Manufatura aditiva de compósito à base de Nd-Fe-B por deposição por energia direcionada a laser

Autor: Truppel, Gustavo Henrique
Přispěvatelé: Universidade Federal de Santa Catarina, Pereira, Milton, Wendhausen, Paulo Antonio Pereira
Jazyk: portugalština
Rok vydání: 2020
Předmět:
Zdroj: Repositório Institucional da UFSC
Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC)
instacron:UFSC
Popis: Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2020. Ímãs permanentes à base da liga neodímio-ferro-boro (Nd-Fe-B) são aplicados em motores elétricos, geradores eólicos, entre outras tecnologias. Eles podem ser classificados em dois tipos: sinterizados e compósitos. Quando comparados aos sinterizados, os compósitos são fabricados através da consolidação de materiais particulados à base de Nd-Fe-B e um ligante de distinta composição química e menor ponto de fusão. Entre as possíveis técnicas de processamento, a Manufatura Aditiva (MA) possui vantagens, pois permite uma diminuição dos custos dos ímãs permanentes devido ao potencial de redução de desperdícios de materiais associados à fabricação, como por exemplo a usinagem. O estado da arte da fabricação de ímãs permanentes apresenta avanços de técnicas de MA, mas não são encontradas abordagens conjuntas entre o processo de Deposição por Energia Direcionada a Laser (DED-L) e ímãs compósitos metálicos à base de Nd-Fe-B. Considerando o cenário exposto, experimentos de MA de compósitos à base de Nd-Fe-B e um ligante metálico de baixo ponto de fusão (estanho, Sn) por DED-L foram efetuados. O objetivo do trabalho foi de analisar influências do processo e ressaltar suas vantagens, desvantagens e direcionamentos tecnológicos para desenvolvimento da abordagem técnica. Dividida em três etapas, a metodologia experimental buscou primeiro definir parâmetros de processamento (potência do laser, razão de sobreposição de cordões e altura de camada) para posteriormente fabricar os compósitos. As deposições foram efetuadas com uma fonte de laser de fibra em conjunto a um cabeçote e bocal de revestimento a laser, esses acoplados a um sistema de movimentação por controle numérico. As matérias-primas de adição foram uma mistura de pó de Fe e de Sn (etapa inicial de definição de parâmetro) e uma de pó MQP-S (Nd-Fe-B) e de Sn (etapa da manufatura dos compósitos). As caracterizações dos resultados foram efetuadas através de microscopia eletrônica de varredura (MEV), densidade de Arquimedes, magnetometria por histeresígrafo e difratometria de raios-x (DRX). A partir dos aspectos dimensionais e microestruturais, a fase inicial dos experimentos mostrou que uma faixa da potência do laser entre 120 e 150 W gerou cordões com características microestruturais similares a compósitos de matriz metálica. Logo, esses dados foram utilizados em simulações de MatLab para definir outras configurações de processo (razão de sobreposição de cordões, número de cordões por camada, entre outras). Após conclusão dos fatores constantes de processo, amostras de Nd-Fe-B e Sn foram processadas com potências variadas entre 90 e 120 W. Foi observado que os diferentes níveis energéticos resultantes influenciaram a um aumento das médias de massa, densidade e uniformidade geométrica. Porém, as condições de processamento adotadas não preservaram as propriedades magnéticas da matéria-prima de Nd-Fe-B e resultaram em menores valores de coercividade intrínseca (Hcj) quando comparados aos de uma mesma mistura não processada por laser. A deterioração das propriedades foram relacionadas com transformações de fase e oxidação do pó de Nd-Fe-B. Assim sendo, foi concluído que a combinação atual dos parâmetros empregados e equipamento utilizado não é apta a produzir ímãs compósitos à base de Nd-Fe-B por MA. No entanto, os resultados mostraram que houve tendência de Hcj ser inversamente proporcional à potência do laser. Apesar da redução do desempenho magnético da matéria-prima de Nd-Fe-B, amostras de 90 e 105 W apresentaram magnetização remanescente e permaneceram aderidas a uma superfície metálica vertical após serem magnetizadas. Logo, a técnica demonstra potencial de aplicação. Para isso, são necessárias otimizações de infraestrutura (controle de atmosfera e feixe laser com maior diâmetro, por exemplo) e de configurações de deposição (maiores velocidades de deposição, controle da potência durante as deposições, entre outras). Abstract: Neodymium-iron-boron (Nd-Fe-B) permanent magnets are applied in electric motors, data processing, wind generators, and other technologies. They can be classified into two types: sintered and composite. Compared to sintered, composites are manufactured by consolidating Nd-Fe-B-based particulate materials and a binder of distinct chemical composition and lower melting point. Additive Manufacturing (AM) presents advantages among possible processing techniques since it allows cost reduction by reducing material waste associated with manufacturing, such as machining. State of the art in permanent magnets manufacturing includes advances in AM techniques, but not an approach combining laser-based Directed Energy Deposition (DED-L) and Nd-Fe-B composite magnets. Thus, AM experiments of Nd-Fe-B-based composites and a low melting point metallic binder (tin, Sn) by DED-L were performed. The work's objective was to analyze process influences and emphasize its advantages, disadvantages, and technological directions for the technical approach development. Divided into three stages, experimental methodology first sought to define processing parameters (laser power, tracks overlapping ratio, and layer height) to later manufacture the composites. Depositions were performed with a fiber laser source and a head and laser cladding nozzle coupled to a numerical control movement system. Feeding raw materials were a mixture of Fe and Sn powder (initial parameter setting step) and a mixture of MQP-S (Nd-Fe-B) and Sn powder (composite manufacturing step). Results characterizations were performed by Scanning Electron Microscopy (SEM), Archimedes density, magnetometry, and X-Ray Diffractometry (XRD). Dimensional and microstructural aspects from the initial phase experiments showed that a laser power between 120 and 150 W generated tracks with microstructural characteristics similar to metal matrix composites. Therefore, data regarding the respective parameter range were used in MatLab simulations to define other process configurations (such as tracks overlapping ratio, number of tracks per layer and layer height). After defining constant process factors, Nd-Fe-B and Sn samples were processed with laser powers varying between 90 and 120 W. It was observed that the different energy levels increased results of mass, density, and geometric uniformity. However, processing conditions adopted did not preserve the magnetic properties of the Nd-Fe-B raw material and resulted in reduced intrinsic coercivity (Hcj) values when compared to the same unprocessed mixture. Properties deterioration was related to phase transformations and oxidation of Nd-Fe-B powder. It was concluded that the actual employed parameters combination and the equipment used could not produce Nd-Fe-B composite magnets by AM. However, results showed that there was a tendency of Hcj to be inversely proportional to laser power. Even with a magnetic performance reduction, samples processed with 90 and 105 W showed remanescent magnetization and remained adhered to a vertical metallic surface after being magnetized. Therefore, the technique has potential for application. For this, optimizations of infrastructure (controlled atmosphere and laser beam with bigger sport size, for example) and deposition configuration (higher traverse speeds, in situ control of laser power, among others) are needed.
Databáze: OpenAIRE
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