[0001] 本发明涉及一种基于锰铝合金的永磁材料，该永磁材料进一步包含钪。本发明还涉及一种用于生产此种永磁材料的方法以及该永磁材料用于生产永磁体和用于生产电动马达和/或电力产生装置的用途。此外，本发明涉及一种包含该永磁材料的电动马达、一种包含该永磁材料的电力产生装置、以及一种包含本发明的永磁材料、或电动马达、或电力产生装置的飞行器。

[0002] 永磁体广泛用于电能和机械能之间的转换，如在电动马达中，反之亦然，如在电能产生装置中。未来的电力推进解决方案和能量产生器装置需要永磁材料，这些永磁材料可以实现最高程度的磁性能和电性能，同时具有最小的重量、良好的可持续性、以及创建功能和拓扑优化的形状的能力。

[0003] 上世纪中叶，已使用粉末冶金制造理念开发了基于锰铝合金(Mn‑Al在约50％/50％(摩尔分数))的永磁材料。这些合金比当前广泛使用的基于钴钐(Co‑Sm)合金或基于钕铁硼(Nd‑Fe‑B)合金的粉末磁体材料轻得多。然而，为了在Mn‑Al永磁体中产生希望的磁性特性，需要进行复杂的热机械热处理。这些处理程序由于其复杂性，仅适用于制造简单的半成品，但与电力推进解决方案中所需的永磁体的特定未来定制设计的强烈要求不相容。

[0004] 目前广泛使用的许多永磁材料至少含有一定量的各种稀土元素，已发现这些稀土元素可改善或甚至确保所得材料的磁性特性。然而，世界范围内仅有非常有限数量的所需稀土元素的供应商，并且近年来供应情况特别是稀土元素的购买成本相当不稳定。此外，稀土金属的开采和生产常常与严重的环境负担有关。

[0005] 因此，需要克服已知永磁材料的上述缺点的新的永磁材料，即，需要一种新的永磁材料，其可以实现最高程度的磁性能和电性能，同时具有最小的重量、良好的可持续性、以及创建功能和拓扑优化的形状的能力。此外，如果新的永磁材料不含稀土金属，那将是特别希望的。

[0006] 已发现所谓的直接制造理念像LPB‑F(激光粉末床熔融；也简称“3D打印”)特别适合提供所需拓扑优化的形状的部件。因此，进一步希望的是，直接制造理念像LPB‑F将适用于新的永磁材料，因为此种制造理念将允许根据需要制备例如具有最高性能密度和最小重量的电动马达或能量产生器。另外，需要一种生产此类新的永磁材料的方法。

[0022] 本发明提供了一种永磁材料，其包含40.0％至59.8％的锰、40.0％至59.8％的铝、和0.2％至2.0％的钪，其中百分比是指永磁材料中相应组分的摩尔分数。通常，在本文披露的的永磁材料中，永磁材料的所有组分的总百分比总计100.0％。

[0023] 一种永磁材料，其特征在于，具有永久磁性，即永磁材料的磁性不能通过施加外力(例如像电力)来关闭和打开。

[0024] 本发明的永磁材料是包含锰、铝、和钪作为主要组分的的合金。

[0025] 永磁材料包含40.0％至59.8％的锰、优选45.0％至59.8％的锰如45.0％至59.5％或45.0％至59.2％或甚至45.0％至59.1％的锰、更优选50％至59％的锰、甚至更优选51％至58％的锰如53％至57％、并且最优选54％至56％的锰。

[0026] 永磁材料进一步包含40.0％至59.8％的铝如40.0％至59.5％或40.0％至59.2％或甚至40.0％至59.1％的铝、优选40.0％至55％的铝、更优选41％至50％的铝、甚至更优选42％至49％的铝如43％至47％、并且最优选44％至46％的铝。

[0027] 永磁材料进一步包含0.2％至2.0％的钪、优选0.5％至1.5％的钪、更优选0.7％至1.3％的钪、甚至更优选0.8％至1.2％的钪、并且最优选0.9％至1.1％的钪如1.0％的钪。不希望受理论的束缚，假设钪通过使锰铝合金轻微变形来改变其微观结构，使得获得更均匀且更精细的微观结构，从而导致永磁材料的永久磁性增强。此外，发现添加钪改善了获得的永磁材料的耐热性，使得永磁材料也可以容易地用于高温应用中。

