CN113145843A

CN113145843A - 一种高温热扩散法制备梯度合金化粉末材料及其制备方法

Info

Publication number: CN113145843A
Application number: CN202110467996.7A
Authority: CN
Inventors: 方海梁; 刘静; 胡雅; 黄鹏威; 李铭扬
Original assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Current assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE; Wuhan University of Science and Technology WHUST
Priority date: 2021-04-28
Filing date: 2021-04-28
Publication date: 2021-07-23

Abstract

本发明公开一种高温热扩散法制备梯度合金化粉末合金材料的制备方法，包括如下步骤:步骤S1110，将粒径为10nm‑500μm的金属或合金粉末作为起始基础粉末，粒径为1nm‑200μm的纯金属或合金粉末作为扩散粉末，将所述起始基础粉末和所述扩散粉末混合，得到混合粉末，其中，所述起始基础粉末包括Fe基、N i基、Co基、A l基、Cu基、Ag基、Zr基中的一种或多种；步骤S120，对所述混合粉末经过高温热扩散过程，所述扩散粉末中的元素进入到所述起始基础粉末的外延层，在起始基础粉末的外延梯度扩散层的核壳结构中同时包含所述起始基础粉末和所述扩散粉末的合金化元素，形成一所述起始基础粉末和所述扩散粉末的合金化元素呈现梯度分布特征的梯度合金化层。经本方法制备得到的梯度合金化粉末合金材料可应用其磁性、电性、力学等方面的性能。

Description

一种高温热扩散法制备梯度合金化粉末材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及粉末冶金材料技术领域，特别涉及一种高温热扩散法制备梯度合金化粉末合金材料的制备方法，尤其是一种经该方法制备得到软磁梯度合金化材料。

背景技术

随着全球人口的持续增长和全球经济的持续增长，自然资源、能源电力消耗的不断增大导致煤炭、石油、天然气等化石能源的消费不断增大。化石能源大规模燃烧用于发电会带来大量温室气体的排放，导致全球性变暖、冰川融化、强降雨洪水炎热干旱高温等极端天气频发。

全球人口的快速增长和经济的发展导致对能源的巨幅需要，在能源的生产、传输、储存以及使用过程中，需要高性能的材料来提高能源生产→传输→储存→使用过程的整体效率效率；这一能源链条的背后实则是各种类型的材料在起到支撑主导性作用，材料科学与技术的革新可为提升能源产业链的整体效率。

以新能源为例，如光伏太阳能、风力发电、电动汽车等，新能源市场的蓬勃发展必将导致对变频电机、DC/AC变频器、车载电池加热保温系统等产生大量需求，这就需要更高性能的电机材料、更低电阻率更高导电率的电工用Cu材Al、电池加热保温材料来制备这些高性能的驱动电机、DC/AC逆逆变器、电池加热保温系统。开发出高性能的电机材料、逆变器材料、电池加热保温材料是提高电机、逆变器、电池加热保温系统等机电设备的电能使用转换效率的基础，是实现经济发展绿色低碳化、节能减排、控制温室性气体排放的关键所在。

以DC/AC型的逆变器为例，在高频工况下，软磁铁芯的铁损非常大，降低软磁铁芯的铁损是提高变频器转换效率的关键。而以电机为例，电机的软磁铁芯工作时的涡流铁耗是制约电机(电能→机械能)转换效率提高的关键，因此，提高软磁合金或软磁金属材料的电性能(尤其是电阻率)是降低电机软磁铁芯材料涡流损耗的关键。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种高温热扩散法制备梯度合金化合金材料的制备方法，旨在提供一种粉末颗粒中合金化元素呈梯度化分布特征的梯度合金化材料，该梯度合金化特征可使粉末具有特殊的磁性、电学、力学特征，如更高的磁导率饱和磁感应强度、更高的电阻率、更高的导电率，更高的强度等电学、磁学、力学性能方面的特征。

为实现上述目的，本发明提出一种高温热扩散法制备梯度合金化合金材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤:

