磁性材料及其制造方法
【专利摘要】用于控制磁性材料中的磁各向异性的设备和方法，包括将粉末状金属材料层引导至热传导基底。向粉末状材料施加足以熔化该粉末状材料的电磁能，粉末状材料随后冷却以在基底上产生固态层。在至少冷却步骤期间向材料施加外部磁场，从而使固态磁性材料层印记有磁各向异性。可以使用该技术来制造各种新的磁结构。
【专利说明】
磁性材料及其制造方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及新的磁性材料和用于制造所述磁性材料的方法。
【背景技术】
[0002]先前已经关于制造非晶体金属、晶体金属和纳米金属的三维体描述了对粉末状材料进行选择性的局部化激光熔化和电子束熔化的技术。
[0003]当将金属材料从熔融相冷却至固相时，通常会获得多晶结构。微观结构有大量不同的晶粒构成，其中每个晶粒中的原子根据规则的图案排列。如果原子相反地是完全无序的并且不存在具有规则定位的原子的晶粒，则材料被认为是非晶态的。这可以例如通过下述方式来实现:使熔化物非常快速地冷却，使得没有时间生长任何晶粒。
[0004]US 8052923描述了一种其中使三维体逐层积累的技术。向热传导基底施加金属粉末层，并使用辐射枪(诸如激光或电子束)熔化该层的限定区域。使该区域冷却，使得熔化的区域固化为非晶体金属。可以依次对该层的新的限定区域重复熔化过程和冷却过程，直到形成连续的非晶体金属层。然后可以施加新的粉末层，并重复熔化过程和冷却过程，从而使新层融合于下面的非晶体金属。利用连续层，可以形成非晶体金属的三维体。
[0005]因为每次通过辐射枪来熔化粉末层的较小区域，所以可以使熔化的区域立即冷却。容易使小体积的熔化合金冷却，并且可以实现用于使熔化的体积固化为非晶体金属的临界冷却速度。
[0006]US 8333922描述了US 8052923中所描述的技术的进一步开发。在US 8333922中，认识到可以根据规定的时间温度曲线冷却熔化区域，以便在非晶体金属的基体中形成晶体金属颗粒或纳米晶体金属颗粒的复合物。可以重复该方法，直到形成包含期望程度的复合金属的连续层。相应地，可以施加新的粉末层，并重复该方法，以用于构建具有所需的晶体结构或纳米晶体结构的三维体。
[0007]US 8333922还公开了可以将这两种技术结合，其中借助于辐射枪将已形成的非晶体金属的限定区域再加热至在材料的玻璃转变温度(Tg)以上的温度，并调节辐射枪使得根据规定的时间温度曲线对限定区域进行热处理，以便在非晶体金属的基体中将非晶体金属转变成晶体金属颗粒或纳米晶体金属颗粒的复合物。可以通过TTT-图(时间温度转变)和CCT-图(连续冷却转变)建立适合的时间温度曲线。这些图包括结晶曲线，所谓的鼻状曲线，该结晶曲线示出了在过冷状态下在非晶体合金中开始结晶化的温度和时间。
[0008]在本发明中，已经认识到可以利用和开发如在US 8052923和US 8333922中所描述的这些制造技术，以使所制作的金属材料具有特定的、局部化的性质，并产生新的金属材料。
[0009]本发明的目的是提供一种具有某些特性(例如磁各向异性)的材料，这些特性局部化在材料的特定区域处。
【发明内容】
[0010]根据一个方面，本发明提供了一种包括多层的磁结构，该结构的选定层具有不同的化学组成和不同的磁各向异性(磁向异性)。
[0011 ]该磁结构可以形成为晶体材料、纳米晶体材料或非晶体材料的单一结构，或者形成为单一结构中晶体材料区域、纳米晶体材料区域和非晶体材料区域的组合。该磁结构可以通过粉末熔化工艺形成。该结构内的至少一个层可以沿着平面内的方向呈现出磁各向异性的阶跃变化。磁各向异性的阶跃变化可以为矫顽力的阶跃变化或易轴方向的阶跃变化，或者矫顽力的阶跃变化和易轴方向的阶跃变化两者。该结构内的至少一个层可以沿着平面内的方向呈现出磁各向异性的周期性。磁结构可以沿着横向于层的平面的方向呈现出磁各向异性的周期性。该结构的至少一个层可以包括非晶体金属层。该结构的至少一个层可以包括纳米晶体金属层或晶体层。
