JP2017510054A - 磁性材料及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

磁性材料における磁気異方性を制御するための装置及び方法は、粉体材料を熱伝導性基材に配向させることによって構成される。粉体材料を溶融するのに十分な電磁エネルギーが、粉体材料に印加され、溶融した粉体材料はその後冷却され、基材上に固化した層を創出する。固化した材料層に磁気異方性を刻印するため、少なくとも冷却工程の進行中に外部磁界が当該材料に印加される。本技術を用いることにより、様々な斬新的磁性材料構造を製造することが可能である。

Description

本発明は新規の磁性材料及び前記磁性材料の製造方法を対象とするものである。

粉体材料の選択的、局部的なレーザー溶融及び電子ビーム溶融は、非晶質金属、結晶質金属及びナノ結晶質金属の3次元物体の製造に関連してすでに記述されている。
金属材料を溶融相から固相へ冷却する場合、多結晶構造が通常得られる。当該微細構造は、多数の多様な粒子から構成されており、この場合各粒子内の原子は、規則的なパターンに従って配列されている。原子の配列にそのような規則性がなく、完全に乱雑に配列されており、規則的に原子が配列された粒子が一切存在しない場合には、当該材料は非晶質であると呼ばれる。この状態は、例えば融液を非常に速やかに冷却することにより、どのような粒子も成長する時間が全く無いようにすることによって得られる。

US 8052923（特許文献１）は、3次元物体が、一層ずつ順次構築されて行く技術を記述している。金属粉末の層を熱伝導性基材上に散布し、その層の局限された部分を、例えばレーザー又は電子ビームの照射銃を用いて溶融する。溶融部分は、その部分が固化し非晶質金属になるように冷却される。溶融工程及び冷却工程は、層内の新たな局限された部分に対して順次繰り返され、最後には連続的な非晶質金属の層が形成されるまで実行することができる。そこで新たな粉末層を散布し、溶融と冷却工程を反復し、新たな層と下にある前の層とを融合させることができる。順次積み重ねられた層によって非晶質金属の3次元物体を形成することができる。
一回ごとに小さな区域の粉末層が照射銃によって溶融されるだけなので、溶融部分は直ちに冷却可能である。溶融合金の体積が小さいので冷却が容易であり、溶融体積が固化して非晶質金属になるための、限界冷却速度の実現が可能となる。

US 8333922（特許文献２）は、US 8052923（特許文献１）で記述された技術に更に加えられた進化を記述している。US 8333922（特許文献２） においては、非晶質金属母体の中に結晶質又はナノ結晶質金属粒子の複合体を形成するため、溶融部分は、規定された時間―温度曲線に従って冷却できることが確認されている。この方法は、所定の程度まで複合金属を含む連続層が形成されるまで、反復することが可能である。したがって、所定の結晶質又はナノ結晶質構造を有する３次元物体を構築するために、新しい粉末層を散布し、この方法を反復することが可能である。

US 8333922（特許文献２） はまた、二つの手法を組み合わせることが可能であることも開示している。この場合、既に形成済みの非晶質金属を、その物質のガラス転移温度（Tg）を越える温度まで照射銃によって再加熱し、また非晶質金属を変換し、非晶質金属の母体の中の結晶質又はナノ結晶質粒子の複合体にするために、照射銃を調節して、限定された部分だけが規定された時間―温度曲線に従って熱処理されるようにする。適切な時間−温度曲線は、TTT図（時間・温度・変換図）及びCCT図（連続的冷却・変換図）を用いて決定することができる。 これらの図は、過冷却された状態にある非晶質合金において、結晶化が始まる温度及び時間を示す結晶化曲線、いわゆる「鼻」によって構成されている。

米国特許第８０５２９２３号明細書 米国特許第８３３３９２２号明細書

本発明においては、US 8052923（特許文献１） 及び US 8333922（特許文献２）において記述されているこれらの製造手法を活用し更に発展させ、製造される金属材料の中に特定の局在化した特性を与えることによって、新規の金属材料を創出できることが確認された。
本発明の目的は、例えば磁気異方性のような、ある種の特性が、当該材料内の特定の部位に局在しているような材料を提供することである。

一つの側面で見ると、本発明は、構造内の選定された層が異なる化学組成及び異なる磁気異方性を有するような複数の層から構成される磁性構造を提供するものである。
磁気構造は、結晶質、ナノ結晶質及び非晶質材料の一元的構造として形成される場合、あるいは、一元的構造内の結晶質、ナノ結晶質及び非晶質材料領域の組み合わせとして形成される場合があり得る。磁気構造は、粉末溶融工程によって形成可能である。構造内の少なくとも１層は、当該平面内の一つの方向に沿って、磁気異方性における段階的変化を示す可能性がある。磁気異方性における段階的変化は、飽和保磁力における段階的変化又は磁化容易軸方向における段階的変化、あるいはその両方である可能性がある。構造内の少なくとも１層は、当該平面内の方向に沿って磁気異方性における周期性を示す可能性がある。磁気構造は、諸層の平面を横断する方向に沿って磁気異方性における周期性を示す可能性がある。当該構造の少なくとも１層は、非晶質金属層で構成される可能性がある。当該構造の少なくとも１層は、ナノ結晶質金属層又は結晶質層で構成される可能性がある。

