根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，未來(lái)的驅(qū)動(dòng)任務(wù)-無(wú)論是在工業(yè)領(lǐng)域還是交通領(lǐng)域-都對(duì)各個(gè)組件提出了很高的要求?；趥鹘y(tǒng)的制造工藝，優(yōu)化的幾何形狀通常是不可能的，結(jié)果是設(shè)計(jì)者在性能和效率上痛苦折衷，某種意義上電動(dòng)機(jī)的經(jīng)典制造工藝達(dá)到了極限。而另一方面，隨著增材制造 (AM) 技術(shù)日趨成熟，增材制造為電機(jī)的制造開(kāi)辟了另外一條曲徑通幽之路：3D打印-增材制造電機(jī)（EM）只是時(shí)間問(wèn)題。
預(yù)測(cè)在未來(lái)幾年內(nèi)原型領(lǐng)域的電機(jī)組件3D打印將急劇增加，最有可能集中在3D打印機(jī)器繞組、熱交換器和同步轉(zhuǎn)子上。此外，提升電機(jī)效率的一個(gè)關(guān)鍵在于其內(nèi)部定子和轉(zhuǎn)子所用的軟磁合金材料，增材制造高性能軟磁合金對(duì)高頻電機(jī)鐵芯的制造和應(yīng)用具有重要的工程意義?！?/p>
DeepTech深科技報(bào)道了華中科技大學(xué)非晶態(tài)材料實(shí)驗(yàn)室在電機(jī)領(lǐng)域的突破：
在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)生活中，電機(jī)被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)、高鐵、精密機(jī)床等多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域，其所消耗的電能占全國(guó)總用電量的 40%。
電機(jī)所消耗的電能除了轉(zhuǎn)化為機(jī)械能發(fā)揮作用外，剩余部分全部轉(zhuǎn)化為熱能浪費(fèi)掉，其中機(jī)械能相較于電機(jī)總耗電量的占比就是電機(jī)的效率。
研究表明，如果電機(jī)的效率可以提升 1%，那么每年中國(guó)就能節(jié)省 500 億度電。想要提升電機(jī)的效率，其內(nèi)部定子和轉(zhuǎn)子所用的軟磁合金材料是關(guān)鍵。
目前普遍使用的軟磁材料是硅鋼，其矯頑力高和電阻率低的固有屬性，制約了降低電機(jī)損耗的進(jìn)一步降低。
近些年來(lái)新興的多組元合金，比如高熵合金、中熵合金和非晶合金，得益于其廣闊的成分空間，可以在很大范圍內(nèi)進(jìn)行微觀組織和性能的調(diào)控，有望獲得性能更為優(yōu)異的軟磁材料。
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然而，軟磁多組元合金的成形性通常較差，通過(guò)傳統(tǒng)的加工方式難以制備復(fù)雜構(gòu)件。
激光增材制造是一種以激光為熱源，逐層熔化粉末從而成形零件的新技術(shù)，可以加工任意復(fù)雜形狀的零件。目前，已有不少增材制造軟磁多組元合金的工作報(bào)道。
但是，增材制造過(guò)程中復(fù)雜的熱歷史會(huì)導(dǎo)致軟磁多組元合金形成復(fù)雜的微觀組織結(jié)構(gòu)，這導(dǎo)致最終得到樣品的軟磁性能（如矯頑力過(guò)大）無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際需求。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，華中科技大學(xué)非晶態(tài)材料實(shí)驗(yàn)室的柳林教授、張誠(chéng)教授團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)目前高頻電機(jī)亟需解決的節(jié)能問(wèn)題開(kāi)展研究。
軟磁非晶合金由于其獨(dú)特的原子排布結(jié)構(gòu)特征具有一系列優(yōu)異的軟磁性能，比如：高磁導(dǎo)率、高電阻率、低矯頑力和低損耗等優(yōu)點(diǎn)。
然而，由于鐵基非晶合金具有硬度高、脆性大的特點(diǎn)，使得傳統(tǒng)加工方式難以對(duì)其進(jìn)行加工成形。
于是，他們利用紫外皮秒脈沖激光切割軟磁非晶條帶并進(jìn)行疊片制備出非晶定子樣件，實(shí)現(xiàn)了低損耗非晶定子的快速無(wú)損加工。
（來(lái)源：Scripta Materialia）
然而該技術(shù)無(wú)法用于復(fù)雜異形結(jié)構(gòu)鐵芯的制備，制約了其進(jìn)一步的發(fā)展。為了突破異形結(jié)構(gòu)鐵芯的成形難題，他們同步開(kāi)展第二個(gè)方向研究工作——增材制造多組元軟磁合金。
期間，他們進(jìn)行了大量的軟磁無(wú)序合金成分設(shè)計(jì)工作，采用鑄造法制備得到了一批具有優(yōu)異軟磁性能的合金體系，隨后采用增材制造技術(shù)對(duì)這些體系進(jìn)行加工成形。
由于增材制造過(guò)程中極快速升降溫的效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致樣品中非平衡相的形成，使得最終制得樣品的性能相較于鑄態(tài)樣品發(fā)生惡化。
