本发明属于高硅钢软磁铁芯技术领域，更具体地说，涉及一种基于激光烧结3D打印的高硅钢软磁铁芯及其制备方法。
背景技术：
硅钢是一类重要的软磁材料，电力和电子工业在制造电机、变压器、互感器、电抗器及其它电器仪表时都离不开它。研究表明，随着硅钢中硅含量的增加，其电阻率提高、涡流损耗降低，相对磁导率和磁感应强度均提高，表现出优异的软磁特性，可以满足电磁转换装备高频化的应用需求。
通常，硅钢铁芯的涡流损耗与硅钢薄板厚度的平方成正比，所以要尽量减少硅钢薄板的厚度，通常是通过轧制的方法将其厚度控制在1mm以下，以达到降低涡流损耗的目的。但是，当硅钢中硅含量超过4.5wt％时，易引起B2和DO3等有序相的出现，致使其塑韧性急剧下降，延伸率近乎为零，轧制、冲裁和成型异常困难，难以通过常规轧制方法将其厚度控制在1mm以内，这给高硅钢产品的开发和大批量生产带来了诸多困难，极大地限制了高硅钢在工业上的规模化推广应用。
为了克服采用传统轧制技术制备高硅钢时难以保证其具有较低涡流损耗的不足，国内外研究者在高硅钢制备技术方面展开了大量研究，并由此产生多种高硅钢制备工艺。目前高硅钢铁芯的制备方法主要有：化学气相沉积法、以轧制技术为代表的热轧－温轧－冷轧工艺、以单辊甩带和双辊铸轧为代表的近终成形技术，以粉末冶金为基础的喷射成形–轧制方法和粉末轧制技术等。但这些工艺或因成本较高、或因受环境制约、或因工艺成熟度不够、或因材料利用率较低等问题而存在一定的局限性，因此都没有得到广泛的应用。
如，中国专利申请号为201010297551.0的申请案公开了一种高硅钢薄带及其制备方法，该申请案通过真空冶炼降低高硅钢中的夹杂物及有害气体含量，保证钢液的纯净度，然后对其进行铸轧，浇铸温度1470℃～1510℃，铸带厚度1.5～2.0mm，出铸辊后对铸带进行喷水冷却，保温，温轧，最后经过再结晶退火获得产品。该申请案即是采用传统轧制技术来制备高硅钢薄带的，但采用该方法难以将高硅钢产品的厚度控制在1mm以内，从而导致其涡流损耗仍较大，无法很好地满足现有电磁转换装备高频化的应用需求。
因此，在完善现有工艺技术的同时，开发新的高硅钢的制备工艺非常必要。
技术实现要素：
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的在于克服由于受高硅钢板厚限制的影响，其高频涡流损耗相对较高的不足，提供了一种基于激光烧结3D打印的高硅钢软磁铁芯及其制备方法。采用本发明的方法能够有效降低高硅钢软磁铁芯的涡流损耗，使其在具有较高磁导率的基础上仍具有较低的铁损，从而能够满足电磁转换装备高频化的应用需求。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种基于激光烧结3D打印的高硅钢软磁铁芯的制备方法，先将高硅铁硅合金粉末进行渗硅处理，然后经氧化在高硅铁硅合金粉末表面形成致密SiO2膜，通过磁选获得高硅铁硅合金复合粉末；以磁选所得高硅铁硅合金复合粉末作为原料进行激光烧结3D打印，然后进行真空退火处理即得本发明的高硅钢软磁铁芯。
更进一步的，所述高硅铁硅合金复合粉末的具体制备过程如下：将高硅铁硅合金粉末、硅粉、氯化铵粉末和二氧化硅粉末混合均匀，在惰性气体保护下进行热处理，热处理温度为800～1200℃，保温时间为0.5～5h；然后置于300～700℃下氧化处理0.5～5h，经磁选处理即得高硅铁硅合金复合粉末。
更进一步的，所述高硅铁硅合金粉末、硅粉、氯化铵粉末和二氧化硅粉末占混合粉末总质量的百分比含量分别为85～95wt％、1～2wt％、0.1～1wt％和2～13.6wt％。
更进一步的，所述高硅铁硅合金粉末的粒径小于50μm，其Si含量为4.5～10.5wt％。
更进一步的，所述硅粉的粒径小于2μm，氯化铵粉末的粒径小于1μm，二氧化硅粉末的粒径小于5μm。
更进一步的，所述的惰性气体为氩气或为氮气，所述氧化处理是在空气或氧气气氛下进行的。
