Fe-Si變壓器鐵芯的增材制造工藝

來源： 增材研究

Fe-Si電工鋼是變壓器應(yīng)用的常用材料。美國北德克薩斯大學(xué)、鐵姆肯團隊探索了使用LPBF制備Fe-6.5wt%合金的工藝優(yōu)化。

本研究中含硅量為6.5 wt.%的鐵硅電工鋼氣霧化粉末平均粒度為～30μm。D10、D50和D90分別為17、26和47μm。

圖1。Fe-6.5wt%Si粉末分析。（a）通過激光衍射法測量顆粒尺寸分布。（b） SEM顯微照片顯示了粉末顆粒的球形形態(tài)。

雙向激光掃描策略，并在每個連續(xù)掃描層之間將掃描圖案旋轉(zhuǎn)67∘。層厚度均為40μm（圖1）。使用直徑為100mm、厚度為10mm的不銹鋼基板作為基板。

表1。優(yōu)化過程中Fe-6wt%Si試片的LPBF工藝參數(shù)。

與疊片鐵芯相比，標(biāo)準(zhǔn)環(huán)形變壓器通常具有更高的效率，主要歸因于對稱幾何形狀和緊湊性。對稱設(shè)計減少了漏磁通，從而提高了效率并降低了發(fā)射的電磁干擾。此外，可以通過將狹縫插入環(huán)形芯的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來提高變壓器效率，環(huán)形芯充當(dāng)電介質(zhì)，減少渦電流，并提高整體性能。在目前的工作中，作者提出了多個環(huán)形芯設(shè)計，并基于優(yōu)化的LPBF參數(shù)集添加生產(chǎn)組件，作為概念證明（圖2）。狹縫式設(shè)計基于Stornelli等人的工作。值得注意的是，當(dāng)前研究中顯示的具有狹縫的新型芯體設(shè)計不容易用傳統(tǒng)技術(shù)制造，AM制造提供了一種作為破壞性設(shè)計方法的前進(jìn)道路。此外，AM還提供了增加電工鋼中Si含量的可能性，以進(jìn)一步提高性能。

圖2。LPBF制造的Fe-6.5wt%各種設(shè)計的硅芯。

使用CM熔爐設(shè)備在1150∘C下對產(chǎn)生最高相對密度的試片和所有堆芯設(shè)計進(jìn)行1小時的退火熱處理，然后按照該材料的建議在Ar氣氛中進(jìn)行熔爐冷卻。

圖3。用于測量額外生產(chǎn)的試樣的磁性性能的VSM設(shè)備示意圖。

建立了一個內(nèi)部裝置，用于磁芯的交流磁性測試（圖4）。該裝置的操作原理基于Rimal等人之前的文獻(xiàn)。它由信號發(fā)生器、放大器、示波器、電流探針和差分探針組成。在24美國線規(guī)（AWG）銅線的兩個繞組纏繞在芯的相對側(cè)之前，用電工膠帶覆蓋每個芯。電工膠帶的作用是保護電線方形邊緣的搪瓷涂層不被磨損，防止通過芯線形成短路。兩個繞組各由50匝組成，間隔均勻，并用足夠的張力手動纏繞，以防止電線松動移位。

圖4。用于測試AM打印磁芯的磁性性能的內(nèi)部構(gòu)建的裝置。符號定義為B：磁化強度，H：施加的場，V：電壓，t：時間，N：匝數(shù)，A：磁芯面積，I：電流，l：磁芯設(shè)計提供的平均自由程。

