RU2773894C1

RU2773894C1 - Magnet system and method for manufacturing permanent magnets and magnet systems (variants)

Info

Publication number: RU2773894C1
Application number: RU2021104317A
Authority: RU
Inventors: Сергей Витальевич Андреев; Алексей Сергеевич Волегов; Лутз Мэдлер; Илья Владимирович Окулов
Filing date: 2021-02-19
Publication date: 2022-06-14

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to the field of electrical engineering, namely, to a method for manufacturing magnet systems with locally variable texture, and can be used for producing permanent magnets, magnet systems and apparatus based thereon through methods of additive technology (3D printing). The result is achieved due to the use of a mixture of powders, wherein one (A) is nanocrystalline textured hard-magnetic, based on an alloy of a Nd-Fe-B system, the other (B) is a two- or multicomponent alloy based on R-Cu, wherein in order to manufacture a magnet on a substrate, the mixture is applied to the substrate, the layer of powder is heated locally by a laser beam or an electron beam in an inert atmosphere or in vacuum until powder B melts and powder A undergoes liquid-phase sintering. In implementation of the method by means of jet application of the binder, powder A is applied to the substrate, the binder is locally applied to the surface of the layer of powder in order to mutually adhere the particles of powder A. After the article is manufactured, the procedures for removing the binder and infiltrating the manufactured product with alloy B are performed. The magnet or magnet system produced by means of the claimed methods constitutes a single integral element based on the above mixture. The magnet or magnet system therein comprises a first area with a first distribution of the easy magnetisation axes therein, and subsequent area, each with a distribution of the easy magnetisation axes different or similar to at least one first area.

EFFECT: increase in the magnetisation control at each point of the sample.

21 cl, 12 dwg, 2 ex

Description

Область техникиTechnical field

Группа изобретений относится к области машиностроения и может быть применено для производства постоянных магнитов, магнитных систем и устройств на их основе методами аддитивных технологий (синтез на подложке, струйное нанесение связующего и др.).The group of inventions relates to the field of mechanical engineering and can be used for the production of permanent magnets, magnetic systems and devices based on them by additive technologies (synthesis on a substrate, jet application of a binder, etc.).

Уровень техникиState of the art

Технологии аддитивного производства, часто называемые 3D-печатью, применительно к постоянным магнитам в настоящее время привлекают заметное внимание исследователей ввиду возможности создания магнитов и магнитных систем произвольных форм, ограниченных механическими свойствами материала магнита.Additive manufacturing technologies, often referred to as 3D printing, in relation to permanent magnets are currently attracting considerable attention from researchers due to the possibility of creating magnets and magnetic systems of arbitrary shapes, limited by the mechanical properties of the magnet material.

Наиболее простым и дешевым способом печати является технология экструзии материала (material extrusion), или моделирование методом наплавления. Как правило, печать этим методом осуществляется пластиком с температурой плавления не выше 200 °С, что позволяет легко и малозатратно реализовать такую технологию. Используются различные варианты подающего устройства. В таком устройстве выполняется расплавление всей загруженной массы с последующей подачей через сопло посредством избыточного давления над расплавом или расплавлением части филамента. Поскольку температура пластика невысока, магнитные свойства материала, помещенного в пластик, почти сохраняются в процессе печати. Недостатки этого метода заключаются в ограничении температуры эксплуатации полученных таким образом магнитов. В большинстве работ, например [1-4], исследованы магнитные и механические свойства полученных материалов, напечатаны и опробованы различные устройства: прототип насоса для перекачки крови [5], аналог промышленно выпускаемого электродвигателя [6] и др. Типичные значения коэрцитивной силы составляют 9-10 кЭ, максимальное энергетическое произведение достигает 6 МГсЭ. В целом показана целесообразность использования технологии экструзии материала при изготовлении прототипов устройств.The simplest and cheapest printing method is material extrusion technology, or deposition modeling. As a rule, printing by this method is carried out with plastic with a melting point not higher than 200 ° C, which makes it easy and inexpensive to implement this technology. Various feeder options are used. In such a device, the entire loaded mass is melted, followed by feeding through the nozzle by means of excess pressure over the melt or melting a part of the filament. Since the temperature of the plastic is low, the magnetic properties of the material placed in the plastic are almost preserved during the printing process. The disadvantages of this method lie in the limitation of the operating temperature of the magnets obtained in this way. In most works, for example [1-4], the magnetic and mechanical properties of the obtained materials were studied, various devices were printed and tested: a prototype of a blood pump [5], an analogue of a commercially produced electric motor [6], etc. Typical values of the coercive force are 9 -10 kOe, the maximum energy product reaches 6 MGSE. In general, the expediency of using material extrusion technology in the manufacture of device prototypes is shown.

В работе [7] представлены результаты получения и изучения магнитных свойств и структуры смеси анизотропных порошков Nd-Fe-B и Sm-Fe-N в высококоэрцитивном состоянии с 35% об. нейлона-12. Смесь выпускается промышленно для экструзионного изготовления магнитов со связующим. Смесь переплавлялась в принтере и из нее изготавливали подковообразные магниты в присутствии магнитного поля напряженностью 8 кЭ. Воздействие магнитного поля не привело к формированию магнитной текстуры ввиду высокой вязкости нейлона, препятствующей вращению частиц. Повторное текстурование было проведено путем помещения образцов во внешнее поле и их нагрева до 185, 195 и 205 °С. Текстурирование показало двукратное увеличение остаточной намагниченности при незначительном снижении коэрцитивной силы, однако привело к деградации формы кусков магнита. Достигнуто максимальное энергетическое произведение при комнатной температуре 11 МГсЭ.The paper [7] presents the results of obtaining and studying the magnetic properties and structure of a mixture of anisotropic Nd-Fe-B and Sm-Fe-N powders in a high-coercive state with 35% vol. nylon-12. The mixture is produced industrially for the extrusion production of magnets with a binder. The mixture was melted in a printer and horseshoe magnets were made from it in the presence of a magnetic field of 8 kOe. The influence of the magnetic field did not lead to the formation of a magnetic texture due to the high viscosity of nylon, which prevents the particles from rotating. Retexturization was carried out by placing the samples in an external field and heating them to 185, 195, and 205°C. Texturing showed a twofold increase in the residual magnetization with a slight decrease in the coercive force, however, it led to degradation of the shape of the magnet pieces. The maximum energy product was achieved at room temperature of 11 MGsOe.

В ряде работ использован метод струйного нанесения связующего (binder jetting). Этот метод похож на моделирование методом наплавления с той разницей, что в первом сначала распределяется магнитный порошок, а затем на него наносится специальное вещество, как правило полимер [8, 9], которое склеивает частицы порошка в определенных местах. Магнитные свойства использованных частиц в процессе печати не изменяются или незначительно ухудшаются.In a number of studies, the binder jetting method was used. This method is similar to fusing modeling, with the difference that in the first method, magnetic powder is first distributed, and then a special substance, usually a polymer [8, 9], is applied to it, which glues the powder particles in certain places. The magnetic properties of the used particles do not change or deteriorate slightly during the printing process.

Более перспективным с точки зрения скорости печати и температурного диапазона применения постоянных магнитов и магнитных систем представляется метод селективного лазерного плавления (selective laser melting, SLM), являющегося одной из разновидностей синтеза на подложке, ввиду возможности изготовления постоянных магнитов без использования полимерного связующего. Однако в работах [10, 11] постоянные магниты изготавливаются из смеси полимерного связующего с магнитотвердым порошком. В работе [12] представлены результаты синтеза постоянных магнитов из промышленно выпускаемого порошка MQP-S. Порошок получен методом газовой атомизации и каждая частица состоит из зерен с характерным размером 30-50 нм. Авторам удалось получить магниты сложных форм без формирования трещин, обусловленных напряжениями, возникающими в процессе охлаждения сплава. From the point of view of printing speed and temperature range of application of permanent magnets and magnetic systems, the method of selective laser melting (SLM), which is one of the varieties of synthesis on a substrate, seems to be more promising, due to the possibility of manufacturing permanent magnets without the use of a polymer binder. However, in [10, 11], permanent magnets are made from a mixture of a polymer binder with a hard magnetic powder. The paper [12] presents the results of the synthesis of permanent magnets from commercially available MQP-S powder. The powder was obtained by gas atomization, and each particle consists of grains with a characteristic size of 30–50 nm. The authors managed to obtain magnets of complex shapes without the formation of cracks caused by stresses arising during the cooling of the alloy.

