用于定制磁性的方法及由此获得的结构技术

本发明专利技术提供了用于制备具有可定制的磁取向和晶体取向的硬磁体或软磁体的方法。披露了针对选定的晶体取向和独立地选定的磁取向来单独地定制三维体素的方法，其中，晶体取向和磁取向具有遍及磁体的位置特定性。一些变型提供了一种制作磁体的方法，该方法包括：提供包含磁材料或易受磁影响材料的原料组合物；将原料组合物暴露于能量源以熔化，从而产生第一熔体层；在外部施加磁场的存在下凝固第一熔体层，从而产生包含多个单个体素的磁金属层；可选地重复以产生多个固体层；以及回收包括磁金属层(一层或多层)的磁体，其中，外部施加磁场具有被选择为控制磁金属层(一层或多层)内的磁轴和晶体织构的磁场取向。磁轴和晶体织构的磁场取向。磁轴和晶体织构的磁场取向。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于定制磁性的方法及由此获得的结构
优先权数据
[0001]本专利申请是要求于2020年8月6日提交的第63/061,798号美国专利申请、于2020年8月6日提交的第63/061,800号美国专利申请和于2021年6月26日提交的第17/359,557号美国专利申请的优先权的国际申请，这些美国专利申请各自通过引用并入本文。
专利

