CN116075907A - 具有定制织构和磁取向的永磁体 - Google Patents

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Abstract

一些变型提供了一种永磁体结构，该永磁体结构包括：区域，该区域具有区域平均磁轴和多个磁畴，其中，磁畴中的每一个具有与区域平均磁轴基本上对准的畴磁轴，并且其中，该多个磁畴的特征在于平均磁畴尺寸。在该区域内存在以平均晶粒尺寸为特征的多个含金属晶粒，并且磁畴中的每一个具有由含金属晶粒的晶体织构决定的畴易轴。该区域具有基于该区域内的畴易轴的平均值的区域平均易轴。区域平均磁轴和区域平均易轴形成区域平均对准角，该区域平均对准角在多个磁畴内具有小于30°的标准偏差。本文中披露了许多永磁体结构。

Description

具有定制织构和磁取向的永磁体
优先权数据
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17/359,556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。
发明领域
本发明总体上涉及具有定制磁性质的永磁体。
发明背景
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。
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。
永磁体通常由钕、铝镍钴合金或铁氧体制成。钕磁体是这三种材料中最坚固且最昂贵的。强永磁体(尤其是烧结钕(Nd)磁体)已经使其磁畴在易轴的方向上取向，以最大化磁强度。
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。
现有技术的块状永磁体通常通过模压和烧结方法生产，其中，在粉末前体的固结之后在磁场中进行热处理，在整个磁体的一个特定取向上产生磁对准和晶体对准。模压和烧结方法固有地在可能的几何形状上受到模具形状(棱柱几何形状)和由于烧结期间的收缩而引起的最终净形损失的限制。另外，通过机加工成最终净形而导致的质量损失成本显著增加了磁体的成本。例如，磁体材料成本是电动机的约70％，并且是大范围采用由永磁体电机驱动的电动机机动车辆的主要限制因素。高性能汽车和航空航天平台所需的稀土永磁体材料的材料成本是当今重要的商业问题。
可以通过定制易轴的取向、通过局部地定制易受退磁影响的区域中的晶体织构来优化永磁体。常规加工的高性能永磁体产生单一或窄分布的易轴取向和磁化(见图1)。与各向同性变型相比，具有这种各向异性晶体织构的永磁体(例如，模压NdFeB或定向凝固AlNiCo或FeCoCr)显示出所期望的磁性能(诸如磁能密度)。这些各向异性材料通常通过模压制生产，其中，粉末前体的固结在整个材料中产生均匀的织构，这是定向施加塑性变形的结果。晶体结构的几乎均匀的取向使每个晶粒的易轴对准，从而允许材料以窄分布的单一取向被磁化，从而产生更大的可实现磁化。然而，在诸如电动机的许多应用中，所产生的磁场与这些磁材料非均匀地相互作用。因为在这些应用中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中以最大化电机效率，所以诸如永磁体材料的角部和表面的区域比内部主体更易受退磁的影响。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，并且在较弱的施加场下导致退磁，因此限制了磁材料的可实现的重量和体积效率。现有技术的制造模压和烧结方法显著地受限于单轴织构和如上所述的棱柱几何形状。使用已知技术，许多期望的织构和磁形状是不可能的。
将期望在磁体内的特定位置处施加不同的磁取向，以增强定制磁场的能力。例如，使用不同方向的磁取向阵列，场强度可以在磁体的一侧上增加，同时将磁体的另一侧上的场抵消到接近零。这些类型的设计典型地是通过将磁体结合在一起而组装成称为海尔贝克(Halbach)阵列的结构。更一般地，特定位置的磁取向将是有益处的，因为由永磁体产生的磁场的形状和强度可以被设计到磁体架构中，而不会物理地改变磁体的形状。
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。
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。
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。
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。
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,“SolidNdFeB 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599-606页；以及White等人,“Net shape processingof 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):1-6。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 propertiesof NdFeB magnets[定向凝固对NdFeB磁体的磁性质的影响]”,Journal of appliedphysics[应用物理杂志]70.10(1991):6471-6473。
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-earth magnets[用于生产稀土磁体的NdFeB的激光束熔化]”,2016 6th InternationalElectric 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 permanentmagnet[净形3D打印NdFeB永磁体]”,预印本arXiv:1611.05332[physics.ins-det](2016)。
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 Inconel718superalloy in laser additive manufacturing by an external magnetic field[外部磁场对激光增材制造中Inconel 718超合金的织构控制]”,Journal of materialsscience[材料科学杂志]54.13(2019):9809-9823；以及Wang等人,“Effect of ExternalMagnetic Field on the Microstructure of 316L Stainless Steel Fabricated byDirected Energy Deposition[外部磁场对通过定向能量沉积制备的316L不锈钢的微观结构的影响]”,Proceedings of the ASME 2019International Mechanical EngineeringCongress and Exposition[2019年ASME国际机械工程大会和博览会论文集],卷号2B:先进制造(2019)。虽然使用粉末喷涂或丝材的DED比传统方法生产了具有较小几何约束的零件，但是由于在沉积发生后表面光洁度差，这些零件通常需要大量的精加工过程。这与基于粉末床的工艺形成对比，粉末床工艺可以在沉积后产生近净形零件。
现有的方法固有地限于在增材制造的独特热加工条件下常规获得的微观结构(柱状晶粒>100μm)，这限制了增材制造材料的磁性能。此外，现有的生产硬磁材料的增材制造方法受限于具有低能量积(<50kJ/m3)的材料。现有技术的NdFeB磁体材料可以具有>400kJ/m3的能量积，但仅在采用缺乏织构控制的常规加工方法时。