Постоянные магниты, о которых шла речь выше, могут использоваться в сравнительно узком температурном диапазоне, ограниченным сверху приблизительно 100 °С. При более высоких температурах происходит деградация связующего. В большинстве рассмотренных работ в качестве магнитного наполнителя используют промышленно выпускаемые порошки марок MQP-B и MQP-S. Первый имеет лучшие магнитные характеристики, но получен методом быстрой закалки и форма частиц неправильная с острыми углами; частицы второго имеют сферическую форму. В случае технологии моделирования методом наплавления форма играет заметную, но не ключевую роль. Для технологии SLM, при условии автоматического распределения частиц, их форма определяет текучесть порошка и является принципиальной. Отдельные частицы порошка состоят из наноразмерных кристаллитов со случайной ориентацией осей легкого намагничивания друг относительно друга (изотропный порошок). В работе [13] использован порошок марки MQP-S, однако выполнена не полная его переплавка, а лишь спекание, в результате которого коэрцитивная сила полученных заготовок магнитов уменьшилась по отношению к таковой исходного порошка. После спекания частиц была проведена процедура инфильтрации, в результате которой легкоплавкая эвтектика заполнила поры между спеченными частицами порошка и диффундировала в межзеренные границы в каждой частице. Эта процедура позволила не только вернуться к исходным значениям коэрцитивной силы, но даже получить большие значения. В работах [14, 15] получены образцы из порошка MQP-S и исследовано влияние параметров синтеза образцов в виде кубиков на их форму и размеры. Исследовано распределение магнитной индукции в пространстве вокруг образцов.The permanent magnets discussed above can be used in a relatively narrow temperature range, limited from above to about 100 °C. At higher temperatures, degradation of the binder occurs. In most of the works considered, commercially available powders of the MQP-B and MQP-S brands are used as a magnetic filler. The first has the best magnetic characteristics, but obtained by rapid quenching and the shape of the particles is irregular with sharp corners; particles of the second have a spherical shape. In the case of deposition modeling technology, the shape plays a noticeable, but not a key role. For SLM technology, subject to the automatic distribution of particles, their shape determines the fluidity of the powder and is fundamental. Individual powder particles consist of nanosized crystallites with a random orientation of easy magnetization axes relative to each other (isotropic powder). In [13], powder of the MQP-S brand was used, however, it was not completely remelted, but only sintered, as a result of which the coercive force of the obtained magnet blanks decreased relative to that of the original powder. After the particles were sintered, an infiltration procedure was carried out, as a result of which the low-melting eutectic filled the pores between the sintered powder particles and diffused into the grain boundaries in each particle. This procedure made it possible not only to return to the initial values of the coercive force, but even to obtain large values. In [14, 15], samples were obtained from MQP-S powder and the influence of the parameters of synthesis of samples in the form of cubes on their shape and size was studied. The distribution of magnetic induction in the space around the samples was studied.

Коммерчески доступным является порошок марки MQA, частицы которого имеют неправильную форму, но оси легкого намагничивания отдельных зерен в них ориентированы параллельно друг другу (далее будем называть порошок с такой структурой анизотропным). Такая структура приводит к увеличению остаточной намагниченности и максимального энергетического произведения. Последняя характеристика является одной из важнейших и зачастую используется для разделения постоянных магнитов по маркам. Переход от изотропного порошка к анизотропному позволит увеличить максимальное энергетическое произведение в четыре раза. Это аналогично четырехкратному уменьшению объема постоянного магнита.MQA powder is commercially available, the particles of which have an irregular shape, but the easy magnetization axes of individual grains in them are oriented parallel to each other (hereinafter, we will call a powder with such a structure anisotropic). Such a structure leads to an increase in the residual magnetization and the maximum energy product. The last characteristic is one of the most important and is often used to separate permanent magnets by brand. The transition from an isotropic powder to an anisotropic one will increase the maximum energy product by a factor of four. This is analogous to a fourfold reduction in the volume of a permanent magnet.

3D-печать постоянных магнитов будет востребована в связи с интенсивным развитием энергетики и робототехники, миниатюризации существующих высокотехнологичных устройств, электрических и гибридных автомобилей. Наблюдается ежегодное увеличение производства постоянных магнитов системы Nd-Fe-B и одновременное незначительное улучшение их магнитных свойств. Критической характеристикой постоянных магнитов является коэрцитивная сила при температурах эксплуатации устройств, содержащих постоянные магниты. За счет вихревых токов температура постоянных магнитов, используемых в генераторах и электродвигателях, превышает комнатную температуру и часто достигает 120 °С. Высокий температурный коэффициент коэрцитивной силы ограничивает крутящий момент и мощность устройств при рабочих температурах. Повышение коэрцитивной силы является важнейшей задачей при модификации постоянных магнитов.3D printing of permanent magnets will be in demand due to the intensive development of energy and robotics, the miniaturization of existing high-tech devices, electric and hybrid cars. There is an annual increase in the production of permanent magnets of the Nd-Fe-B system and a simultaneous slight improvement in their magnetic properties. The critical characteristic of permanent magnets is the coercive force at operating temperatures of devices containing permanent magnets. Due to eddy currents, the temperature of permanent magnets used in generators and electric motors exceeds room temperature and often reaches 120 °C. The high temperature coefficient of coercivity limits the torque and power of devices at operating temperatures. Increasing the coercive force is the most important task in the modification of permanent magnets.

Использование межкристаллитной инфильтрации второго материала, например сплавов на основе меди, может препятствовать совместному перемагничиванию зерен постоянных магнитов. Этот метод не требует добавления в исходный сплав, из которого изготавливаются постоянные магниты, дорогостоящих тяжелых редкоземельных металлов типа Tb и Dy, но приводит к приблизительно двукратному увеличению коэрцитивной силы [16]. Магниты на основе Nd-Fe-B производятся в основном путем спекания, что позволяет создавать простые формы, такие как цилиндры, шарики и т.д. В результате, помимо постоянных магнитов, магнитные системы состоят также из магнитомягких элементов, действующих в качестве концентраторов и проводников магнитного потока. В последнее время применение технологий аддитивного изготовления позволило создать магниты произвольной формы [12] и таким образом отказаться от применения магнитомягких элементов в магнитных системах.The use of intergranular infiltration of a second material, such as copper-based alloys, can prevent the permanent magnet grains from co-reversing. This method does not require the addition of expensive heavy rare earth metals such as Tb and Dy to the initial alloy from which permanent magnets are made, but leads to an approximately twofold increase in the coercive force [16]. Nd-Fe-B based magnets are mainly produced by sintering, which makes it possible to create simple shapes such as cylinders, balls, etc. As a result, in addition to permanent magnets, magnetic systems also consist of soft magnetic elements that act as concentrators and conductors of the magnetic flux. Recently, the use of additive manufacturing technologies has made it possible to create magnets of arbitrary shape [12] and thus abandon the use of soft magnetic elements in magnetic systems.

Известен патент на аддитивное производство магнитов [US 9922759 B2, 17], где предлагается создание цельного постоянного магнита со сложным распределением намагниченности, когда каждый слой формируется в магнитном поле. При этом ориентация и величина намагниченности, материал слоя и др. могут меняться от слоя к слою. Намагниченность каждого сформированного слоя может варьироваться, так что конечная структура состоит из множества слоев, имеющих различные формы и размеры.Known patent for additive manufacturing of magnets [US 9922759 B2, 17], which proposes the creation of a solid permanent magnet with a complex distribution of magnetization, when each layer is formed in a magnetic field. In this case, the orientation and magnitude of the magnetization, the material of the layer, etc., can vary from layer to layer. The magnetization of each formed layer can vary, so that the final structure consists of a plurality of layers having different shapes and sizes.