もう一つの側面で見るならば、本発明は、以下の諸手順から構成される、磁性材料における磁気異方性を制御する方法を提供するものである：
ｉ) 粉体金属材料の層を熱伝導性基材に配向させる；
ii) 粉末材料を溶融するのに十分な電磁エネルギーを粉末材料に対して印加する；
iii) その後で溶融した材料を冷却し、基材上に固体層を作り出す；
iv) 少なくとも手順iii)の進行中、外部から磁界を印加し、固体の磁性材料に磁気異方性を刻印する。

本方法はさらに、手順ii)において電磁エネルギーを当該層内で選択された体積要素のみに印加することにより、刻印された磁気異方性の空間的変異を当該層内に作り出す一つの手順から構成される可能性がある。手順ii)、iii)及びiv)は、当該層内で順次異なる選択された体積要素に対して反復して実行され、それによって、刻印された磁気異方性の空間的変異を当該層内に作り出す可能性がある。手順ii)、iii)及びiv)は、異なる方向及び／又は強度の外部磁界を用いて反復される可能性がある。印加された外部磁界は、少なくとも手順iii)の実行中は変動させられる可能性があり、これによって、刻印された磁気異方性の空間的変動を作り出すために層内に刻印される磁気異方性を制御する。印加される外部磁界は、磁界を回転することによって変動させられる可能性がある。順次重ねられて行く、それぞれ磁気異方性が刻印された磁性材料の層を構築するために、手順i)からiv)までは反復される可能性がある。この方法は更に、順次重ねられて行く層のための粉体金属の成分を変動させることを含む可能性がある。この方法は、順次重ねられて行く層のために印加される外部磁界の方向及び／又は強度を変化させることを含む可能性がある。手順i) は、粉体金属材料の層を基材の上に配置することによって構成される可能性があり、手順ii) は、粉体金属材料が基材上に配置された状態にある時に実行される可能性がある。
ノズル内又はノズル近傍の粉体金属材料を溶融するための電磁エネルギーを印加しながら、粉体金属材料をノズルから分注することにより、手順 i) 及び ii) は、ほとんど同時に実行される可能性がある。手順 iv)又は順次起こる複数回の手順 iv)の過程が進行している間、外部磁界には１回以上の時空間変化が加えられる可能性がある。当該方法は、付加的製造工程そのものであるか、又は付加的製造工程内に組み込まれる可能性がある。

もう一つの側面から見るならば、本発明は、制御された異方性を有する磁性材料を製造する装置を提供するものであり、以下の諸要素から構成されている：
１層の粉体金属材料を熱伝導性基材に向けて又は同基材上に送り出すように設定された粉末分注装置；
熱伝導性基材上又は同基材近傍に存在する粉体材料に向けて、同粉体材料を溶融するのに十分な量の電磁エネルギーを照射するように設定された照射線源；
熱伝導性基材上の溶融材料を冷却するための冷却装置；
冷却された溶融材料から生ずる固化した磁性材料層に磁気異方性を刻印するために、熱伝導性基材上の溶融材料に磁界を印加するように設定された磁界発生装置。
例として、及び添付する図面に関連して、本発明の実施態様を次に記述することとする：

図１は、物体内部において空間的に変動する磁気異方性を有する物体を製造するのに適した装置の概略断面図である；
図２は、空間的に変動する磁気異方性を有する材料を物体に付加するのに適した装置の概略断面図である；
図３は、実験的装置及び同装置によって構築された磁気構造の概略図であり、図3aは平面図を示し、3bはA-A線上で切断した断面を示す；及び
図４は、図３に従った装置構成によって製造された磁気構造サンプルの磁気異方性の計測値を示す。

物体内部において空間的に変動する磁気異方性を有する物体を製造するのに適した装置の概略断面図である。 空間的に変動する磁気異方性を有する材料を物体に付加するのに適した装置の概略断面図である。 実験的装置及び同装置によって構築された磁気構造の概略図であり、図3aは平面図を示し、3bはA-A線上で切断した断面を示す。 図３に従った装置構成によって製造された磁気構造サンプルの磁気異方性の計測値を示す。

本明細書の全体を通して、用語「材料」は、組成、金属及び金属合金を包含して意味する。用語「磁性材料」は、金属、金属合金、及びそのような金属、金属合金を含む組成を意味する可能性があり、例えば次のようなものが含まれる：シリコン、酸素、窒素、又は電気抵抗制御又は他のパラメーター及び特性を制御するための他の材料。

図１は、当該材料の磁気異方性を、材料内の位置に応じて変化させることが可能な磁性材料を製造するのに適した装置を表示している。同装置は以下の要素から構成されている：垂直方向に高さを変更可能（すなわちz方向に調節可能）であり、箱又は枠組などの構造的支持物２の中又はその上に配置された作業台（例えば、基礎台又はプラットフォーム）１。
作業台１の垂直方向の調節（すなわち、z方向移動）は、任意の適当な機構によって行うことが可能である；図示例では、固定ナット９の中で回転するネジ山を切った軸８が示されている。粉末分注装置３は、粉末層４を散布するため、作業台上において、X及びY方向に移動可能である。照射線源５（例えばレーザー5a又は電子ビーム銃5b）は、当該粉体層４内の選定された部分に向けてレーザービーム又は電子ビームを照射するための関連する制御手段６を備えている。電磁エネルギーを供給するため、その他の照射線源を用いることも可能である。二つ以上の照射線源が利用可能である。二つ以上の照射線源を用いる場合は、同一のタイプのもの、又は異なるタイプのものを用いることが可能であり、それらは、複数の放射線ビームを粉体層内の同一の又は異なる選定された位置に向けて同時に照射できるように設定される。