[0012]根据另一方面，本发明提供了一种控制磁性材料中的磁各向异性的方法，该方法包括下述步骤:
[0013]i)将粉末状金属材料层引导至热传导基底；
[0014]i i)向粉末状材料施加足以熔化该粉末状材料的电磁能；
[0015]iii)随后使所熔化的材料冷却，以在基底上产生固态层；
[0016]iv)在至少步骤iii)期间向材料施加外部磁场，从而使固态磁性材料层印记有磁各向异性。
[0017]该方法还可以包括下述步骤:在步骤i i)期间仅向层的选定体积元素施加电磁能，从而在该层内产生所印记的磁各向异性的空间变化。可以对该层的连续不同的选定体积元素重复步骤和iv)，从而在层内产生所印记的磁各向异性的空间变化。可以使用不同方向和/或大小的外部磁场重复步骤i i )、:1:1:0和:^)。可以在至少步骤i i i)期间改变所施加的外部磁场，从而控制该层内所印记的磁各向异性，以产生所印记的磁各向异性的空间变化。可以通过旋转磁场来改变所施加的外部磁场。可以重复步骤i)至iv)，以积累磁性材料的连续层，每层均印记有磁各向异性。该方法还可以包括改变用于上述连续层的粉末状金属材料的组成。这可以包括改变向上述连续层施加的外部磁场的方向和/或大小。步骤i)可以包括将粉末状金属材料层设置在基底上，并且可以当将粉末状金属材料布置在基底上时进行步骤ii)。可以通过从喷嘴分配粉末状金属材料、同时施加电磁能以熔化喷嘴中或邻近喷嘴的所述材料，基本上同时进行步骤i)和i i)。在步骤i V)期间或者对于步骤i V)的连续发生，外部磁场可以在空间和时间中的一个或多个方面变化。该方法可以为添加制造工艺，或者可以包含在添加制造工艺中。
[0018]根据另一方面，本发明提供了一种用于生产具有受控的磁各向异性的磁性材料的设备，包括:
[0019]粉末分配器，其被配置成将粉末状金属材料层引导到热传导基底上或引向热传导基底;
[0020]辐射源，其被配置成向热传导基底上或邻近热传导基底的粉末状材料引导足以熔化该粉末状材料的电磁能；
[0021 ]冷却机构，其用于使热传导基底上所熔化的材料冷却；
[0022]磁场生成设备，其被配置成向热传导基底上所熔化的材料施加磁场，以使从经冷却的熔化材料产生的固态磁性材料层印记有磁各向异性。
[0023]现在将通过示例的方式并参照附图来描述本发明的实施例，在附图中:
[0024]图1为适合于生产下述本体的设备的示意性截面图，贯穿该本体具有在空间上变化的磁各向异性；
[0025]图2为适合于向本体添加具有在空间上变化的磁各向异性的材料的设备的示意性截面图；
[0026]图3为实验设备以及用该实验设备构建的磁结构的示意图，图3a示出了平面图，并且图3b示出了沿线A-A的截面；以及
[0027]图4示出了用根据图3的布置所生产的样品磁结构的磁各向异性的测量值。
[0028]在整个说明书中，措辞‘材料’旨在涵盖组合物、金属和金属合金。措辞‘磁性材料’可以涵盖金属、金属合金以及包括这样的金属和金属合金的组合物，例如包括硅、氧、氮或其他材料以用于控制电阻率或用于控制其他参数和性质的组合物。
[0029]图1示出了适合于制造下述磁性材料的设备，其中材料的磁各向异性可以随着材料内的位置发生变化。该设备包括工作台1(例如载物台或平台)，该工作台可竖直地调节(即可在z方向上进行调节)并布置在结构支撑件中或结构支撑件上，该结构支撑件诸如为壳或框架2。可以通过任何适合的机构来实现工作台I的竖直调节(S卩z位移)；在所示的示例中，示出了在固定螺母9内旋转的螺纹轴8。粉末分配器3可沿X方向和y方向两者跨工作台I移动，以用于施加粉末层4。辐射源5(诸如激光器5a或电子束枪5b)具有相关联的控制装置6，以用于将激光束或电子束引导至粉末层4上的选定位置。可以使用其他提供电磁能的辐射源。可以使用多于一个的辐射源。在使用多于一个的辐射源的情况下，辐射源可以为相同类型或不同类型的，并且可以被配置成提供可以同时指向粉末层上的相同选定位置或不同选定位置的多个射束。
