DE60319144T2

DE60319144T2 - Seltenerd-übergangsmetallegierung-artikel

Info

Publication number: DE60319144T2
Application number: DE60319144T
Authority: DE
Inventors: Mark Henry Kingswood SHIPTON
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 2003-01-14
Filing date: 2003-11-26
Publication date: 2009-01-29
Anticipated expiration: 2023-11-27
Also published as: AU2003288401A1; EP1584095A1; WO2004064089A1; GB0300753D0; DE60319144D1; US7381477B2; US20060251926A1; EP1584095B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Seltenerd-Übergangsmetall-(RE-TM)-Legierungsgegenstände mit einem Schutzüberzug, und insbesondere auf Hochtemperatur-Permamentmagnetkomponenten aus einer RE-TM-Basislegierung, die eine metallische Diffusionssperre haben, die oxidationsbeständig ist. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Bilden solcher Schutzüberzüge auf RE-TM-Legierungsgegenständen.
Hochtemperatur-Permamentmagnete, die aus RE-TM-Legierungen hergestellt sind, sind zur Verwendung in einer Vielzahl von Anwendungen gut bekannt, wie beispielsweise in Motoren und Generatoren für Flugzeug- und Raumfahrtsysteme bei Temperaturen oberhalb von 200°C. Die in diesen Magneten verwendete Legierung kann durch die allgemeine Formel RE(Co_wFe_vCu_xTM_y)_z repräsentiert werden, wobei RE ein Seltenerd-Element und TM ein Übergangsmetall ist. Solche Magnete sind auch schon in Betätigungseinrichtungen, Induktoren, Invertern, Magnetlagern und Regulatoren für Flugsteuerflächen und andere Flugzeugkomponenten eingesetzt worden. Solche Anwendungen erfordern Magnete, die bei Temperaturen bis zu etwa 300°C arbeiten können. In den letzten Jahren bestand ein Bedürfnis für magnetische und elektromagnetische Materialien, die zu einem zuverlässigen Betrieb bei erhöhten Temperaturen oberhalb von 300°C, beispielsweise bis herauf zu 550°C, in der Lage sind. Neuerdings ist eine neue Klasse von Sm(Co_wFe_vCu_xZr_y)_z-Permanentmagnetmaterialien entwickelt worden, um Magnete zur Verwendung bis herauf zu 700°C herzustellen ( US-A-6,451,132 , deren Inhalt in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme einbezogen wird).
Das Aussetzen gegen so hohe Temperaturen erzeugt Probleme wegen der Reaktionen, die zwischen den Magneten und der Umgebung auftreten. Das bedeutet, Oberflächenoxidation und elementare Erschöpfung resultiert in der Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften.
In IEEE Trans. Magn. 37(4), 2531 (2001), führten Chen et al. eine Untersuchung unter Verwendung von SEM/EDXA und EPMA/WDXA zum Studieren der Mikrostruktur durch, die in Sm₂(Co,Fe,Cu,Zr)₁₇-Magneten nach Langzeitaussetzung gegenüber Luft bei 550°C gebildet waren. Es wurde gefunden, dass der beobachtete Permanentmagnetverlust teilweise auf Oberflächenoxidation beruhte, aber hauptsächlich auf Sm-Erschöpfung. An der Oberflächenschicht geht Sm durch Verdampfung verloren, wobei ein Oxid von Fe-Co zurückbleibt. Jedoch tritt eine Sm-Erschöpfung auch in einer Zone zwischen der Oberflächenschicht und der Matrix der Proben auf. In dieser beeinträchtigten Zone werden viele Sm-freie Fe-Co-Cu-Streifen als Teil des Prozesses einer Wanderung von Sm-Atomen zur Oberflächenschicht hin und deren eventueller Verdampfung gebildet.
Als Überzug für RE-TM-Permanentmagnetkomponenten wurde durch Zerstäubung aufgetragenes Siliziumoxid benutzt. Jedoch ist dieses Material extrem brüchig und nicht für Komponenten geeignet, die thermischen Zyklen unterworfen sind, zu denen Luft/Raumfahrtkomponenten gehören.