Недостатком указанного изобретения является использование исходного изотропного магнитотвердого порошка. Это не позволяет использовать весь потенциал высокоанизотропного соединения, поскольку при случайной ориентации осей легкого намагничивания остаточная намагниченность в два раза меньше, а максимальное энергетическое произведение в четыре раза меньше по сравнению с возможными.The disadvantage of this invention is the use of the original isotropic hard magnetic powder. This does not allow one to use the full potential of a highly anisotropic compound, since with a random orientation of the easy magnetization axes, the residual magnetization is two times less, and the maximum energy product is four times less than possible.

Известен патент на магнит, имеющий области с различными магнитными свойствами и метод формирования такого магнита [US 10269479 B2, 18], в котором предлагается использовать вариацию состава слоев магнита в процессе производства с целью целенаправленного изменения магнитных и/или механических свойств. Недостатки этого способа аналогичны таковым в патенте [US 9922759 B2, 17].A patent is known for a magnet having areas with different magnetic properties and a method for forming such a magnet [US 10269479 B2, 18], which proposes to use a variation in the composition of the magnet layers during the production process in order to purposefully change the magnetic and/or mechanical properties. The disadvantages of this method are similar to those in the patent [US 9922759 B2, 17].

Раскрытие сущности группы изобретенийDisclosure of the essence of a group of inventions

Цель группы изобретений заключается в создании способа аддитивного производства постоянных магнитов и магнитных систем с произвольным (заданным) пространственным распределением ориентаций осей легкого намагничивания магнитотвердых зерен.The purpose of the group of inventions is to create a method for the additive production of permanent magnets and magnetic systems with an arbitrary (given) spatial distribution of orientations of the easy magnetization axes of magnetically hard grains.

Принципиально новым в заявляемом изобретении является возможность создавать магниты и магнитные системы с контролируемой текстурой осей легкого намагничивания магнитотвердых зерен и, соответственно, контролируемым значением намагниченности в каждой точке образца, локально варьируемой текстурой. Это позволяет получить готовую к использованию магнитную систему за одну операцию печати.Fundamentally new in the claimed invention is the ability to create magnets and magnetic systems with a controlled texture of the axes of easy magnetization of hard magnetic grains and, accordingly, a controlled value of magnetization at each point of the sample, locally varied texture. This allows you to get a ready-to-use magnetic system in one print operation.

Заявляемый способ изготовления постоянных магнитов и магнитных систем синтезом на подложке характеризуется тем, что используют смесь двух и более материалов, содержащую по крайней мере один сплав из каждой группы А и Б порошков:The claimed method for the manufacture of permanent magnets and magnetic systems by synthesis on a substrate is characterized by the use of a mixture of two or more materials containing at least one alloy from each group A and B of powders:

порошок А – анизотропный ферромагнитный или ферримагнитный порошок сплава с микро или наноразмерными зернами, предпочтительно содержащий элементы группы лантана и/или элементы 4 периода периодической системы химических элементов (ПСХЭ) и/или элементы групп IIIA и IVA, причем порошок А может быть изотропным, powder A - anisotropic ferromagnetic or ferrimagnetic alloy powder with micro or nano-sized grains, preferably containing elements of the lanthanum group and / or elements of period 4 of the Periodic Table of Chemical Elements (PSCE) and / or elements of groups IIIA and IVA, and powder A can be isotropic,

порошок Б – ферромагнитный или ферримагнитный или парамагнитный порошок сплава, предпочтительно, содержит элементы группы лантана и/или элементы 4 периода ПСХЭ.powder B - ferromagnetic or ferrimagnetic or paramagnetic alloy powder, preferably contains elements of the lanthanum group and / or elements of the 4th period of the PSCE.

Причем для реализации способа:And to implement the method:

наносят указанную выше смесь порошков на подложку,applying the above mixture of powders to the substrate,

предпочтительно, выполняют ориентацию магнитоанизотропных магнитотвердых частиц посредством магнитного поля,preferably, the magnetoanisotropic hard magnetic particles are oriented by means of a magnetic field,

после выполненной ориентации частиц производят локальный нагрев слоя порошка лазерным лучом или электронным пучком в инертной атмосфере или в вакууме до расплавления порошка Б и жидкофазного спекания частиц порошка А,after the orientation of the particles is completed, the powder layer is locally heated by a laser beam or an electron beam in an inert atmosphere or in a vacuum until powder B is melted and powder particles are liquid-phase sintered A,

охлаждение части изделия после жидкофазного спекания осуществляют в присутствии магнитного поля или без него,cooling of a part of the product after liquid-phase sintering is carried out in the presence of a magnetic field or without it,

процедуру повторяют до изготовления изделия.the procedure is repeated until the product is manufactured.

Перед жидкофазным спеканием порошка А частицы порошка A ориентируют внешним магнитным полем, а после жидкофазного спекания порошка А выполняют двух- или многократный нагрев спеченного слоя. После затвердевания может быть выполнено локальное размагничивание последнего нанесенного слоя с последующим намагничиванием изделия после нанесения всех слоев.Before liquid-phase sintering of powder A, the particles of powder A are oriented by an external magnetic field, and after liquid-phase sintering of powder A, the sintered layer is heated twice or multiple times. After hardening, local demagnetization of the last applied layer can be performed, followed by magnetization of the product after all layers have been applied.

Способ может быть реализован с использованием метода струйного нанесения связующего, для реализации которого, используя указанную выше смесь:The method can be implemented using the method of inkjet application of a binder, for the implementation of which, using the above mixture:

наносят порошок А на подложку,powder A is applied to the substrate,

производят локальное нанесение связующего на поверхность слоя порошка для склеивания частиц порошка А между собой,make a local application of a binder on the surface of the powder layer for gluing the particles of powder A to each other,

процедуру повторяют до изготовления изделия,the procedure is repeated until the product is manufactured,

производят процедуры удаления связующего и инфильтрации изготовленного изделия сплавом Б.carry out procedures for removing the binder and infiltration of the manufactured product with alloy B.

Перед нанесением связующего на порошок А ориентируют частицы порошка A внешним магнитным полем. После затвердевания может быть выполнено локальное размагничивание последнего нанесенного слоя с последующим намагничиванием изделия после нанесения всех слоев.Before applying the binder to powder A, the particles of powder A are oriented by an external magnetic field. After hardening, local demagnetization of the last applied layer can be performed, followed by magnetization of the product after all layers have been applied.

Получаемый в результате реализации заявляемых способов магнит или магнитная система представляет собой единый цельный элемент, выполненный на основе указанной выше смеси. Причем магнит или магнитная система содержит:Obtained as a result of the implementation of the proposed methods, the magnet or the magnetic system is a single solid element made on the basis of the above mixture. Moreover, the magnet or magnetic system contains:

первую область с первым распределением осей легкого намагничивания в ней,the first region with the first distribution of easy axes in it,

последующие области, каждая из которых имеет отличное от других или сходное по крайней мере с одной первой областью распределение осей легкого намагничивания.subsequent regions, each of which has a distribution of easy magnetization axes different from the others or similar to at least one first region.

Магнитная система имеет композиционную структуру, представляющую собой зерна высокоанизотропной фазы, окруженной парамагнитной фазой. Причем в характерной области размера частиц применяемого порошка сформирована параллельная ориентация осей легкого намагничивания зерен высокоанизотропной фазы с разориентацией не более 30 °.The magnetic system has a composite structure consisting of grains of a highly anisotropic phase surrounded by a paramagnetic phase. Moreover, in the characteristic region of the particle size of the applied powder, a parallel orientation of the easy magnetization axes of grains of a highly anisotropic phase with a misorientation of no more than 30 ° is formed.

В некоторых областях или слоях отсутствует корреляция ориентаций осей легкого намагничивания кристаллитов и/или отсутствует корреляция ориентаций осей легкого намагничивания совокупностей кристаллитов.In some regions or layers, there is no correlation in the orientations of the easy magnetization axes of the crystallites and/or there is no correlation in the orientations of the easy magnetization axes of the crystallite assemblages.

