employee from 01.01.2014 until now
Federal'noe gosudarstvennoe byudzhetnoe uchrezhdenie nauki Institut avtomatiki i processov upravleniya Dal'nevostochnogo otdeleniya Rossiyskoy akademii nauk (MNS)
from 01.01.2014 until now
IAPU DVO RAN (Centr Lazernyh Tehnologiy, MNS)
employee from 01.01.2014 until now
Vladivostok, Russian Federation
UDK 620.186 Микроскопические исследования. Микроанализ. Изучение структуры
The paper presents two main directions for improving the efficiency of permanent magnets (PM), by changing chemical composition of the future magnet and through variations of magnetic field shape. Increasing the efficiency of PM by changing chemical composition over the decades has made it possible to reduce multiply the size of the final product. In turn, increasing the efficiency of PM by alternating the magnetic field shape is a relatively new direction. Based on the analysis of the presented methods for increasing the efficiency of PM, it is proposed to use additive technologies, namely laser powder surfacing for the manufacture of permanent magnets. To conduct experimental studies, the KUKA robotic complex and permanent magnets are used as a source of a permanent magnetic field. The paper presents some modes of laser powder surfacing of Sm and Fe powders. A complex of six neodymium magnets is used to maintain a magnetostatic field. Strength distribution of the magnetizing field between the magnets and in the main working area is described. The external view and condition of the powders used for the manufacture of experimental samples are presented. Experimental samples and selective approach for analyzing the microstructure and concentration spectra of elements are described. The microstructure and distribution of elements in the obtained samples were studied depending on the texture of the sample relative to the magnetic field and laser surfacing mode. The effect of the applied organic binders on the microstructure and chemical composition has been determined. The distribution of elements in the samples and the transition layer between the support plate and the deposited metal is studied.
laser powder surfacing, SmFe alloy, fiber laser
Материалы, обладающие магнитными свойствами, являются одной из важнейших частей того мира, что построило человечество. Постоянные магниты (ПМ) используются в технике, электронике, промышленности и науке. Одними из важнейших способов применения постоянных магнитов стали электрогенераторы, благодаря которым происходит выработка электроэнергии.
На данный момент можно выделить два основных направления развития постоянных магнитов, а именно: изменение химического состава магнита и изменение формы магнитного поля. Процесс развития состава постоянных магнитов и их «эффективность» относительно своей массы представлен на рис. 1, а, где BHmax – максимальное энергетическое произведение, определяющее, насколько сильным является магнит.
Размер магнита на основе редкоземельных металлов более чем в 60 раз меньше, чем магнит на основе алюминия, что видно из
рис. 1, б. Несмотря на значительную разницу в размере магнитов напряжённость магнитного поля на расстоянии 5,0 мм от кромки у магнитов идентична.
Однако помимо состава и характеристик постоянных магнитов значительный вклад в эффективность работы техники вносит форма магнитного поля. В работе [2] утверждается, что изменение формы магнитного поля за счёт изменения расположения магнитов
(рис. 2, а) приводит к значительному приросту производительности и крутящего момента в двигателе (рис. 2, б). Также интерес представляют и другие работы [3 – 6], направленные на изучение и разработку технологий увеличения эффективности оборудования, использующего постоянные магниты. Аналогичные исследования ведутся в области разработки новых способов применения постоянных магнитов [7], исследуются принципы формирования магнитных свойств [8], их структура [9] и свойства [10].
Цель и задачи
Целью данной работы является изучение влияния органических связующих, применяемых для фиксации порошков в магнитном поле при лазерной порошковой наплавке.
Для получения более углублённого понимания происходящих процессов были поставлены следующие задачи:
- изучить влияние связующего на микроструктуру и состав получаемых образцов;
- определить влияние направления линий магнитной индукции на структуру получаемых образцов.
Материалы и методики
Для углублённого изучения процессов, происходящих при изготовлении ферромагнитных материалов, методом лазерной аддитивной технологии, были проведены исследование структуры, состава и магнитных свойств получаемых образцов.
Для изготовления образцов использован технологический комплекс, ключевыми элементами которого являются волоконный лазер производства IPG марки ЛС-1-К и робот KUKA KR 30 HA. Волоконный лазер является источником лазерного излучения, которое используется для плавления порошков, находящихся в магнитном поле. Робот KUKA передвигает лазерное излучение по поверхности порошка, что позволяет получать магнитный материал в соответствии с 3D моделью.
Используемый лазер позволяет контролировать такие параметры лазерного излучения как:
- мощность лазерного излучения;
- диаметр пятна лазерного излучения;
- длительность импульса (при импульсной обработке).
Основные параметры лазера приведены в табл. 1.
Промышленный робот KUKA KR 30 в совокупности с позиционером DKP–400 являются базой используемой установки. На последнем (шестом) фланце робота крепится оптическая головка, которая перемещается в пространстве, согласно заданным координатам.
