激光增材制造FeNi坡莫合金及其发展研究
发布时间:2024-04-25 09:56:25软磁合金是最具经济性和科技性的磁性材料之一,已被广泛应用于变压器、发电机和电动机等各种工业电子设备中,以及用于家用电器和科学设备等产品器件中。至今,人们已经研究和生产了不同类型的软磁材料,包括纯铁、铁基合金(Fe-Si,Fe-Ni,Fe-Co和Fe-Si-Al等)及Ni-Zn,Mn-Zn和Co-Zn等一系列铁氧体。坡莫合金是指镍含量在30%~90%范围内的铁镍系合金。该类软磁合金通过适当的工艺,可以有效控制磁性能,是一种典型的功能材料,具有磁导率高、矫顽力低、饱和磁感应强度高、居里温度高、耐腐蚀性能良好、加工性能良好等特点。主要在交变磁场下使用,广泛应用于航空航天工业领域及电讯、测控系统。常用的坡莫合金有1J50、1J79、1J85等。
在航空航天工业领域,坡莫合金主要用于制造灵敏度高、尺寸精、体积小、高频损耗低的精密元器件。这些元器件往往使用复杂结构(如薄壁结构、点阵结构、异形曲面结构等)进行设计,相较传统工艺,激光选区熔化技术所具有的无模具成形、尺寸精度高和冶金质量良好等特点,非常适合该类零件的制造,优势显著。
近年来,金属增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术因其具有数字化灵活性而引起了广泛的关注。对于具有复杂形状的零件,通过传统的铸造、铣削和机加工等方法制造,存在相对困难或更昂贵等问题,而AM这种技术方便于设计并制造更轻、更复杂的零部件。选择性激光熔化技术(Selective laser meting,SLM),是最具吸引力的AM 技术之一。在SLM的加工过程中,粉末被分散成薄层,并通过高密度激光源逐层快速熔融,每层薄层凝固成形后获得具有所设计形状的产品。因此,SLM 技术在制造设计具有复杂几何形状的零件、改进性能和简化制造过程方面都展现出巨大的潜力。由于激光光源的高能量密度,通过SLM技术不仅可以使用市售的预合金粉末(如镍基、钴基、铁基粉末)制造普通合金,还可以制造高熔点难熔金属(钼、钽、钨及其合金等)。此外,对于功能材料,SLM提供了轻松获得具有独特微观结构的复杂几何组件的潜力。因此,SLM被视为一种可以直接从原材料制备金属部件的新兴技术.
采用增材制造手段进行坡莫合金的制造大大提高了生产效率,具有较大的发展潜力。目前限制坡莫合金增材制造试样磁性能提升的主要因素包括气孔、裂纹等缺陷,内应力大,晶界密度大,元素分布不均匀等。采用合理的工艺参数以及热处理工艺可有效减少裂纹缺陷,缓释内应力,优化显微组织,从而实现坡莫合金磁性能的提升。但坡莫合金增材制造过程中氧元素等杂质元素的掺杂问题依然存在,阻碍了坡莫合金磁性能的进一步提升,需重点解决。为进一步提高增材制造坡莫合金的磁性能,在增材制造前对原材料进行深度清理,避免杂质元素的混入影响磁性能。此外,优化增材制造的保护环境,尽量避免在增材制造过程中混入杂质元素。其中,采用真空环境对坡莫合金进行增材制造, 如电子束增材制造技术,可完全避免制造过程中杂质元素的混入,有利于磁性能的提升。因此,采用电子束进行坡莫合金的增材制造具有较强的发展潜力。鉴于增材制造过程中较大的冷却速度导致坡莫合金内部应力较大等问题,可采用预热、缓冷以及原位热处理等技术减缓制造过程中的冷却速度,从而更好地缓释应力,提高坡莫合金的磁性能。