[0030]工作台I可以包括具有高热导率的材料(如铜)的厚板。可以在工作台I中布置冷却管或冷却管道10，使得冷却剂可以穿过该冷却管或冷却管道，从而使工作台以及工作台上的任何工件冷却。布置有连接件11，以用于供应和排放冷却剂。冷却剂可以例如为水或其他热传输流体介质(诸如高纯氦或氢气)，或者可以为制冷剂。
[0031]粉末分配器3可以为漏斗形容器，其可沿着平行于工作台(例如在x-y平面上)的导引装置12滑动。当经过工作台的上方时，从分配器3的下缘分配粉末，并且如有需要，可以布置刮板或其他整平装置(未示出)以使粉末均匀地分配在工作台上。
[0032]辐射源5可以包括高功率激光器5a，如钇铝石榴石(YAG)激光器，并且控制装置6可以包括反射镜以使激光束偏转，从而提供射束跨x-y平面的移动。辐射源5可以包括电子束5b，在这种情况下，控制装置6可以使用偏转线圈。
[0033]该设备可以包括壳体7，该壳体可以为密封封闭件，使得在电子束熔化的情况下，可以在熔化过程期间维持惰性气氛，或者真空或部分真空。当通过电子束进行熔化时，壳体7可以用于使设备经受真空的部分封闭；或者当使用激光熔化时，该壳体可以使设备经受活性或惰性气体气氛(例如氧和/或氩)的部分封闭。
[0034]控制计算机20可以包括:载物台控制程序22，其被配置成控制工作台I的z位置;粉末控制程序25，其被配置成控制粉末分配器3;辐射源控制程序，其被配置成控制辐射源5及该辐射源的x-y位置控制装置6。控制计算机20还可以包括冷却控制程序23，该冷却控制程序被配置成通过利用阀23a调节冷却剂的流速或通过调节制冷循环来控制对工件的冷却。冷却控制程序23可以被配置成根据工件的期望目标结晶度来提供特定的和可变的冷却速率曲线。
[0035]与控制计算机20耦合的存储器28可以包括数据文件，该数据文件提供在工作台上制作特定结构所需的所有过程控制指令，如下文将更详细描述的。
[0036]虽然图1所示的设备具有x-y位置固定但z位置可变的工作台，并且辐射源5和粉末分配器3在z位置固定且可沿x-y位置移动或改变，但更一般地说，能够改变工作台I (以及其上的任何工件)相对于辐射源和粉末分配器的位置的任何机构均可以是适合的。
[0037]图1中还示出了布置在工作台I周围的磁场生成设备21。由此生成的磁场用于在工件中印记磁各向异性。磁场生成设备21可以是适合于在粉末层4被熔化时并且特别地在粉末层被冷却时生成穿过粉末层的磁场的任何设备。磁场生成器21可以为固定磁场生成器，例如布置在工作台I周围或邻近工作台的一个或多个永磁体。磁场生成器21可以为可变磁场生成器，例如布置在工作台周围或邻近工作台的永磁体或电磁体的任何合适布置，通过该布置可以以受控方式改变穿过粉末层4的场方向和/或场强度。例如，使用电磁体，能够利用电流来控制场强度和/或方向。一种布置可以包括布置在工作台的边缘周围的一对或多对亥姆霍兹线圈，这些亥姆霍兹线圈可以分别致动以改变场方向和强度。在另一种布置中，可以使用相对于工作台的位置和/或取向可控的永磁体来改变磁场强度和/或方向。可以使用计算机控制的机械驱动系统或机器人系统来控制永磁体的位置和/或取向。层叠的四极磁体的使用允许磁场快速旋转，从而使得能够实现所印记的磁各向异性的空间变化。
[0038]可以通过控制计算机20中的磁场控制程序24来控制磁场生成器。
[0039]现在将在激光辐射源5a的背景下描述设备的使用方法，但如前所述，可以相应地使用电子束辐射源5b或任何其他电磁辐射源。
[0040]通过粉末分配器3在工作台I上散布薄粉末层4。可以通过刮板(未示出)使粉末层平整或另外地使粉末层散开。控制计算机20通过辐射源控制程序26和控制装置6将激光引导至粉末层4的待熔化的一个或多个选定区域30。使用一个或多个激光脉冲来熔化一个或多个选定区域30。优选地，在选定区域上熔化粉末层的整个厚度，以融合至工作台I。由此，与已冷却工作台进行热传递将是最佳的。