В различных областях или слоях может быть сформирована параллельная ориентация осей легкого намагничивания зерен высокоанизотропной фазы с различной величиной разориентации осей легкого намагничивания. Угол разориентации осей текстуры кристаллитов в соседних областях не превышает 60°. В соседних областях или слоях среднее направление ориентации осей легкого намагничивания может отличаться и определяться назначением магнитной системы. In different regions or layers, a parallel orientation of the easy magnetization axes of grains of a highly anisotropic phase can be formed with different amounts of misorientation of the easy magnetization axes. The misorientation angle of the axes of the crystallite texture in neighboring regions does not exceed 60°. In neighboring regions or layers, the average direction of orientation of the easy magnetization axes may differ and be determined by the purpose of the magnetic system.

Полученная ориентация осей легкого намагничивания частиц отличается от линейной и радиальной и не может быть воспроизведена прессованием в магнитном поле. Металлокерамическая технология позволяет получать только такие два варианта текстуры, в то время как используемые аддитивные технологии – почти любую текстуру. Основное и наиболее важное отличие при использовании заявляемой технологии от существующих состоит в возможности создания небольших областей с характерным размером 50 – 500 мкм с одинаковой ориентацией осей легкого намагничивания, в то время как при использовании существующих технологий размер таких областей будет больше 1 мм.The resulting orientation of the easy magnetization axes of particles differs from linear and radial and cannot be reproduced by pressing in a magnetic field. The ceramic-metal technology makes it possible to obtain only these two texture options, while the additive technologies used can produce almost any texture. The main and most important difference when using the proposed technology from the existing ones is the possibility of creating small areas with a characteristic size of 50-500 microns with the same orientation of the easy magnetization axes, while when using existing technologies, the size of such areas will be more than 1 mm.

Таким образом, полученный продукт имеет композиционную структуру, представляющую собой зерна высокоанизотропной фазы, окруженной парамагнитной фазой. Причем в характерной области менее 100 мкм формируется параллельная ориентация осей легкого намагничивания зерен высокоанизотропной фазы с разориентацией не более 30°. В соседних областях или слоях среднее направление ориентации осей легкого намагничивания может отличаться и определяется назначением изделия. Ориентация осей легкого намагничивания частиц по изделию отличается от линейной и радиальной и не может быть воспроизведена прессованием в магнитном поле.Thus, the resulting product has a composite structure, which consists of grains of a highly anisotropic phase surrounded by a paramagnetic phase. Moreover, in a characteristic region of less than 100 μm, a parallel orientation of the easy magnetization axes of grains of a highly anisotropic phase is formed with a misorientation of no more than 30°. In adjacent areas or layers, the average direction of orientation of the easy magnetization axes may differ and is determined by the purpose of the product. The orientation of the axes of easy magnetization of particles along the product differs from linear and radial and cannot be reproduced by pressing in a magnetic field.

Краткое описание поясняющих материаловBrief description of explanatory materials

Схематическое изображение процесса аддитивного производства представлено на следующих рисунках:A schematic representation of the additive manufacturing process is presented in the following figures:

- на фиг. 1 - нанесение порошков А и Б на подложку. 1 – частицы порошка Б, 2 – частицы порошка А;- in Fig. 1 - application of powders A and B on the substrate. 1 – particles of powder B, 2 – particles of powder A;

- на фиг. 2 - ориентация частиц магнитотвердого порошка внешним магнитным полем. 3 – вектор индукции внешнего магнитного поля;- in Fig. 2 - orientation of particles of a hard magnetic powder by an external magnetic field. 3 – induction vector of the external magnetic field;

- на фиг. 3 - спекание частиц порошка лазерным лучом или электронным пучком. 4 – направление движения луча лазера, 5 – луч лазера; - in Fig. 3 - sintering of powder particles by a laser beam or an electron beam. 4 – direction of laser beam movement, 5 – laser beam;

- на фиг. 4 - нанесение второго и последующего слоев порошка поверх спеченной части магнитной системы;- in Fig. 4 - deposition of the second and subsequent layers of powder over the sintered part of the magnetic system;

- на фиг. 5 - ориентация частиц второго и последующего слоев магнитотвердого порошка внешним магнитным полем. 3 – вектор индукции внешнего магнитного поля;- in Fig. 5 - orientation of the particles of the second and subsequent layers of the hard magnetic powder by an external magnetic field. 3 – induction vector of the external magnetic field;

- на фиг. 6 - спекание частиц второго и последующих слоев порошка лазерным лучом или электронным пучком. 4 – направление движения луча лазера, 5 – луч лазера;- in Fig. 6 - sintering of particles of the second and subsequent layers of powder by a laser beam or an electron beam. 4 – direction of laser beam movement, 5 – laser beam;

- на фиг. 7 - нанесение порошков А и Б на подложку. 1 – частицы связующего, 2 – частицы магнитотвердого порошка;- in Fig. 7 - application of powders A and B on the substrate. 1 – binder particles, 2 – hard magnetic powder particles;

- на фиг. 8 - ориентация частиц магнитотвердого порошка внешним магнитным полем;- in Fig. 8 - orientation of particles of a magnetically hard powder by an external magnetic field;

- на фиг. 9 - спекание частиц порошка лазерным лучом или электронным пучком с одновременной инфильтрацией сплава Б между кристаллитами сплава А. 4 – направление движения луча лазера, 5 – луч лазера;- in Fig. 9 - sintering of powder particles by a laser beam or an electron beam with simultaneous infiltration of alloy B between the crystallites of alloy A. 4 - direction of the laser beam, 5 - laser beam;

- на фиг. 10 - нанесение второго и последующего слоев порошка поверх спеченной части магнитной системы;- in Fig. 10 - deposition of the second and subsequent layers of powder over the sintered part of the magnetic system;

- на фиг. 11 - ориентация частиц второго и последующего слоев магнитотвердого порошка внешним магнитным полем. 3 – вектор внешнего магнитного поля;- in Fig. 11 - orientation of particles of the second and subsequent layers of magnetically hard powder by an external magnetic field. 3 – external magnetic field vector;

- на фиг. 12 - спекание частиц второго и последующих слоев порошка лазерным лучом или электронным пучком с одновременной инфильтрацией сплава Б между кристаллитами сплава А. 5 – луч лазера.- in Fig. 12 - sintering of particles of the second and subsequent layers of powder by a laser beam or an electron beam with simultaneous infiltration of alloy B between the crystallites of alloy A. 5 - laser beam.

Осуществление группы изобретений.Implementation of a group of inventions.

Магнитотвердые материалы используются во многих устройствах, в том числе электромоторах, жестких дисках и т.д. Обычно сложное распределение магнитного потока в таких устройствах создается постоянными магнитами и магнитомягкими ярмами и полюсными наконечниками, дополнительно требуется применение конструкционных элементов, обеспечивающих механическую прочность магнитных системы. Наличие элементов из магнитомягкого и конструкционного материала приводит к увеличению массы и габаритов конечных устройств. Предлагаемая технология позволяет значительно снизить массу и миниатюризировать магнитные устройства, упрощает сборку магнитных систем, позволяет осуществлять производство магнитных систем за одну операцию.Hard magnetic materials are used in many devices, including electric motors, hard drives, etc. Typically, a complex distribution of the magnetic flux in such devices is created by permanent magnets and magnetically soft yokes and pole pieces; additionally, the use of structural elements is required to ensure the mechanical strength of the magnetic system. The presence of elements made of soft magnetic and structural material leads to an increase in the mass and dimensions of the end devices. The proposed technology makes it possible to significantly reduce the weight and miniaturize magnetic devices, simplifies the assembly of magnetic systems, and makes it possible to manufacture magnetic systems in one operation.

В отличие от [US 9922759 B2, 17; US 10269479 B2, 18] предлагается техническое решение, которое позволяет формировать не только сложное распределение намагниченности и чередование магнитных свойств, но произвольное распределение осей легкого намагничивания отдельных кристаллитов в материале магнита не только внутри каждого слоя, но и в каждой области воздействия лазерного луча / электронного пучка / ультрафиолетового света и др. во время печати с возможностью управления значением намагниченности в каждой точке. Это позволит уменьшить размер магнитной системы в четыре раза по сравнению с методом, предложенным в [US 9922759 B2, 17].Unlike [US 9922759 B2, 17; US 10269479 B2, 18] a technical solution is proposed that allows you to form not only a complex distribution of magnetization and alternation of magnetic properties, but an arbitrary distribution of the easy magnetization axes of individual crystallites in the magnet material, not only within each layer, but also in each area of the laser beam / electron beam / ultraviolet light, etc. during printing with the ability to control the value of magnetization at each point. This will reduce the size of the magnetic system by four times compared to the method proposed in [US 9922759 B2, 17].