更进一步的，所述激光烧结3D打印步骤中，通过激光烧结3D打印制备成环形坯件，3D打印的扫描方式采用正交扫描，激光烧结加工参数为：预热温度为50～80℃，激光功率180～280W，扫描速度为500～1500mm/s，然后将激光打印成型的环形坯料进行超声波清洗5～10min，并于80～150℃烘干坯体。
更进一步的，所述真空退火处理的温度为500～850℃，保温时间为0.5～3h。
本发明的一种基于激光烧结3D打印的高硅钢软磁铁芯，该铁芯是采用本发明的方法制备得到的，且所述铁芯中高硅铁硅合金粉末的表面均匀包覆有一层SiO2绝缘层。
更进一步的，所述高硅钢软磁铁芯地相对磁导率为80～110，饱和磁感应强度为147～168emu/g。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明的一种基于激光烧结3D打印的高硅钢软磁铁芯的制备方法，采用渗硅-微氧化工艺来制备高硅铁硅合金复合粉末，能够使高硅铁硅合金粉末表面均匀致密的包覆上一层SiO2绝缘层，从而实现了高硅钢软磁铁芯内部高硅铁硅合金颗粒间良好的绝缘，可以将高硅钢软磁铁芯运行时的涡流限制在SiO2绝缘包覆区内的高硅铁硅合金颗粒内，相当于降低了涡流的运转半径，进而可以有效降低高硅钢软磁铁芯的铁损。
(2)本发明的一种基于激光烧结3D打印的高硅钢软磁铁芯的制备方法，采用该方法制备所得高硅钢软磁铁芯内部高硅铁硅合金颗粒的分散性较好，合金颗粒之间被SiO2绝缘层有效隔离，颗粒间的绝缘性较好，因此可以有效避免高硅钢中绝缘涂料的使用，同时SiO2绝缘层的包覆还能够显著提高高硅钢软磁铁芯的热稳定性，有利于延长其使用寿命。
(3)本发明的一种基于激光烧结3D打印的高硅钢软磁铁芯的制备方法，该方法基于激光烧结3D打印技术，将其应用于软磁材料的制备，从而能够有效避开现有高硅钢难以轧制的瓶颈，无需轧制，通过3D打印技术对粉末激光烧结即可获得高硅钢软磁铁芯；另外将3D打印技术与真空退火相结合，从而能够进一步改善打印后的高硅钢软磁铁芯的磁性能。
(4)本发明的一种基于激光烧结3D打印的高硅钢软磁铁芯的制备方法，其制备工艺简单，成本较低，生产效率高，且对环境无污染，适于推广应用。
(5)本发明的一种基于激光烧结3D打印的高硅钢软磁铁芯，是通过渗硅-氧化-激光烧结3D打印-真空退火工艺制备得到的，从而可以保证其在具有较高磁导率的同时具有较低的铁损和优良的热稳定性能，且其机械强度和致密度也较好，使用寿命较长。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，现结合及实施例对本发明作详细描述。
为避免重复，先将本具体实施方式涉及的原料统一描述如下，实施例中不再赘述：
所述高硅铁硅合金粉末粒径小于50μm，硅粉的粒径小于2μm，氯化铵粉末的粒径小于1μm，氯化铵粉末的粒径小于5μm。
实施例1
先将85wt％的高硅铁硅合金粉末、1wt％的硅粉、0.4wt％的氯化铵粉末和13.6wt％的二氧化硅粉末混合均匀，然后在氩气保护下进行热处理，从而对高硅铁硅合金粉末进行渗硅处理，其渗硅热处理温度为800℃，保温时间为0.5h；再在300℃下，空气条件下，氧化处理5h，磁选，得到高硅铁硅合金复合粉末，以其作为激光烧结3D打印原料。通过激光烧结3D打印制备成环形坯件，3D打印的扫描方式采用正交扫描，激光烧结加工参数为：预热温度为50℃，激光功率180W，扫描速度为500mm/s，将激光打印成型的环形坯料超声波清洗10min，在80℃烘干坯体。然后将烘干后的坯体进行真空退火处理，退火热处理温度为500℃，保温时间为0.5h。经检测，本实施例中基于激光烧结3D打印的高硅钢软磁铁芯，相对磁导率为80，饱和磁感应强度为147emu/g。
