[논문 리뷰] Gradient soft magnetic materials produced by additive manufacturing from non-magnetic powders

Oleg N. Dubinin, D. A. Chernodubov외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 13.

Additive Manufacturing Materials and Processes참고 문헌 19인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 인쇄 중 상 전이를 통해 비자성 분말인 316L 스테인리스 스틸과 구리-12알루미늄-2철 알루미늄 브onz 분말을 사용하여 기울기 있는 연성 자성 재료의 첫 번째 성공적인 적층 제조를 보여준다. 이 과정은 체심입방(CCP) 상의 형성으로 인해 최대 49 emu g⁻¹의 포화 자화를 달성하며, CALPHAD 방법을 통해 상 조성이 정확하게 예측 가능하여 맞춤형 자성 특성을 실현한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비자성 기초 분말을 사용한 적층 제조를 통해 기울기 있는 연성 자성 재료를 제작하는 새로운 방법을 개발하는 것.
• 제조 공정 중 제어된 상 전이를 통해 자성 특성을 실시간으로 조절할 수 있도록 하는 것.
• 합금 조성과 제조 조건을 바탕으로 인쇄된 기울기 있는 재료의 상 조성을 CALPHAD 열역학적 방법으로 정확히 예측할 수 있음을 검증하는 것.
• 초기 자성 분말을 사용하지 않고도 인쇄된 부품에서 높은 포화 자화를 달성하는 것.

제안 방법

• 선택적 레이저 용융을 이용한 적층 제조를 통해 파라자성 316L 스틸과 구리-12알루미늄-2철 알루미늄 브론즈 분말의 혼합물로부터 부품를 제작하였다.
• 지역 냉각 속도와 조성 기울기 조절을 통해 인쇄 중 실시간으로 자성 특성을 조절하였다.
• X선 회절 및 전자 배경산란 회절을 이용해 상 진화를 분석하여 CCP 상의 형성을 확인하였다.
• 합금 조성과 제조 조건을 바탕으로 인쇄된 기울기 있는 재료의 상 조성을 예측하기 위해 CALPHAD 방법을 적용하였다.
• 포화 자화와 난류성도를 정량화하기 위해 자화 히스테리시스 측정을 실시하였다.
• 스캐닝 전자현미경과 에너지 분산형 X선 분석을 이용해 미세구조 특성을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비자성 분말을 사용한 적층 제조로 기울기 있는 연성 자성 재료를 제조할 수 있는가?
• RQ2 적층 제조 공정 중 자성 특성을 얼마나 실시간으로 조절할 수 있는가?
• RQ3 비자성 분말 혼합물에서 연성 자성 거동을 가능하게 하는 CCP 상 형성의 역할은 무엇인가?
• RQ4 CALPHAD 방법은 인쇄된 기울기 있는 자성 재료의 상 조성을 정확히 예측할 수 있는가?
• RQ5 이러한 인쇄된 기울기 있는 합금에서 달성 가능한 최대 포화 자화는 얼마인가?

주요 결과

• 인쇄된 기울기 있는 재료는 최대 49 emu g⁻¹의 포화 자화를 달성하여 강한 연성 자성 거동을 보였다.
• 합금 기질 내에서 체심입방(CCP) 상의 형성이 관찰된 자성 특성의 주요 기여 요소로 확인되었다.
• 지역 제조 조건을 조절함으로써 적층 제조 공정 중 실시간으로 자성 특성을 성공적으로 조절할 수 있었다.
• CALPHAD 방법을 통해 인쇄된 기울기 있는 재료의 상 조성을 정확히 예측할 수 있었으며, 이는 공정 최적화를 뒷받침하였다.
• FCC가 주를 이룬 분말(316L 및 구리-12알루미늄-2철)의 조합이 응고 과정 중에 자성 CCP 상이 인쇄 중 자동으로 형성됨을 확인하였다.
• 결과적으로 고성능의 연성 자성 재료는 사전 자화되거나 자성 분말을 사용하지 않고도 제조가 가능하다는 것이 확인되었다.