В оптимальных рабочих условиях повторяемость робота составляет порядка 50 нм, а позиционера 0,009 ° что позволяет выполнять запрограммированные операции с высокой точностью.
При работе со сложными геометрическими поверхностями образец крепится в позиционер, что позволяет поворачивать обрабатываемую деталь в процессе работы. А при работе с простыми поверхностями образец располагается на столе возле робота.
Для поддержания постоянного магнитного поля использован комплекс из шести ниодимовых магнитов размером 100×100×10 мм3, собранных в два пакета по три штуки
(рис. 3, а). Магнитная индукция между магнитами изменяется от 450 до 580 мТл в зависимости от места измерения (рис. 3, б). Пакеты разделены немагнитным материалом, на поверхности которого закреплена немагнитная подложка. Сплавление порошкового материала проводится лазерным излучением в присутствии магнитного поля на поверхности немагнитной подложки. Квадратом (см. рис. 3, б) выделена область наиболее стабильного магнитного поля (500…540 мТл).
Так как порошки взаимодействуют с магнитным полем использовать стандартную технологию лазерной порошковой наплавки невозможно. Для фиксации порошка на поверхности образца использовалось два метода.
Первый метод заключался в фиксации порошка на поверхности спиртовым раствором канифоли (индекс «К»), состоящем из 10 г канифоли и 50 мл изопропилового спирта. Раствор канифоли смешивался со смесью порошков Sm-Fe (20/80) в соотношении 50 мл раствора на 50 г смеси порошков. Полученная масса наносилась на обезжиренную пластину из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т и высушивалась в сушильном шкафу в среде аргона при температуре 100 °С на протяжении
60 мин до полного высыхания. Полученную смесь сплавляли лазерным излучением в магнитном поле.
Второй способ фиксации порошка на поверхности образца заключался в нанесении на обезжиренную подложку полистирола (индекс «П»). На поверхность с полистиролом с помощью пневматического компрессора наносилась смесь порошков Sm-Fe.
Изготовление образцов проводилось в двух направлениях. Вдоль (от магнита к магниту) и поперёк направления линий магнитного поля (между магнитами), как показано
на рис. 5.
Режим лазерной порошковой наплавки были следующими: мощность лазерного излучения 600 Вт; диаметр пятна лазера на поверхности 1,0 мм; скорость движения луча по поверхности 0,02 м/с; толщина слоя порошка перед наплавкой 1,0 мм; защитная газовая среда – аргон.
Структура полученных образцов исследована на сканирующем электронном микроскопе Hitachi S3400 type II после предварительного травления ионным лучом для выявления границ зерна и определения их элементного состава методом рентгеновской спектроскопии с энергетической дисперсией (РСЭД). Образцам, наплавленным вдоль магнитного поля, были присвоены номера 1а и 1б. Образцам, наплавленным поперёк магнитного поля, были присвоены номера 2а и 2б. Буквы «а» и «б» присваивались в соответствии с направлением линий магнитных индукции при наплавке образцов. У образцов с буквой «а» магнитное поле расположено перпендикулярно плоскости шлифа, у образцов с буквой «б» параллельно. Перед номером образца добавлялось буквенное обозначение фиксирующего состава, например, образец К1а – наплавлен вдоль магнитного поля с использованием раствора канифоли.
Результаты и обсуждение
Для определения влияния используемых фиксирующих составов на структуру и состав проведены исследования на электронном микроскопе. На рис. 6 представлена микроструктура образцов наплавки порошков SmFe на подложке из нержавеющей стали.
Известно, что работа выхода электронов из редкоземельных металлов (Sm, например) значительно меньше, чем переходных металлов. Регистрация спектра РСЭД в точке 1 (рис. 7, а) показала, что основной вклад дает Fe – 71 % весовой и 70,1 % атомный, а вклад Sm – 6,4 % весовой и
2,3 % атомный меньше, чем вклад атомов
Cr – 19,1 % весовой и 20,3 % атомный.
Исследования состава в точке 3
(рис. 7, а) показали, что области с белым цветом содержат 43,6 % весовых и 20 % атомных Sm, а также 29,4 % весовых и 36,3 % атомных Fe. В состав участка также входят небольшие количества атомов Ni – 15,1 %, Cr – 8,3 % и до
1,5 % атомов C, Si и Cu.
Можно сказать, что при кристаллизации в магнитном поле большая часть атомов самария располагаются в областях белого цвета, а в серые области Sm входит в незначительном количестве (единицы атомных процентов) самария. В образцах П1а и К1а также были обнаружены микротрещины, однако количество микротрещин в образце П1а ниже. Анализ микроструктуры образцов П1а, П1б (рис. 8), К1а и К1б не выявил кардинальных отличий, указывающих на влияние направления линий магнитной индукции на микроструктуру.