本实施例先采用渗硅-微氧化工艺来制备高硅铁硅合金复合粉末，然后以高硅铁硅合金复合粉末为原料进行激光烧结3D打印，并通过真空退火处理来制备高硅钢软磁铁芯，由于高硅铁硅合金粉末的表面包覆有一层致密的SiO2绝缘层，且采用该方法可以保证SiO2绝缘层包覆的均匀性，高硅钢软磁铁芯内部高硅铁硅合金颗粒之间通过SiO2绝缘层进行有效隔离，绝缘性较好，从而可以将高硅钢软磁铁芯运行时的涡流限制在SiO2绝缘包覆区内的高硅铁硅合金颗粒内，相当于降低了涡流的运转半径，进而可以有效降低高硅钢软磁铁芯的铁损。具体的，通过先对高硅铁硅合金粉末进行渗硅处理，然后将渗硅后的铁硅合金粉末进行氧化处理，从而可以在高硅铁硅合金粉末表面均匀包覆一层致密的SiO2绝缘层，进而提高了包覆区域内高硅铁硅合金粉粒的电阻率。其中，通过添加适量的SiO2粉末可以有效防止硅粉发生烧结，通过氯化铵粉末的添加可以有效提高高硅铁硅合金粉末的渗硅速率，有助于促进渗硅处理的进度，提高生产效率，且其本身的添加也不会对所得铁硅合金粉末的性能造成影响，易通过后续处理进行分离。采用本发明的方法还可以有效避免铁硅合金粉末发生团聚现象，保证SiO2绝缘层的均匀性和致密性。
由于本实施例制备所得高硅钢软磁铁芯内部高硅铁硅合金颗粒的分散性较好，合金颗粒之间被SiO2绝缘层有效隔离，颗粒间的绝缘性较好，因此可以有效避免高硅钢中绝缘涂料的使用，同时SiO2绝缘层的包覆还能够显著提高高硅钢软磁铁芯的热稳定性，有利于延长其使用寿命。因此，采用本实施例的方法制备所得高硅钢软磁铁芯同时具有较高的磁导率、较低的铁损和优良的热稳定性，能够满足电磁转换装备高频化的应用需求。
本实施例通过对渗硅及氧化工艺参数的数值进行控制从而可以对SiO2绝缘层的厚度进行有效控制，因此渗硅及氧化热处理温度和保温时间的选择直接影响最终形成的SiO2绝缘层的厚度，因而其选择合适与否对于所得高硅钢软磁铁芯的性能就至关重要。发明人通过大量实验对渗铝及氧化工艺中各参数的数值进行优化设计，使SiO2绝缘层的厚度达到最佳范围，从而可以有效保证最终所得高硅钢软磁铁芯的使用性能。
本实施例基于激光烧结3D打印技术，创造性地将其应用于软磁材料的制备，并取得了较好的成果，从而能够有效避开现有高硅钢难以轧制的瓶颈，无需轧制，通过3D打印技术对粉末激光烧结即可获得高硅钢软磁铁芯。本实施例还将3D打印技术与真空退火相结合，从而能够进一步改善打印后的高硅钢软磁铁芯的磁性能。
实施例2
先将87wt％的高硅铁硅合金粉末、1.4wt％的硅粉、0.6wt％的氯化铵粉末和11wt％的二氧化硅粉末混合均匀，然后在氩气保护下进行热处理，热处理温度为900℃，保温时间为2.5h；再在400℃下，氧气条件下，氧化处理3.5h，磁选，得到高硅铁硅合金复合粉末，以其作为激光烧结3D打印原料。通过激光烧结3D打印制备成环形坯件，3D打印的扫描方式采用正交扫描，激光烧结加工参数为：预热温度为55℃，激光功率220W，扫描速度为700mm/s，将激光打印成型的环形坯料超声波清洗8min，在90℃烘干坯体。真空退火步骤中，退火热处理温度为600℃，保温时间为1.5h，本实施例中基于激光烧结3D打印的高硅钢软磁铁芯的相对磁导率为87，饱和磁感应强度为154emu/g。
实施例3
先将89wt％的高硅铁硅合金粉末、1.4wt％的硅粉、0.4wt％的氯化铵粉末和9.2wt％的二氧化硅粉末混合均匀，然后在氮气保护下进行热处理，热处理温度为1100℃，保温时间为2.5h；再在600℃下，氧气条件下，氧化处理3.5h，磁选，得到高硅铁硅合金复合粉末，以其作为激光烧结3D打印原料。通过激光烧结3D打印制备成环形坯件，3D打印的扫描方式采用正交扫描，激光烧结加工参数为：预热温度为65℃，激光功率220W，扫描速度为900mm/s，将激光打印成型的环形坯料超声波清洗7min，在110℃烘干坯体。真空退火步骤中，退火热处理温度为700℃，保温时间为2h，本实施例中基于激光烧结3D打印的高硅钢软磁铁芯的相对磁导率为97，饱和磁感应强度为160emu/g。
实施例4
先将93wt％的高硅铁硅合金粉末、1.6wt％的硅粉、0.9wt％的氯化铵粉末和4.5wt％的二氧化硅粉末混合均匀，然后在氮气保护下进行热处理，热处理温度为1200℃，保温时间为3.5h；再在700℃下，空气条件下，氧化处理2.5h，磁选，得到高硅铁硅合金复合粉末，以其作为激光烧结3D打印原料。通过激光烧结3D打印制备成环形坯件，3D打印的扫描方式采用正交扫描，激光烧结加工参数为：预热温度为70℃，激光功率260W，扫描速度为1100mm/s，将激光打印成型的环形坯料超声波清洗6min，在120℃烘干坯体。真空退火步骤中，退火热处理温度为850℃，保温时间为2h，本实施例中基于激光烧结3D打印的高硅钢软磁铁芯，相对磁导率为94，饱和磁感应强度为159emu/g。