[0041]可以调节在选定区域30上的射束的功率和/或该射束的停留时间，以便实现期望的冷却速度，并由此实现期望的时间温度曲线。可以使连续的射束沿X方向和/或y方向扫射，以引起连续地熔化穿过粉末层4的路径，射束的速度决定停留时间。还可以通过冷却控制程序23来控制冷却速率。
[0042]控制计算机20可以将激光器5a引导至连续的选定区域30，并且在那些连续的选定区域中重复熔化过程。如果每个选定区域需要不同的材料性质，则可以针对每个选定区域将辐射源5调节至不同的功率值和/或停留时间值。可以重复该方法，直到所有所需的选定区域均已融合成连续层。可以便利地将最小的可访问选定区域视为粉末材料的可由辐射束访问的最小尺寸体积元素(体元)，并且可以根据存储在存储器28中的、待处理体积元素的图来处理整个粉末层4。
[0043]在可替换的方法中，可以通过利用给出材料的非晶相的冷却速度来产生完全非晶体层。然后可以将辐射源引导至非晶体层的上方，并且使选定区域或体积元素加热至在合金的玻璃化转变温度Tg以上的温度。可以调节射束的功率和停留时间，使得根据选定的时间温度曲线对体积元素进行热处理，以便在非晶体基体中将非晶体材料转变成晶体金属颗粒或纳米晶体金属颗粒的复合物。对层的待转变非晶体结构的所有区域重复该方法，并且该层会在选定部分中给予期望的材料性质。
[0044]随后，降低工作台1，并且由粉末分配器3施加新的薄粉末层4。用辐射源5熔化新的选定区域或体积元素，从而将该体积元素融合至下面的层。以这种方式，逐层积累出三维体，每层均具有根据三维体所需的截面轮廓熔化的体积元素。如果本体融合至工作台，则可以在完成时割离本体。所产生的第一层可以为牺牲的多余材料，并且可以被形成以确保与工作台的良好热传递。
[0045]—个重要特征是可以在加热或冷却步骤期间改变通过磁场生成器穿过工件的磁场的强度和/或方向。该磁场的存在(特别是在冷却过程期间)使得能够在正被处理的层中印记特定的磁各向异性。更具体地，该磁场在冷却期间的存在使得能够在正被处理的每个体积元素中印记特定的磁各向异性。因此，将认识到，通过针对由辐射源5处理的每个体积元素改变由场生成器21提供的磁场强度和/或磁场方向，可以将磁各向异性的复杂图案印记到通过上述过程积累的磁性材料的本体中。
[0046]因此，在总体方面，可以看出该设备提供了控制磁性材料中的磁各向异性的方法。其使得能够在材料层内产生所印记的磁各向异性的空间变化(即磁各向异性在X和y上的空间变化)，还使得能够产生所印记的磁各向异性在各层之间的空间变化(即磁各向异性在z上的空间变化)。
[0047]粉末分配器3例示了用于将粉末状金属材料层引导到热传导基底上的机构。热传导基底可以为工作台I以及工件的在新的粉末状金属下面的任何之前已处理层。辐射源5例示了下述装置:该装置用于向粉末状材料局部地施加足以熔化该粉末状材料的体积元素的电磁能，使得体积元素随后可以被冷却以产生固态层。磁场生成器21例示了下述装置:该装置用于至少在材料的体积元素的冷却和固化阶段期间向上述体积元素施加外部磁场，使得可以将具有预定大小和方向的磁各向异性印记到层中，并且特别地在需要时分别印记到每个体积元素中。
[0048]外部磁场可以至少在冷却和固化步骤期间施加，但是也可以在通过辐射源5施加电磁能期间施加。然而，在将电子束用作辐射源5的情况下，由磁场生成器提供的外部磁场可能具有足以干扰或影响电子束的强度。如果是这种情况，则优选地可以在冷却和固化步骤期间施加外部磁场，而不在通过辐射源5施加电磁能期间施加外部磁场。这可以通过适合的切换装置来实现。可替选地，如果外部磁场对电子束的影响是已知的并且可以表征，则可以利用通过辐射源控制程序26进行的射束操控(steering)和/或控制来抵消这些影响。