В поверхностной области наплавленного металла (см. рис. 9, а) были обнаружены элементы подложки и скопление Sm, который всплыл на поверхность. Регистрация РСЭД спектров выделенной области (см. рис. 9, б) показала (см. рис. 9, в) содержание 1,47 % весовых и 6,96 % атомных атомов С, 0,34 % весовых и 0,68 % атомных атомов Si, 9,33 % весовых и
10, 23 % атомных атомов Сr, 71, 93 % весовых и 73,38 % атомных атомов Fe, 3,94 % весовых и 3,82 % атомных атомов Ni и 13,00 % весовых и 4,93 % атомных атомов Sm.
Выводы
- Для получения магнитных материалов методом лазерной порошковой наплавки в магнитном поле можно использовать оба изучаемых состава.
- При использовании полистирола в качестве фиксирующего материала в исследуемой микроструктуре наблюдается меньшее количество трещин, чем при применении раствора канифоли.
- Направление линий магнитной индукции не оказывает видимого эффекта на изменение микроструктуры полученных образцов.
- Из-за сильного смешивания наплавляемого металла и подложки происходит взаимная диффузия металлов. Для уменьшения данного эффекта необходимо пересмотреть режим лазерной обработки в сторону уменьшения количества используемой энергии.
1. Laura H. Lewis and Fe´Lix Jime´Nez-Villacorta. Perspectives on Permanent Magnetic Materials for Energy Conversion and Power Generation // Metallurgical and Materials Transactions A 44-Suppl, January 2013. DOI:https://doi.org/10.1007/s11661-012-1278-2
2. Oliver Gutfleisch, Matthew A. Willard, Ekkes Brück, Christina H. Chen, S. G. Sankar, and J. Ping Liu. Magnetic Materials and Devices for the 21st Century: Stronger, Lighter, and More Energy Effi cient // Advanced Materials 20:1-22 August 2011
3. Prakht V.A., Dmitrievsky V.A., Kazakbaev V.M. Optimal design of gearless flux-switching Generator with Ferrite Permanent Magnets // Izvestia TPU, 2020, No.5. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/optimalnoe-proektirovanie-bezreduktornoy-mashiny-s-pereklyucheniem-potoka-dlya-vetrogeneratora (date of access: 16.11.2023).
4. Shapoval A.A. Complex of technical-organizational decisions on improving the work of energy departments of the subsidiaries of Gazprom PJSC in current conditions// Gas Industry, 2017, no.11 (760). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/kompleks-organizatsionno-tehnicheskih-resheniy-po-sovershenstvovaniyu-raboty-energohozyaystv-dochernih-obschestv-pao-gazprom-v (date of access: 14.11.2023).
5. Nagaitsev V.I., Sergeev S.V., Sizyakin A.V. Evolution of requirements to the material properties of permanent magnets for electrical machines. Bulletin of the South Ural State University, Ser. Power Engineering, 2021, vol. 21, no. 1, pp. 99-108. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/evolyutsiya-trebovaniy-k-svoystvam-materialov-postoyannyh-magnitov-dlya-elektricheskih-mashin (date of access: 14.11.2023).
6. Valeev R.A., Piskorskiy V.P., Korolev D.V., Morgunov R.B. Optimization of the cobalt content as a way of temperature stabilization of rare earth magnets. // Proceedings of VIAM, 2023, No.3 (121). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/optimizatsiya-soderzhaniya-kobalta-kak-sposob-temperaturnoy-stabilizatsii-redkozemelnyh-magnitov (date of access: 16.11.2023).
7. Makarychev Yu.A., Ivannikov Yu.N., Brattsev Ya.A., Polyansky E.A. Combined magnetic bearing // Bulletin of the Samara State Technical University. Series: Technical Sciences, 2020, no. 4 (68). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/kombinirovannyy-magnitnyy-podves (date of access: 16.11.2023).
8. Lukin A.A. Features of the formation of a highly coercive state in PM of the rem-m type // GIAB, 2007, no.12. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/osobennosti-formirovaniya-vysokokoertsitivnogo-sostoyaniya-v-pm-tipa-rzm-m (date of access: 16.11.2023).
9. Cherednichenko I.V., Bondarenko Yu.A., Kolodyazhny M.Yu., Kuzmina N.A., Shubakov V.S., Zhukov D.G. The structure and properties of permanent magnetic alloys UNDK25BA, manufacturing by directional solidification methods with liquid metal cooler// Proceedings of VIAM, 2017, no. 11 (59). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/struktura-i-svoystva-splavov-dlya-postoyannyh-magnitov-yundk25ba-poluchennyh-metodom-napravlennoy-kristallizatsii-s (date of access: 16.11.2023).
10. Cherednichenko I.V., Bavina M.A., Bondarenko Yu.A., Shurygin V.D., Ovchinnikov A.D., Galimullin S.A. Influence of directional crystallization parameters on the structure and properties of permanent magnets made of Yundkba alloy // Proceedings of VIAM. 2023. No. 11 (129). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/vliyanie-parametrov-napravlennoy-kristallizatsii-na-strukturu-i-svoystva postoyannyh-magnitov