步骤S1110，将粒径为10nm-500μm的金属或合金粉末作为起始基础粉末，粒径为1nm-200μm的纯金属或合金粉末作为扩散粉末，将所述起始基础粉末和所述扩散粉末混合，得到混合粉末，其中，所述起始基础粉末包括Fe基、Ni基、Co基、Al基、Cu基、Ag基、Zr基、Ti基金属或合金粉末的一种或多种；

步骤S120，对所述混合粉末经过高温热扩散过程，所述扩散粉末中的元素进入到所述起始基础粉末的外延层，在起始基础粉末的外延梯度扩散层的核壳结构中同时包含所述起始基础粉末和所述扩散粉末的合金化元素，形成一所述起始基础粉末和所述扩散粉末的合金化元素呈现梯度分布特征的梯度合金化层；

步骤S130，对所述步骤S120热扩散过后的粉末进行筛分，得到金属及梯度合金化粉末；

步骤S140，将步骤S130筛分得到的金属及梯度合金化粉末压制成型，得到目标尺寸的压制坯料，压制压坯经过烧结得到梯度合金化合金材料。

优选地，所述梯度合金化合金材料为Ni基梯度合金化材料；

相应地，所述制备方法包括：

步骤S111，将粒径为10nm-500μm的纯金属Ni以及Ni基合金作为起始基础粉末，粒径为1nm-200μm的纯金属或合金粉末作为扩散粉末，将所述起始基础粉末和所述扩散粉末按照重量占比50wt％-99.99wt％混合并充分搅拌均匀，得到混合粉末；

步骤S121，将经过所述步骤S111混合得到的混合粉末在真空、有还原性气氛、惰性气体的保护下进行热扩散，热扩散温度为400-1450℃间，使所述扩散粉末的合金化金属扩散进入所述起始基础粉末的外延层，形成一个核心为Ni基纯铁镍或Ni基合金，外延层含有梯度合金化元素的梯度合金化层；

步骤S131，对经过步骤S121的热扩散过后的粉末进行筛分，筛分出粒径较大的Ni基合金粉末，而粒径较小的扩散金属或合金粉末则筛分出去，得到Ni基金属及合金基梯度合金化粉末；

步骤S141，经步骤S131筛分得到的Ni基金属及合金基梯度合金化粉末，采用10MPa-2000MPa的压强进行压制成型，得到目标形状尺寸的压制坯料，压制压坯经400℃-1400℃的温度的烧结得到Ni基梯度合金化材料。

优选地，所述梯度合金化合金材料为Fe基梯度合金化材料；

相应地，所述制备方法包括：

步骤S112，将粒径为10nm-500μm的Fe基软磁粉末作为起始基础粉末，粒径为1nm-200μm的梯度合金化粉末作为扩散粉末，将所述起始基础粉末和所述扩散粉末按照重量占比50wt％-99.99wt％混合并充分搅拌均匀，得到混合粉末；

步骤S122，将经过所述步骤S112混合得到的混合粉末在真空、有还原性气氛、惰性气体的保护下进行热扩散，热扩散温度为500-1400℃间，使所述扩散粉末的合金化金属扩散进入所述起始基础粉末的外延层，形成一个核心为Fe基纯铁铁或Fe基合金，外延层含有梯度合金化元素的梯度合金化层；

步骤S132，对经过步骤S122的热扩散过后的粉末进行筛分，散过后粒径较大的Fe基合金磁性粉末被筛分出来，而粒径较小的扩散金属或合金粉末经筛分过程而筛分掉，得到Fe基金属及合金基梯度合金化粉末；

步骤S142，经步骤S132筛分得到的Fe基金属及合金基梯度合金化粉末，采用10MPa-2000MPa的压强进行压制成型，得到目标形状尺寸的压制坯料，压制压坯经400℃-1400℃的温度的烧结得到Fe基梯度合金化材料。

