[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究首次通过在增材制造过程中原位相变，成功利用非磁性粉末（具体为316L不锈钢和Cu-12Al-2Fe铝青铜）实现了梯度软磁材料的增材制造。该工艺通过形成体心立方（BCC）相，实现了高达49 emu g⁻¹的饱和磁化强度，且相组成可通过CALPHAD方法精确预测，从而实现磁性性能的定制化。

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.

研究动机与目标

• 开发一种新型方法，利用非磁性起始粉末通过增材制造生产梯度软磁材料。
• 通过受控相变实现在增材制造过程中磁性性能的原位调控。
• 验证基于CALPHAD热力学方法对打印合金相组成预测的可靠性。
• 在不使用磁性粉末作为起始材料的前提下，实现打印构件中高饱和磁化强度。

提出的方法

• 采用增材制造（选择性激光熔融）技术，以顺磁性316L不锈钢与Cu-12Al-2Fe铝青铜粉末的混合物为原料，制备组件。
• 通过调控局部冷却速率和成分梯度，在打印过程中实时调节磁性性能。
• 利用X射线衍射和电子背散射衍射分析相演变，识别BCC相的形成。
• 应用CALPHAD方法，基于合金成分和加工条件，预测打印梯度材料的相组成。
• 进行磁滞回线测量，以量化饱和磁化强度和矫顽力。
• 通过扫描电子显微镜和能谱分析进行显微组织表征。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用增材制造技术，从非磁性粉末中制备梯度软磁材料？
• RQ2 在增材制造过程中，磁性性能的原位调控程度如何？
• RQ3 BCC相的形成在非磁性粉末混合物中实现软磁行为中起到何种作用？
• RQ4 CALPHAD方法能否准确预测打印梯度磁性材料的相组成？
• RQ5 此类打印梯度合金中可实现的最大饱和磁化强度是多少？

主要发现

• 打印的梯度材料实现了高达49 emu g⁻¹的饱和磁化强度，表现出显著的软磁特性。
• 在合金基体中形成体心立方（BCC）相被确认为观察到磁性性能的主要贡献因素。
• 通过调整局部加工参数，成功在增材制造过程中实时调控了磁性性能。
• CALPHAD方法实现了对打印梯度材料相组成的精确预测，支持工艺优化。
• 以FCC为主导的粉末（316L和Cu-12Al-2Fe）在凝固过程中原位形成了磁性BCC相。
• 结果证实，高性能软磁材料可在不使用预先磁化或磁性起始粉末的情况下实现制备。