德大学研发富铁非晶合金3D打印电机部件，助力电动车提效降耗

萨尔兰大学与AM2SoftMag项目的研究团队近日开发出一种用于电动汽车电机部件的新型富铁非晶合金。
这项历时四年的研究成果，采用双激光扫描策略在激光粉末床熔融过程中精确控制时间延迟，打印出密度超过92%且保持完全非晶态的铁基金属玻璃，有望帮助电动车降低能耗并延长运行时间。

合金配方由德国萨尔兰大学设计，成分为铁、硅、硼、铌和镍，含铁量在70%至80%之间。
这种材料不含钴和稀土元素，也无需使用高性能电机材料中常见的其他关键合金元素，绕开了供应链上的敏感点，社会风险和供应风险都更小。
铁基金属玻璃具有软磁特性，能降低涡流损耗和磁损耗，对电机来说是很有吸引力的材料。

在传统电机中，定子和转子由粗晶粒晶体铁合金制成。
当磁场反复反转并迫使微观磁畴在晶格内重新取向时，损耗会增加，这就是磁滞损耗。
「我们正在研究通过改进电机中使用的材料来降低这些效率损耗，」萨尔兰大学Ralf Busch教授表示。
「当今电机中的定子和转子部件是由传统的软磁性粗晶粒铁合金制成的。
尽管这些合金已经过优化，但在反复磁化过程中仍表现出相对较高的磁滞损耗。」

非晶态材料中不存在微晶体，这使得磁畴能够更自由地重新取向，从而降低铁损和发热。
「当微晶尺寸极小，即呈纳米晶结构，或者完全不存在晶体结构，即材料呈玻璃状或非晶态时，损耗会急剧下降，」Busch补充道。
「我们希望用非晶态、玻璃状的合金来替代这些传统的晶体合金，因为它们在再磁化过程中几乎不损失任何能量。」

团队通过激光粉末床熔融工艺加工这些材料，形成约50微米厚的层，最终制成完全非晶态的电机部件。
这项技术能精确控制冷却速率，使材料在形成晶体结构前凝固。
不过，激光粉末床熔融工艺中反复加热冷却的循环经常会让材料长出结晶，一结晶性能就会下降。
研究团队为此筛选了数百种合金，确定了三种能够抵抗结晶化、同时满足增材制造和电机使用要求的合金成分。
新的合金把抗脱玻化的临界厚度做到了1毫米，几乎是商业替代品的十倍。

双激光扫描方法还帮助团队获得了44安培每米的磁矫顽力，研究者表示这个数值极低，属于目前针对这类3D打印材料开发出的最有效方法之一。

工艺参数由西班牙IMDEA材料研究所可持续冶金团队优化。
他们用X射线衍射、电子显微镜和原子探针断层扫描确认，合金元素在整个结构里随机分布，力学和磁性能的均匀性因此有了保障。
研究团队负责人、论文共同作者、IMDEA材料研究所首席研究员玛丽亚·特蕾莎·佩雷斯·普拉多说，合金设计和打印工艺优化让他们在制造过程中避开了结晶。
她说，最后得到的是磁性能优异的材料，未来可能让电机效率提升一大截，整体能源浪费也会明显少下来。

潜在应用范围涵盖电动滑板车、无人机以及其他小型电动车和设备，这些领域都能从显著的效率提升中受益。

「现在的挑战是发展这一工艺，使其在实际工业规模应用中可靠工作，」Matthias Nienhaus教授总结道。
目前的工作重点在于完善L-PBF工艺参数并开发新的制造方法，以使该技术更接近工业化。
研究团队接下来的计划是消除缺陷、扩大制造规模，再把合金装进原型电机的转子和定子里测试。

这项工作在AM2SoftMag项目下进行，该项目通过欧洲创新委员会的「欧洲地平线探路者开放计划」获得了350万欧元的资金。
该联盟最初于2022年由伊莎贝拉·加里诺教授在萨尔兰大学牵头建立。
磁性部件的工业级3D打印由德国Heraeus AMLOY Technologies公司负责。
学术合作伙伴包括马德里IMDEA材料研究所、都灵INRIM（意大利国家计量研究所）、华沙AMAZEMET和柏林工业大学的专家。

减少电机中的能量损耗，正处于电气化、可持续发展目标和工业竞争力的交汇点。
萨尔兰大学的研究着眼于能量损耗背后的物理机制，用不会在磁翻转过程中产生热量的结构，取代了产生热量的晶体金属结构。