hci原则设计合金组成，并尽可能提高材料居里温度，具体如下：i.采用单合金方法以确保磁性相结构的均匀性；ii.根据永磁铁的各元素含量对磁性相与非磁性相等进行精确计算，得到剩磁br理论值为1.26t；iii.根据表3所示的典型r2fe14b相內禀磁特性，说明nd元素可以提高材料居里温度，因此使用纯nd元素；表3典型r2fe14b相內禀磁特性磁性相种类js(kgs)ha(koe)密度(g/cm3)tc(℃)pr2fe14b15.6757.54292nd2fe14b16.0737.60312tb2fe14b7.02207.96347dy2fe14b7.11508.05325iv.优化元素tb、dy含量，使得tb与dy质量百分比由原来的2.5-3.5％、2.5-4.0％优化至5.5-6.0％、0-0.5％，以保证产品具有高hcj的同时具有高br；v.永磁铁中添加适量co元素以显著提高材料居里温度；vi.永磁铁中添加微量al、nb、cu、ga等元素，抑制磁体晶粒长大的同时，使晶界富稀土相分布更连续，易于制备高hcj、低温度系数的永磁材料。理论计算结果表明，以nd24.5-atb6.0-bdybfe66.28+a+c-gco1.5-cnb0.2-dzrdal0.3-e-fga0.1+ecu0.12+fb1.0+g表示的合金组成可以在降低成本的同时提高hcj、br和材料居里温度，其效果是使材料较耐高温，在高温下依旧保留较高的hcj、br。其中，a＝0～0.2；b＝0～0.5；c＝0～0.2；d＝0～0.2；e＝0～0.05；f＝0～0.05；g＝0～0.05。在此范围内，本发明具体采用的两个ivu钕铁硼永磁铁实施例成分为：a、nd24.5tb6.0co1.5fe66.28nb0.2al0.3ga0.1cu0.12b1.0b、nd24.5tb6.0co1.5fe66.28nb0.12zr0.08al0.3ga0.1cu0.12b1.0按照上述合金组成进行配料之后，将原料用速凝甩带工艺制成速凝薄片，保证速凝片成分精准及微观结构均匀，以提高磁场对称性；然后通过氢爆工艺进行粗破碎，再经气流磨工艺细磨，将合金粉末颗粒的合金粉末粒度分布呈较为规则正态分布，合金粉末平均粒度(smd)为3.0-3.5μm(3.2μm)，且粒度分布更为集中,以提高本发明的钕铁硼永磁体的方形度；粉末松装密度控制在1.8-2.5g/cm3，以减小合金粉末松装密度，提高合金粉末填装均匀性，从而提高磁场均匀性。并向其中添加质量百分比为0.025％的硬脂酸锌润滑剂，均匀混合备用。(2)将合金粉末压制成型以制得永磁铁生坯将合金粉末放入惰性气体保护的低氧成型压机，在取向磁场强度≥2t的磁场下取向压制成型为密度为3.5-4.0g/cm3的取向成型生坯。其中压力方向垂直于磁场方向，并使生坯严格处于电磁铁好场区中心，确保磁场方向两侧磁力线密度相等，以便后续机械加工，并实现较高的取向度。通过磁场模拟计算及试验表明，生坯压制过程中，模腔上下端口(即压制方向)磁力线分布紊乱，导致磁体压制方向两端与中心部位取向度差别较大，导致磁体边角部位与中心取向度偏差较大，易产生较大磁偏角。对此设计合适的取向成型熟坯尺寸(范围为50-75mm(模具方向)×25-35mm(压制方向)×20-55mm(磁场取向方向))，例如本发明优选取向成型熟坯尺寸51.5mm(模具方向)×36mm(压制方向)×40.5mm(磁场取向方向)，保证磁体压制方向两端、磁体边角部位与中心磁场取向度≤1％，从而减小磁化偏角。