Alliage de verre à base de fer conçu pour réduire les pertes d'énergie dans les moteurs électriques
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Des chercheurs du projet européen AM2SoftMag ont mis au point un nouveau verre métallique à base de fer qui pourrait permettre la fabrication, par impression 3D, de composants pour des moteurs électriques plus performants. Ce nouvel alliage, conçu par des chercheurs de l'Université de la Sarre (UdS) en Allemagne, est exempt d'éléments critiques ayant un impact social important, tels que le cobalt, et d'éléments dont l'approvisionnement est instable, tels que les terres rares. De plus, il peut être imprimé en 3D à l'état totalement amorphe et avec une densité supérieure à 92 %, ce qui lui confère des propriétés magnétiques exceptionnelles.
Cette avancée majeure, récemment publiée dans Acta Materialia , pourrait améliorer l'efficacité énergétique du secteur des transports électriques.
Les verres métalliques à base de fer sont réputés pour leurs excellentes propriétés magnétiques douces, qui réduisent considérablement les pertes par courants de Foucault, responsables d'un échauffement excessif des composants, ainsi que les pertes magnétiques. Cependant, la fabrication de ces matériaux par fusion laser sur lit de poudre (LPBF) a traditionnellement engendré une cristallisation indésirable due aux cycles répétés de chauffage et de refroidissement lors du procédé.
Le nouvel alliage, composé de fer, de silicium, de bore, de niobium et de nickel, présente une résistance à la dévitrification supérieure à celle des matériaux commerciaux actuels, atteignant une épaisseur critique allant jusqu'à 1 millimètre sans cristallisation, soit près de 10 fois supérieure à celle des alternatives commerciales.
Cette recherche démontre que l'utilisation d'une stratégie de double balayage laser, combinée à des délais contrôlés, permet de produire des composants d'une densité supérieure à 92 % et d'une structure totalement amorphe. Grâce à cette technique, les chercheurs ont également obtenu une coercivité magnétique extrêmement faible de seulement 44 ampères par mètre (A/m).
Ces résultats placent cette méthode parmi les plus efficaces développées à ce jour pour ce type de matériau traité par impression 3D.
Chez IMDEA Materials, les chercheurs du groupe Métallurgie durable, dirigés par María Teresa Pérez Prado, ont optimisé les paramètres de fabrication par fusion laser sur lit de poudre (LPBF). L'équipe a également confirmé, par diffraction des rayons X, microscopie électronique et tomographie par sonde atomique, que les éléments chimiques sont répartis de manière totalement aléatoire dans toute la structure, garantissant ainsi des propriétés mécaniques et magnétiques homogènes pour l'ensemble du composant.
« Cette nouvelle conception d'alliage et son traitement optimisé grâce à l'impression 3D nous permettent d'éviter la cristallisation pendant la fabrication », explique Pérez Prado, l'un des auteurs de la publication et chercheur principal chez IMDEA Materials.
« Le résultat est un matériau doté d'un excellent comportement magnétique qui pourrait, à l'avenir, contribuer de manière significative à l'amélioration du rendement des moteurs électriques, réduisant ainsi considérablement le gaspillage d'énergie global. »
Les prochaines étapes du consortium, impliquant l'UdS, IMDEA Materials, l'Institut national italien de métrologie et l'Université technique de Berlin, seront axées sur l'élimination des défauts, l'intensification du processus de fabrication et l'évaluation des performances de ces nouveaux matériaux dans de véritables prototypes de rotors et de stators de moteurs électriques à haut rendement.
https://materials.imdea.org/new-advanced-materials-could-give-electric-motors-an-efficiency-boost/