优选地，所述梯度合金化合金材料为Cu基梯度合金化材料；

相应地，所述制备方法包括：

步骤S113，将粒径为10nm-500μm的纯金属Cu以及Cu基合金作为起始基础粉末，粒径为1nm-200μm的单质元素或由其组成的合金化粉末作为扩散粉末，将所述起始基础粉末和所述扩散粉末按照重量占比50wt％-99.99wt％混合并充分搅拌均匀，得到混合粉末；

步骤S122，将经过所述步骤S112混合得到的混合粉末在真空、有还原性气氛、惰性气体的保护下进行热扩散，热扩散温度为400-1450℃间，使所述扩散粉末的合金化金属扩散进入所述起始基础粉末的外延层，形成一个核心为Cu基纯铜或Cu基合金，外延层含有梯度合金化元素的梯度合金化层；

步骤S132，对经过步骤S122的热扩散过后的粉末进行筛分，散过后得到粒径较大的Cu基梯度合金化粉末，而粒径较小的扩散金属或合金粉末经筛分过程则筛分出去，得到Cu基金属及合金基梯度合金化粉末；

步骤S142，经步骤S132筛分得到的Cu基金属及合金基梯度合金化粉末，采用10MPa-2000MPa的压强进行压制成型，得到目标形状尺寸的压制坯料，压制压坯经400℃-1400℃的温度的烧结得到Cu基梯度合金化材料。

为了实现上述目的，本发明还提供一种高温热扩散法制备梯度合金化合金材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤S210，将粒径为10nm-500μm的Fe粉末作为起始基础粉末，粒径为1nm-200μm的梯度合金化粉末作为第一扩散粉末，粒径为1nm-300μm的永磁合金化粉末为第二扩散粉末，将所述起始基础粉末、第一扩散粉末、以及第二扩散粉末混合并充分搅拌均匀，得到混合粉末，其中，所述起始基础粉末占重量比50wt％-99.9wt％之间；

步骤S220，将经过所述步骤S210混合得到的混合粉末采用10MPa-2000MPa的压制压强进行热压、冷压模压成型得到目标形状尺寸的Fe基梯度合金化合金压坯，且所述Fe基梯度合金化合金压坯中纯Fe金属粉末的周边都均匀分布着第一扩散粉末；

步骤S230，Fe基梯度合金化合金压坯采用400℃-1450℃的高温热扩散后，所述第一扩散粉末和所述第二扩散粉末中的合金化元素扩散进入到梯度合金化起始粉末纯Fe金属粉末的外延层，形成Fe基梯度合金化材料。

优选地，所述第二扩散粉末为硬磁类合金粉末。

为了实现上述目的，本发明还提供一种梯度合金化的软磁金属或合金粉末，所述梯度合金化的软磁金属或合金粉末采用上述的制备方法制备得到。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1为本发明提供的高电阻率低涡流铁损的软磁金属或粉末材料的制备方法的一实施例的流程图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

本发明提供一种高温热扩散法制备梯度合金化合金材料的制备方法，包括如下步骤:

步骤S1110，将粒径为10nm-500μm的金属或合金粉末作为起始基础粉末，粒径为1nm-200μm的纯金属或合金粉末作为扩散粉末，将所述起始基础粉末和所述扩散粉末混合，得到混合粉末，其中，所述起始基础粉末包括Fe基、Ni基、Co基、Cu基、Al基、Ag基粉末的一种或多种；

具体地，起始基础粉末为选用电解法、直接还原法、水雾化法、气流雾化法、机械破碎球磨法等得到粉末；起始基础粉末可以为Fe基、Ni基、Co基、Cu基、Al基、Ag基金属或合金粉末。也可以是以纯镍Ni、NiFe系列合金、NiTi系列合金、NiFeCu合金、NiAl合金、NiCu合金、NiCo、NiCr合金、NiFeCr、系列合金等镍基合金为起始基础粉末。

可以是以Ti、V、Cr、Co、Mn、Fe、Cu、Zn、Al、Si等单质元素或由其组成的合金粉末作为扩散粉末。

步骤S120，对所述混合粉末经过高温热扩散过程，所述扩散粉末中的元素(可以为Ti、V、Cr、Co、Mn、Fe、Cu、Zn、Al、Si等元素)进入到所述起始基础粉末的外延层，在起始基础粉末的外延梯度扩散层的核壳结构中同时包含所述起始基础粉末和所述扩散粉末的合金化元素，形成一所述起始基础粉末和所述扩散粉末的合金化元素呈现梯度分布特征的梯度合金化层；