信號發(fā)生器用于產(chǎn)生頻率為60Hz的5Vpp（峰間電壓）正弦信號。進(jìn)行測試使得AC電流將為測試樣品產(chǎn)生相同范圍的場（H）值。該信號被輸入到Denon DRA-800H立體聲接收器/放大器，該接收器/放大器將信號提升了40dB。放大器輸出連接到第一個繞組的引線，并使用電流探針測量流過導(dǎo)線的電流。差分探針用于測量第二繞組兩端之間感應(yīng)的電壓差。使用Tektronix 3系列混合示波器同時記錄兩個探頭的數(shù)據(jù)。電流被轉(zhuǎn)換為磁場強度（H以A/m2表示），電壓響應(yīng)被轉(zhuǎn)換為磁通密度（B以T表示），如圖4所示。磁芯經(jīng)受磁場直到達(dá)到飽和。借助商業(yè)上可買到的環(huán)形磁芯，在當(dāng)前工作中使用的飽和磁通、矯頑場和60 Hz頻率下的剩磁的已知值，驗證了測試的準(zhǔn)確性。測試值在已知環(huán)形磁芯樣品的供應(yīng)商認(rèn)證值的5%以內(nèi)。這種方法提供了可靠和快速的方法來驗證所建立的設(shè)置的準(zhǔn)確性。

對所有試片的相對密度進(jìn)行分析，以確定變壓器鐵芯的最佳打印參數(shù)。表1中報告了所有試樣的相對密度，使用7.44 g/cm3作為參考密度。對應(yīng)于3.8J/mm2的最低激光通量的試樣（試樣#5和6）顯示出低于97%的相對密度，表明這些樣品的激光處理參數(shù)的組合不足以有效固結(jié)材料（表1）。隨著激光能量在4.7-5.4 J/mm2范圍內(nèi)的增加，相對密度通�！輣99%（表1），但試樣#3的相對密度為96.1%。激光功率和掃描速度的組合可以產(chǎn)生相似的能量，同時在材料內(nèi)產(chǎn)生不同的熱動力學(xué)效應(yīng)，這可能導(dǎo)致性能響應(yīng)的變化。試樣#3采用5.1 J/mm2的激光能量（激光功率：180 W，掃描速度為900 mm/s）進(jìn)行處理，與0.05 mm的激光束直徑相比，激光軌道重疊/陰影間距為0.06 mm。這種高度的激光軌道重疊可能導(dǎo)致熔池局部蒸發(fā)，產(chǎn)生氣孔，進(jìn)而產(chǎn)生較低的密度。隨著激光能量增加到5.4J/mm2以上，對應(yīng)于試樣#1和2，相對密度下降到98%以下。這兩個試樣都用7.6J/mm2的激光通量（激光功率：180W和掃描速度：600mm/s，分別與0.06和0.08mm的掃描間距耦合）進(jìn)行處理。這對應(yīng)于當(dāng)前工作中探索的最高激光功率和最慢掃描速度。據(jù)報道，這種激光加工條件的組合產(chǎn)生了由熔池蒸發(fā)驅(qū)動的對流主導(dǎo)的激光-材料相互作用的鍵孔模式[21]，[36]，[38]。演化出的鑰匙孔形狀的熔池以孔隙的形式截留蒸發(fā)的材料，從而導(dǎo)致較低的相對密度。在LPBF生產(chǎn)的含鐵材料的情況下，這種相對密度作為激光加工參數(shù)的函數(shù)的趨勢以前已經(jīng)報道過�；�于表1中的相對密度數(shù)據(jù)，在最低相對密度為94.5%的樣品中，選擇最高相對密度為99.5%的試樣#4和試樣#6作為代表性樣品，并在Keyence激光顯微鏡下進(jìn)行切片觀察。

#4試樣具有最小的孔隙率和裂紋（圖5（a）），而#6試樣顯示出高比例的缺陷（圖第5（b）段）。試樣#6中的孔隙率在形態(tài)上是非球形的，表明LPBF制造的材料缺乏融合和不完全固結(jié)。試樣#6的1200mm/s的較高掃描速度（與180W和0.08mm的艙口間距相結(jié)合）與3.8J/mm2的最低激光通量相關(guān)，這歸因于如前一段中所討論的缺乏熔合缺陷的產(chǎn)生。