还期望在比现有技术所提供的长度尺度更低的长度尺度上控制增材制造或焊接的微观结构的凝固，以除了控制磁易轴的取向之外，还最大化对退磁的抗性。寻求弥合在增材制造与常规加工方法之间在性能上的广泛差距。期望新的或改进的方法、结构和系统来定制永磁体中的磁性。
发明概述
本发明解决本领域中的前述需要，如现在将进行概述的以及然后在下文中详细地进一步描述的。
一些变型提供了一种永磁体结构，该永磁体结构包括：
区域，该区域具有区域平均磁轴和多个磁畴，其中，这些磁畴中的每一个具有畴磁轴，其中，每个畴磁轴与该区域平均磁轴基本上对准，并且其中，该多个磁畴的特征在于平均磁畴尺寸；以及
在该区域内的多个含金属晶粒，其中，该多个含金属晶粒的特征在于平均晶粒尺寸，
其中，这些磁畴中的每一个具有由含金属晶粒的晶体织构决定的畴易轴；
其中，该区域具有基于该区域内的畴易轴的平均值的区域平均易轴；并且
其中，该区域平均磁轴和该区域平均易轴形成区域平均对准角θ，该区域平均对准角在该多个磁畴内基于对准角变化优选地具有小于30°的θ标准偏差。
可以存在一个区域或许多区域。当存在多个区域时，单个区域平均磁轴和单个区域平均易轴可以在空间上变化，诸如在结构的不同角部中的不同取向。区域可以是包含在永磁体结构的内部中的主体区域和/或包含在永磁体结构的表面处的表面区域。
磁畴平均和易轴平均可以在永磁体结构的不同区中在空间上变化，例如，在不同角部中的不同取向。跨越区域的变化可以是规则的或不规则的。
含金属晶粒可以包含选自下组的金属，该组由以下各项组成：Fe、Ni、Al、Co、Cr、Nd、B、Sm、Dy、及其组合。在一些实施例中，含金属晶粒包含选自下组的金属合金，该组由以下各项组成：NdFeB、FeCoCr、FeAlNiCo、SmCo、Dy2O3、SrRuO3、及其组合。当存在多个区域时，在那些区域中可以存在不同的组合物，包括例如不同类型或不同量的含金属晶粒。示例是具有与永磁体结构的主体区域不同组合物的表面区域。
在一些实施例中，区域平均对准角θ是从–10°至10°、从–5°至5°、从–2°至2°、或从–1°至1°。在其他实施例中，区域平均对准角θ选自0°至90°。在某些实施例中，区域平均对准角θ是0°。在某些实施例中，区域平均对准角θ是90°。区域平均对准角θ标准偏差例如可以小于20°、小于10°、或小于5°。
在一些实施例中，区域平均易轴具有小于25°、小于20°、小于10°、或小于5°的标准偏差。该标准偏差是基于给定区域内的所有畴易轴来计算的。在某些实施例中，每个畴易轴基本上与区域平均易轴对准，在这种情况下，标准偏差可以小于2°、小于1°、小于0.5°、小于0.1°、或约0°。
磁畴可以包含单个含金属晶粒。典型地，磁畴包含多个含金属晶粒。在一些实施例中，平均磁畴尺寸与平均晶粒尺寸大致相同。在其他实施例中，平均磁畴尺寸大于平均晶粒尺寸。
平均磁畴尺寸可以是例如从1微米至1000微米。在一些实施例中，平均磁畴尺寸是从10微米至约10毫米。
平均晶粒尺寸可以是例如从0.1微米至50微米。示例性平均晶粒尺寸是从约1微米至约5微米。
在一些实施例中，含金属晶粒是基本上等轴晶粒。在其他实施例中，含金属晶粒是基本上柱状晶粒。在某些实施例中，含金属晶粒是基本上等轴晶粒和基本上柱状晶粒的组合。
在永磁体结构中，区域可以具有例如选自100微米至1米的特征长度尺度。
在一些永磁体结构中，存在具有多个附加磁畴和多个含金属晶粒的至少一个附加区域。附加区域可以具有与主体区域相比不同的组合物。
在一些实施例中，附加区域包含在永磁体结构的角部或边缘处。在这些或其他实施例中，附加区域包含在永磁体结构的表面处。
在一些实施例中，永磁体结构包含在海尔贝克阵列内。
在一些实施例中，永磁体结构是增材制造的结构。
在一些实施例中，永磁体结构是焊接的结构。
永磁体结构可以包含在固体块状磁体内。替代地，永磁体结构可以包含在多孔磁体内。
附图说明
图1描绘了常规各向同性磁体(左侧)和常规各向异性磁体(右侧)。
图2描绘了具有在三个区域内在三个不同方向上施加的磁场的磁体。
图3描绘了具有在三个区域中在三个不同方向上的磁场的磁体，其中，晶体取向通过凝固中的热梯度来控制。
图4示出了由于定制磁化而具有成形场的示例性永磁体，其中，北(N)-南(S)轴取向与法线方向具有角度θ。
图5描绘了可以在各种实施例中采用的用于不同取向的磁配置的若干示例。
图6描绘了海尔贝克阵列，其被配置成引起磁分量的抵消，从而导致单侧磁通量。
图7示出了在示例中的、具有与最大热梯度方向相反的偏移枝晶生长方向的Nd2Fe14B磁体微观结构的显微照片。
图8示出了在示例中的、激光焊接Nd2Fe14B磁体结构的显微照片俯视图。
图9示出了在示例中的、在IPF密度图中沿着扫描向量方向的NdFeB易轴[001]织构的增加。EBSD图被提供用于参考取向。
具体实施方式
本发明的磁体、结构、组合物、方法和系统将通过参考不同非限制性的实施例进行详细描述。
本说明将使本领域技术人员能够制造并使用本发明，并且描述了本发明的若干实施例、修改、变型、替代方案以及用途。当结合附图参考本发明的以下详细说明时，本发明的这些和其他实施例、特征以及优点对于本领域技术人员来说将变得更清楚。
如本说明书和所附权利要求中所使用的，除非上下文另有明确指示，否则单数形式“一个/一种(a/an)”和“该(the)”包括复数的指示物。除非另外定义，否则在本文中使用的所有技术和科学术语具有本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的相同的含义。
除非另外指示，否则说明书和权利要求中使用的表示条件、浓度、尺寸等的所有数值应当被理解为在所有情况下由术语“约”来修饰。相应地，除非有相反指示，否则在以下说明书和所附权利要求中阐明的数值参数是近似值，这些近似值至少可以根据具体的分析技术而变化。
与“包含(including)”、“含有(containing)”、或“特征在于”同义的术语“包括(comprising)”是包容性的或开放式的并且不排除另外的、未列举的要素或方法步骤。“包括”是权利要求语言中使用的专门术语，其意指所指定的权利要求要素是必要的，但是可以添加其他权利要求要素并且仍然构成在权利要求的范围内的概念。
如在本文中使用的，短语“由……组成”不包括未在权利要求中指定的任何要素、步骤或成分。当短语“由……组成”(或其变型)出现在权利要求主体的条款中，而不是紧跟在前言之后时，该短语仅限制该条款中阐明的要素；整体而言其他要素未被排除在权利要求之外。如在本文中使用的，短语“基本上由……组成”将权利要求的范围限制于指定的要素或方法步骤，加上不实质地影响所要求保护的主题的基础和一个或多个新颖特征的那些。
关于术语“包括”、“由……组成”以及“基本上由……组成”，在本文中使用这三个术语中的一种的情况下，目前披露的且要求保护的主题可以包括使用其他两个术语中的任何一个，除了用于马库什组时。因此，在一些未另外明确列举的实施例中，“包括”的任何实例可以被“由……组成”或可替代地“基本上由……组成”代替。
本发明提供了一种具有特定位置的磁取向和晶体织构的永磁体。本披露描述了具有定制织构的永磁体的结构以及控制凝固以实现定制织构的方法。
本文中所披露的方法提供了有效的方式来成形由永磁体感应的磁场。在一些变型中，采用增材制造(例如，选择性激光熔化或电子束熔化)来逐个体素或逐层地制造永磁体，使得每个体素的磁取向可以经由在每个体素的凝固期间施加磁场而独立地对准。“体素”是立体(3D)像素。在增材制造中，存在单个体素的凝固，使得如果期望，磁场可以逐个体素地变化。多个体素形成单层，该单层具有由体素高度限定的厚度。