作業台１は、銅など、熱伝導性材料の厚板から構成することが可能である。冷却ダクト又はパイプ１０は、作業台１上に配置し、冷却媒体が通過し、作業台及びその上に載せた任意の加工対象物を冷却できるようにすることができる。連結部品１１は、冷却媒体の供給及び排出のために配置される。冷却媒体は、例えば水又は、高純度のヘリウム又は水素ガスなどその他の熱を運搬する流体、若しくは冷却剤とすることができる。
粉体分注装置３は、作業台に平行な、例えばX-Y平面に平行な案内レール１２上で滑動可能な漏斗型容器とすることができる。粉末は、作業台上を通過する際に、分注装置３の下側の縁端から分注され、必要な場合には、スクレーパー又はその他の均平装置（図示せず）を使用して、均一に粉末を作業台上に分布させることができる。
照射線源５は、強力レーザー5a、例えばYAGレーザーで構成することが可能であり、また制御手段６は、レーザービームのX-Y平面内での動きを可能にするため、レーザービームを偏向させるための複数の鏡で構成することが可能である。照射線源５は、電子ビーム5bによって構成することが可能であり、この場合には制御手段６として、偏向コイルを使用することが可能である。

当該装置は、溶融工程の進行中、不活性の雰囲気又は、電子ビーム溶融の場合には真空あるいは不完全真空を維持できるような、密閉された格納機構である筐体７によって構成することが可能である。筐体７は、溶融が電子ビームで行われる場合には真空でなければならない装置の一部分を格納するために用いることが可能であり、あるいは、レーザー溶融を用いる場合には酸素及び／又はアルゴンのような反応性又は不活性ガスの雰囲気中に置かなければならない装置の一部分を格納する可能性がある。
制御コンピューター２０は、作業台１のZ位置を制御するように設定された載物台制御プロセス２２、粉末分注装置３を制御するように設定された粉末制御プロセス２５、照射線源５及びそのX-Y位置の制御手段６を制御するように設定された照射線源制御プロセスを含む可能性がある。制御コンピューター２０はまた、例えば、バルブ23aによって冷却媒体の流量を調節することにより、又は冷凍サイクルを調節することにより、加工対象物の冷却を制御するように設定された冷却制御プロセス２３を含む可能性もある。冷却制御プロセス２３は、加工対象物に関する所定の目標結晶性に対応した特定の可変な冷却率曲線を与えるように設定される可能性がある。

制御コンピューター２０に連結された記憶装置２８は、後の章節において更に詳しく記述されるような、作業台において特定の構造を製造するために必要な全てのプロセス制御命令を与えるデータファイルを含む可能性がある。

当該装置は図1においては、X-Y位置が固定され、Z位置が可変な作業台を持つタイプとして表示され、また照射源５及び粉末分注装置３は、Z-位置が固定され、X-Y位置については移動可能又は操縦可能であるが、より一般的に言えば、照射源及び粉末分注装置に対して作業台１（及びその上に載せた任意の加工対象物）の位置を変えることが可能であるならば、どのような機構であっても適している可能性がある。

図１にはまた、作業台１の周りに配置された磁界発生装置２１が表示されている。磁界発生装置はここでは、加工対象物に磁気異方性を刻印するために用いられる。磁界発生装置２１は、粉末層４が溶融される際に、そして特にそれが冷却される際に、同粉末層を通過する磁界を発生するのに適した任意の磁気発生装置である可能性がある。磁界発生装置２１は、固定した磁界発生装置（例えば作業台１の周囲又は近傍に配置された１個以上の永久磁石）である可能性がある。磁界発生装置２１は、可変磁界発生装置（例えば、何らかの適切な様式で作業台１の周囲又は近傍に配置された永久磁石又は電磁石）である可能性があり、この場合、粉末層４を通過する磁界の方向及び／又は磁界強度は、制御可能な様式で可変である。例えば、電磁石を用いる場合は、磁界強度及び／又は方向は、電流によって制御できる。装置構成の一例は、作業台の縁辺の周囲に配置された、磁界方向と強度を変えるために個々に作動させ得る１対以上のヘルムホルツコイルを含む可能性がある。別の装置構成例では、磁界強度及び方向を変化させるため、作業台との関係位置及び／又は方向を制御できる永久磁石を用いることができる。永久磁石の位置及び／又は方向は、コンピューターで制御された機械的駆動装置又はロボット装置を用いることによって制御可能である。積層4重極磁石の使用により、磁界の高速回転が可能となり、刻印された磁気異方性の空間的変動を可能にする。

磁界発生装置は、制御コンピューター２０における磁界制御プロセス２４によって制御可能である。

次に当該装置の使用方法を、レーザー照射線源5aと関連させて記述するが、前述のように、電子ビーム照射線源5bも同様に使用可能であり、あるいは他のどのような電磁照射線源についても同様である。

