Lazer Eklemeli İmalat ile yenilikçi bir tarama yöntemi kullanılarak Fe Tabanlı Nanokristal Yumuşak Manyetik Malzemelerin Üretimi

Abstract

(a) Kariyer Geliştirme Potansiyeli: Bu proje, yürütücünün malzeme bilimi ve mühendisliği alanında ileri düzeyde bilgi ve yetenekler kazanmasına olanak tanıyacaktır. Ayrıca, projede geliştirilecek yeni tarama stratejileri ve mikro yapı kontrol yöntemleri, yürütücünün araştırma becerilerini artıracak ve disiplinlerarası çalışma yetkinliği kazandıracaktır. Proje, yürütücünün akademik kariyerinde önemli bir adım atmasına yardımcı olacak ve gelecekteki projeler için sağlam bir temel oluşturacaktır. (b) Önemi: Fe bazlı yumuşak manyetik nanokristal alaşımlar, yüksek doygunluk magnetizasyonu, düşük çekirdek kaybı, düşük koerzivite ve süper yüksek geçirgenlik gibi üstün manyetik özelliklere sahiptir. Ancak, bu malzemelerin üretimi mevcut tekniklerle sınırlıdır. Geleneksel yöntemler, birçok aşama içerdiğinden üretim süresi ve maliyeti oldukça yüksektir. Ayrıca, bu yöntemlerle karmaşık şekiller elde etmek çok zordur. Lazer toz yatak füzyonu (LPBF) teknolojisi, bu sınırlamaları aşarak karmaşık şekillerde yüksek performanslı nanokristal malzemelerin üretimine olanak tanır. (c) Özgün Değeri: Proje, LPBF teknolojisinin Fe bazlı nanokristal yumuşak manyetik malzemelerin üretiminde kullanılması konusunda yenilikçi bir yaklaşım sunmaktadır. Ancak, yapılan araştırmalar, geleneksel tarama stratejileriyle hem yüksek doygunluk manyetizasyonu (Ms) ve kütle yoğunluğu hem de düşük koerziviteyi (Hc) aynı anda elde edilemeyeceğini göstermektedir. Bunun nedeni, yüksek Ms ve kütle yoğunluğu yüksek lazer enerji yoğunluğunun (E) kullanımını gerektirirken, düşük Hc ancak düşük lazer enerji yoğunluğuyla elde edilebilmektedir. Yüksek E, kristal fazların çekirdenklenmesi ve büyümesini tetiklediği için hem Ms hem de Hc artırmaktadır. Düşük koerzivite değerleri için kristal boyutlarının kabul edilebilir seviyelerde (<20 nm) kalması gerekmektedir. Bu sebeple, yeni tarama stratejilerinin geliştirilmesi önem arz etmektedir. Yeni geliştirilecek tarama stratejileri ve mikro yapı kontrol yöntemleri, mevcut tekniklerin ötesine geçerek, daha üstün manyetik özelliklere sahip malzemelerin üretilmesine olanak tanıyacaktır. (d) Araştırma Sorusu veya Hipotezi: Fe bazlı nanokristal yumuşak manyetik malzemelerin LPBF teknolojisi ile üretimi sırasında farklı tarama stratejileriyle mikro yapıyı kontrol etmek, malzemelerin yumuşak manyetik özelliklerini önemli ölçüde iyileştirir mi? (doygunluk manyetizasyonunu artırıp, koerziviteyi düşürür mü?) (e) Amaç ve Hedefleri: Ana amaç, lazer toz yatak füzyon sürecini yeni dizayn edilen tarama stratejileriyle optimize ederek, yüksek doygunluk magnetizasyonu (Ms> 2 T) ve düşük koerzivite (Hc <100 A/m) ile tamamen yoğun (> %99) parçalar üretmektir. Bu hedefe ulaşmak için yeni tarama stratejileri geliştirmek, amorf faz içeriğini, malzemelerin ısı-sıcaklık eğrisinden kristalleşme entalpilerini hesaplayarak, nicelendirmek, mikro yapıdaki nanokristallerin boyutunu ölçmek ve bu mikroyapısal değişikliklerin manyetik özelliklere etkisini anlamak gibi alt hedefler belirlenmiştir. (f) Yöntemi: Proje kapsamında LPBF teknolojisi kullanılarak Fe bazlı nanokristal yumuşak manyetik malzemeler üretilecektir. Yeni tarama stratejileri geliştirilecek ve mikro yapı kontrolü sağlanacaktır. Elde edilen numuneler, amorf faz içeriği, kristalit boyutu, eriyik havuzu ve ısıdan etkilenen bölgeler (HAZ) açısından analiz edilecektir. Manyetik özellikler, mikro yapısal değişiklikler ile ilişkilendirilecektir. Ayrıca, mikroyapıdaki artık gerilmeleri gidermek ve mikroyapısal bir rahatlama sağlamak için ısıl işlem yöntemleri kullanılacaktır ve bu yöntemlerin manyetik özelliklere etkisi araştırılacaktır. (g) Yaygın Etkisi: Proje, Fe bazlı nanokristal yumuşak manyetik malzemelerin üretiminde önemli bir ilerleme sağlayacak ve bu malzemelerin transformatör çekirdekleri ile özellikle elektrikli araçlardaki elektrik motorları, şarj üniteleri, dönüştürücüler ve invertörler gibi endüstriyel uygulamalarını genişletecektir. Ayrıca, LPBF teknolojisinin kullanımıyla elde edilen yeni bilgi ve deneyimler, gelecekteki araştırma ve geliştirme projelerine katkıda bulunacaktır. Bu proje, akademik yayınlar ve konferans sunumları ile bilimsel topluluğa duyurulacaktır.