增材制造还能够在三维(3D)打印期间中对晶体取向进行特定位点控制。凝固织构取决于晶体结构、晶格应变和表面附着动力学，并且由在从液体到固体的相变期间的最大热梯度定向决定。在选择性激光熔化期间，可以使用(a)激光扫描策略(例如，以预定光栅图案和能量强度局部地加热)和/或(b)外部施加磁场来控制热梯度，以影响织构演变。在一些实施例中，磁易轴取向与晶体取向(其中，对退磁的抗性被最大化)对准。使用本披露的原理，可以通过控制永磁体的微观结构中的晶粒的晶体取向(织构)来改进永磁体的磁性能。当在增材制造期间结合晶体织构控制和磁取向时，本发明尤其有效。结果是磁体包含具有不同晶体取向和磁取向的区域，其可以以各种方式优化。
一些变型是基于磁体架构内的磁易轴的有利取向而预测的。优选的实施例使得能够在单畴极限(例如，约1微米至3微米)的量级上控制增材制造的或焊接的微观结构的凝固，以除了控制磁易轴的取向之外，还最大化对退磁的抗性。
在一些实施例中，易轴对准被设计在诸如表面或角部的感兴趣的区域中，以改善块状磁体中对退磁的总体抗性。这种方法使得能够制备在一侧上具有强场的磁体，而在另一侧上的场例如接近于零。这种区域优化是在长度尺度(例如，小于500微米)上，这对于需要串行组装的常规制造方法是不可行的。
与背景中描述的当前制造方法相比，本发明提高了永磁体性能，同时可能地降低了制造成本。通过使用粉末床或基于喷涂的增材制造方法，显著地降低了高性能汽车和航空航天平台所需的稀土永磁体材料的材料成本。其原因是，可以以在精加工时最少的材料浪费并以高的材料再循环速率生产近净形产品。
通过定制晶体织构来提高磁架构的退磁抗性，可以提高磁体的质量和体积效率。这进而降低了匹配性能所需的材料质量，以提高电机效率。此外，本发明提供了产生优化场效用的优化磁体形状的能力。使用更高磁场的能力使得能够在永磁体电机中效率增益。所有这些因素提高了永磁体电机效率并降低了制造的总成本。
一些变型提供了一种永磁体结构，该永磁体结构包括：
区域，该区域具有区域平均磁轴和多个磁畴，其中，这些磁畴中的每一个具有畴磁轴，其中，每个畴磁轴与该区域平均磁轴基本上对准，并且其中，该多个磁畴的特征在于平均磁畴尺寸；以及
在该区域内的多个含金属晶粒，其中，该多个含金属晶粒的特征在于平均晶粒尺寸，
其中，这些磁畴中的每一个具有由含金属晶粒的晶体织构决定的畴易轴；
其中，该区域具有基于该区域内的畴易轴的平均值的区域平均易轴；并且
其中，区域平均磁轴和区域平均易轴形成区域平均对准角θ，该区域平均对准角在多个磁畴内基于对准角变化具有小于30°的θ标准偏差。
“永磁体”(或“硬磁体”)意指具有1000A/m(安培每米)或更大的固有磁矫顽力的磁体。例如，永磁体可以选自下组，该组由以下各项组成：NdFeB磁体、NdDyFeB磁体、FeCoCr磁体、FeAlNiCo磁体、SmCo磁体、及其组合。
“磁轴”是连接磁化体的两个极的直线。磁场在磁轴的方向上施加在磁体上的转矩等于0。“晶体织构”是多晶材料的晶体取向的分布。“晶体取向”由晶体的晶格平面的平面(密勒)指数定义。
可以存在一个区域或许多区域。当存在多个区域时，单个区域平均磁轴和单个区域平均易轴可以在空间上变化，诸如在结构的不同角部中的不同取向。区域可以是包含在永磁体结构的内部中的主体区域和/或包含在永磁体结构的表面处的表面区域。
磁畴平均和易轴平均可以在永磁体结构的不同区中在空间上变化，例如，在不同角部中的不同取向。跨越区域的变化可以是规则的或不规则的。
每个含金属晶粒具有晶粒易轴。如果磁畴与晶粒相同，如在一些实施例中，则晶粒易轴与畴易轴相同。但是，如果磁畴大于一个晶粒(例如，5个晶粒)，则畴易轴由磁畴中所有单个晶粒的易轴决定。
含金属晶粒可以包含选自下组的金属，该组由以下各项组成：Fe、Ni、Al、Co、Cr、Nd、B、Sm、Dy、及其组合。在一些实施例中，含金属晶粒包含选自下组的金属合金，该组由以下各项组成：NdFeB、FeCoCr、AlNiCo、SmCo、Dy2O3、SrRuO3、及其组合。当存在多个区域时，在那些区域中可以存在不同的组合物，包括例如不同类型或不同量的含金属晶粒。示例是具有与永磁体结构的主体区域不同组合物的表面区域。
在整个组合物中组分的选择将取决于所期望的磁体性质，并且应当具体情况具体考虑。材料科学或冶金学领域的技术人员将能够基于本披露中提供的信息选择用于预期用途的适当材料。
在一些实施例中，区域平均对准角θ是从–10°至10°、从–5°至5°、从–2°至2°、或从–1°至1°。在其他实施例中，区域平均对准角θ选自0°至90°。在某些实施例中，区域平均对准角θ是0°。在某些实施例中，区域平均对准角θ是90°。区域平均对准角θ标准偏差例如可以小于20°、小于10°、或小于5°。
在一些实施例中，区域平均易轴具有小于25°、小于20°、小于10°、或小于5°的标准偏差。该标准偏差是基于给定区域内的所有畴易轴来计算的。在某些实施例中，每个畴易轴基本上与区域平均易轴对准，在这种情况下，标准偏差可以小于2°、小于1°、小于0.5°、小于0.1°、或约0°。
磁畴可以包含单个含金属晶粒。典型地，磁畴包含多个含金属晶粒。在一些实施例中，平均磁畴尺寸与平均晶粒尺寸大致相同。在其他实施例中，平均磁畴尺寸大于平均晶粒尺寸。
平均磁畴尺寸可以是例如从1微米至1000微米。在一些实施例中，平均磁畴尺寸是从10微米至约10毫米。
平均晶粒尺寸可以是例如从0.1微米至50微米。示例性平均晶粒尺寸是从约1微米至约5微米。
可以通过多种技术来测量晶粒尺寸，这些技术例如包括动态光散射、激光衍射、图像分析、或筛分离。动态光散射是用于典型地在亚微米区域内(并且最新技术乃至1纳米)测量颗粒的尺寸和尺寸分布的非侵入性既定技术。激光衍射是广泛使用的用于尺寸范围为从数百纳米至几毫米的材料的颗粒测量技术。用于测量粒度的示例性动态光散射仪器和激光衍射仪器可从英国乌斯特郡(Worcestershire,UK)马尔文仪器公司(Malvern InstrumentsLtd.)获得。可以直接在显微照片、扫描电子显微照片或其他图像上进行图像分析以估计粒度和分布。
在一些实施例中，含金属晶粒是基本上等轴晶粒。在其他实施例中，含金属晶粒是基本上柱状晶粒或长型晶粒。在某些实施例中，含金属晶粒是基本上等轴晶粒和基本上柱状晶粒的组合。晶粒可以被具有不同组合物和磁性质的晶粒边界层包围。
在永磁体结构中，区域可以具有例如选自100微米至1米(诸如约1mm、1cm、或10cm)的特征长度尺度。
在一些永磁体结构中，存在具有多个附加磁畴和多个含金属晶粒的至少一个附加区域。附加区域可以具有与主体区域相比不同的组合物。
在一些实施例中，附加区域包含在永磁体结构的角部或边缘处。在这些或其他实施例中，附加区域包含在永磁体结构的表面处。例如，立方体永磁体的角部或边缘可以具有面向角部外的晶体取向和磁取向，而磁体的其余部分具有面向内部地朝向主体区域的晶体取向和磁取向。
在一些实施例中，永磁体结构包含在海尔贝克阵列内。海尔贝克阵列通常是通过将单个均匀织构和磁取向磁体以一系列取向结合而组装的，该一系列取向以相对侧的场为代价来增强磁体的一侧的场。由于使用常规海尔贝克阵列的磁体的大尺寸(>1mm)，这种构造牺牲了场均匀性。通过使用本文中披露的原理，可以以微米尺度构造海尔贝克阵列配置，从而能够在永磁体中产生更均匀、高通量的磁场。
在一些实施例中，永磁体结构是增材制造的结构。下面将更详细地讨论增材制造。在一些实施例中，永磁体结构是焊接的结构。
永磁体结构可以包含在固体块状磁体内。替代地，永磁体结构可以包含在多孔磁体内。孔隙率可以变化，诸如按体积计从0％至约50％、或从0％至约20％。此外，可以存在一些拓扑结构，包括不规则表面、不连续界面、内部粗糙度等。
现在将进一步描述本发明，包括参考不旨在限制本发明的范围的附图。附图不一定是按比例绘制的。
图1描绘了常规各向同性磁体(左侧)和常规各向异性磁体(右侧)。在常规的模压各向同性磁体中，晶粒的晶体取向是不均匀且随机的，并且磁对准在磁体的整个体积中沿着相同的方向。在常规的模压各向异性磁体中，磁对准在磁体的整个体积中沿着相同的方向，并且晶粒的晶体取向存在一些对准和均匀性。由于沿易轴的对准，各向异性变型产生较高能量积。