粉末分注装置３を用いて、厚さの薄い粉末層４を作業台１の上に広く散布する。粉末層は、スクレーパー（表示せず）を用いて均平化するか、そうでなければ分散することが可能である。制御コンピューター２０は、照射線源制御プロセス２６及び制御手段６を用いて、粉末層４上で溶融すべき１個所以上の選定された部位３０に向けてレーザーを照射させる。1個所以上の部位３０を溶融するために、1個以上のレーザーパルスが用いられる。なるべく、作業台と融合するようにするため、選定された部位の粉末層の厚さの全体にわたって溶融するのが望ましい。それによって、冷却された作業台への熱伝達が最適化されるのである。

選定された部位３０におけるビーム出力及び／又はビーム滞留時間は、所定の冷却速度を実現し、それによって所定の時間―温度曲線を実現するために、制御することが可能である。粉末層４を通過する経路に沿った連続的溶融を発生させるため、X及び／又はY方向に、連続的ビームを掃引することは可能であり、この場合ビームの速度が滞留時間を決定する。冷却率はさらに、冷却制御プロセス２３によって制御可能である。

制御コンピューター２０は、順次選定された部位３０に向けてレーザー5aを照射させることが可能であり、溶融工程は。それらの順次選定された部位において反復される。それぞれの選定された部位において、異なる材料特性が必要である場合には、照射線源５は、選定された部位のそれぞれに対し、出力及び／又は滞留時間について異なる数値に調節できる。全ての必要な選定された部位が融合され、連続的な層を形成するまで、この方法を反復することは可能である。最も小さい処理可能な選定された部位は、放射線ビームにより処理可能な粉末材料の体積要素（ボクセル）の最小サイズであるとみなすことが便宜的に可能であり、さらに粉末層４の全体は、記憶装置２８に保存されている処理すべき体積要素のマップに従って処理することが可能である。

別の方法においては、材料の非晶質相を与える冷却速度を用いることによって、完全に非晶質な層を製造することができる。次いで照射線源を非晶質相に向けて照射し、選定された部位又は体積要素を当該合金のガラス転移温度Tg以上に加熱することが可能である。当該ビームの出力及び滞留時間は、非晶質材料を、非晶質母体内の結晶質又はナノ結晶質金属粒子複合体に変化させるために、選定された時間―温度曲線に従って体積要素が熱処理されるように調節することが可能である。本方法は当該層の、非晶質構造を変化させるべき全ての部位に対して反復され、これにより当該層は、選定された部位において所定の材料特性を与えられることになる。

その後、作業台１は下ろされ、新しい粉末薄層が粉末分注装置３によって塗布される。新たな選定された部位又は体積要素が照射線源５によって溶融され、それにより体積要素は下部の層と融合される。このようにして、3次元物体が１層ごとに構築され、それぞれの層は、当該3次元物体において要求される断面プロファイルに従って溶融される体積要素を有している。当該物体が作業台と融合している場合には、物体は完成された後で切り離すことができる。造り出される第1層は、犠牲余剰材料であって、作業台への適正な熱伝達を確保するために形成される可能性がある。

重要な特徴は、磁界発生装置を用いた加工対象物を通過する磁界の強度及び／又は方向は、加熱・冷却工程が進行している間、変化させることが可能であることである。この磁界の存在により、特に冷却工程の進行中に、処理中の層における特定の磁気異方性の刻印が可能になる。より具体的に言えば、冷却工程の進行中のこの磁界の存在により、処理が行われているそれぞれの体積要素における特定の磁気異方性の刻印が可能になる。したがって、磁界発生装置２１によって与えられる磁界強度及び／又は磁界方向を変化させることにより、照射線源５によって処理されるそれぞれの体積要素について、複雑なパターンの磁気異方性が、上記の工程によって構築されつつある磁性材料の物体中に刻印できるということが確認されることになる。

したがって、全体的な面で見て、磁性材料における磁気異方性を制御する方法を本装置が提供することがわかる。本装置は、材料層内での刻印された磁気異方性の空間的変動（すなわち、磁気異方性のX及びY次元での空間的変動）の創出を可能にし、また層から層にわたる刻印された磁気異方性の空間的変動（すなわちZ次元での磁気異方性の空間的変動）の創出も可能にする。

粉末分注装置３は、粉体金属材料の層を熱伝導性基材上に配向させるための機構を例証する。熱伝導性基材は、作業台１とすることが可能であり、それは新しい粉体金属の下部にある先行する工程で処理された加工対象物である複数の層とともに使用される。照射線源５は、溶融した粉体材料の体積要素が後の工程で冷却され固体層を形成できるようなやり方で、粉体材料の体積要素を溶融するのに十分な電磁エネルギーを局所的に粉体材料に印加する手段を例証する。磁界発生装置２１は、材料の体積要素に、少なくともその冷却段階及び固体化段階の進行中に、既定の強度と方向を持つ異方性が層内に、そして特に、それが必要な場合にはそれぞれの体積要素に個別に刻印できるようなやり方で外部磁界を印加する手段を例証する。