In IEEE Trans. Magn. 37(4), 2531 (2001) lehrt Chen et al. die Anwendung eines Zweischichtüberzugs auf verschiedenen Sm-TM-Hochtemperaturmagneten, bevor diese 550°C in Luft ausgesetzt werden. Die Deckschicht ist ein relativ dichter Al-Überzug, und die zweite Schicht ist Keramik.
Das US-Patent 4,837,114 (Hamada Takaki et al) (D1) beschreibt einen Permanentmagneten, der aus mindestens einem der Elemente Nd, Pr, Dy, Ho und Tb oder einem Gemisch hiervon und aus mindestens einem Element besteht, das aus der Gruppe La, Ce, Sm, Gd, Er, Eu, Tm, Yb, Lu, Pm und Y, B und Fe ausgewählt ist, mit einer Korrosionsschutz-Überzugsfilmschicht auf der Permanentmagnetfilmschicht.
Das europäische Patent Nr. 0 361 308 (Todo Kogyo Corp) beschreibt einen Permanentmagneten, der aus mindestens einem der Elemente Nd, Pr, Dy, Ho und Tb oder mindestens einem der Elemente Nd, Pr, Dy, Ho und Tb, oder mindestens einem der Elemente Nd, Pr, Dy, Ho und Tb, und mindestens einem der Elemente La, Ce, Sm, Gd, Er, Eu, Tm, Yb, Lu und Y, B und Fe besteht, worauf eine Schicht aus mindestens einem Edelmetall hergestellt ist, die gegebenenfalls Platin und eine weitere auf der Edelmetallschicht gebildete stromlose Beschichtungsschicht sein kann, auf welcher eine stromlose Beschichtungsschicht aus einem hochanhaftendem Metallüberzug aufgebracht ist. Beide stromlose Beschichtungsschichten können mindestens eines der Basismetalle Ni, Cu, Sn und Co enthalten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Seltenerd-Übergangsmetall-(RE-TM)-Legierungsstruktur vorgesehen, bestehend aus einem RE-TM-Legierungssubstrat und einer darauf aufgebrachten Edelmetalldiffusionssperre, dadurch gekennzeichnet, dass die RE-IM-Legierung eine Sm-Co-Cu-Fe-TM-Magnetlegierung ist, wobei mindestens ein Übergangsmetallelement aus der Gruppe Zr, Hf, Ti, Mn, Cr, Nb, Mo, W, V, Ni, Ta und Gemischen davon ausgewählt ist, und die Edelmetalldiffusionssperre aus Platinmetall besteht.
Der Edelmetallüberzug wirkt als physikalische Sperre für ein Medium wie beispielsweise Sauerstoff, das in der Lage ist, das Substrat unter den vorgesehenen Einsatzbedingungen zu verschlechtern, wobei im wesentlichen das Medium an einem Berühren des darunterliegenden Substrats, jedenfalls in schädlichen Mengen, gehindert wird. Desweiteren sollte er keine Legierungsinstabilität induzieren oder schädliche intermetallische Fasern, wenn er in Berührung mit der Basislegierung steht.
Strukturen nach der vorliegenden Erfindung können als Hochtemperatur-Permanentmagnete für Anwendungen in der Raumfahrtindustrie eingesetzt werden, die einen Betrieb bei erhöhten Temperaturen einschließen, z. B. bei Temperaturen oberhalb von 200°C. Die vorliegende Erfindung erstreckt sich auch auf Permanentmagnetkomponenten, insbesondere Raumfahrtkomponenten, wie beispielsweise Komponenten elektronischer Raumfahrttriebwerke. Z. B. können die Permanentmagnetkomponenten nach der Erfindung in Motoren oder Generatoren für Flugzeug- und Raumfahrtsysteme eingesetzt werden. Sie können beispielsweise auch in Betätigungseinrichtungen, Induktoren, Invertern, Magnetlagern oder Regulatoren für Flugsteuerflächen und bei anderen Luftfahrtkomponenten eingesetzt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Reduzieren der Seltenerdmetall-Erschöpfung an der Oberfläche eines RE-TM-Permanetmagneten vorgesehen, wobei das Verfahren das Bilden einer Edelmetalldiffusionssperre über der Oberfläche umfasst, wobei die RE-TM-Legierung eine Sm-Co-Cu-Fe-TM-Magnetlegierung ist. TM ist mindestens ein Übergangsmetallelement, das aus der Gruppe Zr, Hf, Ti, Mn, Cr, Nb, Mo, W, V, Ni, Ta und Gemischen davon ausgewählt ist, und die Edelmetalldiffusionssperre besteht aus Platinmetall.