如何在激光這種高能熱源導(dǎo)致的極端環(huán)境中得到對(duì)軟磁性能有益的物相結(jié)構(gòu)，是他們遇到的一個(gè)瓶頸問(wèn)題。
為了解決這一問(wèn)題，他們結(jié)合以往工作中粉末表面改性的經(jīng)驗(yàn)對(duì)本工作中所使用的粉末進(jìn)行表面改性，并對(duì)增材制造工藝進(jìn)行了大量?jī)?yōu)化，對(duì)不同粉末改性和增材制造工藝下得到的微觀組織結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律和磁學(xué)性能進(jìn)行探索。
經(jīng)過(guò)不懈的努力，最終他們尋找到了 FeCoNi 和 Fe2O3 這一組合及其對(duì)應(yīng)的最優(yōu)工藝參數(shù)。
除此之外，他們還采用增材制造技術(shù)對(duì)軟磁非晶合金進(jìn)行成形，即在增材制造軟磁多組元合金中引入原位物相調(diào)控的策略來(lái)調(diào)控微觀結(jié)構(gòu)，從而獲得了優(yōu)異的軟磁性能。
該策略基于納米氧化物表面改性的元素粉末，在激光增材制造過(guò)程中原位調(diào)控物相結(jié)構(gòu)（體心立方結(jié)構(gòu)（BCC，body-centered cubic）/面心立方晶格（FCC，face centered cubic）雙相變 FCC 單相），實(shí)現(xiàn)軟磁性能的優(yōu)化，從而有效解決當(dāng)前增材制造軟磁多組元合金在性能上的不足。
具體來(lái)說(shuō)，他們首先選擇了一種非等摩爾比的 FeCoNi 中熵合金作為基礎(chǔ)合金，該合金體系具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)，但其雙相結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)導(dǎo)致其矯頑力較高。
于是，他們采用原位物相調(diào)控的策略對(duì)其相結(jié)構(gòu)和磁學(xué)性能進(jìn)行了優(yōu)化。
這一過(guò)程包含三個(gè)步驟：
首先，通過(guò)濕化學(xué)法在單質(zhì)元素粉末表面均勻包覆一層納米 Fe2O3 顆粒；
隨后，采用激光增材制造技術(shù)將預(yù)處理后的粉末加工成形成樣品，在該過(guò)程中 BCC/FCC 雙相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)?FCC 單相結(jié)構(gòu)，納米 Fe2O3 顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)?FeO 顆粒；
最后，通過(guò)高溫?zé)崽幚磉M(jìn)一步優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)及磁學(xué)性能。
經(jīng)過(guò)上述步驟，他們得到了單一 FCC 結(jié)構(gòu)的 FeCoNi 中熵合金/FeO 復(fù)合材料，該材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到 2.05T，矯頑力低至 115A/m，這些性能優(yōu)于大多數(shù)增材制造軟磁合金。
另外，F(xiàn)eO 顆粒將電阻率提高至未添加納米顆粒樣品的兩倍，從而有效降低鐵損。
總的來(lái)說(shuō)，本研究中提出的創(chuàng)新策略為增材制造高性能軟磁合金提供了新的思路，也對(duì)高頻電機(jī)鐵芯的制造和應(yīng)用具有重要的工程意義。
這一成果潛在的應(yīng)用場(chǎng)景主要是電機(jī)，尤其是高頻電機(jī)中的鐵芯。如前所述，電機(jī)效率任何微小的提升都可以節(jié)約大量的能源。
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為了做到這一點(diǎn)，電機(jī)中所采用軟磁材料需要同時(shí)具有低矯頑力和高電阻率的性能特點(diǎn)。而且隨著技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜，傳統(tǒng)加工技術(shù)在成形這些復(fù)雜形狀時(shí)顯得力不從心。
而本次工作可以同時(shí)解決上述兩個(gè)問(wèn)題：
首先增材制造技術(shù)可以解決樣件復(fù)雜度的問(wèn)題；其次采用原位物相調(diào)控策略制備的多組元無(wú)序合金展現(xiàn)出優(yōu)異的軟磁性能，從而滿(mǎn)足電機(jī)對(duì)軟磁材料性能的要求。
然而由于軟磁非晶合金的玻璃形成能力通常較低，導(dǎo)致在激光 3D 打印過(guò)程中形成了許多脆性硬磁晶化相，這些相會(huì)增大了矯頑力。因此后續(xù)他們將繼續(xù)探索增材制造成形軟磁非晶合金的新方法，致力于解決當(dāng)前面臨的技術(shù)難題。
來(lái)源
DeepTech深科技 l
科學(xué)家提出增材制造原位物相調(diào)控新策略，材料飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到2.05T
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