[0049]可以使用所描述的设备来制造特定类型的磁性材料结构。在一个示例中，磁各向异性可以沿X轴、y轴和z轴中任意的一个或多个轴贯穿材料在空间上变化，以限定周期性结构。可以在连续的熔化和冷却步骤期间连续旋转外部磁场，使得结构沿任何特定的轴均具有旋转的磁各向异性。措辞“旋转的磁各向异性”旨在涵盖下述结构:其中贯穿该结构分布的一系列相邻体积元素各自均具有单独的磁各向异性方向(例如易轴)，对于各个连续的体积元素而言，上述单独的磁各向异性方向成角度地增加。
[0050]旋转的磁各向异性可以针对各个连续的体积元素被设置为分立水平的各向异性，或者在例如电磁束在磁场旋转的同时连续行进的情况下，旋转的磁各向异性可以贯穿材料连续地变化。
[0051]在总体方面，对外部磁场的控制使得能够产生沿一个或多个方向(如沿x、y和/或z)具有梯度的磁性材料结构。这可以包括磁扭转/螺旋。在另一总体方面，对外部磁场的控制使得能够产生其中随着材料内的位置在材料中调整或控制下述各向异性参数的磁性材料结构:(I)磁化的方向(易轴)；(2)矫顽场，其限定用于在平行于易轴的两个方向之间切换磁化的能障，并因此限定磁化方向的稳定性；(3)饱和场，其限定各向异性的强度，其中饱和场越大，与易轴对齐的磁化的趋势越强烈。
[0052]通过随时间改变或针对连续层4分开地改变通过粉末分配器3分配的原料粉末的化学或元素成分，还可以产生下述层状结构:在该层状结构中，化学组成和磁各向异性两者例如沿X方向、y方向和Z方向中的一个或多个方向贯穿整个工件在空间上变化。在开始生产之前，可以在粉末分配器3中使不同的粉末和粉末组合物分层。可替选地，可以使用不同的粉末分配头，其中每个粉末分配头具有不同原料的储存器，类似于三色油墨打印头。措辞“化学组成”在整个说明书中用来涵盖元素和化合物两者以及它们的合金。贯穿整个说明书使用的措辞“结构”涵盖非晶体结构、晶体结构、纳米晶体结构以及它们的组合。可以通过调整冷却速率或将层状材料的温度提高到Tg以上来实现非晶体基体复合物中产生的非晶体-晶体复合物材料以及非晶体-纳米晶体材料。这可以通过调节辐射源(如激光器)功率和/或调节暴露时间来实现。
[0053]上述工艺可以大体上被描述为添加制造工艺，或者构成添加制造工艺的一部分。
[0054]因此，从所产生的工件产生的完整三维体可以在本体的不同部分具有不同的结构，并且可以包括非晶体部分和晶体部分以及非晶体基体中晶体金属颗粒或纳米晶体金属颗粒的复合物。通过针对不同的层使用不同的粉末，还可以沿本体改变本体的化学组成。
[0055]使用上述技术可以制造大量的新的磁性材料结构。
[0056]在一个示例中，磁性材料结构可以包括多个磁层(例如在z方向上)，其中该结构的选定层具有不同的化学组成和不同的磁各向异性。例如，由连续粉末层4积累的磁性材料的每层可以使用不同化学组成的粉末，并且由磁场生成器21对每层施加的外部磁场可以在每层中印记不同的磁各向异性。可以将各个层厚度产生为最低至仅仅由分配薄粉末层的能力以及由电磁辐射源引起的熔化深度限定的厚度。因此，各个层的典型厚度可以位于I微米的最小厚度和1000微米的最大厚度的范围内。优选的范围可以包括20-40微米或50-70微米的层厚度。可控厚度的实际范围将取决于可用辐射束的功率(和射束尺寸)，例如在200-400W的范围内或者甚至最高达IkW的激光束，或者在50-3500W的范围内的电子束。
[0057]可以提供处于使当前层下方的之前已处理的层再熔化的功率的辐射束。在这种情况下，将在所有的熔化层中实现通过所施加的外部场印记磁各向异性，上述所有的熔化层可以包括多于一个的之前已处理层。由于可以以类似的方式处理后续层，所以可以将最终印记的磁各向异性施加至与经施加的粉末层厚度类似的层厚度，但包括当前新的粉末层下面的一层或多层。换言之，可能需要将磁场控制程序24编程成在粉末控制程序25之后对一层或多层后面的层实施适当的磁场方向。