Nach ihrem ersten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf eine RE-TM-Legierungsstruktur, wobei eine Edelmetalldiffusionssperre auf dem Legierungssubstrat aufgebracht ist. Nach ihrem breitesten Aspekt kann die Diffusionssperre über einen Teil des Legierungssubstrats aufgebracht sein, beispielsweise einen Teil der Oberfläche des Legierungssubstrats, der Bedingungen ausgesetzt wird, die ansonsten zu einer Oberflächenverschlechterung führen würden. Bei manchen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird das gesamte Legierungssubstrat mit der Diffusionssperre versehen.
Die verwendete RE-TM-Legierung ist eine solche, bei welcher das Seltenerd-Metall Sm ist, wie beispielsweise durch die Formel Sm₂TM₁₇ präsentiert. Die Übergangsmetallkomponenten sind Co, Fe, Cu, und ein Übergangsmetall, das aus der Gruppe Zr, Hf, Ti, Mn, Cr, Nb, Mo, W, V, Ni, Ta und Gemischen davon ausgewählt ist, ist vorzugsweise Zr.
Die vorliegende Erfindung kann mit SM-TM-Legierungen verwendet werden, wie in der US-A-6,451,132 gelehrt, die als Permanentmagneten in Hochtemperaturanwendungen brauchbar sind. Beispielsweise lehrt die US-A-6,451,132 bevorzugt die Legierungszusammensetzungen mit der allgemeinen Formel RE(Co_wFe_vCu_xT_y)_z, wobei RE ein Seltenerdmetall ist, das aus der Gruppe Sm, Gd, Pr, Nd, Dy, Ce, Ho, Er, La, Y, Tb und Gemischen davon ausgewählt ist, T ist ein Übergangsmetall, das aus der Gruppe Zr, Hf, Ti, Mn, Cr, Nb, Mo, W, V, Ni, Ta und Gemischen davon ausgewählt ist, die Summe von w, v, x und y ist 1, und z hat einen Wert zwischen etwa 6,5 und 8,0. In diesen Legierungszusammensetzungen beträgt das wirksame z zwischen etwa 6,5 und etwa 8,0, w liegt zwischen etwa 0,50 und etwa 0,85, v liegt zwischen 0,0 und etwa 0,35, x liegt zwischen etwa 0,05 und etwa 0,20, und y liegt zwischen etwa 0,01 und etwa 0,05.
Bei der Ausführungsform der US-A-6,451,132 enthält die Legierung zwischen etwa 22,5% und etwa 35,0% nach Gewicht effektives Sm (Samarium), zwischen etwas 42% und etwa 65% nach Gewicht Co (Cobalt), zwischen 0,0% und etwa 25% nach Gewicht Fe (Eisen), zwischen etwa 2,0% und etwa 17,0% nach Gewicht Cu (Kupfer), und zwischen etwa 1,0% und etwa 5,0% nach Gewicht Zr (Zirkonium). Bei einer anderen Ausführungsform ent hält die Legierung zwischen etwas 23,5% und etwa 28,0% nach Gewicht effektives Sm, zwischen etwa 50% und etwa 60% nach Gewicht Co, zwischen etwa 4,0% und etwa 16% nach Gewicht Fe, zwischen etwa 7,0% und etwa 12% nach Gewicht Cu, und zwischen etwa 2,0% und etwa 4,0% nach Gewicht T, wobei T ausgewählt ist aus Zr, Hf, Ti, Mn, Cr, Nb, Mo, W, V, Ni, Ta. Bei einer weiteren Ausführungsform enthält die Legierung etwa 24,7% nach Gewicht effektives Sm, etwa 57,8% nach Gewicht Co, etwa 7,0 nach Gewicht Fe, etwa 7,1% nach Gewicht Cu, und etwa 3,4% nach Gewicht ein Gemisch aus Zr und Nb. Bei noch einer weiteren Ausführungsform enthält die Legierung etwa 26% nach Gewicht effektives Sm, etwa 59,5% nach Gewicht Co, etwa 3,3% nach Gewicht Fe, etwa 7,6% nach Gewicht Cu, und etwa 3,6% nach Gewicht ein Gemisch von Zr und Nb. Bei noch einer weiteren Ausführungsform enthält die Legierung etwa 26% nach Gewicht effektives Sm, etwa 61,0% nach Gewicht Co, etwa 1,0% nach Gewicht Fe, etwa 8,2% nach Gewicht Cu, und etwa 3,8% nach Gewicht ein Gemisch aus Zr und Nb.
