一种基于增材制造自组装铝镍钴磁体的制造方法技术

本发明专利技术为一种基于增材制造自组装铝镍钴磁体的制造方法。该方法基于增材制造技术通过自组装α1和α2合金的方法制备磁体，其中α1合金的原子百分比组成式为Fe

【技术实现步骤摘要】
一种基于增材制造自组装铝镍钴磁体的制造方法


[0001]本专利技术的技术方案涉及金属永磁材料铝镍钴，具体涉及一种基于增材制造自组装铝镍钴磁体的制造方法。

技术介绍

[0002]金属永磁材料铝镍钴(Alnico)自1931年问世以来就被广泛应用于高温器件，因其出色的热稳定性和高的饱和磁化强度被认为是一种非常有前途的无稀土永磁体，可以大幅降低某些高温应用的制造成本，是稀土永磁体问世之前磁性能最好的永磁材料。Alnico合金是一类主要由Al、Ni、Co和Fe等元素组成的永磁体，居里温度高达850℃，其最高工作温度为538℃。Alnico合金的良好磁性能来源于调幅分解α
→
α1+α2形成的两相结构，其中α相是高饱和固溶相，α1相为富Fe
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Co的铁磁性相，α2相为富Al
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Ni的弱磁性相或非磁性相，α1相和α2相的成分、形状、分布和数量是决定合金永磁性能的关键因素。
[0003]根据合金成分和加工条件不同，将Alnico合金的牌号定义为Alnico 1到Alnico 9共9个合金，其中最常用的是Alnico 5和Alnico 8，而不同牌号的Alnico合金的磁性能主要依赖于由不同成分决定的α1相和α2相的形状、尺寸、体积分数、排列方式和分支类型等。Zhou和Rehman等人(L.Zhou.Microstructural and magnetic property evolution with different heat
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treatment conditions in an Alnico alloy[J].Acta Materialia,2017,133:73
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80；S.U.Rehman.Synthesis,microstructures,magnetic properties and thermal stabilities of isotropic Alnico ribbons[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials,2018,466:277
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282.)提到，在理论上，当α1相为直径5nm，长150nm的长棒状且体积分数占2/3时，磁能积可能翻倍。Zhao等人(J.T.Zhao.The study on abnormal perature characteristics of coercivity in Alnico 8alloys[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials,2020,508:166865.)发现，Alnico 8合金在退火时发生了调幅分解，α1相呈棒状，横向为25～28nm，纵向特别长，大于300nm，且400℃下热处理会提高α1相的纵横比，导致形状各向异性增强，因此磁性能提高。
[0004]当前，Alnico磁体的制备工艺单一，过程复杂，成本高昂。定向凝固铸件需要沿特定方向排列晶粒，成本、时间和复杂性都相当高。此外，通过定向凝固制备的铝镍钴磁体必须经过大量的机械加工以获得最终的近净形状；铸件中一旦有缺陷，必须重新加工甚至直接报废，这进一步增大了生产成本，同时也增加了材料浪费。在目前的研究中，许多研究者尝试使用增材制造方法制造Alnico磁体。和传统制造方法相比，其磁性能均有不同程度提高且节省材料。金属增材制造(又称3D打印)技术在材料制备中的优势体现在可实现复杂形状、制造难加工产品的近净成型，有利于节约资源、降低能耗、提高生产效率。尤其是利用增材制造技术制备永磁材料，可实现复杂形状磁体的近净成型。White等人(E.M.H.White.Net shape processing of Alnico magnets by additive manufacturing[J].IEEE Transactions on Magnetics,2017,53(11):1
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6.)使用激光近净成型技术(LENS)制备了Alnico磁体，发现经过LENS加工的Alnico磁体剩磁高达9kGs，矫顽力也高达2.03kOe，剩磁