圖5。（a）試樣#4和（b）試樣#6的橫截面的激光顯微鏡圖像。

包括微裂紋和孔隙率在內(nèi)的工藝缺陷結(jié)構(gòu)對材料的磁化響應(yīng)有影響。這些缺陷構(gòu)成磁疇壁運動的噴丸部位。同時，這種缺陷也會增加材料的整體電阻率，這實際上是軟磁性材料減少渦流損耗的要求。盡管如此，隨機產(chǎn)生的缺陷結(jié)構(gòu)是不可取的，因為它會影響軟磁響應(yīng)以及機械性能的合理降低。盡管這些事實是直觀已知的，但在公開文獻(xiàn)中，關(guān)注微裂紋和孔隙率對軟磁性能影響的系統(tǒng)實驗和/或計算研究似乎很少。例如，Yan等人的最新研究之一。使用嵌入原子法研究了裂紋對純鐵薄膜中磁致伸縮和磁矩的影響]。結(jié)果表明，外加磁場相對于裂紋的取向?qū)Σ牧系捻憫?yīng)有影響。當(dāng)裂紋與外加電場平行時，材料很容易磁化。此外，缺陷之間的間距也在決定磁化響應(yīng)方面發(fā)揮了作用。缺陷之間較小的間距導(dǎo)致磁化過程中缺陷間的相互作用。盡管如此，無論裂紋缺陷的方向性和間距如何，足夠強的外加磁場都能在材料中達(dá)到飽和。有鑒于此，基于最佳激光能量（表1）和近全密度和近無缺陷制造的光學(xué)觀察結(jié)果（圖5（a）），選擇#4試樣進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)分析。在AM打印和退火條件下，對#4試樣的相和微觀結(jié)構(gòu)演變及其對磁性能的影響進(jìn)行了檢查。

進(jìn)行XRD以檢查在試樣#4的退火處理之前和之后存在的相。AM打印和退火樣品都表現(xiàn)出α-FeSi相的峰值（圖6）。對于AM打印的樣品，AM期間的快速冷卻速率抑制了組成Si原子的擴散，以形成有序的B2/DO3相。相反，由于與處理相關(guān)的緩慢熱動力學(xué)，AM打印樣品的常規(guī)退火可能導(dǎo)致有序相的形成，如B2/DO3。退火過程中緩慢爐冷卻（超過幾個小時）期間低于650℃的溫度為Si原子擴散提供了足夠的時間，從而演變成有序的B2/DO3。盡管XRD在其檢測極限內(nèi)僅表明存在α-FeSi相，即使在退火后也未能檢測到任何有序的B2/DO3相，如下一節(jié)所述，但TEM衍射圖證實了有序相的存在。當(dāng)前工作的重點是優(yōu)化工藝參數(shù)，并提供一組核心設(shè)計作為概念驗證。作為下一步，研究了作為AM打印和退火樣品的晶粒結(jié)構(gòu)演變。

圖6。退火前后的試樣#4的XRD光譜。

圖7和圖8中的EBSD數(shù)據(jù)分別顯示了與AM打印和退火樣品的晶粒沿BD的晶體學(xué)和形態(tài)取向有關(guān)的信息。IPF圖和紋理圖表明，在AM打印的樣品中，柱狀晶粒的演變具有001纖維紋理和沿BD的柱狀形態(tài)的特征（圖7）。晶粒結(jié)構(gòu)的這種明顯演變與熔池內(nèi)快速熱梯度和快速凝固速率的分布以及bcc材料中001的熱傳導(dǎo)方向有關(guān)，從而產(chǎn)生具有001纖維織構(gòu)的明顯柱狀微觀結(jié)構(gòu)。當(dāng)先前固結(jié)的層部分熔化時，延伸的柱狀晶粒通過幾個AM沉積層的整體發(fā)展發(fā)生，而當(dāng)前層的沉積導(dǎo)致類外延晶粒生長，從而導(dǎo)致001纖維固化織構(gòu)的產(chǎn)生。此外，柱狀晶粒似乎具有晶粒內(nèi)取向差（圖7中的IPF圖），這表明存在殘余應(yīng)力。