Die Edelmetalldiffusionsschicht sollte auf dem Substrat mit einer ausreichenden Dicke vorgesehen sein, um eine Verschlechterung des darunterliegenden Substrats zu verhindern. Die Dicke der Sperre kann von Faktoren wie beispielsweise der Schwere der Umgebungsbedingungen abhängen, welchen das geschützte Substrat ausgesetzt wird. Die Sperre hat vorzugsweise eine Dicke von mindestens zwei Mikrometer, mehr vorzugsweise von mindestens 5 Mikrometer, und vorzugsweise von nicht mehr als 30 Mikrometer, mehr vorzugsweise von nicht mehr als 15 Mikrometer. Eine typische Dicke beträgt etwa 10 Mikrometer.
Vorzugsweise geht die Edelmetalldiffusionssperre auf einer Seite in Berührung mit dem RE-TM-Legierungssubstrat, während die andere Seite der äußeren Umgebung ausgesetzt ist. Mit anderen Worten, die Edelmetallschicht stellt den einzigen schützenden Überzug auf dem Substrat dar. Zur Vermeidung von zwei Fällen sollte es sich jedoch verstehen, dass die vorliegende Erfindung in breiter Weise auch Ausführungen umfasst, bei welchen zusätzliche Überzüge zu der Edelmetallschicht auf dem Legierungssubstrat vorgesehen sein können.
Vorzugsweise ist das Edelmetall ausgewählt aus Platin, Palladium, Ruthenium und Rhodium, und ist vorzugsweise Platin oder Palladium, höchst vorzugsweise Platin.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann der Edelmetallüberzug auf dem Legierungssubstrat durch ein Elektroplattierverfahren gebildet sein. Bei diesem Verfahren wird die zu beschichtende Oberfläche als Kathode in einer Elektroplattierungslösung oder einem Bad geschaltet, die bzw. das eine Ionenquelle des Edelmetalls enthält. Durch Anlegen eines geeigneten Stroms durch die Lösung wird das Edelmetall reduziert und auf dem Legierungssubstrat abgelagert. Mehr Informationen zur Elektroplattierung können beispielsweise in Kirk Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 3. Auflage, gefunden werden. Vorzugsweise ist die Elektroplattierungslösung eine wässrige Lösung eines Salzes des Edelmetalls. Beispielsweise, wenn das zu plattierende Metall Platin ist, kann eine Lösung von Platinphosphat verwendet werden. Wo die Edelmetalldiffusionssperre durch eine Elektroplattiertechnik aufgebracht wird, wird es bevorzugt, das niedrige Stromdichte-Bedingungen angewendet werden.
Andere nicht-elektrolytische Verfahren zum Herstellen eines Edelmetallüberzugs auf einem Substrat sind für den Fachmann bekannt und können eingesetzt werden. Beispielsweise können Vakuumbedampfung, chemische Bedampfung oder Ionenzerstäubungsauftragsverfahren angewendet werden.
Der Edelmetallüberzug kann in einem oder mehreren Auftragsschritten aufgebracht werden. Ein einziger Auftragsschritt wird bevorzugt. Wenn jedoch mehr als ein aufeinanderfolgender Auftragsschritt verwendet wird, wird die Beschichtung vorzugsweise in aufeinanderfolgenden Schritten aufgebaut, wobei jeder Schritt das Aufbringen einer Schicht (vorzugsweise mit im wesentlichen gleichförmiger Dicke und kontinuierlich) umfasst, die einen Teil des Überzugs bildet.