Для этого предлагается использовать исходную смесь порошков, один из которых является нанокристаллическим текстурованным магнитотвердым на основе сплава системы Nd-Fe-B, второй – двух- или многокомпонентный сплав на основе R-Cu (R – редкоземельный металл) вблизи низкотемпературной эвтектики. Первый сплав обеспечивает магнитотвердые характеристики, второй – используется в качестве связующего и инфильтрующего сплава, наличие которого увеличивает коэрцитивную силу. В процессе изготовления магнита в области воздействия лазерного луча / электронного пучка на порошок воздействует внешнее магнитное поле, ориентирующее отдельные частицы первого порошка в заданном направлении. Ориентация частиц порошка позволит увеличить максимальное энергетическое произведение по сравнению с использованием изотропных порошков в качестве исходного сырья для изготовления постоянных магнитов. Возможность задания произвольной ориентации частиц позволит отказаться от сборки магнитных систем, а изготавливать их за одну производственную операцию. Окажется возможным массовое изготовление миниатюрных постоянных магнитов с радиальной или любой другой текстурой. Такие магниты могут быть использованы, например, в роторах микроэлектродвигателей, используемых в медицинских целях.To do this, it is proposed to use the initial mixture of powders, one of which is a nanocrystalline textured magnetically hard based alloy of the Nd-Fe-B system, the second is a two- or multi-component alloy based on R-Cu (R is a rare earth metal) near the low-temperature eutectic. The first alloy provides hard magnetic characteristics, the second one is used as a binder and infiltrating alloy, the presence of which increases the coercive force. During the manufacture of the magnet, in the area of the laser beam / electron beam, the powder is exposed to an external magnetic field, which orients the individual particles of the first powder in a given direction. The orientation of the powder particles will increase the maximum energy product in comparison with the use of isotropic powders as a feedstock for the manufacture of permanent magnets. The ability to set arbitrary orientation of the particles will make it possible to abandon the assembly of magnetic systems, and to manufacture them in one production operation. It will be possible to mass-produce miniature permanent magnets with radial or any other texture. Such magnets can be used, for example, in the rotors of microelectric motors used in medical applications.

Заявляемый способ изготовления цельных магнитных элементов/устройств сложной формы с произвольным (заданным) распределением осей легкого намагничивания (магнитная текстура) магнитотвердых кристаллитов реализуется синтезом на подложке или струйным нанесением связующего. Магнитная текстура создается ориентацией частиц порошка магнитного материала вдоль определенного направления путем приложения внешнего магнитного поля.The claimed method for manufacturing solid magnetic elements/devices of complex shape with an arbitrary (given) distribution of easy magnetization axes (magnetic texture) of hard magnetic crystallites is realized by synthesis on a substrate or by jet deposition of a binder. Magnetic texture is created by orienting magnetic material powder particles along a certain direction by applying an external magnetic field.

Для изготовления используют смесь двух и более материалов, содержащую:For manufacturing, a mixture of two or more materials is used, containing:

А - анизотропный ферромагнитный или ферримагнитный порошок сплава с микро- или наноразмерными зернами. В химический состав входят элементы группы лантана (лантаноиды), элементы 4 периода ПСХЭ, могут входить элементы групп IIIA и IVA;A - anisotropic ferromagnetic or ferrimagnetic alloy powder with micro- or nano-sized grains. The chemical composition includes elements of the lanthanum group (lanthanides), elements of the 4th period of the PSCE, elements of groups IIIA and IVA may be included;

Б - ферромагнитный или ферримагнитный или парамагнитный порошок сплава. В химический состав входят элементы группы лантана (лантаноиды), элементы 4 периода ПСХЭ.B - ferromagnetic or ferrimagnetic or paramagnetic alloy powder. The chemical composition includes elements of the lanthanum group (lanthanides), elements of the 4th period of the PSCE.

Из каждой из групп материалов должен быть выбран хотя бы один сплав. Например, могут быть использованы сплавы составов Nd₁₂Fe₈₂B₆ (сплав А) и Nd₇₀Cu₃₀ (сплав Б). Выбор конкретного состава сплава определяется свойствами, которые необходимо получить в готовом изделии.At least one alloy must be selected from each of the material groups. For example, alloys of the compositions Nd ₁₂ Fe ₈₂ B ₆ (alloy A) and Nd ₇₀ Cu ₃₀ (alloy B) can be used. The choice of a specific alloy composition is determined by the properties that must be obtained in the finished product.

Порошок Б расплавляется в процессе производства и, с одной стороны, обеспечивает жидкофaзное спекание, а с другой - проникает в порошок магнитотвердого материала посредством диффузии по границам зерен, что приводит к формированию композитной структуры. Композитная структура состоит из зерен материала А, окруженных слоем материала Б. В области воздействия лазерного луча формируется параллельная ориентация осей легкого намагничивания частиц порошка А с разориентацией не более 30 °. Powder B melts during production and, on the one hand, provides liquid-phase sintering, and on the other hand, it penetrates into the powder of a hard magnetic material by diffusion along grain boundaries, which leads to the formation of a composite structure. The composite structure consists of grains of material A surrounded by a layer of material B. In the laser beam impact area, a parallel orientation of the easy magnetization axes of powder particles A is formed with a misorientation of no more than 30°.

В соседних областях или слоях среднее направление ориентации осей легкого намагничивания может отличаться и определяется назначением изделия. Ориентация осей легкого намагничивания частиц по изделию отличается от линейной и радиальной и не может быть воспроизведена прессованием в магнитном поле. Слой материала Б позволяет контролировать межзеренное обменное взаимодействие соседних зерен материала Б, что позволяет достичь значительного увеличения коэрцитивной силы композитного материала.In adjacent areas or layers, the average direction of orientation of the easy magnetization axes may differ and is determined by the purpose of the product. The orientation of the axes of easy magnetization of particles along the product differs from linear and radial and cannot be reproduced by pressing in a magnetic field. The layer of material B makes it possible to control the intergrain exchange interaction of adjacent grains of material B, which makes it possible to achieve a significant increase in the coercive force of the composite material.

Способ изготовления постоянного магнита или магнитной системы при использовании процесса синтеза на подложке реализуется следующим образом.A method for manufacturing a permanent magnet or a magnetic system using a synthesis process on a substrate is implemented as follows.

I-1. Нанесение слоя порошка, состоящего из двух компонентов, на держатель (Фиг. 1). Частицы магнитотвердого порошка 2, например Nd-Fe-B (80 % масс.), и связующего 1 (сплав редкоземельных металлов) и меди (20 % масс.). После нанесения порошков на держатель пространственная ориентация кристаллографических осей отдельных частиц случайна. Стрелкой обозначена ориентация оси легкого намагничивания. В качестве порошка А может быть взят порошок со случайной ориентацией осей легкого намагничивания (изотропный порошок). Типичный размер частиц порошка составляет 50-150 мкм.I-1. Application of a layer of powder, consisting of two components, on the holder (Fig. 1). Particles of hard magnetic powder 2, for example, Nd-Fe-B (80% wt.), and binder 1 (rare-earth metal alloy) and copper (20% wt.). After applying the powders to the holder, the spatial orientation of the crystallographic axes of individual particles is random. The arrow indicates the orientation of the easy magnetization axis. As powder A, a powder with a random orientation of the easy magnetization axes (isotropic powder) can be taken. The typical particle size of the powder is 50-150 microns.

