Manufatura aditiva de ímãs compósitos à base de Sm-Fe-N via fusão em leito de pó a laser

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Engerroff, Juliano Assis Baron
Data de Publicação: 2020
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFSC
Texto Completo: https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/220500
Resumo: Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Florianópolis, 2020.
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spelling Manufatura aditiva de ímãs compósitos à base de Sm-Fe-N via fusão em leito de pó a laserCiência dos materiaisEngenharia de materiaisFerromagnetismoÍmãs permanentesTese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Florianópolis, 2020.A técnica de manufatura aditiva conhecida como fusão em leito de pó a laser (FLPL) tem sido recentemente apontada como promissora para a preparação de ímãs compósitos, de matriz ligante polimérica, contendo fases à base de terras raras do tipo Nd2Fe14B como substância principal. Uma das principais razões para o uso desse composto ferromagnético se deve ao fato de esse ser o mais tradicionalmente empregado para fabricação de ímãs, por seu elevado desempenho e fácil acesso no mercado. No entanto, nos últimos anos, vários outros compostos à base de terras raras foram desenvolvidos, tais como a fase SmFe7Nx, a qual rivaliza com diversos atributos importantes dos ímãs tradicionais compostos de Nd2Fe14B, em particular no que se refere à maior estabilidade térmica de suas propriedades magnéticas. Neste contexto, a presente tese de doutorado visa apresentar contribuições inéditas ao estado da arte quanto ao domínio da técnica de FLPL para a fabricação de ímãs compósitos alternativos, à base de SmFe7Nx, bem como ao entendimento da estabilidade térmica desses para aplicações em temperaturas mais elevadas (aproximadamente 100 °C). Quanto ao processo de fabricação via FLPL, foi dado ênfase ao efeito de variáveis de processamento (temperatura do leito de pó, potência do laser e velocidade de varredura) na densidade e nas propriedades magnéticas e microestruturais. Este estudo evidenciou que há relações diretas entre a densidade dos ímãs compósitos com a variação de parâmetros de processo, obtendo-se ímãs de até 2,6 g/cm³ e remanência de até 0,32 T com o uso de velocidades de varredura reduzidos (600 mm/s), ou com altos valores de potência do laser (60 W). Ademais, estes valores de propriedades foram obtidos em diferentes condições de temperatura no leito de pó. Quanto às propriedades microestruturais das amostras, por análises via difração de raios X, foi evidenciado que não houve degradação da fase principal, SmFe7Nx, durante o processamento via FLPL. Já por microscopia eletrônica de varredura, revelou-se o aspecto da fratura das amostras, contendo partículas de Sm-Fe-N aderidas à matriz ligante. Desta forma, o conjunto de evidências permitiu a compreensão do processo de FLPL aplicado a substâncias à base de SmFe7Nx. Em uma etapa seguinte, buscou-se avaliar a estabilidade térmica desses componentes e compará-los a ímãs de Nd-Fe-B via ensaios de envelhecimento térmico a 95 °C, durante 100 h, em atmosfera aeróbica. Preparou-se, via FLPL, ímãs compósitos de Sm-Fe-N e de Nd-Fe-B, os quais foram submetidos ao ensaio de envelhecimento sob monitoramento quanto às suas propriedades magnéticas ao longo desse tratamento térmico. Ao final do ciclo, concluiu-se que os ímãs à base de Sm-Fe-N possuem maior estabilidade térmica, com redução de polarização magnética de até 9%, em contraste aos de Nd-Fe-B, com redução de aproximadamente 11%. Portanto, um dos principais atributos de ímãs à base fase SmFe7Nx obtidos por FLPL foram evidenciados, podendo ocupar uma posição de destaque frente aos tradicionais compostos de Nd2Fe14B na utilização de ímãs em temperaturas mais elevadas.Abstract: The additive manufacturing technique known as laser powder bed fusion (LPBF) stands out as promising to obtain polymer bonded magnets, with rare earth-based phases compounds of Nd2Fe14B type as the main component. One of the main reasons for the use of this ferromagnetic compound is due to the fact that it is the most commonly used for the production of hard magnets, due to its high performance and availability in the market. However, in the past years, several other rare earth-based compounds have been developed, such as SmFe7Nx, which rivals important attributes of traditional magnets composed of Nd2Fe14B, particularly in regards to the thermal stability of their magnetic properties, in which it even surpasses the traditional magnets. In this context, this work aims to contribute to the state of the art in the domain of the LPBF technique for the manufacture of alternative composite magnets, based on SmFe7Nx, as well as the understanding of their thermal stability for applications in higher temperatures (approximately 100 °C). As for the manufacturing process via LPBF, emphasis is placed on the effect of processing variables (powder bed temperature, laser power and scanning speed) on density and magnetic properties. This study shows that there are direct relationships between the density of composite magnets and the variation of process parameters, obtaining samples with density of up to 2.6 g/cm³ and remanence of up to 0.32 T using reduced scanning speeds (600 mm/s), or applying high laser power values (60 W). Furthermore, these property values were obtained under different temperature conditions of the power bed. As for the microstructural properties of the samples, by X-ray diffraction analysis, it is evident that there was no degradation of the main phase, SmFe7Nx, during processing via LPBF. As for scanning electron microscopy, the fracture aspect of the samples was revealed, containing Sm-Fe-N particles adhered to the polymeric matrix. Thus, all evidences enabled the understanding of FLPL processing applied to SmFe7Nx-based substances. In a further step, it was aimed to evaluate the thermal stability of these components and compare them to Nd-Fe-B magnets via thermal aging tests at 95 °C, during 100 h under air atmosphere. Sm-Fe-N and Nd-Fe-B composite samples were prepared, by LPBF, which were subjected to the aging test, monitoring them for their magnetic properties during this heat treatment. At the end of the cycle, it is concluded that magnets based on Sm-Fe-N have greater thermal stability, with a reduction in magnetic polarization of up to 9%, in contrast to Nd-Fe-B, which have a reduction of approximately 11%. Therefore, one of the main attributes of magnets based on the SmFe7Nx phase obtained by LPBF is highlighted, and may occupy a prominent position compared to the traditional compounds of Nd2Fe14B in the use of magnets at higher temperatures.Wendhausen, Paulo Antonio PereiraAhrens, Carlos HenriqueUniversidade Federal de Santa CatarinaEngerroff, Juliano Assis Baron2021-02-26T14:53:17Z2021-02-26T14:53:17Z2020info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesis93 p.| il., gráfs.application/pdf371065https://repositorio.ufsc.br/handle/123456789/220500porreponame:Repositório Institucional da UFSCinstname:Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)instacron:UFSCinfo:eu-repo/semantics/openAccess2021-02-26T14:53:17Zoai:repositorio.ufsc.br:123456789/220500Repositório InstitucionalPUBhttp://150.162.242.35/oai/requestopendoar:23732021-02-26T14:53:17Repositório Institucional da UFSC - Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)false
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