與基于LPBF的制造技術(shù)相關(guān)的近非平衡熱動力學(xué)可能會使材料經(jīng)歷快速加熱/再加熱和冷卻循環(huán)（104∘C/s），進(jìn)而產(chǎn)生殘余應(yīng)力。更詳細(xì)地說，使用激光的增材制造本質(zhì)上是一種多軌道多層工藝。粉末形式的材料經(jīng)歷快速加熱（>103∘C/s），然后熔化和同樣強烈的快速冷卻（>103 ; C/s）。在虛擬位置固結(jié)后，除了在掃描相應(yīng)層的最后一個激光軌跡期間固結(jié)的材料外，在給定層中處理額外的激光軌跡。此外，為了制造整個部件，在頂部添加了多層。這種多軌道多層工藝導(dǎo)致多個加熱/再加熱和冷卻循環(huán)。由于與多軌道多層LPBF相關(guān)的溫度內(nèi)在的快速時間和空間變化，熱殘余應(yīng)力在添加生產(chǎn)的材料中演變。除了在凝固過程中產(chǎn)生的熱殘余應(yīng)力外，由于各種類型的冶金固態(tài)相變，在凝固材料中也會產(chǎn)生熱應(yīng)力，同時快速冷卻到其熔化溫度以下。殘余應(yīng)力的特征顯示為圖7中as AM打印樣品的IPF圖中觀察到的晶粒內(nèi)取向差。

圖7。試樣#4在AM打印狀態(tài)下的IPF圖和紋理圖，顯示了沿著構(gòu)建方向的柱狀晶粒形態(tài)和001凝固紋理的演變。柱狀晶粒在多個AM打印層中延伸，單個層厚度為40μm。

圖8。退火處理后的試樣#4的IPF圖和紋理圖揭示了幾毫米量級的晶粒尺寸。

相反，熱處理樣品經(jīng)歷了廣泛的晶粒生長（從μm到mm的尺度，圖8中的IPF圖）。值得注意的是，晶粒似乎沒有晶粒內(nèi)取向差，這表明退火處理過程中應(yīng)力釋放以及熱驅(qū)動晶粒生長的特征。必須注意的是，由于熱處理AM樣品中的晶粒非常大（圖8），即使是在EBSD分析的盡可能低的放大率下進(jìn)行大面積掃描，也無法證實任何明確的晶體結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

對經(jīng)AM打印和熱處理的AM樣品進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)的基于TEM的微觀結(jié)構(gòu)/相分析。AM打印樣品中的晶粒表現(xiàn)出高位錯密度和亞晶界的存在（圖9）。同樣，這些特征表明，由于如前所述與基于LPBF的AM相關(guān)的快速熱動力學(xué)所固有的預(yù)期大的熱應(yīng)力，存在顯著的晶格應(yīng)變。此外，AM打印的樣品顯示存在α-FeSi相（圖9（a））。在AM打印樣品退火后，觀察到晶粒的位錯密度顯著降低，表明應(yīng)力消除（圖9（b））。在TEM檢查過程中觀察到的超晶格反射（圖9（b））對應(yīng)于B2/DO3相的重合衍射點，預(yù)期在AM打印的Fe-6.5 wt%Si材料的退火處理過程中形成[41]。從DO3相的B2/020點的010點拍攝的DF圖像顯示了精細(xì)尺度域的結(jié)構(gòu)（圖中的插入DF圖像，9（b））。AM打印和退火樣品中的這種明顯的微觀結(jié)構(gòu)差異預(yù)計將反映在這些樣品的磁響應(yīng)中，如下小節(jié)所述。

圖9。AM打印的Fe-6.5wt.%Si的TEM分析#4。（a）在插圖（b）中，AM打印樣品的BF圖像顯示了α-FeSi相的位錯對比度和SADP圖案，顯示了無位錯基體。右上角的插圖顯示了具有超晶格B2/DO3斑點的SADP。右下角插圖中的DF圖像是從010 B2/020 DO3點獲得的，揭示了精細(xì)的尺度特征。