优选地，梯度合金化层的厚度为d，1nm≤d≤50μm。

在本发明第一实施例中，所述梯度合金化合金材料为Ni基梯度合金化材料；

相应地，所述制备方法包括：

其中，扩散粉末可以为Ti、V、Cr、Co、Mn、Fe、Cu、Zn、Al、Ag、Si等元素。

具体地，外延层为含有如Ti、V、Cr、Co、Mn、Fe、Cu、Zn、Al、Ag、Si等梯度合金化元素的梯度合金化层。优选地，梯度合金化层的厚度为d，1nm≤d≤50μm。

步骤S131，对经过步骤S121的热扩散过后的粉末进行筛分，散过后粒径较大的Ni基合金磁性粉末滞留在筛网的上端，而粒径较小的扩散金属或合金粉末经筛分过程落入到筛网的下端，得到Ni基金属及合金基梯度合金化粉末；

其中，烧结温度可以为450℃、500℃、600℃、700℃、800℃、900℃、或1000℃。

在本发明第二实施例中，所述梯度合金化合金材料为Fe基梯度合金化材料；

相应地，所述制备方法包括：

步骤S112，将粒径为1μ-500μm的Fe基软磁粉末(例如纯金属Fe铁、FeSiB、FeP、FeAl、FeSi、FeNi系列坡莫合金、FeCoV、FeCo、FeSiAl、FeNiMo、FeSi、FeSi梯度合金粉末、FeAl梯度合金化粉末、FeSiAl)作为起始基础粉末，粒径为200nm-200μm的梯度合金化粉末(例如Al、Si、Mg、Co、Cr、Ti、P、Cu、Sb、Zr、Te、Zn、Ni等单质元素)作为扩散粉末，将所述起始基础粉末和所述扩散粉末按照重量占比50wt％-99.99wt％混合并充分搅拌均匀，得到混合粉末；

步骤S122，将经过所述步骤S112混合得到的混合粉末在真空、有还原性气氛、惰性气体的保护下进行热扩散，热扩散温度为500-1400℃间，使所述扩散粉末的合金化金属(例如Si、Ni、Co、Al、Ti、Mg、P等元素)扩散进入所述起始基础粉末的外延层，形成一个核心为Fe基纯铁铁或Fe基合金，外延层含有梯度合金化元素(例如如Si、Ni、Co、Al、Ti、Mg、P等梯度合金化元素)的梯度合金化层；

优选地，梯度合金化层的厚度为d，1nm≤d≤50μm。

步骤S132，对经过步骤S122的热扩散过后的粉末进行筛分，散过后粒径较大的Fe基合金磁性粉末滞留在筛网的上端，而粒径较小的扩散金属或合金粉末经筛分过程落入到筛网的下端，得到Fe基金属及合金基梯度合金化粉末；

在本发明第三实施例中，所述梯度合金化合金材料为Cu基梯度合金化材料；

相应地，所述制备方法包括：

具体地，起始基础粉末可以为纯镍Cu、CuSi系列合金、CuAg系列、CuBi系列合金、CuNi系列合金、CuAl合金、CuSi合金、CuZn合金、CuZr等系列合金铜基合金。扩散粉末可以是以Ti、Ag、V、Cr、Co、Mn、Fe、Al、Zn、Ag、Si、Pb、Ni、Sb、Te、Zr、Be、Mg、Ag等单质元素或由其组成的合金粉末

步骤S122，将经过所述步骤S112混合得到的混合粉末在真空、有还原性气氛、惰性气体的保护下进行热扩散，热扩散温度为400-1450℃间，使所述扩散粉末的合金化金属扩散进入所述起始基础粉末的外延层，形成一个核心为Cu基纯铁镍或Cu基合金，外延层含有梯度合金化元素的梯度合金化层；