I-2. Предпочтительно выполнить ориентацию магнитоанизотропных магнитотвердых частиц посредством магнитного поля 3 (Фиг. 2). Ориентация может быть выполнена как во всем слое одинаковой, так и в части слоя (области) своя. Минимальный размер области определяется техническими параметрами и составляет около 100 мкм. Ориентация частиц позволяет оптимизировать распределение намагниченности и магнитного потока внутри магнита или магнитной системы и минимизировать их размеры и материалоемкость. Ориентация магнитоанизотропных магнитотвердых частиц не является обязательной, но позволяет в два раза увеличить остаточную намагниченность и в четыре раза увеличить максимальное энергетическое произведение. При использовании изотропного порошка текстурование (ориентация частиц) не проводится. Текстурование может не проводиться при необходимости уменьшения величины остаточной намагниченности в некоторых областях магнитной системы. В этом случае будет отсутствовать корреляция между осями легкого намагничивания в отдельных частицах порошка. Путем варьирования напряженности магнитного поля в процессе печати может быть изменена степень разориентации осей легкого намагничивания с целью оптимизации распределения магнитного потока в магнитной системе.I-2. It is preferable to perform the orientation of magnetoanisotropic hard magnetic particles by means of a magnetic field 3 (Fig. 2). Orientation can be performed both in the entire layer the same, and in part of the layer (region) its own. The minimum area size is determined by the technical parameters and is about 100 µm. The orientation of the particles allows optimizing the distribution of magnetization and magnetic flux inside the magnet or magnetic system and minimizing their size and material consumption. Orientation of magnetoanisotropic hard magnetic particles is not obligatory, but it allows doubling the residual magnetization and four times increasing the maximum energy product. When using an isotropic powder, texturing (particle orientation) is not carried out. Texturing may not be carried out if it is necessary to reduce the amount of residual magnetization in some areas of the magnetic system. In this case, there will be no correlation between the easy magnetization axes in individual powder particles. By varying the magnetic field strength during the printing process, the degree of misorientation of the easy magnetization axes can be changed in order to optimize the magnetic flux distribution in the magnetic system.

I-3. Локальный нагрев нанесенного слоя порошка лазерным лучом 5 или электронным пучком (Фиг. 3) при движении лазерного луча или электронного пучка 4. Нагрев проводится в специально подготовленной или инертной атмосфере или вакууме. В процессе локального нагрева происходит расплавление второго компонента порошка и жидкофазное спекание частиц первого порошка. В зависимости от химического состава, распределения частиц порошка по размерам, мощности, времени воздействия и количества проходов лазерного луча или электронного пучка, температуры напечатанной части магнитной системы будет проходить процесс инфильтрации (зернограничной диффузии) материала второго сплава в первый. При этом коэрцитивная сила первого порошка будет увеличиваться. Например, при использовании в качестве магнитотвердого материала порошка марки MQA (Magnequench Co. Ltd.) и сплава Pr₇₀Cu₁₀Co₂₀ в качестве легкоплавкой эвтектики оптимальные параметры печати следующие: диаметр пятна лазера 100 мкм, скорость перемещения лазерного луча 1 м/с, количество проходов лазера по одному месту – 5, расстояние между линиями прохода пятна лазерного луча – 30 мкм, мощность лазера – 120 Вт.I-3. Local heating of the applied layer of powder by a laser beam 5 or an electron beam (Fig. 3) when the laser beam or electron beam 4 moves. Heating is carried out in a specially prepared or inert atmosphere or vacuum. In the process of local heating, the second component of the powder is melted and the particles of the first powder are liquid-phase sintered. Depending on the chemical composition, distribution of powder particles by size, power, exposure time and the number of passes of the laser beam or electron beam, the temperature of the printed part of the magnetic system, the process of infiltration (grain boundary diffusion) of the material of the second alloy into the first will take place. In this case, the coercive force of the first powder will increase. For example, when using MQA powder (Magnequench Co. Ltd.) as a hard magnetic material and Pr ₇₀ Cu ₁₀ Co ₂₀ alloy as a fusible eutectic, the optimal printing parameters are as follows: laser spot diameter 100 μm, laser beam speed 1 m/s, the number of laser passes in one place is 5, the distance between the lines of the passage of the laser beam spot is 30 μm, the laser power is 120 W.

I-4. После воздействия лазерного луча или электронного пучка происходит затвердевание напечатанной области или слоя в магнитном поле или без него. При затвердевании в магнитном поле область или слой будут намагничены.I-4. After exposure to a laser beam or an electron beam, the printed area or layer solidifies with or without a magnetic field. When solidified in a magnetic field, the area or layer will be magnetized.

I-5. После выполнения пункта (I-4) может быть выполнено локальное размагничивание последнего нанесенного слоя для уменьшения влияния его намагниченности на распределение частиц в следующем слое и ориентацию частиц в нем. Вместо размагничивания предпочтительно создавать такую конфигурацию внешнего поля при печати следующего слоя, чтобы оси легкого намагничивания частиц ориентировались в соответствии с заданным пространственным распределением с учетом магнитных полей, создаваемых нижележащими слоями магнита или магнитной системы. Внешнее поле создается двух- или трехкомпонентной системой намагничивающих катушек или электромагнитов.I-5. After point (I-4) can be performed local demagnetization of the last applied layer to reduce the influence of its magnetization on the distribution of particles in the next layer and the orientation of the particles in it. Instead of demagnetization, it is preferable to create such a configuration of the external field when printing the next layer, so that the axes of easy magnetization of the particles are oriented in accordance with a given spatial distribution, taking into account the magnetic fields created by the underlying layers of the magnet or magnetic system. The external field is created by a two- or three-component system of magnetizing coils or electromagnets.

I-6. После нанесения всех заданных слоев постоянного магнита или магнитной системы (Фиг. 4 – Фиг. 6) изделие может быть использовано непосредственно, если в пункте (I-5) не выполнялось послойное размагничивание, иначе необходимо применить операцию намагничивания изделия. Количество заданных слоев определяется программным обеспечением принтера исходя из геометрии изделия, мощности лазера, размеров частиц порошка и др.I-6. After applying all the given layers of a permanent magnet or magnetic system (Fig. 4 - Fig. 6), the product can be used directly, if layer-by-layer demagnetization was not performed in step (I-5), otherwise it is necessary to apply the magnetization operation of the product. The number of specified layers is determined by the printer software based on the product geometry, laser power, powder particle size, etc.

I-7. В процессе или по окончанию печати предпочтительно нанести на изделие слой покрытия, препятствующего воздействию кислорода воздуха на магнит или магнитную систему.I-7. In the process or at the end of printing, it is preferable to apply a coating layer on the product that prevents the effect of atmospheric oxygen on the magnet or magnetic system.

Способ изготовления постоянного магнита или магнитной системы при использовании метода струйного нанесения связующего (binder jetting) реализуется следующим образом:The method of manufacturing a permanent magnet or a magnetic system using the method of jet application of a binder (binder jetting) is implemented as follows:

II-1. Нанесение слоя анизотропного порошка А сплава системы Nd-Fe-B. Порошок наносится на подложку (первый слой) или напечатанную часть постоянного магнита или магнитной системы. Вместо анизотропного порошка А может быть взят порошок со случайной ориентацией осей легкого намагничивания (изотропный порошок).II-1. Application of a layer of anisotropic powder A of an alloy of the Nd-Fe-B system. The powder is applied to the substrate (first layer) or the printed part of the permanent magnet or magnetic system. Instead of anisotropic powder A, a powder with a random orientation of the easy magnetization axes (isotropic powder) can be taken.

