[論文レビュー] Gradient soft magnetic materials produced by additive manufacturing from non-magnetic powders

Oleg N. Dubinin, D. A. Chernodubov+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2021

Additive Manufacturing Materials and Processes参考文献 19被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、非磁性粉末（316Lステンレス鋼およびCu-12Al-2Feアルミニウムブロンズ）を用いた積層造形により、イン・サイトで相変態を経て、初めて勾配型ソフト磁性材料の添加製造に成功した。このプロセスにより、体心立方構造（BCC）相の形成によって、最大49 emu g⁻¹の飽和磁化が達成された。相組成はCALPHAD法により正確に予測可能であり、磁性特性のチューニングが可能である。

ABSTRACT

Additive manufacturing (AM) allows printing parts of complex geometries that cannot be produced by standard technologies. Besides, AM provides the possibility to create gradient materials with different structural and physical properties. We, for the first time, printed gradient soft magnetic materials from paramagnetic powders (316L steel and Cu-12Al-2Fe (in wt.%) aluminium bronze)). The magnetic properties can be adjusted during the in-situ printing process. The saturated magnetization value of alloys reaches 49 emu g^{-1}. The changes in the magnetic properties have been attributed to the formation of the BCC phase after mixing two FCC-dominated powders. Moreover, the phase composition of the obtained gradient materials can be predicted with reasonable accuracy by the CALPHAD approach, thus providing efficient optimization of the performance. The obtained results provide new prospects for printing gradient magnetic alloys.

研究の動機と目的

• 非磁性粉末を用いた添加製造により、勾配型ソフト磁性材料を新たに開発すること。
• 制御された相変態を通じて、造形プロセス中に磁性特性をイン・サイトでチューニングできるようにすること。
• 合金組成および処理条件に基づき、印刷された勾配材料の相組成の予測可能性をCALPHAD熱力学的手法を用いて検証すること。
• 磁性粉末を出発原料とせず、印刷部品で高い飽和磁化を達成すること。

提案手法

• パラ磁性の316L鋼およびCu-12Al-2Feアルミニウムブロンズ粉末の混合物を用いて、選択的レーザー溶融による添加製造で部品を成形した。
• 局所的な冷却速度と組成勾配を制御することで、造形中における磁性特性をリアルタイムでチューニングした。
• X線回折および走査型電子線回折を用いて相の発達を分析し、BCC相の形成を同定した。
• 合金組成および処理条件に基づき、印刷された勾配材料の相組成を予測するためにCALPHAD法を適用した。
• 磁化履歴測定を実施し、飽和磁化およびコercivityを定量した。
• 走査型電子顕微鏡およびエネルギー分散型X線スペクトロスコピーを用いて、微細組織の特徴を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非磁性粉末を用いた添加製造により、勾配型ソフト磁性材料を製造できるか？
• RQ2 添加製造プロセス中に、磁性特性をどの程度イン・サイトでチューニングできるか？
• RQ3 非磁性粉末混合物におけるソフト磁性挙動を可能にするBCC相形成の役割は何か？
• RQ4 CALPHAD法は、印刷された勾配磁性材料の相組成を正確に予測できるか？
• RQ5 このような印刷された勾配合金で達成可能な最大の飽和磁化は何か？

主な発見

• 印刷された勾配材料は、最大49 emu g⁻¹の飽和磁化を達成し、強力なソフト磁性挙動を示した。
• 合金マトリックス内での体心立方構造（BCC）相の形成が、観察された磁性特性の主な要因であると特定された。
• 局所的処理パラメータの調整により、添加製造プロセス中に磁性特性をリアルタイムで成功裏にチューニングできた。
• CALPHAD法により、印刷された勾配材料の相組成を正確に予測でき、プロセス最適化を支援した。
• FCC主体の粉末（316LおよびCu-12Al-2Fe）の組み合わせにより、凝固中に磁性を示すBCC相がイン・サイトで形成された。
• 結果から、事前に磁化されたまたは磁性を示す粉末を用いずに、高性能なソフト磁性材料を製造可能であることが確認された。