相比之下，图2描绘了具有在所示的三个区域内施加在三个不同方向上的磁场的固体块状磁体。晶体取向未被控制，并因此未示出。在图2的永磁体结构中，在整个总体积中，相对于易轴取向，存在位置特定的磁化取向(但不存在位置特定的晶体织构)。磁取向跨越图2中从左到右的每个区域变化90°。因为晶体取向未被控制，所以在统计学上不太可能与磁取向对准。即，在图2中，区域平均磁轴和区域平均易轴形成区域平均对准角θ，该区域平均对准角在多个磁畴内基于对准角变化可以具有高θ标准偏差(诸如30°或更高)。
图3描绘了具有在所示的三个区域中在三个不同方向上的磁场的固体块状磁体。此外，晶体取向已经通过凝固中的热梯度(例如，来自增材制造或焊接)而被控制。在图3的永磁体结构中，在整个总体积中，相对于易轴取向，存在位置特定的磁化取向和晶体织构。磁取向从图3中的第一(左)区域到第二(中)区域变化90°，并然后从第二区域到第三(右)区域变化180°。晶体易轴在跨越图3中从左到右的每个区域变化大约90°。在前两个区域中，易轴与磁取向紧密对准，导致能量积增加。
例如，在图2和图3的每一个中，块状磁体的高度可以是1cm的量级，而单个晶粒尺寸可以是1微米至5微米的量级。因此，描绘多晶粒和取向的正方形代表每个区域的一小部分体积。
图2和图3中的结构之间的差别在于，在图2中，磁取向受到控制，但晶体取向未受到控制，而在图3中，磁取向和晶体取向都受到控制。在任一种情况下，磁化取向可以被设计成在永磁体结构的不同区域(或体素)中具有特定取向。磁畴可以大于晶体晶粒。在某些优选的实施例中，每个单个晶粒是单个可定制的，如图3所指出(磁畴＝晶体晶粒)。
可以利用磁化方向和易轴对准(晶粒取向)的组合控制永磁体中的晶体织构和磁化方向两者。这种控制可以增强磁场分布并定制由永磁体产生的场形状。取决于增材制造、焊接、或控制局部微观结构的其他方法，受控区域的体素尺寸可以例如是10μm×10μm×10μm的尺寸。在某些实施例中，具有均匀磁取向的单个磁畴存在于单个晶粒中，这些单个晶粒可以单独晶体取向。
由于较低的成核势垒，畴之间的界面易受畴反转(退磁)影响。通过将单磁畴与单晶粒匹配，该晶粒内对畴反转的抗性被最小化，从而提高了对反向畴的成核的能量势垒。
即使与易轴不对准，磁化的局部取向也可以定向地定制，以成形由永磁体结构产生的磁场。这在图4中描绘，其示出了由于定制磁化而具有成形场的示例性永磁体，其中，北(N)-南(S)轴取向与法线方向具有角度θ。
由于位置特定的磁化取向以及位置特定的晶体取向，图3的永磁体结构是优选结构。位置特定的磁化和晶体取向也可以被称为优化的、指定的或预先选择的取向，因为这些取向是有意设计在结构中的，而不是在制备期间随机产生的。
在结构的各个区域内的位置特定的磁化和晶体取向可以被优化，以考虑预期的使用条件。例如，在退磁的高磁化率的位置可能期望指定的取向。当退磁场集中高时，或者当相对于场方向的取向快速改变时，出现这些区域(诸如在角部处)。
重要示例是电动机中退磁的问题。永磁体的磁化典型地平行于长表面。磁体在电动机应用中所经历的施加磁通量密度在角部处较高。因此，角部更容易退磁，从而限制了性能。另外，在磁体角部、边缘或表面处，可能存在严重的局部加热，这将局部温度升高到高于磁材料的居里温度。通常，这将意味着材料失去其持久磁场。
常规地，通过经由将许多较小磁体布置成较大的海尔贝克阵列并将较小磁体粘附地结合在一起来成形电动机中的永磁体的磁场，这些问题得到缓解。
相比之下，通过定制晶体织构(易轴对准)，可以防止或至少抑制角部、边缘或表面处的退磁。另外，在角部、边缘或表面处经历局部加热的局部组合物可以使用与主体区域相比不同的组合物来优化。例如，与主体区域相比，可以在角部、边缘或表面或其他附加区域处包括稀土元素、或者稀土元素处于更高浓度。
相对于外部场的最佳易轴取向优选地增加了对反向磁畴的成核的能量势垒。这种优化在较高的施加场中保持磁化。在磁晶各向异性材料中，取决于描述磁晶各向异性的晶体结构，可以存在多于一个易轴。在多易轴的情况下，可以在任何等效方向上选择织构配置，这可以协助织构控制。
即使当磁化和晶体取向这两者都被控制时，磁化和晶体取向可以在磁体中共对准或可以不在磁体中共对准。在一些优选实施例中，磁取向和晶体取向是共对准的。磁化和晶体取向不需要在磁体中共对准以实现改进的退磁益处。在一些实施例中，控制磁化和晶体取向以实现它们之间的平均对准角。
图5描绘了可以采用的用于不同取向的磁配置的若干示例。宏观和微观磁场
Figure BDA0004113433590000171
仅意味着区分在与每个结构的主体区域相比的特定区域(角部和边缘)处的定制取向，而不暗示必要的长度尺度。还应注意，虽然图5中的箭头描绘了磁取向，但是可以绘制类似的结构，其中，箭头表示晶体取向，或者多组箭头表示磁取向以及晶体取向(诸如在图3中)。
在二维中产生的扭矩随(sinθ)2变化，其中，垂直于相反磁场产生最大扭矩(和对退磁的抗性)。在三维中产生的扭矩(和作为位置的函数的对退磁的3D抗性)可以由本领域技术人员建模。3D建模可以用于帮助预先选择感兴趣的区域，以用于定制晶体织构。例如，可以利用COMSOL
Figure BDA0004113433590000172
仿真软件来计算地建模和设计永磁体结构。
永磁体结构的特征在于总能量积，总能量积是该结构的磁剩磁乘以磁矫顽力的最大值。永磁体结构可以具有大于50kJ/m3的总能量积，诸如约或至少约100kJ/m3、200kJ/m3、300kJ/m3、400kJ/m3、或500kJ/m3，包括所有中间范围。已知在不使用稀土金属的情况下难以获得高总能量积。尽管本文中的一些实施例至少在结构的某些区域内引入稀土金属，但其他实施例完全不引入稀土金属(除了杂质以外)。在采用增材制造来控制局部凝固的某些实施例中，永磁体结构可以具有大于50kJ/m3的总能量积，诸如约或至少约75kJ/m3、100kJ/m3、125kJ/m3、150kJ/m3、175kJ/m3、或200kJ/m3，包括所有中间范围。即使完全不引入稀土金属或仅在关键位置(诸如角部)处引入稀土金属，也可以利用调谐的各向异性来获得与稀土磁性能相同或接近的性能。
磁取向和晶体取向的设计使得能够在几乎每个应用中存在的非均匀退磁场中优化磁体性质。在相反退磁场中，永磁体结构的边缘或表面附近的磁取向变得不对准，或者至少在其取向上变得次优。通过选择性地操纵这些快速退磁场取向的区域中的局部取向，以代替抵抗退磁，可以升高操作条件(例如，温度和场强)的上限。对于要求苛刻的电机应用、尤其是电动车辆推进，性能可以得到改善。
在一些实施例中，磁畴被取向以增强结构(诸如(但不限于)海尔贝克阵列)的一侧上的场。海尔贝克阵列可以被配置成引起磁分量的抵消，从而导致单侧磁通量，如图6所描绘。海尔贝克阵列是永磁体的布置，其在阵列的一侧上增强磁场，同时在另一侧上将场抵消为零或接近零。单侧通量分布的优点是场在通量被约束的一侧上是两倍大。另一优点是在相反侧上没有杂散场，这有助于场约束。海尔贝克阵列可以用于无刷直流电机、自由电子激光器和用于粒子加速器的扭摆磁体。
现在将参考增材制造进一步描述本发明的一些优选变型。应当理解，本发明不限于增材制造，但增材制造尤其能够利用本文中所教导的许多原理。
增材制造在3D打印期间提供对晶体取向的控制。晶粒的最终晶体取向取决于几个贡献的热力学驱动力。一个这样的因素是最大热梯度的方向，其中凝固的立方晶体倾向于以<100>取向优先生长。可以使用激光扫描策略、通过以各种空间和/或时间变化的图案局部加热来控制热梯度。晶体织构的形成也可以在凝固和随后的固态转变期间通过施加外部磁场来定制，从而可能地产生具有特定局部性和方向的更多织构均匀性。当使用激光或电子束热处理时，可以通过改变局部磁矫顽力来实现可定制的磁化。
在一些实施例中，除了微观结构中的磁化取向之外，通过控制晶粒的晶体取向(织构)来改善磁性能。当在增材制造期间以协同方式定制晶体织构和磁取向两者时，这种控制尤其强大。为此，晶粒可以在允许最高剩余磁化的该方向(或方向)上晶体取向；同时，可以施加磁场以将磁化取向在该相同方向上。结果是磁体具有最佳的晶体取向和磁取向，并因此具有最大的能量积。磁材料还可以通过对易受退磁影响的区域中的晶体织构的3D定制来优化。通过采用增材制造，可以在生产具有位置特定性的选定晶体织构的永磁体中操纵局部热场、磁场和应力场。