II-2. Предпочтительно выполнить ориентацию магнитоанизотропных магнитотвердых частиц посредством магнитного поля. Ориентация может быть выполнена как во всем слое одинаковой, так и в части слоя (области). Минимальный размер области определяется техническими параметрами и составляет около 100 мкм. Ориентация частиц позволяет оптимизировать распределение намагниченности и магнитного потока внутри магнита или магнитной системы и минимизировать их размеры и материалоемкость. При использовании изотропного порошка текстурирование (ориентация частиц в поле) не проводится;II-2. It is preferable to orient the magnetoanisotropic hard magnetic particles by means of a magnetic field. Orientation can be performed both in the entire layer the same, and in part of the layer (region). The minimum area size is determined by the technical parameters and is about 100 µm. The orientation of the particles allows optimizing the distribution of magnetization and magnetic flux inside the magnet or magnetic system and minimizing their size and material consumption. When using an isotropic powder, texturing (particle orientation in the field) is not carried out;

II-3. Выборочное нанесение органического связующего, приводящее к склеиванию частиц порошка А в заданных местах;II-3. Selective application of an organic binder, resulting in the adhesion of the particles of powder A in the given places;

II-4. После процедуры нанесения связующего происходит склеивание напечатанного слоя или области в магнитном поле или без него;II-4. After the binder application procedure, the printed layer or area is bonded in a magnetic field or without it;

II-5. После выполнения пункта (II-4) может быть выполнено размагничивание постоянного магнита или магнитной системы для уменьшения намагниченности на распределение частиц в следующем слое и ориентацию частиц в нем. Вместо размагничивания может быть создана такая конфигурация внешнего поля при печати следующего слоя, чтобы оси легкого намагничивания частиц ориентировались в соответствии с заданным пространственным распределением с учетом магнитных полей, создаваемых нижележащими слоями магнита или магнитной системы;II-5. After step (II-4) is completed, demagnetization of the permanent magnet or magnetic system can be performed to reduce the magnetization on the distribution of particles in the next layer and the orientation of the particles in it. Instead of demagnetization, an external field configuration can be created when printing the next layer, so that the axes of easy magnetization of the particles are oriented in accordance with a given spatial distribution, taking into account the magnetic fields created by the underlying layers of the magnet or magnetic system;

II-6. После нанесения всех заданных слоев магнитной системы выполняется процедура удаления нанесенного в II-3 связующего и инфильтрация сплавом Б.II-6. After applying all the specified layers of the magnetic system, the procedure for removing the binder deposited in II-3 and infiltration with alloy B is performed.

II-7. По окончанию печати предпочтительно нанести на изделие слой покрытия, препятствующего воздействию кислорода воздуха на магнитную систему.II-7. At the end of printing, it is preferable to apply a coating layer on the product that prevents the effects of atmospheric oxygen on the magnetic system.

II-8. Расплавление сплава Б в процессе инфильтрации выполняется в специально подготовленной, или инертной атмосфере, или вакууме. В процессе нанесения расплава происходит жидкофазное спекание частиц первого порошка. В зависимости от химического состава, распределения частиц порошка по размерам, химического состава и температуры сплава, температуры постоянного магнита или магнитной системы будет проходить процесс инфильтрации (зернограничной диффузии) материала расплава в порошок. При этом коэрцитивная сила изделия будет увеличиваться; II-8. The melting of alloy B during the infiltration process is carried out in a specially prepared, or inert atmosphere, or vacuum. In the process of applying the melt, liquid-phase sintering of the particles of the first powder occurs. Depending on the chemical composition, the size distribution of the powder particles, the chemical composition and temperature of the alloy, the temperature of the permanent magnet or the magnetic system, the process of infiltration (grain boundary diffusion) of the melt material into powder will take place. In this case, the coercive force of the product will increase;

Окончательная структура магнита или магнитной системы представляет собой сочленение многочисленных слоев, имеющих одинаковые или различные форму, кристаллографическую текстуру, коэрцитивную силу и намагниченность, что определяет специфическое распределение магнитного потока (или намагниченности) внутри аддитивно изготовленной структуры. Предложенный способ позволяет создавать магнитные системы с заданными геометрическими и магнитными характеристиками, которые не могут быть получены другими методами.The final structure of a magnet or magnetic system is the junction of multiple layers having the same or different shape, crystallographic texture, coercivity and magnetization, which determines the specific distribution of magnetic flux (or magnetization) within the additively fabricated structure. The proposed method allows you to create magnetic systems with specified geometric and magnetic characteristics that cannot be obtained by other methods.

Источники информацииSources of information

1. Yang F. et al., 3D printing of NdFeB bonded magnets with SrFe12O19 addition (3D-печать магнитов NdFeB со связующим и добавлением SrFe12O19) //Journal of Alloys and Compounds. – 2019. – Т. 779. – С. 900-907.1. Yang F. et al., 3D printing of NdFeB bonded magnets with SrFe12O19 addition // Journal of Alloys and Compounds. - 2019. - T. 779. - S. 900-907.

2. Li L. et al., Big area additive manufacturing of high performance bonded NdFeB magnets (Аддитивное производство постоянных магнитов NdFeB большой площади со связующим) //Scientific reports. – 2016. – Т. 6. – С. 36212.2. Li L. et al., Big area additive manufacturing of high performance bonded NdFeB magnets //Scientific reports. - 2016. - T. 6. - S. 36212.

3. Compton B.G. et al., Direct-write 3D printing of NdFeB bonded magnets (Прямая 3d-печать магнитов NdFeB со связующим) //Materials and Manufacturing Processes. – 2018. – Т. 33. – № 1. – С. 109-113.3. Compton B.G. et al., Direct-write 3D printing of NdFeB bonded magnets //Materials and Manufacturing Processes. - 2018. - T. 33. - No. 1. - S. 109-113.

4. Palmero E.M. et al., Magnetic-Polymer Composites for Bonding and 3D Printing of Permanent Magnets (Магнитно-полимерные композиты для связывания и 3D-печати постоянных магнитов) // IEEE Transactions on Magnetics. – 2018. – Т. 55. – № 2. – С. 1-4.4 Palmero E.M. et al., Magnetic-Polymer Composites for Bonding and 3D Printing of Permanent Magnets // IEEE Transactions on Magnetics. - 2018. - T. 55. - No. 2. - S. 1-4.

5. Von Petersdorff-Campen K. et al., 3D Printing of Functional Assemblies with Integrated Polymer-Bonded Magnets Demonstrated with a Prototype of a Rotary Blood Pump (3D-печать функциональных узлов со встроенными полимерно-связанными магнитами, демонстрируемая на примере прототипа ротационного насоса для перекачки крови) //Applied Sciences. – 2018. – Т. 8. – № 8. – С. 1275.5. Von Petersdorff-Campen K. et al., 3D Printing of Functional Assemblies with Integrated Polymer-Bonded Magnets Demonstrated with a Prototype of a Rotary Blood Pump pump for pumping blood) //Applied Sciences. - 2018. - T. 8. - No. 8. - S. 1275.

6. Li L. et al., Fabrication of highly dense isotropic Nd-Fe-B nylon bonded magnets via extrusion-based additive manufacturing (Изготовление высокоплотных изотропных магнитов Nd-Fe-B с нейлоновым связующим экструзионными аддитивными технологиями) //Additive Manufacturing. – 2018. – Т. 21. – С. 495-500.6. Li L. et al., Fabrication of highly dense isotropic Nd-Fe-B nylon bonded magnets via extrusion-based additive manufacturing //Additive Manufacturing. - 2018. - T. 21. - S. 495-500.

7. Gandha K. et al., Additive manufacturing of anisotropic hybrid NdFeB-SmFeN nylon composite bonded magnets (Аддиитвное производство анизотропных гибридных композитных магнитов на связке NdFeB и SmFeN) //Journal of Magnetism and Magnetic Materials. – 2018. – Т. 467. – С. 8-13.7. Gandha K. et al., Additive manufacturing of anisotropic hybrid NdFeB-SmFeN nylon composite bonded magnets // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. - 2018. - T. 467. - S. 8-13.

8. Paranthaman M.P. et al., Binder jetting: A novel NdFeB bonded magnet fabrication process (Новый процесс изготовления NdFeB магнитов со связующим) // Jom. – 2016. – Т. 68. – № 7. – С. 1978-1982.8. Paranthaman M.P. et al., Binder jetting: A novel NdFeB bonded magnet fabrication process, Jom. - 2016. - T. 68. - No. 7. - S. 1978-1982.

9. Li L. et al., A novel method combining additive manufacturing and alloy infiltration for NdFeB bonded magnet fabrication (Новый метод, сочетающий аддитивное производство и инфильтрацию сплава для изготовления магнитов NdFeB со связующим) //Journal of Magnetism and Magnetic Materials. – 2017. – Т. 438. – С. 163-167.9. Li L. et al., A novel method combining additive manufacturing and alloy infiltration for NdFeB bonded magnet fabrication // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. - 2017. - T. 438. - S. 163-167.

