研究

研究人员用单级金属粉末3D打印部分磁性结构

研究人员瑞士联邦材料科学与技术实验室(EMPA) 3D打印出了一种部分磁性金属结构,只使用一种类型的钢粉,通过改变其属性。

它被描述为“小金属棋盘”,由16个方格组成,其中8个是有磁性的,其他的没有磁性。3D打印使用激光粉末床熔化(LPBF)技术从单一等级的金属粉末,不同的性能仅通过改变激光的功率和持续时间,并利用LPBF的高温。

在单个部件中以千分尺精度生产不同合金成分的能力,可能证明对金属生产和加工的方法论是有用的。“在3D激光打印中,我们可以很容易地在当地达到2500摄氏度以上的温度,”EMPA项目负责人Christian Leinenbach解释说。“这使我们能够以有针对性的方式汽化合金中的各种成分,如锰、铝、锌、碳等,从而在局部改变合金的化学成分。”

铁屑粘在这个边长4毫米的迷你棋盘上。在不同的温度下,由单一类型的钢动力产生部分磁性结构。通过电子探针图像。
铁屑粘在这个边长4毫米的迷你棋盘上。在不同的温度下,由单一类型的钢动力产生部分磁性结构。通过电子探针图像。

3D打印不同合金成分,千分尺精度

金属LPBF 3D打印,特别是直接金属激光烧结(DMLS)或选择性激光熔化(SLM),在制造方面具有独特的优势具有复杂几何形状的坚固部件,同时减少材料和时间成本。

然而,这种制造技术有一些显著的缺点。在LPBF过程中,温度在毫秒内达到2500摄氏度以上,导致合金材料粉末的一些成分蒸发。

EMPA的研究人员Aryan Arabi-Hashemi和Leinenbach开始演示如何利用这一明显的缺陷来改善生产过程。研究团队使用一种特殊类型的不锈钢来说明这一点,这种不锈钢是大约20年前由Dübendorf上的亨佩尔特殊金属公司(Hempel special Metals)开发的。

这种被称为P2000钢的金属不含镍,但含有大约1%的氮。此外,P2000不会引起过敏,也很适合医疗应用。不幸的是,乍一看它也似乎不适合作为LPBF 3D打印的基材:在激光束的熔化区,温度迅速达到峰值。这导致金属中的大部分氮蒸发,迫使P2000钢的性能发生变化。

P2000钢粉在电子显微镜下的照片(上)。Ariyan Arabi-Hashemi和Christian Leinenbach使用3D激光打印机来微调不锈钢合金。(底部)。通过电子探针的照片。
P2000钢粉在电子显微镜下的照片(上)。Ariyan Arabi-Hashemi和Christian Leinenbach。通过电子探针的照片。

然而,Arabi-Hashemi和Leinenbach修改了激光束的扫描速度和强度,使金属粉末床中的粒子熔化,从而以一种特殊的方式改变了液体熔池的大小和寿命。在最小的情况下,水池直径为200微米,深度为50微米,在最大的情况下,宽度为350微米,深度为200微米。

更大的熔池允许更多的氮从合金中蒸发;凝固钢的结晶中含有高比例的可磁化铁氧体。在最小的熔池中,熔化的钢凝固得更快。氮保留在合金中;钢主要以非磁性奥氏体的形式结晶。在他们进行实验时,研究人员必须非常精确地测定毫米大小的金属样品中的氮含量,并测量局部磁化到几微米以内,以及奥氏体和铁素体钢的体积比。这有助于嵌入具有微米精度的新型磁性的3D打印金属工件。

以千分尺的精度生产不同的合金成分,有可能使设计更高效的电动机成为可能。现在可以用精细结构的磁性材料来制造电机的定子和转子,这有助于更好地利用磁场的几何形状。

推进LPBF 3D打印

随着不同的组织寻求开发和推进该技术,LPBF流程最近总体上看到了持续的发展。

早在2020年全球标准开发者ASTM国际宣布F42增材制造技术委员会成立开发一个标准LPBF 3D打印工艺

今年1月,法国工业3D打印机供应商AddUp该公司还与美国能源部签署了一项270万美元的合作研发协议(CRADA)橡树岭国家实验室(ORNL)开发金属添加剂制造材料工艺为工具。特别是,合作伙伴已经选择将重点放在先进的LPBF技术用于新型金属模具的工具。

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