在用構(gòu)建BD法線以及平行于施加場進(jìn)行熱處理之前和之后，在AM打印的試樣#4上進(jìn)行VSM實驗。

首先分析AM打�。▓D10（a））。當(dāng)BD垂直于和平行于場時，Ms值分別為188和197 A.m2/kg。BD法線和平行于所施加場的作為AM打印的試樣的Hci值分別為178和165A/m。當(dāng)BD垂直于和平行于所施加的場時，Mr值分別為0.08和0.11 A.m2/kg。AM制造的樣品的各向異性是造成數(shù)值差異的原因。

AM打印試樣的磁化率（χm）也觀察到類似的各向異性（圖10（a））。這樣的響應(yīng)表明沿著BD的軟磁特性相對較好。當(dāng)用垂直于BD的場測試樣品時，由于不同的柱狀微觀結(jié)構(gòu)，截獲的晶界分?jǐn)?shù)更高，而當(dāng)場平行于BD時，所施加的場截獲的晶界比例要低得多。晶界預(yù)計會限制磁疇壁的運動，從而使材料難以磁化和消磁。

圖10。AM打印的Fe-6.5wt.% Si的M-H曲線樣本#4。（a）如AM打印和（b）AM打印，然后在1150℃下在Ar中退火1小時，然后爐冷卻。

在AM打印的試樣#4退火后，這種各向異性似乎已基本最小化或幾乎消除（圖10（b））。無論BD的測試方向如何，Ms均為～190 A.m2/kg。將樣品在1150℃下退火1小時，然后進(jìn)行熔爐冷卻，結(jié)果為Hci無論測試方向如何，這些值都會降低其AM打印值的近一半至90A/m。這個Mr值為0.05A.m2/kg。在6.0-6.5×10−4m3/kg的退火范圍內(nèi)，χm值變得相對均勻。

退火后較低的Hci值（圖10（a）和圖10（b））是由于應(yīng)力消除和晶粒粗化（圖7，圖8）。據(jù)Herzer報道，大晶粒結(jié)構(gòu)（mm長尺度）改善了磁性能，因為在施加磁場的過程中，疇壁不會遇到頻繁的晶界形式的勢壘。

此外，在應(yīng)力消除的樣品中也不存在向內(nèi)取向差（圖8（b）和9（b）），這有助于磁化的容易性，從而改善軟磁性能。此外，據(jù)報道，退火處理后形成有序相疇可以提高FeSi電工鋼的軟磁性能。因此，退火時應(yīng)力消除、晶粒粗化和相演變的綜合作用導(dǎo)致AM生產(chǎn)的Fe-6.5wt%Si電工鋼中各向同性軟磁響應(yīng)的改善。這些發(fā)現(xiàn)在組成部分層面的評估中以核心的形式得到了進(jìn)一步反映。此外，對磁芯進(jìn)行了測試，得出了設(shè)計對磁響應(yīng)的影響。

在引入各種狹縫圖案后，額外制造的芯部具有從全實心（6.35 mm2）到星形設(shè)計（3.25 mm2）的可變橫截面面積（圖2）。AM制造的芯在AM打印的狀態(tài)下進(jìn)行測試（圖11（a））和退火條件（圖11（b））類似于試樣。首先，在AM打印條件的情況下，與具有與典型S形磁滯曲線相關(guān)的狹縫的芯相比，實心芯的B-H曲線似乎具有橢圓形狀，具有更寬的曲線（圖10（a））。實心磁芯的B-H曲線的寬特性表明在磁化-消磁循環(huán)期間具有更高的能量損失。狹縫的引入顯然減少了B-H曲線的曲線下面積，從而提高了性能。通常，AM產(chǎn)生的芯的退火減小了B-H曲線的尺寸，同時與相應(yīng)的AM打印樣品相比，飽和通量（Bs）增加（圖11（B））。在退火處理之后，狹縫設(shè)計芯繼續(xù)表現(xiàn)出較窄的S形B-H曲線。另一方面，實心芯的B-H曲線似乎沿著B軸擴展，同時在H軸上具有相似的截距并保持橢圓形。為了獲得關(guān)于設(shè)計和退火處理對AM生產(chǎn)的磁芯的軟磁響應(yīng)的影響的進(jìn)一步細(xì)節(jié)和定量細(xì)節(jié)，從B-H曲線中提取Bs、矯頑力（Hc）、剩磁（Br）和磁芯損耗的值，并將其表示為磁芯截面積的函數(shù)。