Die Beschichtung kann auf die ganze oder irgendeinen oder mehrere Teile der Oberfläche des Legierungssubstrats oder der Struktur aufgebracht werden. Die Wahl, welcher Oberflächenbereich oder welche Bereiche eine Diffusionssperre erfordern, liegt innerhalb der Fähigkeiten des Fachmanns.
Die gemäß der vorliegenden Erfindung gebildete Diffusionssperre kann durch einen oder mehrere Schutzüberzüge überdeckt werden, wie für den Fachmann leicht ersichtlich ist.
Die vorliegende Erfindung schafft eine verbesserte oder zumindest alternative verschlechterungsresistente (z. B. gegen Oxidation und elementare Erschöpfung) RE-TM-Legierungsstruktur zusammen mit einem Verfahren zum Schutz von RE-TM-Legierungssubstraten gegen Beschädigung durch solche Verschlechterung. Magnetische Legierungsstrukturen gemäß der vorliegenden Erfindung sind insbesondere, aber nicht ausschließlich, zur Verwendung in oxidativen oder korrosiven Hochtemperaturumgebungen wie beispielsweise Luftfahrttriebwerken geeignet.
Die metallischen Diffusionssperren nach der vorliegenden Erfindung besitzen eine verbessserte Resistenz gegen Oberflächenoxidation, Sauerstoffdiffusion und elementare Erschöpfung. Desweiteren ist die Diffusionssperre ausreichend zäh, um sich mit den Legierungen während thermischer Zyklen auszudehnen und zusammenzuziehen.
Bei den Ausführungsformen der Erfindung, die eine metallische Platindiffusionssperre verwenden, wird davon ausgegangen, dass die vorteilhaften Eigenschaften daraus resultieren, dass das Platin sowohl inert im Hinblick auf Sauerstoff ist, wodurch Sauerstoffresistenz hergestellt wird, als auch von geeigneter atomarer Größe ist, die es ermöglicht, als Diffusionssperre zu wirken, wodurch Sauerstoffdiffusion und elementare Erschöpfung verhindert wird.
Desweiteren hat Platin den Vorteil, das es keine Legierungsinstabilität induziert oder eine schädliche intermetallische Phase bildet, wenn es in inniger Berührung mit Sm(Co_wFe_vCu_xZr_y)_z-Magnetlegierungen steht.

Claims

Seltenerd-Übergangsmetall-Legierungsstruktur, bestehend aus einem Seltenerd-Übergangsmetall-Legierungssubstrat und einer darauf aufgebrachten Edelmetall-Diffusionssperre, dadurch gekennzeichnet, dass die Seltenerd-Übergangsmetall-Legierung eine magnetische Sm-Co-Cu-Fe-TM-Legierung ist, wobei TM mindestens ein Übergangsmetallelement ist, das aus der Gruppe Zr, Hf, Ti, Mn, Cr, Nb, Mo, W, V, Ni, Ta und Gemischen hiervon ausgewählt ist, und die Edelmetall-Diffusionssperre aus Platinmetall besteht.
Struktur nach Anspruch 1, wobei die Seltenerd-Übergangsmetall-Legierung eine magnetische Sm-Co-Cu-Fe-Zr-Legierung ist.
Struktur nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Edelmetallschicht in direkter Berührung mit dem Legierungssubstrat auf einer Seite steht, während die entgegengesetzte Seite der äußeren Umgebung ausgesetzt ist.
Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Edelmetall-Diffusionssperre durch Elektroplattieren gebildet ist.
Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ein Permanentmagnetgegenstand ist.
Permanentmagnetgegenstand nach Anspruch 5, der eine Luftfahrtkomponente ist.
Verfahren zum Reduzieren der Seltenerdmetall-Erschöpfung an der Oberfläche eines Seltenerd-Übergangsmetall-Permanentmagneten nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, wobei das Verfahren das Herstellen einer Edelmetall-Diffusionssperre über der Oberfläche umfasst, wobei die Seltenerd-Übergangsmetall-Legierung eine magnetische Sm-Co-Cu-Fe-TM-Legierung ist, TM mindestens ein Übergangsmetallelement ist, das aus der Gruppe Zr, Hf, Ti, Mn, Cr, Nb, Mo, W, V, Ni, Ta und Gemischen hiervon ausgewählt ist und die Edelmetall-Diffusionssperre aus Platinmetall besteht.