(a) Career Development Potential: This project will enable the principal investigator to gain advanced knowledge and skills in the field of materials science and engineering. The development of new scanning strategies and microstructure control methods within the project will enhance the principal investigator's research capabilities and foster interdisciplinary collaboration skills. Throughout the project, the principal investigator will acquire valuable experience and knowledge, significantly advancing their academic career and laying a solid foundation for future projects. Additionally, the dissemination of project results through national and international academic platforms will increase the principal investigator's recognition within the scientific community. (b) Significance: Fe-based soft magnetic nanocrystalline alloys possess superior magnetic properties such as high saturation magnetization, low core loss, low coercivity, and ultra-high permeability. However, the production of these materials is limited by current techniques. Traditional methods involve multiple steps, resulting in high production time and cost. Furthermore, achieving complex shapes with these methods is very challenging. Laser Powder Bed Fusion (LPBF) technology overcomes these limitations by enabling the production of high-performance nanocrystalline materials in complex shapes. (c) Original Value: The project presents an innovative approach to using LPBF technology for the production of Fe-based nanocrystalline soft magnetic materials. However, research has shown that it is not possible to simultaneously. achieve both high saturation magnetization (Ms) and bulk density, as well as low coercivity (Hc) with conventional scanning strategies. This is because achieving high Ms and bulk density requires the use of high laser energy density (E), while low Hc can only be obtained with low laser energy density. High E increases both Ms and Hc by promoting the nucleation and growth of crystalline phases. To achieve low coercivity values, the crystal sizes need to remain at acceptable levels (<20 nm). Therefore, developing new scanning strategies is of great importance. The new scanning strategies and microstructure control methods to be developed will go beyond existing techniques, enabling the production of materials with superior magnetic properties. (d) Research Question or Hypothesis: Does controlling the microstructure with different scanning strategies during the production of Fe-based nanocrystalline soft magnetic materials using LPBF technology significantly improve the soft magnetic properties of the materials (increasing saturation magnetization and reducing coercivity)? (e) Aim and Objectives: The main goal is to optimize the laser powder bed fusion process with newly designed scanning strategies to produce fully dense (> 99%) parts with high saturation magnetization (Ms > 2 T) and low coercivity (Hc < 100 A/m). To achieve this target, sub-objectives include developing new scanning strategies, quantifying the amorphous phase content by calculating the crystallization enthalpies from the materials' heat-temperature curves, measuring the size of nanocrystals in the microstructure, and understanding the impact of these microstructural changes on magnetic properties. (f) Methodology: Fe-based nanocrystalline soft magnetic materials will be produced using LPBF technology. New scanning strategies will be developed, and microstructure control will be achieved. The resulting samples will be analyzed for amorphous phase content, crystallite size, melt pool, and heat-affected zone (HAZ). The magnetic properties will be correlated with microstructural changes. Additionally, various heat treatment methods will be employed to relieve residual stresses and achieve microstructural relaxation, and the effects of these methods on magnetic properties will be investigated. (g) Common Impact: The project will make a significant advancement in the production of Fe-based nanocrystalline soft magnetic materials and will expand their industrial applications, especially in transformer cores and electrical components in electric vehicles such as motors, charging units, converters, and inverters. Additionally, the knowledge and experiences gained from using LPBF technology will contribute to future research and development projects. This project will be communicated to the scientific community through academic publications and conference presentations.