通常认为，冷喷涂技术适用于塑性较好的金属或合金材料的沉积，如铝、铜、银、锌、镍、钛、铁及其合金材料等。近期，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室最新研究表明冷喷涂可用于沉积脆性材料——钕铁硼。报道指出，采用冷喷涂技术可以在铜或玻璃等基体上获得具有极佳附着力的Nd2Fe14B沉积，可用于制备钕铁硼永磁体材料。该成果于2023年6月发表于MRS Communications杂志（https://doi.org/10.1557/s43579-023-00382-x）。
永磁体是从直驱风力涡轮机到电动马达等清洁能源技术的支柱，也是即将向绿色经济转型的关键组成部分。然而，高性能稀土永磁体（如Nd2Fe14B）的制造却面临着巨大的挑战且成本高昂。烧结钕铁硼（Nd2Fe14B）是目前常用的制备方法，但是制造成本高，同时由于烧结磁体需要复杂的机械加工，生产工艺限制了其可行的几何形状。粘结磁体（磁粉与聚合物粘合剂混合）克服了这一问题，但代价是聚合物粘合剂导致性能下降。鉴于这些挑战，人们对永磁体制造方法产生了浓厚的兴趣，激光熔覆和粘合剂喷射打印等技术都取得了一定的成功。然而，基于激光的方法有可能破坏良好磁性所需的微观结构，而基于粘合剂喷射打印的技术则由于粘合剂存在而难以达到最佳性能。
冷喷涂原理图（超卓航科原创）
冷喷涂技术为这些问题提供了潜在的解决方案，因为它在足够低的温度下沉积，可以避免微观结构发生变化，同时由于撞击粒子的高动能而实现高致密度的效果。King et al.、Lamarre以及Bernier使用传统的冷喷涂系统沉积Nd2Fe14B-Al复合材料，保持了输入粉末的性能，并提供了适合复杂几何形状的快速沉积技术。然而，铝粘合剂的存在可能会造成性能的下降。气溶胶沉积也被用于制造具有优异磁性能的Sm-Fe-N薄膜，但由于沉积速度相对较慢，最大厚度仅100微米左右。此外，气溶胶沉积很难达到完全致密，从而导致与粘合剂方法存在类似的问题。冷喷涂Nd2Fe14B涂层的过程示意图如图1(a)、图1(b)展示了冷喷涂在曲面铜管上沉积Nd2Fe14B涂层，图1(c)展示了在氮气、350℃条件下在玻璃基体上冷喷涂Nd2Fe14B涂层的厚度大于3毫米，图1(d)展示了氮气、475℃条件下在玻璃基体上沉积Nd2Fe14B涂层，图1(e)为本研究中使用的Nd2Fe14B粉末颗粒的粒径分布。结果表明，钕铁硼材料可以通过冷喷涂的方法形成厚厚的材料层。
图1（a）冷喷涂Nd2Fe14B涂层的过程示意图,（b-d）冷喷涂Nd2Fe14B沉积物，(e)本研究中使用的Nd2Fe14B粉末颗粒的粒径分布。
使用N2和He作为载气喷涂的样品在室温下的磁滞回线如图2所示：在所有情况下都明显观察到低矫顽力的形成，表明形成了纯Fe等次生相，通过减小气体速度和/或温度可以在一定程度上改善这种现象。XRD图谱显示Fe峰的增加明确表明由于冲击和加热导致Nd2Fe14B的分解和Fe的形成。
图2冷喷涂Nd2Fe14B涂层的磁化曲线和矫顽性。
该项研究表明，冷喷涂技术具有沉积脆性材料的可能性，且具有极大的设计灵活性和快速沉积的优势，但仍需要进一步研究，以确保其功能特性，从而适用于应用。
【参考文献】
A.A.Baker,R.C.Thuss,A.A.Maich,et al.Binder‑free cold spray deposition of NdFeB permanent magnets,MRS Communications,2023,https://doi.org/10.1557/s43579-023-00382-x
返回列表
