[发明专利]一种纯τ相MnAl基硬磁合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及功能材料领域中的硬磁材料，尤其是涉及一种纯τ相MnAl基硬磁合金及其制备方法。

背景技术

永磁材料广泛应用于磁悬浮、医药设备及电动汽车、风力发电的马达系统等。随着新能源和电动汽车的发展，对高性能永磁材料的需求越来越大。目前大量应用的永磁材料主要包括铁氧体和稀土永磁。其中1/3为Ba或Sr六角铁氧体，其最大磁能积低于5MGOe，但成本相对较低，另外2/3是以稀土为基的稀土永磁材料包括SmCo5、Sm2(Fe,Cu,Zr,Co…)17(2:17)和Nd-Fe-B等，性能很高，成本也很高，其中Nd-Fe-B材料的磁性积已达到接近60MGOe的理论值。但由于稀土资源有限性和使用成本(尤其是需要添加重稀土提高矫顽力)的大幅度提高，开发无稀土类高性能永磁材料越来越成为世界各国磁性材料研究的重要方向之一。

L10有序MnAl(也称为τ相MnAl)合金具有高的磁各向异性(10⁷erg/cc)、较高的矫顽力(可达4kOe以上)、低的密度(理论密度5.2g/cm3，远低于Nd-Fe-B的7.55g/cm3)，尤其具有低的成本、良好的机械加工性能，是一种非常有潜在应用价值的新型高性能无稀土永磁材料。理论计算表明Mn₅₀Al₅₀材料饱和磁化强度可达到161emu/g,相对应的理论最大磁能为28MGOe。从应用的角度看，虽然MnAl的理论磁能积与稀土类永磁相比有一定差距，但远好于铁氧体、铝镍钴和Fe-Cr-Co等磁性材料，可以填补铁氧体和高性能稀土永磁体之间中档磁体的空隙。

近年来，美、日和欧盟等发达国家已经对此进行了不少的研究工作。2011年美国能源部先进研究计划署拨款2千多万美元用于支持无稀土永磁材料与技术的开发研究。近期，以美国Alabama大学为主的研究人员联合美国、日本和德国的十多所大学、研究机构及公司正在开展高性能无稀土Mn基永磁材料(MnAl、MnAl合金)的开发工作，其初步目标是开发出磁能积大于25MGOe、矫顽力大于15kOe的Mn基永磁材料，最终目标是开发出与NdFeB永磁体性能相媲美的Mn基永磁材料。我国的北京大学、中科院半导体研究所、北京科技大学、中国计量大学、华南理工大学、同济大学等相关单位也在从事MnAl永磁材料的相关研究，并取得了一定的成果。然而由于L10有序MnAl相是亚稳相，纯相制备困难，所获得MnAl合金的永磁性能不高，其饱和磁化强度与理论预测值尚有很大的差距。

因此，MnAl合金要在永磁材料方面应用，首先必须要解决在结构上完全实现L10有序化转变的问题。从Mn-Al合金相图可知道，L10有序的τ相是MnAl合金中唯一的铁磁相，其成分范围为Mn含量在50～59at.％之间。通常是从高温的ε相通过冷却或者等温退火而获得，传统制备工艺很难直接制备L10有序MnAl相。通过文献分析发现，目前对MnAl合金L10有序化转变的研究主要集中在采用不同的制备方法上，获得的τ相MnAl合金中或多或少含有一些非磁性相如ε相、β相、γ₂相等，且对L10有序化相变的机理认识不足。

综上所述，结构上完全实现L10有序化转变与性能上实现高磁化强度是密不可分的。如何找到之间的平衡点，即以尽可能实现优异、稳定的综合硬磁性能为前提，简化制备MnAl硬磁材料的工艺，是当前MnAl硬磁合金材料研究中亟待解决的问题。

目前，MnAl基硬磁材料的研究成果如下：

北京大学在申请号为201610125586.3的专利中，公布了一种直接制备出τ相Mn-Al或Mn-Al-C的方法，该方法可直接获得τ相MnAl。然而，该合金结构分析可知采用该方法并不能获得纯τ相(还包含β相、γ₂杂相)，此外合金性能饱和磁化强度为54emu/g，矫顽力0.13T有待进一步提高，因此该工艺条件有待进一步优化。

分析目前研究通过调整合金成分和优化制备工艺在不同程度上改善了合金材料的磁性能，但仍然存在以下两个显著缺点：(1)结构上，对于直接获得τ相方法，并不能获得纯τ相，包含β相、γ₂杂相；对通过等温退火ε相而获得τ相，需要热处理且热处理工艺苛刻；(2)性能上，由于结构上包含β相、γ₂杂相，很难获得优异的综合硬磁性能，即同时实现高的饱和磁化强度和高的矫顽力。

综上所述，目前市场上缺乏制备工艺简单，同时具备优异磁性能的MnAl合金材料及其制品。因此，开发一种直接制备MnAl纯τ相方法获得优异磁性能的MnAl合金对于当前Mn基合金材料的研究和应用具有极其重要意义。