外部磁界は、少なくとも冷却及び固化工程の進行中に印加可能であるが、また照射線源５により電磁エネルギーを印加する間にも印加できる。しかしながら、照射線源５として電子ビームを用いる場合には、磁界発生装置により与えられる外部磁界は十分に強力であり、電子ビームを妨害したり、それに影響を与えたりする程である。このような場合には、外部磁界は、照射線源５による電磁エネルギーの印加工程の間ではなく、なるべく冷却及び固化工程の間に印加するようにすることが可能である。このような対応は、適切な切り替え手段を用いることによって実行可能である。別な方法としては、外部磁界の電子ビームに与える影響が既知であり、特徴付けが可能である場合には、このような影響に対しては、ビームの操縦及び／又は照射線源制御プロセス２６による制御によって補償することが可能である場合もあり得る。

特定のタイプの磁性材料構造は、記述された装置を用いて製造が可能である。一つの例においては、磁気異方性は、材料内を通してX, Y, Z軸のうちの任意の一つ以上の軸に沿って、空間的に変動し、周期的な構造を決める可能性がある。外部磁界は、順次実行される溶融及び冷却工程の進行中、当該構造が任意の特定の軸に沿って旋回性磁気異方性を有するようにするため、連続的に回転される可能性がある。用語「旋回性磁気異方性」とは、当該構造を通して分布する一連の隣接する体積要素が、それぞれ個別の磁気異方性方向（例えば磁化容易方向）を有し、その方向は角度が順次隣接する体積要素ごとに増加するような構造を包含することを意図した表現である。

旋回性磁気異方性は、順次隣接する体積要素ごとに離散的水準の磁気異方性として与えられる場合と、若しくは、例えば磁界が回転するのと同時に電磁ビームが連続的に移動する場合のように、当該材料内全体にわたり連続的に変化する磁気異方性として存在する場合とがある。

全体的な面で見ると、外部磁界の制御によって、例えば、X, Y, 及び／又はZなど、一つ以上の方向において勾配を有する磁性材料構造の創出が可能となる。これは磁気的ねじり／らせんを含んでいる。別の全体的な面で見ると、外部磁界の制御によって、材料内における位置の関数として下記の異方性パラメーターが整調又は制御された磁性材料構造の創出が可能となる：(1) 磁化の方向（容易軸）；(2) 容易軸に平行な二つの磁化方向の間の切り替えのための、したがって磁化方向安定のための、エネルギー障壁を規定する保磁力領域；(3) 異方性の強度を決定する飽和領域―飽和領域が広ければ広いほど容易軸に整列させる磁化の傾向が強い。

粉末分注装置３によって供給される原料粉末の化学的又は元素的組成を、時間の関数として、又は順次重ねられる層４ごとに離散的に、変化させることによって、積層構造を創出することも可能である。この構造においては、化学的組成及び磁気異方性の両方が加工対象物全体を通して、空間的に、例えばX, Y, 及び Z軸のうちの1軸以上の方向において変化する。 製造を開始する前に、異なる粉末及び粉末組成が粉末分注装置３の中に層にして投入される。別の方法では、3色インキ印刷ヘッドに類似した、それぞれ異なる原料タンクを備えた異なる分注ヘッドを用いる可能性もある。本明細書全体を通して、用語「化学組成」は、元素並びにその化合物及び合金を包含する表現として用いられる。用語「構造」は、本明細書全体を通して、非晶質構造、結晶構造、ナノ結晶構造、ならびにそれらの組み合わせを包含する表現として用いられる。非晶質複合体母体内での、非晶質―結晶質複合材料並び非晶質―ナノ結晶質材料の創出は、冷却速度を調整することにより、又は積層材料の温度をTgよりも高めることにより、実現可能である。これは、照射線源（例えばレーザー）出力の調整及び／又は被ばく時間の調整により達成することができる。

上述の諸工程は一般的に、付加的製造工程として記述されるか、若しくはそのような工程の一部を形成することが可能である。
したがって、創出された加工対象物から生ずる完成された3次元物体は、物体内部の異なる部分に異なる構造を有し、非晶質及び結晶質部分並びに非晶質母体内の結晶質又はナノ結晶質金属粒子の複合材によって構成される可能性がある。異なる層に異なる粉末を用いることにより、物体の化学組成もまた物体内の部分に応じて変えられる可能性がある。
上記の手法を用いることにより、かなり多数の斬新的な磁性材料構造を製造することが可能である。

一つの例においては、当該磁性材料構造は、構造内の選択された層が異なる化学組成及び磁気異方性を有する複数の磁性層（例えばZ―方向の）によって構成される可能性がある。例えば、順次積み重ねられる粉末層４によって構築される磁性材料のそれぞれの層は、化学組成の異なる粉末を用いることが可能であり、また磁界発生装置２１によってそれぞれの層に印加される外部磁界は、それぞれの層に異なる磁気異方性を刻印することが可能である。個々の層の厚さは、薄い粉末層を分注する能力によって、及び電磁照射線源によって生ずる溶融深度によってのみ制限される限界の厚さまで薄くすることができる。したがって、個々の層の標準的な厚さは、最小厚さ１ミクロンから最大厚さ1,000ミクロンの範囲に入る可能性がある。望ましい範囲は層厚40〜50ミクロン又は50〜70ミクロンを含む可能性がある。実際の制御可能な厚さ範囲は、利用可能な照射ビームの出力（及びビームのサイズ）に左右されることになり、例えばレーザービームでは200〜400W、更には1KWまでの範囲、あるいは電子ビームでは50〜3500Wの範囲である。