[0028] 优选的永磁材料包含51.0％至57.8％的锰、42.0％至48.8％的铝、和0.2％至2.0％的钪。更优选的永磁材料包含53.0％至56.5％的锰、43.0％至46.5％的铝、和0.5％至
1.5％的钪。

[0029] 除非另有明确说明，否则以上和在此通常针对永磁材料中各组分的任何量所给出的百分比(％值)总是是指永磁材料中相应组分的摩尔分数。这些摩尔分数(molefraction)也称为摩尔分数(molar fraction)或量分数，并被定义为一种成分的量(以摩尔表示)除以混合物中所有成分的总量(也以摩尔表示)的单位。换句话说，本文所给出的百分比描述了永磁材料中一种组分的原子数(或摩尔数)对所有原子的总数(或摩尔数)(等于100％)的百分比贡献。例如，如果永磁材料包含55％的锰、44％的铝、和1％的钪，这意指永磁材料中所有原子的55％是锰原子、永磁材料中所有原子的44％是铝原子，永磁材料中所有原子的1％是钪原子。

[0030] 尽管永磁材料原则上可以包含任何另外的元素，例如像碳(C)、硼(B)、硅(Si)、磷(P)、和硫(S)，但优选的是永磁材料仅包含组分锰、铝、和钪。

[0031] 如果永磁材料包含一种或多种另外的元素，则它们单独地以0.5％至3.0％、优选1.0％至2.5％的量被包含，并且总体上以0.5％至10.0％、优选0.5％至5.0％或甚至1.0％至2.5％的量被包含。例如，永磁材料可以包含0.5％至3.0％的碳(C)，如1.0％至2.5％或甚至1.5％至2.5％的碳。

[0032] 永磁材料还可以包含不可避免的杂质。杂质可以单独地以至多0.1％存在，并且整体上以至多0.5％存在。优选地，杂质在永磁材料中的总量是0.4％或更少如0.3％或更少或0.2％或更少、并且甚至更优选0.1％或更少。杂质优选的单独的量是0.05％或更少如
0.03％或更少或甚至0.02％或更少。同样，这些百分比是指永磁材料中相应杂质的摩尔分数。

[0033] 原则上，取决于用于制备永磁材料的前体，任何元素都可以作为不可避免的杂质存在于永磁材料中。然而，可能存在于永磁材料中的典型的杂质是硅(Si)、铁(Fe)、和/或镍(Ni)。

[0034] 优选地，永磁材料不含稀土元素。术语“不含”在本文中意指永磁材料中存在的稀土金属总计少于0.1％、优选少于0.07％、并且更优选少于0.05％或甚至少于0.01％。同样，这些百分比是指永磁材料中相应稀土元素的摩尔分数。在一些实施例中，永磁材料完全不含任何稀土金属。

[0035] 在优选的实施例中，永磁材料由以下各项组成：40.0％至58.8％的锰、40.0％至58.8％的铝、0.2％至2.0％的钪、和0.5％或更少的不可避免的杂质。组分镁、铝、钪、和不可避免的杂质的优选的量的范围是如以上所定义的。

[0036] 在本发明进一步优选的实施例中，永磁材料由以下各项组成：51.0％至57.8％的锰、42.0％至48.8％的铝、0.2％至2.0％的钪、和0.5％或更少的不可避免的杂质。

[0037] 在本发明甚至进一步优选的实施例中，永磁材料由以下各项组成：53.0％至56.5％的锰、43.0％至46.5％的铝、0.5％至1.5％的钪、和0.3％或更少的不可避免的杂质。

[0038] 在本发明甚至进一步优选的实施例中，永磁材料由以下各项组成：53.0％至56.1％的锰、43.0％至46.1％的铝、0.9％至1.1％的钪、和0.3％或更少的不可避免的杂质。

[0039] 在本发明甚至进一步优选的实施例中，永磁材料由以下各项组成：53.0％至56.1％的锰、43.0％至46.1％的铝、0.9％至1.1％的钪、和0.3％或更少的不可避免的杂质，并且永磁材料不含稀土元素。术语“不含”是如以上所定义的。

[0040] 本发明进一步提供了一种用于生产本发明的永磁材料的方法，该方法包括以下步骤：

[0041] a)生产包含以相应的摩尔分数的锰、铝、和钪的液态熔体；

[0042] b)通过快速凝固以>1,000开尔文/秒(K/sec)、优选>10,000 K/sec、并且更优选>1,000,000 K/sec的冷却速率冷却熔体；以及