由于采用惰性气体保护的低氧工艺，可确保烧结钕铁硼永磁铁中的氧含量较低，这提高了永磁铁的综合磁性能。此外，在生坯压制成型之后，通常还需进行冷等静压处理，得到密度为4.5-5.0g/cm3的冷等静压生坯。(3)对永磁铁生坯烧结回火以制得永磁铁熟坯为将晶粒控制在较小尺寸范围以获得较高内禀矫顽力hcj，本发明采用低温烧结与回火工艺。压制成型后将生坯在1020-1070℃下真空烧结4-5h，再经460-520℃进行二级热处理4-5h；或在1050-1060℃烧结，在880-900℃进行一级回火，以及在460-520℃进行二级回火，制得永磁铁熟坯。取向压制形成的生坯经过烧结回火后形成熟坯，以减小取向成型时永磁体的磁场取向紊乱区域，从而减小磁化偏角。此外，1020-1070℃下4-5h以及460-520℃下4-5h的低温烧结与回火，防止磁体晶粒异常长大，保证液相烧结过程中均匀收缩，实现了较高的取向度。(4)对永磁铁熟坯机械加工以制得钕铁硼永磁铁将永磁铁熟坯进行机械加工，六面均匀去皮，减小磁场取向紊乱区域，以确保永磁铁有良好的n/s极磁场对称性、较小磁化偏角、良好微观均匀性。熟坯机械加工过程中加强基准面控制，保证加工面与磁场方向夹角为90°或180°，从而减小磁化偏角，提高磁场对称性，实现高均匀性。此外，一件永磁铁熟坯可以通过机械加工在磁场取向方向上按寄数规则切割成1件或3件或5件或7成品永磁体，以实现较高的磁场对称性及较小的磁化偏角。(5)采用tin镀层并老化对上述钕铁硼永磁体表面经450-470℃/3-5小时镀金属陶瓷tin镀层(厚4-7μm)，尺寸外观检验后饱和磁化,然后在半开路及空载条件下经过145-155℃/2-24小时天高温老化处理(即所有永磁体元件稳定化处理时，它们的n或s极全部朝一个方向放置)。优选地，该ivu钕铁硼永磁铁的制备方法采用低氧串接工艺，步骤(1)-(3)均在低氧环境下进行，严格控制合金粉末储存、磁场成型、生坯转运与入炉过程中的氧含量，使最终磁体氧含量≤800ppm，防止表面或局部氧化带来的磁性能不均匀性。上述步骤中，本发明通过减小粉末颗粒平均大小和粉末松装密度，以及二级热处理工艺，以获得较高取向度。此外，本发明通过(1)设计设计合适熟坯尺寸以保证磁体压制方向两端、磁体边角部位与中心磁场取向度≤1％，(2)对取向压制形成的生坯进行高温热处理以减小磁场取向紊乱区域，(3)对熟坯六面均匀去皮以减小磁场取向紊乱区域,(4)在对熟坯机械加工过程中加强基准面控制，保证加工基面与易磁化方向夹角为90°或180°，使得本发明的ivu钕铁硼永磁体具有小磁化偏角。此外，本发明还通过(1)使合金粉末粒度分布呈较为规则正态分布，合金粉末粒度(smd)为3-3.5μm(平均3.2μm)，且粒度分布更为集中(2)采用低氧串接工艺，严格控制合金粉末储存、磁场成型、生坯转运与入炉过程中的氧含量，使最终磁体氧含量≤800ppm，防止表面或局部氧化带来的磁性能不均匀性；(3)取向成型过程中使取向磁场强度≥2t，同时尽可能减小合金粉末松装密度，提高合金粉末填装均匀性；(4)采用低温烧结工艺，防止磁体晶粒异常长大，保证液相烧结过程中均匀收缩；(5)对熟坯机械六面均匀去皮，减小磁场取向紊乱区域与表面磁性能一致性较大区域，使得本发明的ivu钕铁硼永磁体具有较好的磁场对称性及较小的磁化偏角。由此，通过上述步骤(1)-(5)，本发明的ivu钕铁硼永磁体实现了较高取向度、小磁化偏角以及较好的磁场对称性，从而达到了高均匀性的特征，提高了永磁体空间磁场品质。