照射ビームは、現在の層の下側にある以前処理された複数の層の再溶融を生ずる出力で供給される可能性がある。この場合には、印加される外部磁界による磁気異方性の刻印は、溶融した全ての層の中で行われることになり、それは1層以上の以前処理された層を含む可能性がある。後に来る層も同様のやり方で処理される可能性があるので、最終的に刻印される磁気異方性は、現在の新規の粉末層の下側の1層以上のいくつかの層を除く、塗布された全ての層の厚さと類似した厚さに適用される可能性がある。言い換えるならば、磁界制御プロセス２４は、粉末制御プロセス２５よりも1層以上遅れている一つの層のため適正な磁界方向を実行するように設定されなければならない可能性がある。

隣接する層の間の磁性異方性の差異は、磁界方向の完全な反転、あるいはおそらく、特定の角度、例えば90度、での磁界方向の回転を含む場合、又は容易軸方向の変化を含む場合があり得る。磁気異方性の差異は、直交磁場配位 (p/2) を含み、層の平面において、等方性応答に近い磁化を生ずる可能性がある。隣接する層の間の磁気異方性の差異は、材料又は印加する磁界強度の選定によって、磁化の強度の変化又は保磁力の強度及び飽和領域の変化を含む可能性がある。それぞれの層の内部では、任意の予め定義された容易軸内での一軸異方性が存在する可能性がある。それが必要な場合には、例えば、より厚い層の一軸異方性を構築するため、隣接する層に同一の磁気異方性を与えることは可能である。

磁性材料構造は、各層が同一の化学組成を有するものの、異なる磁気異方性を有する、複数の磁性層（Z―方向に）で構成される可能性がある。

有用な一つの特定のタイプの磁性材料構造は、平面内１軸磁気異方性を有する構造であるが、この場合その平面内１軸磁気異方性の大きさ及び／又は方向が、多層構造内の平面ごとに変化するような構造である。一般的に見て、磁性材料構造は、平面ごとに、又は少なくとも隣接する平面の中で、異なる平面内1軸磁気異方性を有する可能性がある。磁気モーメントは、平面ごとに変化する可能性がある。

さらにまた、磁気異方性は、各層内で（すなわちX及び／又はY方向内で）、電磁照射溶融プロセス及び冷却プロセスの進行中に印加される外部磁界に応じて変化する可能性がある。
このことは、当該層平面内で、層内の個々の体積要素が異なる磁気異方性を有し、磁気異方性に１段以上の段階的変化を発現する層を一層以上有する磁性材料構造の創出を可能にする。磁気異方性を個別に調節可能な体積要素の標準的諸寸法は、電磁照射線源による溶融及び冷却のための最小ビーム又は部位サイズによってのみ限定される。
標準的体積要素のX及びY次元でのサイズは、10ミクロンから10,000ミクロンの範囲に入る可能性がある。隣接する体積要素の異なる磁気異方性（したがって、隣接する体積要素相互の間での異なる磁気異方性）は、磁界方向の完全な反転又は、磁界方向の、例えば90度の角度での、回転を含む可能性があり、若しくは、容易軸方向における制御された又は規則的な変化（粒子の境界で自然的に発生する可能性のあるランダム変化に対するものとして）を含む可能性がある。隣接する体積要素間の磁気異方性の差異（したがって、隣接する体積要素相互間での磁気異方性の段階的変化）は、磁化の強度の変化、又は保磁力の強度若しくは飽和領域の変化、又は磁気モーメントの変化を含む可能性がある。それぞれの体積要素内では、１軸異方性の存在が可能である。それが必要な場合には、隣接する体積要素には同一の磁気異方性を与えることも可能である。

このように、一般的に言って、上記の手法は、磁性材料構造において、磁気異方性の特性を特定の部位、例えば体積要素及び層、に局在させることを可能にする。

上記の手法は、X、 Y、 又はZ方向のうちの任意の一つ以上の方向での磁気異方性についての周期性を有する磁性材料構造の創出を可能にする。この場合周期性は、最小10ミクロンまでの空間的周期性、より一般的には1から10,000ミクロンまでの範囲での周期性である可能性がある。
したがって当該構造は、X―Y平面内の方向に沿った磁気異方性における規則的周期性、及びX―Y平面を横断する磁気異方性における規則的周期性を表出することができる。

上述の手法を用いることにより、ある一体構造内に上述の磁気異方性の空間的分布を有する磁性材料構造を創出することができる。前記一体構造は、非晶質金属構造、ナノ結晶質構造若しくは多結晶質構造、又は当該磁性材料構造内における一つ以上のこれらの構造の特別に制御された区域である可能性がある。上述した粉末溶融工程により、固相対空隙比が99％以上、場合によっては99.9%以上を達成することができる。