在一些实施例中，不限于，增材制造原料是用多个纳米颗粒表面官能化的粉末。纳米颗粒可以促进熔体池中的异质成核以诱导等轴晶粒生长。在一些实施例中，纳米颗粒是磁纳米颗粒。
一些变型提供了一种制作具有定制磁性的永磁体的方法，该方法包括：
(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)回收包括磁金属层的永磁体，
其中，外部施加磁场具有相对于扫描方向定义的磁场取向，该磁场取向被选择为控制(i)磁金属层内的磁轴，和/或(ii)磁金属层内的晶体织构。
在一些实施例中，选择磁场取向以控制磁金属层内的晶体织构，但不一定控制磁轴。在一些实施例中，选择磁场取向以控制磁金属层内的磁轴，但不一定控制晶体织构。在优选实施例中，选择磁场取向以控制磁金属层内的晶体织构以及磁轴两者。
原料组合物中的磁材料或易受磁影响材料可以包括例如元素金属、金属合金、陶瓷、金属基复合物、或其组合。原料组合物可以是例如粉末、丝材或其组合的形式。
磁材料或易受磁影响材料可以选自下组，该组由以下各项组成：Fe、Co、Ni、Cu、Cr、Mg、Mn、Zn、Sr、Ce、Si、B、C、Ba、Tb、Pr、Sm、Nd、Dy、Gd(钆)、及其组合或合金。磁的或易受磁影响的示例性合金包括但不限于Fe2O3、FeSi、FeNi、FeZn、MnZn、NdFeB、NdDyFeB、FeCoCr、FeAlNiCo、AlNiCo、SmCo、Dy2O3、SrRuO3、及其组合。
在一些实施例中，不限于，增材制造原料是用多个纳米颗粒表面官能化的粉末。纳米颗粒可以促进熔体池中的异质成核以诱导等轴晶粒生长。在一些实施例中，纳米颗粒是磁的或易受磁影响的，并且在凝固期间变得磁对准，以产生由外部磁场决定的晶体织构。替代地或另外地，纳米颗粒(不论它们是否是磁的或易受磁影响的)可以诱导磁相的生长，然后磁相可以与磁场方向磁对准。
易受磁影响材料是将在所施加磁场中被磁化的材料。磁化率表示材料是被吸引到磁场中还是被排斥出磁场。顺磁材料与所施加的场对准，并被吸引到较大磁场的区域。抗磁材料是反对准的并且被推向较低磁场的区域。在所施加的场之上，材料的磁化增加了其自身的磁场。材料的可磁化性是由制作它们的颗粒的原子级磁性质引起的，典型地由电子的磁矩决定。
能量源可以是激光束、电子束、或激光束和电子束两者。能量源优选地施加在扫描方向上熔化一部分原料组合物的热梯度，而不是体熔化整个原料组合物。在一些实施例中，步骤(b)和(c)利用选自下组的技术，该组由以下各项组成：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。
在一些实施例中，步骤(b)也在外部施加磁场的存在下与步骤(c)一起进行。可选地，可以在步骤(b)期间调整磁场取向。
步骤(b)和(c)可以一起被称为增材制造或焊接。当采用步骤(d)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时，则步骤(b)和(c)一起典型地被称为增材制造或3D打印。
当进行步骤(d)时，可以在构建方向上调整磁场取向。磁场取向可以在每个构建层处被调整，或者可以在连续层的两个不同取向之间来回切换，或者可以随着构建的进行而递增地改变角度，这只是构建策略的几个示例。
在一些优选实施例中，在步骤(c)期间，即在第一熔体层的凝固期间，调整磁场取向。例如，在第一熔体层中已经形成一些体素之后，可以调整磁场取向，之后在第一熔体层中形成更多体素。
在一些实施例中，选择磁场取向以控制包含在磁金属层内的多个单个体素内的体素特定磁轴。在这些或其他实施例中，选择磁场取向以控制包含在磁金属层内的多个单个体素内的体素特定晶体织构。
“体素”是立体(3D)像素。多个体素形成单层，该单层具有由体素高度限定的厚度。在一些实施例中，单个体素由从约50微米到约1000微米中选择的特征体素长度尺度来定义。在某些实施例中，特征体素长度尺度选自约100微米至约500微米。示例性体素在100μm×100μm×100μm的量级上。另一示例性体素在10μm×10μm×10μm的量级上。
体素的几何形状可以是立方体，但这不是必需的。例如，体素可以是矩形的或者可以具有不规则的形状。对于任意体素几何形状，存在相当于平均体素体积的立方根的特征体素长度尺度。特征体素长度尺度可以是约、至少约或至多约1微米、2微米、3微米、4微米、5微米、6微米、7微米、8微米、9微米、10微米、15微米、20微米、25微米、30微米、40微米、50微米、75微米、100微米、125微米、150微米、200微米、250微米、300微米、350微米、400微米、450微米、500微米、600微米、700微米、800微米、900微米或1000微米，包括所有中间范围(例如，100微米至500微米)。特征体素长度尺度典型地是激光或电子束强度、光束直径、扫描速度、和所制备材料的性质(例如，运动粘度)的函数。
在利用增材制造的优选实施例中，存在单个体素的凝固，并且如果期望，磁场可以逐个体素地变化。使用高度局部化的能量源，并且在制备期间可能地使用不同的组合物，可以独立于其他体素而产生具有特定晶体取向和磁性质的结构的小体素。
取决于所传递的能量的强度，每个体素例如可以通过起始原料的熔化和凝固或者通过材料区域的烧结或其他热处理来产生。在凝固期间，熔化形式的体素产生一个或多个具有单个晶体结构的固体晶粒。在一些实施例中，凝固的体素包含单晶粒。在其他实施例中，凝固的体素包含具有晶体取向和磁取向的一些分布的多个晶粒。几何上，单个体素可以与单个晶粒具有相同尺寸，或者可以大于磁金属层内的平均晶粒尺寸。在各种实施例中，平均体素包含约、至少约、或至多约1、1.5、2、2.5、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、50、75或100个晶粒，包括所有中间范围。
当体素包含各自具有其自身晶体取向和磁易轴的多个晶粒时，体素将具有体素平均晶体取向和体素平均磁易轴。在一些实施例中，体素被配置成使得所有晶粒具有相同或相似的晶体取向和/或磁易轴。在其他实施例中，体素被配置成使得单个晶粒具有不同的晶体取向和/或磁易轴。
来自增材制造或焊接的磁金属层具有由单个晶粒产生的晶体织构，这些单个晶粒进而形成体素。对于每个晶粒存在磁易轴，对于每个体素存在平均磁易轴，并且对于磁金属层存在平均磁易轴。使用本披露的原理，在这些分级磁易轴之间可以存在不同程度的对准。
在某些实施例中，体素包含多个晶粒，该多个晶粒具有沿着晶体的易轴的窄晶体取向分布、以及包含在每个晶粒内的共对准磁畴。这种共对准产生用于体素的最大总剩余磁通量。在具有多个体素的较大结构中，可以存在沿着易轴的窄晶体取向分布、以及包含在每个体素内的共对准磁畴。这种共对准产生用于结构的最大总剩余磁通量。
晶粒尺寸可以宽泛地变化，诸如从约0.1微米到约1000微米。在各种实施例中，平均晶粒尺寸(在给定体素内或在整个结构内)可以是约、至少约、或至多约0.1微米、0.2微米、0.3微米、0.4微米、0.5微米、0.6微米、0.7微米、0.8微米、0.9微米、1微米、1.5微米、2微米、3微米、4微米、5微米、6微米、7微米、8微米、9微米、10微米、15微米、20微米、25微米、30微米、35微米、40微米、45微米、50微米、75微米、100微米、125微米、150微米、200微米、250微米、300微米、350微米、400微米、500微米、600微米、700微米、800微米、900微米、或1000微米。
当进行步骤(d)时，为了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，可以在构建方向上调整磁场取向。换句话讲，除了层内的磁场取向(体素特定磁场取向)的变化之外，一个层与另一个层的磁场取向可以不同。