[0043] c)任选地进行热后处理，其中在150℃至850℃的范围内处理获得的永磁材料。

[0044] 根据本发明的方法的步骤a)，生产包含以相应的摩尔分数的锰、铝、和钪的液态熔体。在该步骤a)的帮助下，可以实现组分在永磁材料中的均匀分布。

[0045] 为了制备此种熔体，例如将适当量的包含相应的锰、铝和钪或原则上还有纯元素原样的单个母合金混合并加热。合适的锰母合金、铝母合金、和钪母合金是技术人员已知的并且例如是从从荷兰代尔夫宰尔的KBM阿菲利普公司(KBM Affilips)可商购的。典型地，母合金以锭或线的形式提供。纯元素锰、铝、和钪也是可商购的。

[0046] 可以将母合金和/或纯元素混合，并且然后加热以生产液态熔体。可以使用本领域已知的大量不同的热源来生产熔体。熔体可以在步骤a)中在炉、燃烧器中或通过激光束、电子束、或电弧产生。也可以使用化学放热反应，或者通过电容、导电或电感方式生产熔体。也可以使用这些热源的任何组合来生产熔体。

[0047] 然而，优选的是使用激光粉末床熔融(LPB‑F)技术，因为这些技术允许直接创建复杂的形状。已发现本文描述的永磁材料特别适合用于LPB‑F技术，因为其基本上可以以任何形状被容易地制造，使得生产具有任何所需的且优化的永磁材料的形状的永磁体来激发最佳磁性性能成为可能。在此种LPB‑F技术中，激光以高达1,000mm/sec的激光扫描速度扫描待熔融的材料(如本发明的永磁材料)的预定图案，并且在离散部分加热并熔融待熔融的材料(如本发明的永磁材料)。

[0048] 优选地在步骤c)中在至少1200℃的温度下、优选在从1300℃至1,500℃的温度范围内熔融铝母合金。

[0049] 根据本发明方法的步骤b)，以>1,000开尔文/秒(K/sec)、优选>10,000 K/sec、并且更优选>1,000,000 K/sec的凝固速率冷却步骤a)中的液态熔体。

[0050] 例如，步骤b)中的冷却是冷却至≤80℃、优选冷却至≤60℃、并且更优选冷却至室温。

[0051] 本领域技术人员已知凝固速率应该适应所生产的永磁材料或由其制造的零件/工件的直径，并且取决于所生产的永磁材料的热耗散。因此，本领域技术人员将尽可能地使凝固速率相应地适应所生产的永磁材料。在本发明的一个实施例中，步骤b)中的冷却是以1,000至10,000,000 K/sec、并且优选5,000至10,000,000 K/sec的凝固速率进行。举例来说，步骤c)中的冷却是以10,000至5,000,000 K/sec、优选100,000至5,000,000 K/sec、最优选
1,000,000至10,000,000 K/sec的凝固速率进行。此凝固速率特别地具有将均匀化的熔体按照原样快速凝固的优势，即使得在凝固的永磁材料中不会形成不均匀和不同的金属间相。永磁材料中的任何不均匀性都将可能使其磁性能变差。

[0052] 用于冷却永磁材料和由其制造的工件的方法在现有技术中是已知的。举例来说，可以将永磁材料以借助于在流动空气中冷却或通过在水中淬灭的限定方式进行冷却。可替代地，步骤b)中的冷却在露天中进行。

[0053] 然而，优选的是当使用LPB‑F技术时进行冷却步骤。在这些技术中，如以上已解释的，激光以高达1,000 mm/sec的激光扫描速度扫描待熔融的材料的预定图案，并且在离散部分加热并熔融永磁材料。一旦激光离开这些离散部分之一，熔化的永磁材料立即以非常高的冷却速率凝固，因为只有非常少量的熔化材料需要凝固。因此，使用LPB‑F技术可以快速生产永磁材料，例如以工件的形式、层状和任何期望的3D形状。

[0054] 在根据本发明的方法的任选的步骤c)中，步骤b)中获得的永磁材料可以经受在从150℃至850℃的温度范围内的热后处理。

[0055] 根据本发明的方法的任选的步骤c)的热后处理也可以在多个阶段和/或步骤中进行。

[0056] 步骤b)中获得的永磁材料优选地经受在从200℃至600℃的温度范围、更优选在从250℃至450℃的温度范围内、并且甚至更优选在从300℃至350℃的温度范围内的热后处理。