[0058]相邻层之间的磁各向异性差异可以包括磁场方向的完全逆转，或者也许是磁场方向转过特定角度，例如90度，或者可以包括易轴方向的变化。磁各向异性差异可以包括正交磁位形(V2)，从而在层的平面中引起磁化的近各向同性响应。相邻层之间的磁各向异性差异可以包括磁化大小的变化或矫顽力大小的变化以及通过材料的选择和所施加的场强度实现的饱和场。在每层中，在任何预定的易轴方向上均可以存在单轴各向异性。如有需要， 相邻层可以设置有相同的磁各向异性，例如用以积累具有单轴各向异性的较厚层。
[0059]磁性材料结构可以包括多个磁层(在z方向上)，其中该结构的各层具有相同的化学组成，但具有不同的磁各向异性。
[0060]—种有用的特别类型的磁性材料结构是下述磁性材料结构:其具有单轴平面内磁各向异性，但单轴平面内磁各向异性的大小和/或方向在多层结构的各平面之间发生变化。 在总体方面，磁性材料结构可以在每个平面或至少在相邻平面中具有不同的单轴平面内磁各向异性。磁矩可以在各平面之间发生变化。[0061 ]此外，根据在电磁辐射熔化和冷却过程期间施加的外部磁场，磁各向异性可以在每层内改变(即在x方向和/或y方向上)。这使得能够形成具有至少一个下述层的磁性材料结构:上述层在该层的平面内呈现出磁各向异性的一个或多个阶跃变化，其中该层的各个体积元素具有不同的磁各向异性。磁各向异性可以被单独调节的体积元素的典型尺寸仅受到由电磁辐射源进行熔化和冷却的最小射束或光斑尺寸的限制。沿X和y的典型体积元素尺寸可以在10微米至10000微米的范围内。相邻体积元素的不同磁各向异性(并且因此相邻体积元素之间的磁各向异性的阶跃变化)可以包括磁场方向的完全逆转，或者磁场方向转过例如90度，或者可以包括易轴方向的受控或规则变化(与可能跨晶粒边界自然发生的随机变化不同)。相邻体积元素之间的磁各向异性差异(并且因此相邻体积元素之间的磁各向异性的阶跃变化)可以包括磁化大小的变化或者矫顽力大小或饱和场大小的变化，或者磁矩的变化。在每个体积元素内均可以存在单轴各向异性。如有需要，相邻体积元素还可以设置有相同的磁各向异性。[〇〇62]因此，在总体方面，所描述的技术使得能够在磁性材料结构中的特定地点(例如体积元素和层)处局部化磁各向异性的特性。[0063 ]上述技术使得能够产生沿x方向、y方向或z方向中任意的一个或多个方向具有磁各向异性的周期性的磁性材料结构，其中周期性可以具有最低至10微米的空间周期性，并且更一般地周期性在1至10000微米的范围内。因此，该结构可以沿x-y平面内的方向呈现出磁各向异性的规则周期性，并且在横向于x-y平面呈现出磁各向异性的规则周期性。
[0064]使用上述技术，可以产生在单一结构内具有所描述的磁各向异性的空间分布的磁性材料结构，其中该单一结构可以为非晶体金属结构、纳米晶体结构或多晶体结构，或者具体地为磁性材料结构内多于一个的上述结构的受控区域。上述粉末熔化工艺可以实现大于 99%的固体空隙比，并且在某些情况下高于99.9%。[〇〇65]可以对图1的设备进行各种修改。
[0066]图2示出了类似设备的示意图，该设备被配置成向非晶体金属或晶体金属的现有本体13添加磁性金属材料。本体13置于工作台1上，并包埋在具有高热导率的粉末14中。此夕卜，本体可以由冷却盘管15包围，冷却剂流体或制冷剂可以流过该冷却盘管。因此可以将工作台1以及本体13冷却。该程序基本上与上文结合图1所描述的过程相同。将金属粉末层4施加到可被视为基底的本体13上，并且在冷却的同时通过磁场生成设备21施加外部磁场时， 该层逐个区域地依次融合至本体。
[0067]在另一种布置中，可以对设备进行修改，使得在熔化过程发生的同时分配粉末。在这种布置中，可以在分配时将用以熔化粉末的电磁辐射引导至分配地点处的粉末。辐射源5 可以与粉末分配器3耦合或者可以与粉末分配器3—起行进，使得粉末在遇到基底或工件时熔化，或者粉末在其碰到基底或工件紧之前熔化。在一个示例中，粉末分配器3可以包括喷嘴，并且电磁能可以被引导到喷嘴中或紧邻喷嘴的粉末上，其中粉末材料存在于喷嘴中并且接近基底，例如工件。因此，在总体方面，将粉末状金属材料层引导到热传导基底上的步骤(i)和向粉末状材料施加足以熔化该粉末状材料的电磁能的步骤(ii)可以同时发生。