晶体的原子结构引入磁化的优先方向。这被称为磁晶各向异性。“磁易轴”是晶体内部的方向，沿着该方向施加的小磁场足以达到饱和磁化。可以有单一易轴或多易轴。“磁难轴(magnetic hard axis)”是晶体内部的方向，沿着该方向需要施加大的磁场来达到饱和磁化。无论是否实际施加磁场，都将存在磁易轴和磁难轴。磁易轴不同于磁轴。磁轴仅在实际施加磁场时才存在，而磁易轴是给定结晶材料的固定性质。
在本发明的一些实施例中，可以选择磁场取向以控制包含在磁金属层内的多个单个体素内的体素特定磁易轴。
在一些实施例中，参考给定磁金属层内的每个体素的磁易轴，单个体素彼此基本上磁对准。“基本上磁对准”是意指基于磁金属层内的所有磁易轴计算，存在小于25°、小于20°、小于10°或小于5°的标准偏差。在某些实施例中，所有磁易轴基本上对准，使得标准偏差小于2°、小于1°、小于0.5°、小于0.1°、或约0°。剩磁测量可以用于确定磁易轴的对准。参见McCurrie,“Determination of the degree of easy axis alignment in uniaxialpermanent magnets from remanence measurements[根据剩磁测量确定单轴永磁体的易轴对准程度]”Journal of Applied Physics[应用物理杂志]52,7344(1981)，其通过引用并入于此。
在一些优选实施例中，选择磁场取向以控制包含在磁金属层内的多个单个体素内的体素特定磁轴以及体素特定磁易轴，其中，对于磁金属层的至少一部分，体素特定磁轴与体素特定磁易轴基本上对准。在某些实施例中，对于磁金属层的全部，体素特定磁轴与体素特定磁易轴基本上对准。
在其他实施例中，选择磁场取向以控制包含在磁金属层内的多个单个体素内的体素特定磁轴以及体素特定磁易轴，其中，对于磁金属层的至少一部分，体素特定磁轴被配置成与体素特定磁易轴成角度。
在一些方法中，控制步骤(b)和/或步骤(c)中的条件，使得热梯度有助于在磁金属层内产生晶体织构。
在一些实施例中，将各自包括一种或多种磁材料或易受磁影响材料的不同原料组合物暴露于能量源。在使用不同原料组合物的不同时间，可以在方法期间通过执行步骤(b)、步骤(c)和可选地执行步骤(d)来调整晶体织构。不同的原料组合物不仅可以是不同的种类，而且可以是相同种类的不同浓度。
可选地，将各自包括一种或多种磁的或易受磁影响的表面改性颗粒的不同原料组合物暴露于能量源，并且在使用不同原料组合物的不同时间在方法期间通过执行步骤(b)、步骤(c)和可选地执行步骤(d)来调整晶体织构。
在某些实施例中，基础颗粒和表面改性颗粒都不是磁的或易受磁影响的，但在制备期间，产生了磁的或易受磁影响的晶粒。外部施加的磁场可以在凝固期间使这些晶粒对准。
不同的原料组合物也能够制备分级组合物。例如，可以在整个磁性结构中调整磁稀土元素的浓度。一个示例在易受影响区中采用Dy、Nd或Yb的局部掺杂来退磁。局部掺杂可以例如经由喷涂增材工艺来实现。
一些实施例特别地在磁体的整个体积中优化晶体织构位点。与常规加工的具有单一易轴取向或窄分布的易轴取向的磁材料相比，本文中披露的织构控制的永磁体可以具有被定制以抵抗在退磁的高磁化率区域中的退磁场的易轴取向。这种区域可以存在于退磁场集中高和/或相对于磁场方向的取向快速变化的地方，诸如在角部处。
由于相对低的成核势垒，畴之间的界面易受畴反转(退磁)影响。相对于外部磁场的最佳易轴取向优选地增加了反向磁畴的成核的能量势垒，从而保持磁化。例如，通过将单磁畴与单晶粒匹配，该晶粒内对畴反转的抗性被最小化，从而提高了对反向畴的成核的能量势垒。
一般来讲，原料组合物的几何形状不受限制，并且可以是例如呈粉末颗粒、丝材、棒、条、板、膜、线圈、球体、立方体、棱柱、锥体、不规则形状、或其组合的形式。在某些实施例中，原料组合物是呈粉末、丝材、或其组合(例如，表面上具有粉末的丝材)的形式。当原料组合物是呈粉末的形式时，粉末颗粒可以具有例如从约1微米至约500微米、诸如约10微米至约100微米的平均直径。当原料组合物是呈丝材的形式时，丝材可以具有例如从约10微米至约1000微米、诸如约50微米至约500微米的平均直径。
用于增材制造的能量源可以通过激光束、电子束、交流电、直流电、等离子体能量、来自施加磁场的感应加热、超声能量、其他来源、或其组合提供。典型地，能量源是激光束或电子束。
方法步骤(b)和(c)可以利用选自下组的技术，该组例如由以下各项组成：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、丝材定向能量沉积、基于等离子弧的制备、超声波固结、及其组合。
在某些实施例中，增材制造工艺选自下组，该组由以下各项组成：选择性激光熔化、能量束熔化、激光工程化净成形、及其组合。
选择性激光熔化利用激光器(例如，Yb纤维激光器)来提供熔化能量。选择性激光熔化被设计成使用高功率密度激光将金属粉末熔化并且将其熔融在一起。该工艺能够将金属材料完全熔化成固体3D零件。可以采用直接驱动电机和反射镜的组合，而不是固定的光学透镜。通常采用惰性气氛。可以在构建循环之间完全吹扫真空室，从而实现更低的氧气浓度和减少的气体泄漏。选择性激光熔化是一种基于粉末床的增材制造。
电子束熔化使用加热的金属粉末床，然后将其使用类似于电子显微镜的电子束能量源的电子束能量源在真空中逐层熔化和成形。将金属粉末在真空下逐层焊接在一起。电子束熔化是另一种基于粉末床的增材制造。
激光工程化净成形是通过将金属粉末注入到使用激光作为能量源的金属熔池中来操作的粉末注射技术。激光工程化净成形可用于通过使用注入到由聚焦的高功率激光束产生的熔池中的金属粉末，直接根据计算机辅助设计的固体模型制造金属零件。激光工程化净成形类似于选择性激光烧结，但是金属粉末仅施加于在那时正将材料添加到零件上的地方。需注意，“净成形”意指涵盖“近净”制备。
直接金属激光烧结工艺通过逐层熔化粉末床中的金属细粉来工作。激光提供必要的能量，并且系统在典型地氮气或氩气的保护气氛中操作。
另一种方法利用粉末注射来提供待沉积的材料。代替与能量束反应的粉末床，通过喷嘴注入粉末，然后将其熔化以沉积材料。粉末可以通过惰性载气或通过重力式供给注入。可以使用单独的保护气体来保护熔化金属池免受氧化。
定向能量沉积利用聚焦能量(电子束或激光束)来在材料沉积时通过熔化来熔融材料。粉末或丝材原料可以用于该工艺。粉末供给系统(诸如激光金属沉积和激光工程化净成形)通过喷嘴吹入粉末，其中粉末被零件表面上的激光束熔化。基于激光的送丝系统(诸如激光金属沉积-丝材)通过喷嘴送丝，其中丝材在开放环境(激光周围的气体)或在密封气体壳体或室中、在惰性气体保护下被激光熔化。
基于粉末床的增材制造因其生产近净形产品的能力以及与定向能量沉积(通常>500μm)相比较小的可定制体素尺寸(诸如约200μm或更小)而是优选的。
一些实施例利用丝材原料和电子束热源在真空室内产生近净形零件。电子束枪经由丝材原料逐层沉积金属，直到零件达到所期望形状。然后，可选地对零件进行最终热处理和机加工。出于安全性和成本原因，可以相比于粉末优选丝材。
增材制造提供了在串行分层工艺中逐个体素定制局部结构的机会。经处理的体素是在基于层的方法中受来自直接能量源的热输入影响的体积，该体积包括熔体池以及周围的热影响区。凝固晶体织构可以通过热提取的方向来控制。除了热场之外，可以在处理期间施加磁场以控制晶体织构和磁化取向两者。外部磁场可以例如借助于感应线圈、多感应线圈、永磁体或永磁体阵列来产生。
在一些实施例中，增材制造的永磁体具有这样的微观结构，该微观结构具有不仅仅在增材制造构建方向上取向的晶体织构。例如，固体层可以具有相对于彼此不同的初生生长方向角。
该方法原则上不限于可以制备的固体层的数量。步骤(d)中的“多个固体层”意指至少2个层、诸如至少10个单独的固体层。固体层的数量可以远大于10个，诸如约100、1000或更多个。如前文所述，在焊接或单层制造的情况下，在最终结构中可以存在单层。多层焊接是另一实施例。