实施例5
先将95wt％的高硅铁硅合金粉末、2.0wt％的硅粉、1wt％的氯化铵粉末和2wt％的二氧化硅粉末混合均匀，然后在氩气保护下进行热处理，热处理温度为840℃，保温时间为5h；再在560℃下，空气条件下，氧化处理0.5h，磁选，得到高硅铁硅合金复合粉末，以其作为激光烧结3D打印原料。通过激光烧结3D打印制备成环形坯件，3D打印的扫描方式采用正交扫描，激光烧结加工参数为：预热温度为75℃，激光功率280W，扫描速度为1500mm/s，将激光打印成型的环形坯料超声波清洗5min，在120℃烘干坯体。真空退火步骤中，退火热处理温度为55℃，保温时间为3h，本实施例中基于激光烧结3D打印的高硅钢软磁铁芯，相对磁导率为103，饱和磁感应强度为161emu/g。
实施例6
先将88wt％的高硅铁硅合金粉末、1.7wt％的硅粉、0.3wt％的氯化铵粉末和10wt％的二氧化硅粉末混合均匀，然后在氮气保护下进行热处理，热处理温度为1050℃，保温时间为1h；再在480℃下，氧气条件下，氧化处理2h，磁选，得到高硅铁硅合金复合粉末，以其作为激光烧结3D打印原料。通过激光烧结3D打印制备成环形坯件，3D打印的扫描方式采用正交扫描，激光烧结加工参数为：预热温度为80℃，激光功率210W，扫描速度为800mm/s，将激光打印成型的环形坯料超声波清洗8.5min，在130℃烘干坯体。真空退火步骤中，退火热处理温度为810℃，保温时间为0.7h，本实施例中基于激光烧结3D打印的高硅钢软磁铁芯，相对磁导率为82，饱和磁感应强度为148emu/g。
实施例7
先将93wt％的高硅铁硅合金粉末、1.6wt％的硅粉、0.1wt％的氯化铵粉末和5.3wt％的二氧化硅粉末混合均匀，然后在氮气保护下进行热处理，热处理温度为1080℃，保温时间为4h；再在320℃下，空气条件下，氧化处理0.5h，磁选，得到高硅铁硅合金复合粉末，以其作为激光烧结3D打印原料。通过激光烧结3D打印制备成环形坯件，3D打印的扫描方式采用正交扫描，激光烧结加工参数为：预热温度为54℃，激光功率270W，扫描速度为1200mm/s，将激光打印成型的环形坯料超声波清洗9.5min，在150℃烘干坯体。真空退火步骤中，退火热处理温度为670℃，保温时间为1.3h，本实施例中基于激光烧结3D打印的高硅钢软磁铁芯，相对磁导率为100，饱和磁感应强度为162emu/g。
实施例8
先将92wt％的高硅铁硅合金粉末、1.5wt％的硅粉、0.5wt％的氯化铵粉末和6wt％的二氧化硅粉末混合均匀，然后在氩气保护下进行热处理，热处理温度为960℃，保温时间为3h；再在610℃下，氧气条件下，氧化处理3h，磁选，得到高硅铁硅合金复合粉末，以其作为激光烧结3D打印原料。通过激光烧结3D打印制备成环形坯件，3D打印的扫描方式采用正交扫描，激光烧结加工参数为：预热温度为76℃，激光功率245W，扫描速度为1400mm/s，将激光打印成型的环形坯料超声波清洗6.5min，在125℃烘干坯体。真空退火步骤中，退火热处理温度为83℃，保温时间为2.5h，本实施例中基于激光烧结3D打印的高硅钢软磁铁芯，相对磁导率为110，饱和磁感应强度为168emu/g。
综上所述，采用本发明的技术方案，可以在保证高硅钢软磁铁芯具有较高磁导率的基础上，显著降低其铁损，同时还能避免现有高硅钢中绝缘涂料的使用，提高了高硅钢软磁铁芯的热稳定性，并延长了其使用寿命。本发明还创新性地将激光烧结3D打印技术应用于高硅钢软磁铁芯的生产上，不仅弥补了3D打印技术在软磁材料制备上的空白，还避开了现有高硅钢难以轧制的瓶颈，无需轧制，通过3D打印技术对粉末激光烧结即可获得高硅钢软磁铁芯，其制备工艺简单，效率高，且对环境无污染。