[0002]本专利技术总体上涉及用于定制各种类型的磁体中的磁性质的方法及由此获得的磁结构。专利技术背景
[0003]磁体是产生磁场的材料或物体。磁场建立作用在其他磁体或铁磁材料(诸如铁、钢、镍或钴)上的力。永磁体是由已磁化的并建立其自身的持久磁场的材料制成的物体。
[0004]尽管仅铁磁材料和亚铁磁材料是被磁体足够强地吸引而被普遍认为是磁的材料，但所有物质对磁场至少弱地响应。一些铁磁材料是诸如退火铁的软磁材料(“软磁体”)。软磁体可以是已磁化的，但不趋向于保持磁化。另一方面，硬磁材料(“硬磁体”)趋向于保持磁化并且典型地难以退磁。永磁体通常由硬铁磁材料(诸如铝镍钴合金和铁氧体)制成，这些硬铁磁材料在制造期间在强磁场中经受特殊处理以对准内部微晶结构，从而使得材料很难退磁。使饱和磁体退磁需要施加磁场，该磁场的最小强度与磁体的磁矫顽力相关。硬磁体具有高磁矫顽力，而软磁体具有相对低的磁矫顽力。
[0005]永磁体的应用包括但不限于电动车辆电机、电动起飞辅助电机和传感器、磁分离器和磁检测器。软磁体的应用包括变压器铁芯、电机、发电机、电感器和电磁体。
[0006]磁各向异性描述了物体的磁性质如何可以根据方向而不同。当对于物体的磁矩没有优先方向时，物体将以相同的方式响应所施加的磁场，而不管磁场施加在哪个方向。这被称为磁各向同性。相比之下，磁各向异性材料将更容易或更难磁化，这取决于物体旋转的方式。对于许多磁各向异性材料，存在使材料磁化的至少两个最容易的方向，该至少两个方向相隔180
°
旋转。平行于这些方向的线被称为磁易轴(magnetic easy axis)，并且是自发磁化的能量有利方向。
[0007]磁晶各向异性对铁磁材料的工业使用具有很大影响。具有高磁各向异性的材料通常具有高磁矫顽力，即这些材料难以退磁。这些被称为硬铁磁材料，并且被用于制作永磁体。例如，稀土金属的高各向异性是稀土磁体的强度的主要原因。在磁体的制造期间，强大的磁场使金属的微晶晶粒对准，使得微晶晶粒的易磁化轴都指向相同的方向，从而将强磁场冻结到材料中。
[0008]晶体结构的几乎均匀的取向使每个晶粒的易轴对准，从而允许材料以小取向分布而容易地磁化，并且使材料对均匀的退磁场具有高抗性。在本领域中，通过操纵依赖于工艺的微观结构和化学作用来优化产生高能量积的竞争机制，已经提高了对退磁的抗性。然而，在诸如电动机的应用中，所产生的磁场与磁材料非均匀地相互作用。因为所产生的场不均匀地集中在高磁通量密度和低磁通量密度的区域，所以诸如磁体的角部和表面的区域极易
受退磁的影响。此外，由于磁体的几何形状和微观结构，即使在具有均匀通量的情况下，角部固有地易受退磁的影响。在这些区域中的磁场入射角可以显著地偏离产生最大扭矩的角度而变化，并且导致退磁，从而限制了磁材料可达到的重量和体积效率。
[0009]与各向同性变型相比，具有各向异性晶体织构的现有技术的块状永磁体材料(例如，NdFeB)具有期望的磁性能。各向异性材料通常通过模压和烧结方法生产，其中粉末前体的固结在整个材料中产生相对均匀的织构。然后，磁场中的热处理产生了材料中所有晶粒的相对均匀的磁对准。模压和烧结方法被显著地限制于棱柱形几何形状和单轴织构，并因此限制了它们获得所期望的晶体织构和磁形状的能力。
[0010]在永磁体中通过织构化的易轴对准的益处是众所周知的。参见Dulis等人,“Solid NdFeB Magnets Made by Gas Atomization and Extrusion[气体雾化和挤压法制作固体NdFeB磁体]”,Science and Technology of Nanostructured Magnetic Materials[纳米结构磁材料的科学与技术],1991,第599
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606页；以及White等人,“Net shape processing of alnico magnets by additive manufacturing[通过增材制造的铝镍钴磁体的净形加工]”,IEEE Transactions on Magnetics[IEEE磁学汇刊],53.11(2017):1
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6。NdFeB中织构控制的一些方法是基于固结材料的塑性变形。在这种技术中，晶体取向在挤压方向(例如，NdFeB永磁体的c轴)上基本上是均匀的，在不同于塑性变形方向的取向上控制织构的能力有限。定向凝固可替代地用于产生单轴织构，但是这些方法中的织构是单轴的并且取决于最大热梯度。定向凝固以两种方式受到严格限制。第一，在NdFeB的情况下，优选生长方向上的织构产生正交于易轴方向(其为NdFeB中的[001]c轴)的优选生长取向[100]。第二，这些方法产生远高于这些材料的单畴极限的长柱状晶粒，因此限制了可实现的矫顽力。参见Ma等人,“The impact of the directional solidification on the magnetic properties of NdFeB magnets[定向凝固对NdFeB磁体的磁性质的影响]”,Journal of applied physics[应用物理杂志]70.10(1991):6471
‑
6473。
[0011]当前增材制造永磁体的方法限于那些易于通过液体加工方法加工的方法，并且对于微观结构对于模压方法是高度优化的较高能量产品NdFeB材料而言，其可实现的性能非常有限。参见Kolb等人,“Laser Beam Melting of NdFeB for the production of rare
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earth magnets[用于生产稀土磁体的NdFeB的激光束熔化]”,2016 6th International Electric Drives Production Conference(EDPC)[2016第六届国际电传动生产大会(EDPC)],IEEE,2016；以及Jacimovic等人,“Net shape 3D printed NdFeB permanent magnet[净形3D打印NdFeB永磁体]”,预印本arXiv:1611.05332[physics.ins
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det](2016)。
[0012]学术研究中已经描述了在定向能量沉积(DED)制造中使用外部磁场来改变结构合金中的晶体织构的晶体织构的控制。参见Wang等人,“Texture control of Inconel 718superalloy in laser additive manufacturing 本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种制作具有定制磁性的磁体的方法，所述方法包括：(a)提供包含一种或多种磁材料或易受磁影响材料的原料组合物；(b)将第一量的所述原料组合物暴露于能量源以在扫描方向上熔化，从而产生第一熔体层；(c)在外部施加磁场的存在下凝固所述第一熔体层，从而产生包含多个单个体素的磁金属层；(d)可选地将步骤(b)和(c)重复多次以通过在构建方向上依次凝固多个熔体层来产生多个固体层，从而产生多个磁金属层；以及(e)回收包括所述磁金属层的磁体，其中，所述外部施加磁场具有相对于所述扫描方向定义的磁场取向，所述磁场取向被选择为控制(i)所述磁金属层内的磁轴，和(ii)所述磁金属层内的晶体织构。2.如权利要求1所述的方法，其中，步骤(b)和(c)利用选自下组的技术，所述组由以下各项组成：选择性激光熔化、电子束熔化、激光工程化净成形、选择性激光烧结、直接金属激光烧结、与机加工集成的激光熔化、激光粉末注射、激光固结、直接金属沉积、定向能量沉积、基于等离子弧的制备、超声波固结、电弧熔化、及其组合。3.如权利要求1所述的方法，其中，在步骤(c)期间调整所述磁场取向。4.如权利要求1所述的方法，其中，步骤(b)也在所述外部施加磁场的存在下进行。5.如权利要求1所述的方法，其中，进行步骤(d)，并且其中，在所述构建方向上调整所述磁场取向。6.如权利要求1所述的方法，其中，选择所述磁场取向以控制包含在所述磁金属层内的所述多个单个体素内的体素特定磁轴。7.如权利要求1所述的方法，其中，选择所述磁场取向以控制包含在所述磁金属层内的所述多个单个体素内的体素特定晶体织构。8.如权利要求7所述的方法，其中，选择磁场取向以控制包含在所述磁金属层内的所述多个单个体素内的体素特定磁易轴。9.如权利要求1所述的方法，其中，所述单个体素彼此基本上磁对准。10.如权利要求1所述的方法，其中，所述单个体素各自的特征在于跨所述多个单个体素基本上对准的磁易轴。11.如权利要求1所述的方法，其中，选择所述磁场取向以控制包含在所述磁金属层内的所述多个单个体素内的体素特定磁轴以及体素特定磁易轴，并且其中，对于所述磁金属层的至少一部分，所述体素特定磁轴与所述体素特定磁易轴基本上对准。12.如权利要求11所述的方法，其中，对于所述磁金属层的全部，所述体素特定磁轴与所述体素特定磁易轴基本上对准。13.如权利要求1所述的方法，其中，选择所述磁场取向以控制包含在所述磁金属层内的所述多个单个体素内的体素特定磁轴以及体素特定磁易轴，并且其中，对于所述磁金属层的至少一部分，所述体素特定磁轴被配置成与所述体素特定磁易轴成角度。14.如权利要求1所述的方法，其中，控制步骤(b)和/或步骤(c)中的条件，使得热梯度有助于在所述磁金属层内产生所述晶体织构。15.如权利要求1所述的方法，其中，所述磁体是永磁体。
16.如权利要求15所述的方法，其中，所述永磁体是NdFeB磁体、NdDyFeB磁体、FeCoCr磁体、FeAlNiCo磁体、SmCo磁体、或其组合。17.一种通过增材制造来制作具有定制磁性的磁体的方法，所述方法包括：(a)提供包含基础颗粒和以化学和/或物理方式设置在所述基础颗粒的表面上的一种或多种表面改性颗粒的原料组合物，其中，所述表面改性颗粒是磁的或易受磁影响的；(b)将第一量的所述原料组合物暴露于能量源以在扫描方向上熔化，从而产生第一熔体层；(c...

【专利技术属性】
技术研发人员：布伦南，
申请(专利权)人：HRL实验室有限责任公司，
类型：发明
国别省市：