多个固体层的特征可以例如在于至少10微米(诸如约10微米、20微米、30微米、40微米、50微米、75微米、100微米、150微米或200微米)的平均层厚度。
每个固体层可以包含许多体素。在基本上竖直构建(例如，窄列)的特殊情况下，每层可以是单体素。每层的体素的平均数量可以例如是约、至少约、或至多约2、3、4、5、10、20、30、40、50、100、150、200、300、400、500、600、700、800、900或1000个，包括所有中间范围。
一个或多个固体层可以具有带有等轴晶粒的微观结构。具有“等轴晶粒”的微观结构意指至少90vol％(体积百分比)、优选至少95vol％、并且更优选至少99vol％的金属合金包含长度、宽度、和高度大致相等的晶粒。在一些实施例中，至少99vol％的磁体包含特征在于以下的晶粒：在平均晶粒长度、平均晶粒宽度和平均晶粒高度中的每一者上存在小于25％、优选小于10％、并且更优选小于5％的标准偏差。当存在由微观结构中含有的细化晶粒的纳米颗粒产生的许多成核位点时，可以产生等轴晶粒。
一些实施例的表面改性颗粒是细化晶粒的纳米颗粒。细化晶粒的纳米颗粒优选地以原料组合物的至少0.01vol％(诸如至少0.1vol％、至少1vol％、或至少5vol％)的浓度存在。在各种实施例中，细化晶粒的纳米颗粒以约、或至少约0.1vol％、0.2vol％、0.5vol％、1vol％、2vol％、3vol％、4vol％、5vol％、6vol％、7vol％、8vol％、9vol％、或10vol％的浓度存在。
在一些实施例中，细化晶粒的纳米颗粒晶格匹配于与含有基础颗粒但不含有细化晶粒的纳米颗粒的其他等同的材料相比的±5％之内。在某些实施例中，细化晶粒的纳米颗粒晶格匹配于与含有基础颗粒但不含有细化晶粒的纳米颗粒的材料相比的±2％之内或±0.5％之内。
优选地，增材制造的磁体的微观结构基本上无裂纹。避免裂纹对于磁体应该是重要的。例如，钐-钴磁体是脆性的并且易于开裂和碎裂。可以制备无裂纹的基于SmCo的永磁体。
“基本上无裂纹”的磁体微观结构意指至少99.9vol％的金属合金不含有宽度大于0.1微米并且长度大于10微米的线性或弯曲裂纹。换句话讲，要被认为是裂纹，缺陷必需是宽度为至少0.1微米并且长度为至少10微米的空隙空间。无论宽度如何，长度小于10微米但大于1微米的空隙空间可以被视为多孔空隙(参见下文)。长度为至少10微米但宽度小于0.1微米的空隙空间是不被认为是缺陷的分子级间隙。
典型地，裂纹含有开放空间，该开放空间可以是真空或可以含有诸如空气、CO2、N2和/或Ar的气体。裂纹也可以含有不同于金属合金的初生材料相的固体材料。布置在裂纹内的非期望的材料本身可以含有比本体材料更高的孔隙率，可以含有不同的固体结晶(或无定形)相，或者可以是例如在制备过程中由杂质产生的完全不同材料。
磁体微观结构除了基本上无裂纹之外还可以基本上无多孔缺陷。“基本上无多孔缺陷”意指至少99vol％的磁体不含有具有至少1微米的有效直径的多孔空隙。
优选地，至少80vol％、更优选地至少90vol％、甚至更优选地至少95vol％、并且最优选地至少99vol％的磁体不含有具有至少1微米的有效直径的多孔空隙。有效直径小于1微米的多孔空隙典型地不被认为是缺陷，因为通常难以通过常规的非破坏性评估来检测。还优选地，至少90vol％、更优选至少95vol％、甚至更优选至少99vol％、并且最优选至少99.9vol％的金属合金不含有具有至少5微米的有效直径的较大多孔空隙。
典型地，多孔空隙含有开放空间，该开放空间可以是真空的或可以含有诸如空气、CO2、N2和/或Ar的气体。在一些实施例中，可以减少或消除多孔空隙。例如，可以对增材制造的金属零件进行热等静压制以减少残余孔隙，并且可选地得到除了基本上无裂纹之外还基本上无多孔缺陷的最终增材制造的磁体。
在增材制造中，可以应用生产后工艺，诸如热处理、轻机加工、表面精加工、着色、冲压或其他精加工操作。另外，可以将若干个增材制造的零件以化学或物理方式接合在一起以产生最终磁体。
示例
该示例说明了激光焊接Nd2Fe14B磁体结构的晶体织构控制。
在具有外部磁场的激光焊接机中加工Nd2Fe14B磁体结构。平行于烧结Nd2Fe14B磁体结构的水平面施加通量密度大约1T的DC磁场。使用使表面移动通过静态DC场的脉冲红外激光焊接器产生单轨焊接线。
图7示出了具有与最大热梯度方向相反的偏移枝晶生长方向的Nd2Fe14B磁体微观结构的显微照片。图8示出了激光焊接的Nd2Fe14B磁体结构的显微照片俯视图。图9示出了在IPF(反极图)密度图中沿着扫描向量方向的NdFeB易轴[001]织构的增加。EBSD(电子背散射衍射)图被提供用于参考取向。IPF密度图在图9的下半部分示出，而EBSD图在图9的上半部分示出。
外延枝晶凝固倾向于在最大热梯度的方向上生长。然而，在外部磁场下，凝固方向与最大热梯度不对准。场方向的调整根据所施加的量级和场以更大或更小的量级影响织构演变(从枝晶凝固方向)。
在此详细描述中，已经参考了多个实施例和附图，其中以说明的方式示出了本发明的具体示例性实施例。对这些实施例做了充分详细的说明以使本领域的技术人员能够实践本发明，且应当理解的是，本领域技术人员可以对所披露的各种实施例做出修改。
当上述方法和步骤指示某些事件以某种顺序发生时，本领域普通技术人员将认识到可以修改某些步骤的顺序，并且此类修改是根据本发明的变型进行的。另外，某些步骤可以在可能的情况下按并行过程同时进行，也可以依次进行。
本说明书中所引用的所有出版物、专利和专利申请的全部内容均通过引用结合在此，就如同每个出版物、专利或专利申请已经在此明确地且单独地提出。
上述实施例、变型和附图应提供本发明的实用性和多功能性的指示。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，也可以使用未提供在此阐述的所有特征和优点的其他实施例。此类修改和变型被视为落入由权利要求限定的本发明的范围内。

Claims (33)

1.一种永磁体结构，所述永磁体结构包括：
区域，所述区域具有区域平均磁轴和多个磁畴，其中，所述磁畴中的每一个具有畴磁轴，其中，每个所述畴磁轴与所述区域平均磁轴基本上对准，并且其中，所述多个磁畴的特征在于平均磁畴尺寸；以及
在所述区域内的多个含金属晶粒，其中，所述多个含金属晶粒的特征在于平均晶粒尺寸，
其中，所述磁畴中的每一个具有由所述含金属晶粒的晶体织构决定的畴易轴；
其中，所述区域具有基于所述区域内的所述畴易轴的平均值的区域平均易轴；并且
其中，所述区域平均磁轴和所述区域平均易轴形成区域平均对准角θ，所述区域平均对准角在所述多个磁畴内基于对准角变化具有小于30°的θ标准偏差。
2.如权利要求1所述的永磁体结构，其中，所述含金属晶粒包含选自下组的金属合金，所述组由以下各项组成：NdFeB、FeCoCr、FeAlNiCo、SmCo、Dy2O3、SrRuO3、及其组合。
3.如权利要求1所述的永磁体结构，其中，所述θ标准偏差小于20°。
4.如权利要求1所述的永磁体结构，其中，所述θ标准偏差小于10°。
5.如权利要求1所述的永磁体结构，其中，所述θ标准偏差小于5°。
6.如权利要求1所述的永磁体结构，其中，所述区域平均对准角θ是从-10°至10°。
7.如权利要求1所述的永磁体结构，其中，所述区域平均对准角θ是从-2°至2°。
8.如权利要求1所述的永磁体结构，其中，所述区域平均对准角θ选自0°至90°。
9.如权利要求1所述的永磁体结构，其中，所述区域平均对准角θ是0°。
10.如权利要求1所述的永磁体结构，其中，所述区域平均对准角θ是90°。
11.如权利要求1所述的永磁体结构，其中，所述区域平均易轴具有小于25°的标准偏差。
12.如权利要求1所述的永磁体结构，其中，所述区域平均易轴具有小于20°的标准偏差。