测量结果通过本发明方法制备了两种ivu钕铁硼永磁铁：a、nd24.5tb6.0co1.5fe66.28nb0.2al0.3ga0.1cu0.12b1.0，这种ivu钕铁硼永磁铁的常温br为1.254t,hcj及hk分别为2754ka/m、2361ka/m。b、nd24.5tb6.0co1.5fe66.28nb0.12zr0.08al0.3ga0.1cu0.12b1.0，这种ivu钕铁硼永磁铁的常温br为1.257t,hcj及hk分别为2571ka/m、2355ka/m。将上述的钕铁硼永磁体元件作为磁场源安装组成真空波荡器永磁体阵列，软铁采用高饱和钴钒铁元件，并和同尺寸规格高性能钐钴永磁体(由杭州永磁集团有限公司生产并提供的国产30h型号的钐钴永磁体的mr达到1.05t,hk达到1800ka/m以上)进行综合技术对比，测量结果如图1-图5所示。图1-图2分别示出了10件本发明的ivu钕铁硼永磁体和10件同尺寸规格高性能钐钴永磁体经过100-200℃/24小时高温halbach磁路烘烤的测量结果，其中图1示出了工作点磁化强度(mr)平均值变化趋势，图2示出了工作点磁化强度(mr)不可逆退磁的比率变化趋势。图1表明本发明的ivu钕铁硼永磁体直到140℃高温烘烤后，平均总磁矩mr才有一定的下降，图2表明本发明的ivu钕铁硼永磁体直到150℃高温烘烤后，工作点磁化强度mr不可逆退磁的比率才大于钐钴永磁体。图3示出了10件本发明的ivu钕铁硼永磁体经过100-200℃/24小时烘烤的永磁体样件之间工作点(mr)退磁同步一致性即离散性情况。从图3中可以看到，10件本发明的ivu钕铁硼永磁体经过高温烘烤后工作点磁化强度mr值退磁同步一致性即离散性在不同温度段差异较大：20℃/24小时以下温度，离散性极小；120-140℃/24小时温度范围，离散性稍微有点恶化，但仍然不是特别大；140-200℃/24小时温度范围，离散性大幅度恶化。这说明本发明制备的钕铁硼永磁体在ivu领域工作温度上限一般不宜超过140℃。图4示出了10件本发明的ivu钕铁硼永磁体和10件同尺寸规格高性能钐钴永磁体经过100℃/24小时和120℃/24小时两次高温烘烤后工作点磁化强度的稳定性情况，从图中可以看到，二次高温后本发明的ivu钕铁硼永磁体的mr的差值数值基本在10gs左右，这种差值主要是由测量误差造成的(用于工作点磁化强度测量的亥姆霍兹线圈的测量精度为0.1％)；这个图说明，经过高温烘烤，工作点磁化强度大幅度不可逆退磁主要集中在第一天开始某个特定时间段，1天以后维持高温状态情况下，工作点磁化强度总体上没有明显退磁。图5示出了10件本发明的ivu钕铁硼永磁体和10件同尺寸规格高性能钐钴永磁体分别经过100℃/24小时和120℃/24h高温烘烤后不可逆退磁一致性情况。从图中可以看到，在ivu工作温度120℃烘烤，10件本发明的ivu钕铁硼永磁体平均退磁率为0.19％左右，一致性良好(0.07-0.50％)；10件同尺寸规格高性能钐钴永磁体平均退磁率为0.84％左右，一致性一般(0.45-1.29％)。这说明本发明制备的ivu钕铁硼永磁体工作点mr不可逆退磁的比率一致性即离散性明显优于钐钴永磁体，不可逆退磁的幅度也远小于钐钴永磁体。以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。当前第1页12