圖11。（a）作為AM打印芯和（B）在1150℃退火1小時的AM打印芯的B-H曲線。

Bs似乎在0.25-0.35T的窄范圍內(nèi)變化，沒有明顯的趨勢作為AM打印芯的橫截面積的函數(shù)（圖12（a））。退火后，與相應(yīng)的AM打印條件相比，所有芯的飽和通量（0.40-0.50T）確實有所增加，而沒有觀察到作為橫截面積的函數(shù)的趨勢。另一方面，具有狹縫的as AM打印芯的Hc值明顯低于固體as AM打印的芯（圖12（b））。與相應(yīng)的AM打印條件相比，退火處理似乎降低了Hc，這表明軟磁性能有所改善。對于在AM打印條件下具有狹縫設(shè)計的芯，Hc似乎隨著橫截面積的增加而略有下降（圖12（b））。退火后，具有最小橫截面積（3.25 mm2）的星形設(shè)計在所有測試的設(shè)計中表現(xiàn)出最低的Hc值（圖12（b））。這種行為可以基于微觀結(jié)構(gòu)的演變來解釋。由于AM打印的樣品沿著BD演變出具有001凝固紋理的柱狀晶粒（圖7），預(yù)計壁較薄的芯（例如，開始設(shè)計，圖2）在增材制造過程中可能會經(jīng)歷更快的冷卻/更低的保溫。在這種情況下，這將導(dǎo)致晶粒更細(xì)。眾所周知，在幾百μm的晶粒尺寸范圍內(nèi)，相對較細(xì)的結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致更高的矯頑力。然而，退火后，晶粒尺寸在幾毫米的范圍內(nèi)增加（圖8）。這樣大的晶粒預(yù)計將占據(jù)芯的整個壁厚。因此，預(yù)計mm范圍內(nèi)晶粒尺寸的增加將顯著降低材料的Hc。結(jié)果，與相應(yīng)的AM打印條件相比，所有芯在退火時都經(jīng)歷了Hc的降低。因此，當(dāng)具有最小有效橫截面的星形設(shè)計具有最低的Hc值時，影響或減小的橫截面面積是明顯的。通常，AM打印樣品的Br值低于相應(yīng)的退火樣品（圖12（c））。退火樣品的Br的增加是明顯的，B-H曲線的變窄表明退火后軟磁性能的改善。這些結(jié)果與VSM的觀察結(jié)果是互補的（圖10）。

圖12。從AM打印和退火AM打印芯的BH曲線中提取的屬性表明（a）飽和通量、（b）矯頑力、（c）剩磁和（d）芯損耗隨橫截面積的變化。

根據(jù)B-H曲線內(nèi)的面積估計AM打印和退火后的芯的芯損耗（圖12（d））。在實心芯的情況下，退火處理后芯損耗似乎增加。如前一段所述，實心巖芯的B-H曲線在B方向上擴展，同時在H軸上保持相似的截距，表明環(huán)所包圍的面積增加（圖12（d）的插圖）。堆芯損耗由以下表達(dá)式表示的兩個競爭成分組成

