с 01.01.2014 по настоящее время
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук (МНС)
с 01.01.2014 по настоящее время
ИАПУ ДВО РАН (Центр Лазерных Технологий, МНС)
с 01.01.2014 по настоящее время
Владивосток, Россия
УДК 620.186 Микроскопические исследования. Микроанализ. Изучение структуры
В работе представлено два основных направления повышения эффективности постоянных магнитов (ПМ), за счёт изменения химического состава будущего магнита и за счёт изменения формы магнитного поля. Повышение эффективности ПМ за счёт изменения химического состава на протяжении десятилетий позволяло многократно уменьшить размер конечного изделия. В свою очередь, повышение эффективности ПМ за счёт изменения формы магнитного поля является сравнительно новым направлением. На основании анализа представленных способов повышения эффективности ПМ предлагается использовать аддитивные технологии, а именно лазерную порошковую наплавку, для изготовления постоянных магнитов. Для проведения экспериментальных исследований использован роботизированный комплекс KUKA и постоянные магниты в качестве источника постоянного магнитного поля. В работе представлены режимов лазерной порошковой наплавки порошков Sm и Fe. Для поддержания постоянного магнитного поля использован комплекс из шести неодимовых магнитов. Описано распределение напряжённости магнитного поля между магнитами и в основной рабочей области. Представлен внешний вид и состояние порошков, используемых для изготовления экспериментальных образцов. Описаны экспериментальные образцы и принцип отбора проб для проведения анализа микроструктуры и спектров концентрации элементов. У полученных образцов исследована микроструктура и распределение элементов в зависимости от ориентации образцов относительно магнитного поля и направления лазерной наплавки. Установлено влияние применяемых органических связующих на микроструктуру и химический состав. Исследовано распределение элементов в образцах и переходном слое между подложкой и наплавленным металлом.
лазерная порошковая наплавка, сплав SmFe, волоконный лазер
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. Прахт В.А., Дмитриевский В.А., Казакбаев В.М. Оптимальное проектирование безредукторной машины с переключением потока для ветрогенератора // Известия ТПУ. 2020. №5. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/optimalnoe-proektirovanie-bezreduktornoy-mashiny-s-pereklyucheniem-potoka-dlya-vetrogeneratora (дата обращения: 16.11.2023).
4. Шаповало А.А. Комплекс организационно-технических решений по совершенствованию работы энергохозяйств дочерних обществ ПАО «Газпром» в современных условиях // Газовая промышленность. 2017. №11 (760). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/kompleks-organizatsionno-tehnicheskih-resheniy-po-sovershenstvovaniyu-raboty-energohozyaystv-dochernih-obschestv-pao-gazprom-v (дата обращения: 14.11.2023).
5. Нагайцев В.И., Сергеев С.В., Сизякин А.В. Эволюция требований к свойствам материалов постоянных магнитов для электрических машин // Вестник ЮУрГУ. Серия: Энергетика. 2021. №1. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/evolyutsiya-trebovaniy-k-svoystvam-materialov-postoyannyh-magnitov-dlya-elektricheskih-mashin (дата обращения: 14.11.2023).
6. Валеев Р.А., Пискорский В.П., Королев Д.В., Моргунов Р.Б. Оптимизация содержания кобальта как способ температурной стабилизации редкоземельных магнитов // Труды ВИАМ. 2023. №3 (121). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/optimizatsiya-soderzhaniya-kobalta-kak-sposob-temperaturnoy-stabilizatsii-redkozemelnyh-magnitov (дата обращения: 16.11.2023).
7. Макаричев Ю.А., Иванников Ю.Н., Ратцев Я.А., Полянский Е.А. Комбинированный магнитный подвес // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Технические науки. 2020. № 4 (68). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/kombinirovannyy-magnitnyy-podves (дата обращения: 16.11.2023).
8. Лукин А.А. Особенности формирования высококоэрцитивного состояния в ПМ типа рзм-м // ГИАБ. 2007. №12. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/osobennosti-formirovaniya-vysokokoertsitivnogo-sostoyaniya-v-pm-tipa-rzm-m (дата обращения: 16.11.2023).
9. Чередниченко И.В., Бондаренко Ю.А., Колодяжный М.Ю., Кузьмина Н.А., Шубаков В.С., Жуков Д.Г. Структура и свойства сплавов для постоянных магнитов юндк25ба, полученных методом направленной кристаллизации с жидкометаллическим охладителем // Труды ВИАМ. 2017. №11 (59). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/struktura-i-svoystva-splavov-dlya-postoyannyh-magnitov-yundk25ba-poluchennyh-metodom-napravlennoy-kristallizatsii-s (дата обращения: 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
