Técnicas de aumento de remanência em ímãs compósitos de Nd-Fe-B obtidos por manufatura aditiva

Abstract

A possibilidade de aliar componentes com geometrias complexas, desempenhando funcionalidades que podem ser especificamente criadas para uma determinada aplicação constituem um cenário de grande potencial de inovação no que tange a produção de ímãs permanentes de Nd-Fe-B. Em termos de ímãs compósitos, a Fusão em Leito de Pó a Laser (FLPL) destaca-se como rota promissora para obtenção desta classe de ímãs permanentes. Entretanto, no estado-da-arte, são reportados a obtenção de ímãs compósitos por esta técnica com elevado grau de porosidade e magneticamente isotrópicos. Variáveis relacionadas tanto ao processamento a laser como as características da carga de impressão, como a velocidade de varredura (LS) e quantidade de ligante utilizada, foram superficialmente exploradas no contexto de eliminação de porosidade. Além disso, a literatura apresenta duas formas de induzir textura cristalográfica, que utilizam um torque magnético para orientar fisicamente as partículas anisotrópicas e gerar textura. Entretanto, a orientação preferencial de partículas magneticamente isotrópicas e alongadas é observada em ímãs compósitos isotrópicos obtidos por FLPL. O torque mecânico exercido sobre estas partículas durante a construção das camadas promove tal orientação. Com base neste contexto, a presente tese de doutorado apresenta contribuições inéditas ao estado-da-arte quanto a estratégias de aumento de remanência em ímãs compósitos de Nd-Fe-B obtidos via FLPL. A primeira etapa explora a influência da velocidade de varredura (LS) do laser, bem como da composição da carga de impressão, nos valores de densidade dos ímãs compósitos obtidos. A segunda etapa avalia a possibilidade do desenvolvimento de textura magnética utilizando torque mecânico, explorando a anisotropia de forma e cristalográfica de partículas de Nd-Fe-B. Desta forma, na primeira etapa do trabalho, foram obtidos ímãs compósitos isotrópicos de Nd-Fe-B via FLPL utilizando como matéria-prima pós comerciais de Nd-Fe-B (MQP-S-9-8) e poliamida-12 (PA-12). Foram produzidas cargas de impressão com fração de PA12 variável entre 36 e 45% em volume, e processadas via FLPL utilizando velocidades de varredura entre LS = 600 ? 1400 mm/s. A partir desta combinação de variáveis, foi possível obter ímãs compósitos com densidade geométrica máxima de ? = 4,57 g/cm³, representando cerca de 5% de porosidade. A combinação entre a quantidade suficiente de ligante (40% vol. PA12) e a estratégia adequada para sinterização das partículas poliméricas (LS = 600 mm/s) possibilitou obter ímãs com Jr = 410 mT e (BH)max = 26,5 kJ/m³, respectivamente. Em relação ao desenvolvimento de textura magnética via torque mecânico, foram obtidos ímãs compósitos de Nd-Fe-B (MQA-38-14) e PA12 (35 ? 60% em vol.). Foi observado que, o torque mecânico causado durante o processo de construção das camadas dos ímãs compósitos foi suficiente para orientar fisicamente parte das partículas anisotrópicas de Nd-Fe-B, gerando valores médios de grau de alinhamento de = 0,74. Ao remover as partículas menos alongadas, foi possível aumentar os valores de textura para = 0,78, bem como os valores de (BH)max, passando de (BH)max = 21,2 kJ/m³ para (BH)max = 28,3 kJ/m³, nesta ordem.

Abstract: The possibility to combine components with geometrical complexity, performing specific functionalities created to a given application creates a very innovative potential scenario concerning the obtention of Nd-Fe-B permanent magnets. Regarding bonded magnets, the Laser Powder Bed Fusion (LPBF) process stands out as promising fabrication route for this class of material. However, major part of the reports from the state-of-art are from highly porous and magnetically isotropic bonded magnets. Parameters regarding both the laser processing and the feedstock, such as laser scan speed (LS) and polymeric binder fraction were briefly evaluated concerning porosity elimination. Furthermore, two approaches based on the use of a magnetic torque are reported as strategies for crystallographic texture development. The physical orientation of elongated and magnetically isotropic particles, on the other hand, was reported on LPBF of bonded magnets. The mechanical torque exerted over these particles during the layer building can promote this orientation. Based on this context, the present thesis presents original contributions to the state-of-art regarding remanence enhancement strategies of Nd-Fe-B bonded magnets obtained via LPBF. The first part explores the influence of both laser scan speed (LS) values and feedstock composition on the porosity elimination step of the obtained magnets. The second part evaluates the possibility of crystallographic texture development using a mechanical torque, exploiting both morphological and magnetic anisotropy of the Nd-Fe-B particles. In this way, in the first part of this work, isotropic Nd-Fe-B bonded magnets were obtained via LPBF using commercial Nd-Fe-B (MQP-S-9-8 grade) and polyamide-12 powders. Feedstocks composed of PA12 fractions varying between 36 and 45% in volume were produced and laser processed into bonded magnets employing LS values between 600 ? 1400 mm/s. From this combination, bonded magnets with maximum geometrical density values of ? = 4.57 g/cm³ were obtained, which corresponds to 5% of porosity. The combination between the sufficient fraction of binder (40 vol.%) and the suitable sintering strategy (LS = 600 mm/s) allowed the obtention of magnets with Jr = 410 mT and (BH)max = 26.5 kJ/m³, respectively. Regarding the magnetic texture development approach using a mechanical torque, anisotropic Nd-Fe-B (MQA-38-14) and PA12 (35 ? 60% vol.) composite magnets were obtained. It was observed that, the mechanical torque promoted during the layer building step was enough to physically align the Nd-Fe-B anisotropic particles, generating a mean alignment degree of = 0.74. Using only the most elongated particles, it was possible to increase the alignment degree values up to = 0.78, as well as the (BH)max, from 21.2 to 28.3 kJ/m³, in this order.