[0068]该方法将允许化学组成在特定分配的层内改变，而不仅仅在各层之间变化，这是因为所分配的粉末可以如之前所论述的那样在分配期间变化。[〇〇69]虽然已经描述了使用能够围绕工作台1旋转以改变外部磁场的方向的磁场生成器 21的设备的实施例，但是还可以通过工件与磁场生成器的相对旋转(例如通过旋转工件)来改变外部磁场的方向。这可以伴随有对辐射源进行必要控制以维持相对于工件的所需位置。
[0070]在另一种布置中，磁场生成设备21可以附接至粉末分配器3和/或辐射源5并且与粉末分配器3和/或辐射源5—起行进，从而提供外部磁场更局部化的施加。例如，可旋转的四极电磁体可以附接至被配置成沉积粉末的可移动“写头”，与辐射源一起提供熔化能，并且在每次经过工件上方时施加外部磁场以在所需方向上印记磁各向异性。
[0071]更一般地，在上述的所有布置中，外部磁场可以设置在层4的平面内或平面外。因此，外部磁场可以在x_y平面内具有可变的方位角，和/或可以具有相对于工作台/工件/粉末材料层4的x-y平面的可变仰角。
[0072]工作台以及邻近其的结构的各个部分可以由不会对磁场生成器21所提供的射到工件上的外部磁场造成不当影响的任何适合的材料制造。
[0073]示例
[0074]图3示出了用于构建空心柱体形式的、具有5mm的外半径以及2.5mm的内半径的磁结构31的示例性布置。工作台32形成型号为E0SM270的基于激光的粉末床融合系统的一部分，其被修改成在如上所述的添加制造工艺期间提供磁各向异性的印记。工作台32包括:半径为22.5mm并且厚度为5mm的圆形平台33;其中直立圆柱形部分34具有顶表面36,该顶表面具有12.5mm的半径和2mm的厚度。该顶表面36用作用于上述制造工艺的热传导基底。该圆柱形部分34具有直径为20mm并且高度为15mm的内部容积。在圆柱形部分34中容纳有直径为 14mm的永磁体35形式的磁场生成设备。永磁体35由AINiCo合金形成。陶瓷棉层37定位在顶表面36的下侧与磁体35之间。[〇〇75]使用Fe74M〇4P10C7.5B2.5Si2(原子百分比)的粉末状材料组合物逐层制作成高度为约7mm的磁结构31，其中粉末状材料组合物被引导到基底上，通过电磁能的施加进行熔化，并且进行冷却以在外部磁场内通过磁体35施加时形成固态层。[〇〇76]在处理后，将磁结构31从基底36中移除，对其进行切割并抛光。然后使用基于磁光克尔效应(M0KE)的设备对样品片的磁各向异性进行表征。图4示出了来自这些测量的结果。 在图4中，0° (用线41表示)指示磁易轴，且90° (用线42表示)指示磁难轴，即分别对应于磁结构31的竖直构建方向和水平方向。90°测量值(线42)的不对称是由于样品移动引起的假象。 将两个测量方向进行对比，清楚的是，在90°方向上使磁化饱和所需的场比在0°方向上使磁化饱和所需的场大，因此该样品是磁各向异性的。
[0077]在实践中，可能难以结合常规粉末床融合系统使用永磁体35来产生外部场。这可能是由于与粉末床的磁相互作用，该相互作用会降低粉末的流动性并使得难以散布良好质量(例如平滑且厚度均匀)的层。然而，可以通过下述方式来解决这一问题:使用电磁体来在分配粉末层期间产生使永磁体的场暂时减弱的场。可替选地，如上所讨论的，可以使用仅在熔化和冷却阶段期间有效的电磁体。
[0078]如果使用上述粉末床融合系统将硬磁体构建为磁结构31，即自身产生磁场的磁结构的构建体，则还可以根据需要在构建磁结构时使用电磁体来使该磁结构的本征场减弱。
[0079]其他实施例意在落入所附权利要求书的范围内。
【主权项】