具体地，外延层为含有如Ti、Ag、V、Cr、Co、Mn、Fe、Al、Zn、Ag、Si、Pb、Ni、Sb、Te、Zr、Be、Mg、Ag等梯度合金化元素的梯度合金化层。

优选地，梯度合金化层的厚度为d，1nm≤d≤50μm。

步骤S132，对经过步骤S122的热扩散过后的粉末进行筛分，散过后粒径较大的Cu基合金磁性粉末滞留在筛网的上端，而粒径较小的扩散金属或合金粉末经筛分过程落入到筛网的下端，得到Cu基金属及合金基梯度合金化粉末；

步骤S210，将粒径为10nm-500μm的纯Fe粉末作为起始基础粉末，粒径为1nm-200μm的梯度合金化粉末作为第一扩散粉末，粒径为1nm-300μm的永磁合金化粉末为第二扩散粉末，将所述起始基础粉末、第一扩散粉末、以及第二扩散粉末混合并充分搅拌均匀，得到混合粉末，其中，所述起始基础粉末占重量比50wt％-99.9wt％之间；

具体地，起始基础粉末为采用电解法、直接还原法、水雾化法、气流雾化法、机械破碎球磨法等制粉法制备得到的Fe粉末作为梯度合金化的粉末；第一扩散粉末可以为纯度为99％-99.99％纯金属元素Al、Mg、Co、Cr、Ti、P、Cu、Sb、Zr、Te、Zn、Ni、Si、Mo、W的单质或由这些纯元素组成的合金。第一扩散粉末需要用到的纯金属、合金经过直接还原法、电解法、水雾化法、气流雾化法、机械破碎球磨法所制备得到的粉末；第二扩散粉末可以为Sm₂Co₅、Sm₂Co₁₇、Nd(Dy)FeB、FeCrCo、CoFeV、FeCW、CuNiFe、FeWCoW、FeCoMo、KS磁钢类永磁合金。

在其他实施例中，所述第二扩散粉末为硬磁类合金粉末。

若Cu及其所形成的Cu基合金作为起始基础粉末A为例，如纯Cu或CuNi系列合金、CuSn系列合金、CuAl系列合金、CuSi合金、CuZn合金、CuMn合金、CuFe合金、CuCo合金、CuAg合金、CuBe合金、CuSb合金、CuTe合金、CuTi、CuAg合金等诸多铜基合金为起始基础粉末A为例；而以Ti、Ag、V、Cr、Co、Mn、Fe、Al、Zn、Ag、Si、Pb、Ni、Sb、Te、Zr、Be、Mg、Ag等单质元素或由其形成的合金作为扩散粉末B；

若运用本方法制备一种高电阻低涡流铁损的梯度合金化软磁金属或合金，如外层包覆着Si元素的Fe-FeSi-Si、FeAl-FeAlSi-Si

参见表1，材料1为起始基础粉末Fe基、Co基或Ni基纯金属或合金，材料2为扩散粉末，性能为电阻率，表示为R，高(R≥500μΩ)、中(100μΩ≤R＜500μΩ)、低(20μΩ≤R＜100μΩ)，是否具有冶金键为软磁合金或软磁金属粉末的基体金属与绝缘包覆膜间是否具有冶金键的结合。

表1实施例和对比例

从表1可以看出，本发明提供的软磁粉末材料机械强度高、电阻率高。

若运用本方法制备一种低电阻高导电率高强度的梯度合金化Cu合金材料为例，如外层包覆着Ag元素的Cu-CuAg-Ag梯度合金化梯度合金化材料，

为了实现上述目的，本发明还提供一种梯度合金化的高导电性低电阻的金属或合金粉末，所述梯度合金化的导电金属或合金粉末采用上述的制备方法制备得到。

参见表1，材料1为起始基础粉末Cu基、Al基，材料2为扩散粉末，性能为导电率，表示为σ，以高导电率的Cu基合金为列，

高(σ≥55MS/m)、中(55MS/m≤σ＜35MS/m)、低(σ＜35MS/m)，低电阻高导电率高强度的梯度合金化Cu基、Al基

低电阻高导电率高强度的梯度合金化Cu基、Al基金属或合金粉末的基体金属与是否具有冶金键的结合。

表1实施例和对比例

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之类，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种高温热扩散法制备梯度合金化粉末合金化材料及其制备方法，其特征在于，包括如下步骤:

步骤S1110，将粒径为10nm-500μm的金属或合金粉末作为起始基础粉末，粒径为1nm-200μm的纯金属或合金粉末作为扩散粉末，将所述起始基础粉末和所述扩散粉末混合，得到混合粉末，其中，所述起始基础粉末包括Fe基、Ni基、Co基、Cu基、Al基、Ag基、Zr基等的金属或合金粉末的一种或多种；

步骤S130，对所述步骤S120热扩散过后的粉末进行筛分(气流筛、振动筛等)，得到金属及梯度合金化粉末；

或经历如下过程：

步骤S120，对所述混合粉末进行压制成型，经过高温烧结和热扩散过程，所述扩散粉末中的元素进入到所述起始基础粉末的外延层，在起始基础粉末的外延梯度扩散层的核壳结构中同时包含所述起始基础粉末和所述扩散粉末的合金化元素，形成一所述起始基础粉末和所述扩散粉末的合金化元素呈现梯度分布特征的梯度合金化层。

2.如权利要求1所述的高温热扩散法制备梯度合金化合金材料的制备方法，其特征在于，所述梯度合金化合金材料为Ni基梯度合金化材料；

相应地，所述制备方法包括：

步骤S131，对经过步骤S121的热扩散过后的粉末进行筛分，散过后粒径较大的Ni基合金粉末被筛分出，

而粒径较小的扩散金属或合金粉末经筛分过程而筛分出去，得到Ni基金属及合金基梯度合金化粉末；

3.如权利要求1所述的高温热扩散法制备梯度合金化合金材料的制备方法，其特征在于，所述梯度合金化合金材料为Fe基梯度合金化材料；

相应地，所述制备方法包括：

步骤S112，将粒径为10nm-500μm的Fe基软磁粉末作为起始基础粉末，粒径为10nm-200μm的梯度合金化粉末作为扩散粉末，将所述起始基础粉末和所述扩散粉末按照重量占比50wt％-99.99wt％混合并充分搅拌均匀，得到混合粉末；

步骤S132，对经过步骤S122的热扩散过后的粉末进行筛分，散过后粒径较大的Fe基合金磁性粉末滞留在筛网的上端，而粒径较小的扩散金属或合金粉末经筛分过程而筛分出去，得到Fe基金属及合金基梯度合金化粉末；

4.如权利要求1所述的高温热扩散法制备梯度合金化合金材料的制备方法，其特征在于，所述梯度合金化合金材料为Cu基梯度合金化材料；

相应地，所述制备方法包括：

步骤S132，对经过步骤S122的热扩散过后的粉末进行筛分，筛分得到粒径较大的Cu基合金粉末，而粒径较小的扩散金属或合金粉末经筛分过程而筛分出去，得到Cu基金属及合金基梯度合金化粉末；

5.一种高温热扩散法制备梯度合金化合金材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S210，将粒径为10nm-500μm的纯金属Fe粉末作为起始基础粉末，粒径为1nm-200μm的梯度合金化粉末作为第一扩散粉末，粒径为1nm-300μm的硬磁合金化粉末为第二扩散粉末，将所述起始基础粉末、第一扩散粉末、以及第二扩散粉末混合并充分搅拌均匀，得到混合粉末，其中，所述起始基础粉末占重量比50wt％-99.9wt％之间；

6.如权利要求1所述的高温热扩散法制备梯度合金化合金材料的制备方法，其特征在于，所述第二扩散粉末为硬磁类合金粉末。

7.一种梯度合金化的软磁金属或合金粉末，其特征在于，所述梯度合金化的软磁金属或合金粉末采用如权利要求1至6任一项所述的制备方法制备得到。