10. Engerroff J. A. B. et al., Additive manufacturing of Sm-Fe-N magnets (Аддитивное производство магнитов Sm-Fe-N) // Journal of Rare Earths. – 2019. – Т. 37. – № 10. – С. 1078-1082.10. Engerroff J. A. B. et al., Additive manufacturing of Sm-Fe-N magnets // Journal of Rare Earths. - 2019. - T. 37. - No. 10. - S. 1078-1082.

11. Mapley M. et al., Selective laser sintering of bonded magnets from flake and spherical powders (Селективное лазерное спекание магнитов со связующим из пластинчатых и сферических порошков) // Scripta Materialia. – 2019. – Т. 172. – С. 154-158.11. Mapley M. et al., Selective laser sintering of bonded magnets from flake and spherical powders, Scripta Materialia. - 2019. - T. 172. - S. 154-158.

12. Jaćimović J. et al., Net shape 3D printed NdFeB permanent magnet (3D-напечатанный постоянный магнит NdFeB с качественной поверхностью) // Adv. Eng. Mater. – 2017. – Т. 1700098.12. Jaćimović J. et al., Net shape 3D printed NdFeB permanent magnet, Adv. Eng. mater. - 2017. - T. 1700098.

13. Huber C. et al., Coercivity enhancement of selective laser sintered NdFeB magnets by grain boundary infiltration (Увеличение коэрцитивной силы изготовленного селективным лазерным плавлением магнита NdFeB путем инфильтрации по границам зерен) // Acta Materialia. – 2019. – Т. 172. – С. 66-71.13. Huber C. et al., Coercivity enhancement of selective laser sintered NdFeB magnets by grain boundary infiltration, Acta Materialia. - 2019. - T. 172. - S. 66-71.

14. Urban N. et al., Efficient near Net-Shape Production of High Energy Rare Earth Magnets by Laser Beam Melting (Качественная поверхность высокоэнергетических редкоземельных магнитов, полученных методом селективного лазерного плавления) //Applied Mechanics and Materials. – Trans Tech Publications, 2017. – Т. 871. – С. 137-144.14. Urban N. et al., Efficient near Net-Shape Production of High Energy Rare Earth Magnets by Laser Beam Melting // Applied Mechanics and Materials. - Trans Tech Publications, 2017. - T. 871. - P. 137-144.

15. Kolb T. et al., Laser Beam Melting of NdFeB for the production of rare-earth magnets (Селективное лазерное плавление при производстве редкоземельных постоянных магнитов) //2016 6th International Electric Drives Production Conference (EDPC). – IEEE, 2016. – С. 34-40.15. Kolb T. et al., Laser Beam Melting of NdFeB for the production of rare-earth magnets //2016 6th International Electric Drives Production Conference (EDPC). - IEEE, 2016. - S. 34-40.

16. Madugundo R. et al., High coercivity in rare-earth lean nanocomposite magnets by grain boundary infiltration (Высокая коэрцитивная сила в редкоземельных нанокомпозитных магнитах при зернограничной инфильтрации) // J. Magn. Magn. Mater. – 20016. – Т. 400. – С. 300–303.16. Madugundo R. et al., High coercivity in rare-earth lean nanocomposite magnets by grain boundary infiltration, J. Magn. Magn. mater. - 20016. - T. 400. - S. 300-303.

17. US 9922759 B2, заявка US20170092400A1, приоритет заявки 2016.08.25, дата публикации 2017.03.30, H01F 7/02, H01F 41/02, H01F 13/00, H01F 1/053, H01F 1/057.17. US 9922759 B2, application US20170092400A1, application priority 2016.08.25, publication date 2017.03.30, H01F 7/02, H01F 41/02, H01F 13/00, H01F 1/053, H01F 1/057.

18. US 10269479 B2, заявка US 2017/0154713 A1, приоритет заявки 2017.06.01, дата публикации 2017.02.13, HOIF7/ 02 (2006.01), B22F 3/105 (2006.01).18. US 10269479 B2, application US 2017/0154713 A1, application priority 2017.06.01, publication date 2017.02.13, HOIF7/ 02 (2006.01), B22F 3/105 (2006.01).

Claims

1. A method of manufacturing permanent magnets and magnetic systems by synthesis on a substrate, characterized in that:

- use a mixture of two or more materials containing at least one alloy from each group A and B powders:

- powder A - anisotropic ferromagnetic or ferrimagnetic alloy powder with micro- or nano-sized grains,

- powder B - ferromagnetic, or ferrimagnetic, or paramagnetic alloy powder,

- apply a mixture of powders on a substrate,

- the powder layer is locally heated by a laser beam or an electron beam in an inert atmosphere or in a vacuum until powder B is melted and powder A is liquid-phase sintered,

- cooling of a part of the product after liquid-phase sintering is carried out in the presence of a magnetic field or without it,

- the procedure is repeated until the product is manufactured.

2. The method according to claim 1, characterized in that the magnetoanisotropic hard magnetic particles are oriented by means of a magnetic field before local heating of the powder layer by a laser beam or an electron beam.

3. The method according to claim 1, characterized in that local demagnetization of the last applied layer is performed, followed by magnetization of the product after all layers have been applied.

4. The method according to claim 1, characterized in that powder A contains elements of the lanthanum group and/or elements of the 4 period of the PSCE and/or elements of groups IIIA and IVA.

5. The method according to claim 1, characterized in that powder B contains elements of the lanthanum group and/or elements of period 4 of the PSCE.

6. Method according to claim 1, characterized in that powder A is isotropic.

7. The method according to claim 1, characterized in that after the liquid-phase sintering of the powder A, two- or multiple heating of the sintered layer is performed.

8. Method for the manufacture of permanent magnets and magnetic systems using the method of inkjet application of a binder, characterized in that:

- use two or more materials containing at least one alloy from each group of powders:

- powder A - anisotropic ferromagnetic or ferrimagnetic alloy powder with micro or nano-sized grains,

- alloy B - ferromagnetic, ferrimagnetic or paramagnetic,

- apply powder A to the substrate,

- make a local application of a binder on the surface of the powder layer for gluing the particles of powder A to each other,

- the procedure is repeated until the product is manufactured;

- carry out procedures for removing the binder and infiltration of the manufactured product with alloy B.

9. The method according to claim 8, characterized in that prior to applying the binder, the magnetically anisotropic hard magnetic particles are oriented by means of a magnetic field.

10. The method according to claim 8, characterized in that after hardening, local demagnetization of the last applied layer is performed, followed by magnetization of the product after all layers have been applied.

11. Method according to claim 8, characterized in that powder A contains elements of the lanthanum group and/or elements of period 4 of the PSCE and/or elements of groups IIIA and IVA.

12. The method according to claim 8, characterized in that alloy B contains elements of the lanthanum group and/or elements 4 of the PSCE period.

13. The method according to claim 8, characterized in that powder A is isotropic.

14. A magnetic system made according to any one of claims 1 to 13, which is a single integral element, and is characterized in that it contains:

- the first area with the first distribution of easy axes in it,

- subsequent regions, each of which has a distribution of easy magnetization axes different from the others or similar to at least one first region.

15. The magnetic system according to claim 14, characterized in that it has a composite structure representing grains of a highly anisotropic phase surrounded by a paramagnetic phase, and in the characteristic region of the particle size of the powder used, a parallel orientation of the easy magnetization axes of the grains of the highly anisotropic phase with a misorientation of not more than 30 ° is formed .

16. The magnetic system according to claim 14, characterized in that in some areas or layers there is no correlation between the orientations of the easy magnetization axes of the crystallites.

17. The magnetic system according to claim 14, characterized in that in some areas or layers there is no correlation of the orientations of the easy magnetization axes of the crystallite aggregates.

18. The magnetic system according to claim 14, characterized in that in different areas or layers, a parallel orientation of the easy magnetization axes of grains of a highly anisotropic phase is formed with a different misorientation of the easy magnetization axes.

19. The magnetic system according to claim 14, characterized in that the misorientation angle of the axes of the crystallite texture in neighboring areas does not exceed 60°.

20. The magnetic system according to claim 14, characterized in that in neighboring regions or layers, the average direction of orientation of the easy magnetization axes is different and is determined by the purpose of the magnetic system.

21. The magnetic system according to claim 14, characterized in that the orientation of the axes of easy magnetization of the particles differs from linear and radial.