1.一种包括多个层的磁结构，所述结构的选定层具有不同的化学组成和不同的磁各向异性。2.根据权利要求1所述的磁结构，所述磁结构被形成为晶体材料、纳米晶体材料或非晶体材料的单一结构，或者所述单一结构中晶体材料区域、纳米晶体材料区域和非晶体材料区域的组合。3.根据权利要求1或权利要求2所述的磁结构，所述磁结构通过粉末熔化工艺形成。4.根据权利要求1所述的磁结构，其中，所述结构内的至少一个层沿着平面内的一方向呈现出磁各向异性的阶跃变化。5.根据权利要求4所述的磁结构，其中，所述磁各向异性的阶跃变化为矫顽力的阶跃变化或易轴方向的阶跃变化，或者两者。6.根据权利要求1所述的磁结构，其中，所述结构内的至少一个层沿着平面内的一方向呈现出所述磁各向异性的周期性。7.根据权利要求1所述的磁结构，所述磁结构沿着与所述层的平面成横向的方向呈现出所述磁各向异性的周期性。8.根据权利要求1所述的磁结构，其中，所述结构的至少一个层包括非晶体金属层。9.根据权利要求1所述的磁结构，其中，所述结构的至少一个层包括纳米晶体金属层或晶体层。10.一种控制磁性材料中的磁各向异性的方法，包括以下步骤: i)将粉末状金属材料层引导至热传导基底； ii)向粉末状材料施加足以熔化所述粉末状材料的电磁能； iii)随后将所熔化的材料冷却，以在所述基底上产生固态层； i V)在至少步骤i i i)期间向所述材料施加外部磁场，从而使固态磁性材料层印记有磁各向异性。11.根据权利要求10所述的方法，还包括以下步骤:在步骤ii)期间仅向所述层的选定体积元素施加所述电磁能，从而在所述层内产生所印记的磁各向异性的空间变化。12.根据权利要求11所述的方法，还包括对所述层的连续不同的选定体积元素重复步骤和iv)，从而在所述层内产生所印记的磁各向异性的空间变化。13.根据权利要求12所述的方法，其中，使用不同方向和/或大小的外部磁场来重复步骤ii)、iii)和iv)。14.根据权利要求10所述的方法，其中，在至少步骤iii)期间改变所施加的外部磁场，从而控制所述层内所印记的磁各向异性，以产生所印记的磁各向异性的空间变化。15.根据权利要求14所述的方法，其中，通过旋转所述磁场来改变所施加的外部磁场。16.根据权利要求10所述的方法，还包括重复步骤i)至iv)，以积累磁性材料的连续层，每层均印记有磁各向异性。17.根据权利要求16所述的方法，还包括改变用于所述连续层的粉末状金属材料的组成。18.根据权利要求16或权利要求17所述的方法，包括改变用于所述连续层的所施加的外部磁场的方向和/或大小。19.根据权利要求10所述的方法，其中，步骤i)包括将所述粉末状金属材料层布置在所述基底上，并且当将所述粉末状金属材料布置在所述基底上时进行步骤ii)。20.根据权利要求10所述的方法，其中，通过从喷嘴分配所述粉末状金属材料、同时施加电磁能以熔化所述喷嘴中或邻近所述喷嘴的所述材料，基本上同时地进行步骤i)和ii)。21.根据权利要求10所述的方法，其中，在步骤iv)期间或者对于步骤iv)的连续发生，所述外部磁场在空间和时间中的一个或多个上变化。22.根据权利要求10所述的方法，其中，所述方法为添加制造工艺，或者包括在添加制造工艺中。23.—种用于生产具有受控的磁各向异性的磁性材料的设备，包括: 粉末分配器，被配置成将粉末状金属材料层引导到热传导基底上或引向热传导基底；辐射源，被配置成将电磁能引导到所述热传导基底上或邻近所述热传导基底的粉末状材料，以足以熔化所述粉末状材料； 冷却机构，用于使所述热传导基底上经熔化的材料冷却； 磁场生成设备，被配置成向所述热传导基底上的经熔化的材料施加磁场，以使由经冷却的熔化材料产生的固态磁性材料层印记有磁各向异性。
【文档编号】H01F1/153GK106062899SQ201480075051
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2014年12月10日
【发明人】马蒂亚斯·乌诺松, 比约加文·赫加维尔森, 瓦斯里奥斯·卡帕克利斯, 弗里德里克·马格纳斯
【申请人】艾合麦提公司