図１の装置に対して、多様な変更を加えることが可能である。
図２は、既存の非晶質又は結晶質金属の物体１３に磁性材料を添加するように設定した類似した装置の概略図を示す。物体１３は、作業台１上に置かれ、高熱伝導性の粉末１４の中に埋め込まれている。さらに同物体は冷却コイル１５によって囲まれている可能性があり、同コイルの中は、冷却媒体流体又は冷却剤が流れることができる。したがって、作業台１並びに物体１３は冷却可能である。操作手順は、図１との関連で上記に記述した手順とほとんど同じである。金属粉末の層４が物体１３上に塗布され、同物体は基材とみなすことができ、前記層４は、磁界発生装置２１を用いて外部磁界を印加するのと同時に行われる冷却の進行中に部位ごとに順次物体に融合される。

別の装置構成においては、当該装置は、溶融工程が起こる際に同時に粉末が分注されるように変更される可能性がある。この装置構成においては、粉末溶融のための電磁照射線は、粉末が分注される際に、分注される場所に向けて照射される可能性がある。照射線源５は、粉末分注装置３と連結するか又はそれと同時に移動することが可能であり、それによって粉末を、それが基材若しくは加工対象物と遭遇する時と同時に溶融するか、又はそれが基材若しくは加工対象物に衝突する直前に溶融することができる。
一つの例では、粉末分注装置３はノズルを含むことが可能であり、電磁エネルギーはノズル内の粉末若しくは、粉末材料が存在するノズル直近、及び基材、例えば加工対象物、の近傍に向けて照射することが可能である。
このように、一般的に見ると、1層の粉体金属材料を熱伝導性の基材上に送り出す工程(i)、及び溶融するために十分な電磁エネルギーを粉体材料に印加する工程(ii) は、同時平行的に起こることが可能である。

このような手順によって、単に層ごとに分けて化学組成を変えるのではなく、分注される特定の層内において化学組成を変えることが可能になる。と言うのは、前の部分で議論したとおり、分注される粉末は、分注作業進行中に変更が可能であるからである。

当該装置の実施例は、外部磁界の方向を変化させるために、作業台１の周囲を旋回可能な磁界発生装置２１を使用するものとして提示されたが、加工対象物と外部磁界発生装置との相対的な旋回、例えば加工対象物の旋回、によって外部磁界の方向を変化させることも可能である。この方式では、加工対象物との必要な相対的位置を確保するため、照射線源制御の必要性が伴う可能性がある。

別の装置構成においては、磁界発生装置２１は、粉末分注装置３及び／又は照射線源５に連結され、一緒に移動する可能性があり、それにより、より局在化した外部磁界の印加が提供される。例えば旋回可能な４重極電磁石を可動「書き込みヘッド」に取り付けることができる。同ヘッドは、処理対象物の上を通過する度ごとに、粉末を堆積させ、照射線源を用いて溶融エネルギーを与え、外部磁界を印加して、必要な方向の磁気異方性を刻印するように設定されている。

より一般的には、上記の全ての装置構成において、外部磁界は、層４の平面内又は平面外で与えることができる。したがって、それはX-Y平面における可変方位角、及び／又は作業台／加工対象物／粉末材料層４のX-Y平面に対する可変仰角を持つことができる。

作業台及びそれに隣接する構造の様々な部品は任意の適当な材料であって、磁界発生装置２１によって供給され、加工対象物に作用する外部磁界に過度に影響を与えないものを用いて製作可能である。

図３は、外半径5mm、内半径3.5mmの中空円筒形をした磁気構造３１を作成するために用いられる代表的な装置構成を示す。レーザーを基盤とする粉末床融合システムである、型式EOSM270の部分を形成する作業台３２は、上述した付加的製造工程の進行中に磁気異方性を刻印するための改造を加えた。作業台３２は、半径12.5mm、厚さ5.5mmの頂面３６を持つ、直立した円筒部分３４を持つ半径22.5mm、厚さ5mmの円形プラットフォーム３３を有する。この頂面３６は、上記のような製造工程における熱伝導性基材の役目をする。円筒部分３４は、直径20mm高さ15mmの内容積を持っている。円筒部分３４の中には、直径14mmの永久磁石３５の形態で磁界発生装置が収容された。 永久磁石３５はAlNiCo 合金で作られていた。磁石３５と頂面３６の下側との間に１層のセラミックウール３７が置かれた。

磁気構造３１は、Fe74 Mo4 P10 C7.5 B2.5 Si2 (原子 %)の組成を持つ粉体材料を用いて高さ約7mmに達するまで１層ずつ作られた。粉体材料は基材上に配向され、電磁エネルギーを印加して溶融され、磁石３５によって外部磁界を印加しながら冷却されて固化した層を形成した。

加工作業が終了後、磁気構造３１は基材３６から取り除かれ、切削され研磨された。次いでサンプルの切断片の磁気異方性が、磁気−光学カー効果（MOKE）に基づく計測器を用いて特徴付けられた。図４はこれらの測定結果を示す。図４において、0° (線 41で表示される)は磁化容易軸を示し、90° (線 42で表示される) は磁化困難軸を示し、すなわち、それぞれ磁気構造３１の垂直構築方向及び水平方向に相当している。90° 測定における非対称性 (線 42)は、サンプルの動きによる作為的な結果である。測定方向の比較により、90° 方向で磁化を飽和させるためには、0°方向よりも、より広い磁界が必要であり、したがってサンプルには磁気異方性があることが明白である。