磁滯損耗與晶粒尺寸的平方根成反比。大的晶粒尺寸允許磁疇壁在沒有任何障礙的情況下運動。因此，粗晶粒材料表現(xiàn)出較低的磁滯損耗。另一方面，渦流損耗與晶粒尺寸的平方根成正比。晶粒尺寸的增加減少了晶界面積，導(dǎo)致在施加的AC電場下感應(yīng)渦電流的電阻較低。因此，粗顆粒材料經(jīng)歷更高程度的渦流損耗。

在目前的情況下，退火后晶粒尺寸大幅增加（圖8）。此外，在實心芯的情況下，晶粒生長甚至可能超過在1cm3試樣的情況下觀察到的晶粒尺寸。這種粗糙的微觀結(jié)構(gòu)可能會經(jīng)歷更高的渦流損耗分量和更低的磁滯損耗。結(jié)果，退火處理后，固體AM打印樣品的Bs值增加（圖12（a）和（d）中的插圖）。另一方面，矯頑力沒有以類似的比例降低（圖12（b）和（d）中的插圖）。退火后的固體AM打印芯的這種高Bs和高Hc的組合導(dǎo)致與AM打印狀態(tài)相比芯損耗增加（圖12（a）、圖12（b）和圖12（d））。

另一方面，具有各種狹縫圖案的as AM打印芯的芯損耗比實心芯低約5倍。此外，退火后的磁芯損耗略有降低，這表明在存在狹縫的磁芯的情況下，軟磁性能進(jìn)一步提高（圖12（d））。適用于當(dāng)前工作的狹縫設(shè)計AM打印芯的壁厚為1mm的數(shù)量級，因此，與固體AM打印芯相比，限制了退火處理期間的晶粒粗化。因此，退火狹縫設(shè)計的環(huán)形磁芯具有優(yōu)異的軟磁性能（圖12）�？傮w而言，在測試樣品中，退火條件下的星形設(shè)計芯提供了合理高的Bs、最低的Hc、低的Br和最低的芯損耗的最佳組合（圖12）。

目前的研究檢查了Fe-6.5wt%Si變壓器鋼的LPBF制造。探討了各種工藝參數(shù)以優(yōu)化制造。激光功率為180 W，掃描速度為900 mm/s，掃描間距為0.08 mm，層厚為40μm（基于D50和粉末的平均粒徑為26和30μm），提供了99.5%的最高相對密度。AM打印樣品主要經(jīng)歷了001纖維織構(gòu)沿BD的演變。AM打印樣品顯示出數(shù)百μm量級的晶粒。在1150∘C下對AM打印樣品進(jìn)行1小時退火后，晶粒尺寸粗化至幾毫米。退火處理后，α-FeSi基體中形成有序的B2/DO3相。

應(yīng)力消除、晶粒粗化和相演化的結(jié)合幾乎消除了方向各向異性，并降低了Hci材料的～50%表明軟磁性能有所改善（Hci與退火時的90A/m相比，作為AM打印樣品的BD分別為178和165A/m。制造了具有不同橫截面積的各種芯體設(shè)計。與相應(yīng)的AM打印條件相比，退火處理在增加Bs、降低Hc、Br和芯損耗方面改善了芯的軟磁性能。在測試樣品中，退火條件下的星形設(shè)計芯的橫截面積最小，為3.25 mm2，顯示出最佳的軟磁性能組合。具體而言，恒星設(shè)計的Bs為0.42 T，Hc為65 A/m，Br為0.27 T，核心損耗為111 J/m3。就上下文而言，退火后的固體芯表現(xiàn)出Bs、Hc、Br和芯損耗分別在0.41-0.46T、375-410A/m、0.38-0.45T和631-632J/m3的范圍內(nèi)。目前的工作證明了AM在實施新的設(shè)計策略以提高軟磁超環(huán)面磁芯性能方面的能力。

相關(guān)論文
Additive manufacturing of Fe-6.5 wt.%Si transformer steel toroidal cores: Process optimization, design aspects, and performance

相關(guān)鏈接
https://doi.org/10.1016/j.matdes.2024.112883