13.如权利要求1所述的永磁体结构，其中，所述区域平均易轴具有小于10°的标准偏差。
14.如权利要求1所述的永磁体结构，其中，所述区域平均易轴具有小于5°的标准偏差。
15.如权利要求1所述的永磁体结构，其中，每个所述畴易轴与所述区域平均易轴基本上对准。
16.如权利要求1所述的永磁体结构，其中，所述平均磁畴尺寸与所述平均晶粒尺寸大致相同。
17.如权利要求1所述的永磁体结构，其中，所述平均磁畴尺寸大于所述平均晶粒尺寸。
18.如权利要求1所述的永磁体结构，其中，所述平均磁畴尺寸为从1微米至1000微米。
19.如权利要求1所述的永磁体结构，其中，所述平均磁畴尺寸为从10微米至10毫米。
20.如权利要求1所述的永磁体结构，其中，所述平均晶粒尺寸为从0.1微米至50微米。
21.如权利要求1所述的永磁体结构，其中，所述含金属晶粒是基本上等轴晶粒。
22.如权利要求1所述的永磁体结构，其中，所述含金属晶粒是基本上柱状晶粒。
23.如权利要求1所述的永磁体结构，其中，所述含金属晶粒是基本上等轴晶粒和基本上柱状晶粒的组合。
24.如权利要求1所述的永磁体结构，其中，所述区域具有选自100微米至1米的特征长度尺度。
25.如权利要求1所述的永磁体结构，其中，所述永磁体结构包含具有多个附加磁畴和多个含金属晶粒的至少一个附加区域。
26.如权利要求25所述的永磁体结构，其中，所述附加区域包含在所述永磁体结构的角部或边缘处。
27.如权利要求25所述的永磁体结构，其中，所述附加区域包含在所述永磁体结构的表面处。
28.如权利要求25所述的永磁体结构，其中，所述附加区域与所述区域相比具有不同的组合物。
29.如权利要求1所述的永磁体结构，其中，所述永磁体结构包含在海尔贝克阵列内。
30.如权利要求1所述的永磁体结构，其中，所述永磁体结构是增材制造的结构。
31.如权利要求1所述的永磁体结构，其中，所述永磁体结构是焊接的结构。
32.如权利要求1所述的永磁体结构，其中，所述永磁体结构包含在固体块状磁体内。
33.如权利要求1所述的永磁体结构，其中，所述永磁体结构包含在多孔磁体内。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116213751A (zh) * 2022-12-13 2023-06-06 浙江大学 一种316l不锈钢表面处理方法

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20230321757A1 (en) * 2022-04-11 2023-10-12 Hrl Laboratories, Llc Methods for tailoring the magnetic permeability of soft magnets, and soft magnets obtained therefrom
US20240025108A1 (en) * 2022-07-20 2024-01-25 Battelle Savannah River Alliance, Llc In situ chemical modification during additive manufacturing

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006244684A (ja) 2005-02-04 2006-09-14 Fujitsu Ltd 磁気記録媒体およびその製造方法、磁気記憶装置
US20120021219A1 (en) 2010-07-21 2012-01-26 Alexander Gabay Magnetic nanoflakes
MX2013011851A (es) 2011-04-13 2014-03-13 Boulder Wind Power Inc Arreglo que enfoca el flujo para imanes permantes, metodos de abricacion de tales arreglos y maquinas que incluyen tales arreglos.
US20140132376A1 (en) * 2011-05-18 2014-05-15 The Regents Of The University Of California Nanostructured high-strength permanent magnets
JP5742813B2 (ja) * 2012-01-26 2015-07-01 トヨタ自動車株式会社 希土類磁石の製造方法
DE102013004985A1 (de) 2012-11-14 2014-05-15 Volkswagen Aktiengesellschaft Verfahren zur Herstellung eines Permanentmagneten sowie Permanentmagnet
CN107919201B (zh) 2013-02-07 2020-10-23 明尼苏达大学董事会 氮化铁永磁体和形成氮化铁永磁体的技术
US9659696B2 (en) 2013-06-14 2017-05-23 Sicpa Holding Sa Permanent magnet assemblies for generating concave field lines and process for creating optical effect coating therewith (inverse rolling bar)
GB2521191B (en) 2013-12-12 2016-09-21 Exmet Ab Magnetic materials and methods for their manufacture
JP2015228762A (ja) 2014-06-02 2015-12-17 日東電工株式会社 永久磁石、永久磁石の製造方法、回転電機及び回転電機の製造方法
JP6388709B2 (ja) 2014-08-12 2018-09-12 アーベーベー・シュバイツ・アーゲー 異なる磁気特性の領域を有する磁石およびそのような磁石の形成方法
US11117193B2 (en) * 2017-02-01 2021-09-14 Hrl Laboratories, Llc Additive manufacturing with nanofunctionalized precursors
US11232903B2 (en) * 2018-09-24 2022-01-25 Ford Global Technologies, Llc Additive manufacture of anisotropic rare earth magnets
WO2020076891A1 (en) * 2018-10-10 2020-04-16 Powdermet Inc. High frequency low loss magnetic core and method of manufacture
US20200161033A1 (en) * 2018-11-20 2020-05-21 Ford Global Technologies, Llc ANISOTROPIC MISCHMETAL- Fe-B PERMANENT MAGNET AND PROCESSING OF AN ANISOTROPIC MISCHMETAL-Fe-B PERMANENT MAGNET

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116213751A (zh) * 2022-12-13 2023-06-06 浙江大学 一种316l不锈钢表面处理方法

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