[0057] 根据任选的步骤c)的热后处理可以进行从10 min至100 h、优选从30 min至50h、甚至更优选从1 h至10 h、并且最优选从2 h至8 h。

[0058] 在本发明的一个实施例中，根据任选的步骤c)的热后处理以两阶段工艺进行。举例来说，热处理的第一步可以在从100℃至700℃的温度范围内(例如，在从200℃至600℃的温度范围内)进行从30 min至5 h的时间段，并且热处理的第二步可以在从200℃至500℃的温度范围内进行从1 h至8 h的时间段。

[0059] 例如，根据任选的步骤c)的热后处理可以在第一步中在250℃下进行4 h，并且在第二步中在350℃下进行2 h。可替代地，根据任选的步骤c)的热后处理也可以在第一步中在600℃下进行1 h，并且在第二步中在450℃下进行4 h。在甚至进一步的替代方案中，根据任选的步骤c)的热后处理也可以在第一步中在350℃下进行1 h，并且在第二步中在275℃下进行4 h。

[0060] 例如，热后处理可以在空气、惰性气体、或真空中进行。例如，根据本发明的方法的任选的步骤c)的热后处理是在惰性气体(如氮气或氩气)中，在150℃与850℃之间的温度下(例如在200℃与600℃之间的温度下)进行从10 min至10 h的时间段。

[0061] 在本发明的一个实施例中，根据本发明的方法的任选的步骤c)的热后处理是在步骤b)之后直接进行的，即根据本发明的方法的根据步骤b)的热后处理是直接用步骤b)中获得的永磁材料进行的。换句话说，如果进行根据步骤c)的热后处理，则根据本发明的方法优选地在方法步骤b)与c)之间没有一个或多个另外的方法步骤的情况下进行。可替代地，根据本发明的方法的根据步骤c)的任选的热后处理是在步骤b)之后进行，但是是在稍后的时刻进行，即根据本发明的方法的根据步骤c)的热后处理是用步骤b)中获得的永磁材料进行的，但不是在步骤b)之后立即进行。换句话说，根据本发明的方法是在方法步骤b)与c)之间没有一个或多个另外的方法步骤的情况下进行的。

[0062] 在本发明的一个实施例中，步骤c)中获得的经热后处理的永磁材料可以经受进一步的冷却。

[0063] 举例来说，将步骤c)中获得的经热后处理的永磁材料冷却至室温。在一个实施例中，将步骤c)中获得的经热后处理的永磁材料一步冷却至室温。可替代地，将步骤c)中获得的经热后处理的永磁材料以多个步骤冷却至室温。举例来说，将步骤c)中获得的经热后处理的永磁材料冷却至低于步骤c)中热后处理温度的限定温度，随后在露天中冷却至室温。

[0064] 在本发明的一个实施例中，将步骤c)中获得的经热后处理的永磁材料以≥10K/sec、并且优选≥10至20,000 K/sec的冷却速率冷却至室温。举例来说，将经热后处理的永磁材料以在≥20 K/sec的范围内或从20 K/sec至1,000 K/sec的范围内的冷却速率冷却至室温。

[0065] 用于冷却经热后处理的永磁材料的方法在本领域中是已知的。例如，可以将经热后处理的永磁材料以借助于在流动空气中冷却或通过在水中淬灭的限定方式冷却至室温。可替代地，将步骤c)中获得的经热后处理的永磁材料在露天中冷却至室温。

[0066] 本发明进一步提供了本发明的永磁材料用于制备永磁体的用途。此类磁性材料基本上可以用于磁性材料的任何应用，例如特别是用于制备电动马达或电力生产装置。

[0067] 因此，本发明进一步提供了本发明的永磁材料用于制备电动马达和/或电力产生装置、优选电动马达的用途。

[0068] 本发明进一步提供了一种包含本发明的永磁材料的电动马达。

[0069] 本发明进一步提供了一种包含本发明的永磁材料的电力产生装置。

[0070] 如图1所示，本发明进一步提供了包含本发明的永磁材料的飞行器(1)、或包含本发明的永磁材料的本发明的电动马达(2)、或包含本发明的永磁材料的本发明的电力产生装置(3)。