外部磁界を創出するため、通常型の粉末床融合システムと組み合わせて永久磁石３５を用いることは、実際には問題がある可能性がある。このことは、粉末の流動性を低下させ、適正な質の（たとえば円滑で均一な厚さ）の層の拡散を困難にする、粉末床の磁気的相互作用に原因するものである。しかしながら、粉末層を分注する間、永久磁石からの磁界を一時的に緩和する磁界を創出する電磁石を用いることにより、この問題を解決できる可能性がある。別の方法では、前記のように、溶融及び冷却段階の進行中にのみ作用する電磁石を用いることが可能である。

上記の粉末床融合システムを磁性構造３１として硬磁石が構築される場合には、すなわちそれ自体の磁界を創出する磁性構造を構築する場合には、必要であれば、電磁石は、磁性構造を構築中に生ずる構造の内在性磁界を緩和するためにも利用できる。
その他の実施例は、付帯する請求事項の範囲内に意図的に含まれている。

Claims (23)

1. 複数の層から構成される磁性構造であって、構造内の選定された層が異なる化学組成及び異なる磁気異方性を有する磁性構造。
2. 結晶質、ナノ結晶質若しくは非晶質材料の一体型構造として、又は一体型構造内での結晶質、ナノ結晶質及び非晶質材料区域の組み合わせとして、形成された請求項１記載の磁性構造。
3. 粉末溶融工程によって形成された請求項１又は２記載の磁性構造。
4. 構造内の少なくとも１層が当該平面内の１方向に沿って磁気異方性における段階的変化を示す請求項１記載の磁性構造。
5. その磁気異方性における段階的変化が、保磁力の段階的変化若しくは磁化容易軸方向の段階方向、又は両方である請求項４記載の磁性構造。
6. 構造内の少なくとも１層が当該平面内の１方向に沿って磁気異方性における周期性を示す請求項１記載の磁性構造。
7. 層の平面を横断する１方向に沿って磁気異方性における周期性を示す請求項１記載の磁性構造。
8. 構造の少なくとも１層が、非晶質金属層を含む請求項１記載の磁性構造。
9. 構造の少なくとも１層が、ナノ結晶質金属層又は結晶質層を含む請求項１記載の磁性構造。
10. 下記の手順を含む、磁性材料における磁気異方性を制御する方法。
    i) 粉体金属材料の層を熱伝導性基材に配向させる；
    ii) 当該粉体材料を溶融するのに十分な電磁エネルギーを粉体材料に印加する；
    iii) 次いで、溶融した材料を冷却して固化した層を基材上に創出する；
    iv) 当該材料に対して少なくとも手順iii)の進行中に外部磁界を印加し、固化した磁性材料層に磁気異方性が刻印されるようにする。
11. さら、手順ii)の進行中に当該層の選定された体積要素に対してのみ電磁エネルギーを印加し、それによって刻印された磁気異方性の空間的変動を当該層内に創出する手順を含む請求項１０記載の方法。
12. さらにまた、当該層の順次異なる選定された体積要素に対して手順ii)、 iii) 及び iv)を反復し、これによって刻印された磁気異方性の空間的変動を当該層内に創出する手順を含む請求項１１記載の方法。
13. 異なる方向及び／又は強度の外部磁界を用いて手順ii)、iii) 及び iv)を反復する請求項１２記載の方法。
14. 少なくとも手順iii)の進行中、印加される外部磁界を変化させ、これにより当該層内に刻印される磁気異方性を制御し、刻印される磁気異方性の空間的変動を創出する請求項１０記載の方法。
15. 磁界を旋回させることによって、印加される外部磁界を変化させる請求項１４記載の方法。
16. さらに手順i) 〜 iv) を反復し、順次積み重ねられる、それぞれ磁気異方性が刻印された磁性材料の層を構築する工程を含む請求項１０記載の方法。
17. 順次積み重ねられる層のための粉体金属材料の組成を変化させることを含む請求項１６記載の方法。
18. 順次積み重ねられる層に対して印加される外部磁界の方向及び／又は強度を変化させることを含む請求項１６又は請求項１７記載の方法。
19. 手順 i) が粉体金属材料の層を基材上に配置することを含み、粉体金属材料の層が基材上に配置される時に手順 ii) が実行される、請求項１０記載の方法。
20. 供給ノズル内部又はその近傍の粉体金属材料を溶融するための電磁エネルギーを印加しながら前記材料をノズルから供給することにより、手順i) 及び ii) がほとんど同時に実行される請求項１０記載の方法。
21. 手順 iv) 又は順次起こる複数回の手順 iv)の進行中、当該外部磁界に１回以上の時空間変化が加えられる請求項１０記載の方法。
22. 当該方法が付加的製造工程そのものであるか、若しくは付加的製造工程内に組み込まれたものである、請求項１０記載の方法。
23. １層の粉体金属材料を、熱伝導性基材上に、または該基材に向けて配向させるように設定された粉末分注装置；
    熱伝導性基材の上又はその近傍にある粉体材料に向けて、当該粉体材料を溶融するのに十分な電磁エネルギーを照射するように設定された照射線源；
    熱伝導性基材上の溶融した材料を冷却するための装置；
    冷却された溶融材料から生ずる固化した磁性材料層に磁気異方性を刻印するために熱伝導性基材上の溶融した材料に磁界を印加するように設定された磁界発生装置：
    を含む、制御された磁気異方性を有する磁性材料を生産するための装置。

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