接近定向凝固的、高度织构化的各向异性铸造Alnico 9的10.6kGs，矫顽力与烧结Alnico 8H的2.02kOe相匹配。White等人(E.White.Processing of Alnico magnets by additive manufacturing[J].Applied Sciences,2019,9(22):4843.)探究了使用激光近净成型技术(LENS)、定向能量沉积(DED)和电子束熔融粉末床熔合(EBM/PBF)制造Alnico磁体方法的可行性。发现，DED样品可以实现增材制造Alnico的最高矫顽力值，远高于相似成分EBM/PBF制样品。但EBM/PBF制样品中Al和Cu的损失是导致矫顽力降低的重要因素。在较低的磁场退火(MA)温度下EBM/PBF样品获得最高的剩磁，并且与MA时间无关，但是Al和Cu的成分变化可能有助于更高的剩磁。Yang等人(Xiao
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Shan Yang.Effect of remelting on microstructure and magnetic properties of Fe
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Co
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based alloys produced by laser additive manufacturing[J].Journal of Physics and Chemistry of Solids,2019,130:210
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216.)通过激光增材制造和激光重熔制备了具有良好饱和磁化强度的Fe
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Co基合金，发现激光重熔可以提高材料磁性能并使材料微观结构更加致密。
[0005]Alnico合金对热处理十分敏感，直接制备的Alnico合金在退火时发生调幅分解除了会形成α1和α2相，还会出现其他不利于磁性能的相，如富Cu相，会导致磁性能降低。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是针对当前技术中存在的不足，提供一种基于增材制造自组装铝镍钴磁体的制造方法，该Alnico磁体是一种两相复合的磁体，首先改变了传统的由初始Alnico合金的成分单方向控制合金组织结构与性能的方法，改为首先优化设计Alnico磁体中α1和α2相的成分，并且按照设计的α1和α2相的成分组成分别制备对应的α1和α2合金粉；其次改变制备方法，采用增材制造技术，在制造过程中将α1和α2合金粉再熔解并实现自组装熔合，在快速冷却过程中直接形成了分别富α1和富α2相成分的两相组织；最后在制备过程通过调节α1和α2合金粉的复合比例，以调控复合磁体的总成分与两相的相对含量；设计的α1和α2合金粉的成分兼顾了最终合金中对应磁性能所需求的α1和α2相的成分特性，同时考虑了α1和α2相间调幅分解所需求的上坡扩散特性，而α1和α2合金粉的复合比例直接改变了磁体中α1和α本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于增材制造自组装铝镍钴磁体的制造方法，其特征为该方法是基于增材制造技术通过自组装α1和α2合金的方法制备磁体，使用选择性激光熔融技术(SLM)将两种粉末进行复合打印，α1与α2合金复合质量比例为1:1～3:1，得到自组装铝镍钴磁体；其中α1合金的原子百分比组成式为Fe
x
Co
y
Ni
z
Al
u
Ti
v
Cu
w
Nb
t
，该式中的下标符号x、y、z、u、v、w和t表示限定元素组成范围的原子百分数，38≤x≤50，30≤y≤42，6≤z≤12，4≤u≤10，0.3≤v≤1.5，0.3≤w≤1.2，0.3≤t≤1，并以原子百分比计满足：x+y+z+u+v+w+t＝100；而α2合金的原子百分比组成式为Fe
a
Co
b
Ni
c
Al
d
Ti
e
Cu
f
Nb
g
，该式中的下标符号a、b、c、d、e、f和g表示元素组成范围的原子百分数，12≤a≤16，20≤b≤35，18≤c≤32，15≤d≤30，7≤e≤14，1.5≤f≤5，0.3≤g≤0.8，并以原子百分比计满足a+b+c+d+e+f+g＝100。2.如权利要求1所述的基于增材制造自组装铝镍钴磁体的制造方法，其特征为经过热处理后的自组装铝镍钴磁体的矫顽力为855.6～2174.4Oe，剩磁为9.4～15.7kGs，最大磁能积为4.2～13.2MGOe。3.如权利要求1所述的基于增材制造自组装铝镍钴磁体的制造方法，其特征为包括如下步骤：第一步，熔炼制备母合金铸锭：按照α1合金的原子百分比组成式Fe
x
Co
y
Ni
z
Al
u
Ti
v
Cu
w
Nb
t
与α2合金的原子百分比组成式Fe
a
Co
b
Ni
c

【专利技术属性】
技术研发人员：孙继兵，张志英，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：