Additively manufactured magnetic high entropy alloys for renewable electricity

"Myke" magnetiske materialer er standard komponenter i elektromagnetiske generatorer (f.eks vindmøller) og elektriske motorer (f.eks. elbiler) samt i intelligente systemer bestående av sensorer og aktuatorer. Disse har stor betydning for digitalisering av vårt samfunn og industri samt utvikling av smarte byer. De er forventet å være pådrivere for en transformasjon mot en mer bærekraftig sirkulær økonomi og et globalt fornybart energisystem som støtter økonomisk og sosial utvikling. Deres funksjonelle og mekaniske egenskaper kan derimot forbedres betydelig. I "Magnificent" produserte vi en ny klasse myke magnetiske materialer basert på høyentropilegeringer (HEA) med forbedrede magnetiske egenskaper. HEA, bestående av minst 5 ulike grunnstoffer med stor indre atomær uorden, er lite utforsket. Varierende mengdeforhold mellom grunnstoffene kan gi uforventede og lovende egenskaper og funksjonaliteter sammenliknet med eksisterende myke magneter. Vi har brukt en digitaliserte tilnærminger i materialvalg, syntese og karakterisering i tillegg til additivproduksjon (3D-printing). Prøver med varierende sammensetninger basert på FeCoNiMnAl, FeCoNiMnGe og FeCrNiMnGe materialsystemene er blitt produsert med lasermetalldeponering (LDM). Karakteriseringsmetoder på både mikro og nanonivå er nødvendig for materialutviklingen. Våre benyttede metoder har resultert i en rask vurdering og selektering av de mest egnede materialene med hensyn på magnetisk og strukturell yteevne. Vi startet å studere FeCoNiMnAl materialsystemet og benyttet en kombinasjon av magneto-optisk avbildning og analytisk skanning-elektronmikroskopi for å oppnå en rask vurdering av magnetiske oppførsel og mikrostruktur. Detaljerte studier er gjennomført ved bruk av høyoppløst elektronmikroskopi, elektron og røntgendiffraksjonsmetoder samt magnetkraftmikroskopi (MFM). Vi har fokusert på korrelerte metoder hvor lokal struktur og kjemi knyttes til magnetiske egenskaper. Parallelt med eksperimentelle aktiviteter har vi utført teoretisk modellering for å koble de målte magnetiske egenskapene til sammensetning og mikrostruktur til prøvene. Tre representative sammensetninger fra FeCoNiMnAl-systemet, før og etter varmebehandling, har blitt grundig studert. Vi satte søkelys på FeCoNiMnAl-systemet produsert med både LMD og en Melt Spinning-prosess utført av våre internasjonale partnere ved Slovak Academy of Sciences. For å måle magnetiske hystereseløkker i utvalgte områder av LMD prøven har Kerr mikroskopi blitt gjennomført av våre internasjonale partnere ved Universitetet i Manchester. Dette har gjort det mulig å estimere den lokale koersiviteten. Lorenz mikroskopi er brukt for å undersøke den magnetiske yteevnen i bestemte prøver og en korrelasjon mellom bevegelsen av magnetisk domenevegger og defekter i legeringene er funnet. Vårt mål om å produsere HEA med myke magnetiske egenskaper, som var like eller bedre i forhold til state of the art, ble oppnådd i 2021 og senere bekreftet i 2022. I 2023 viet vi mesteparten av tiden på å vurdere mekanisk stabilitet ved å kombinere strekktester med µ-CT og SEM. Strukturen til disse materialene er veldig kompleks og videre grunnforskning er nødvendig for en dypere innsikt og forståelse. Dette vil forsinke at prosjektet resulterer i høyere TRL (5-6), men anses å være verdt å forfølge. I 2023 utnyttet SINTEF metodologien utviklet i Magnificent til å tilby industriell service knyttet til mye magneter (SOFTMAGNETICS) til en av prosjektets industrielle rådgivere (Elkem). Med utgangspunkt i kompetansen og metodologien utviklet i Magnificent, har SINTEF (og Elkem) deltatt i en MERANET søknad (HEAMAG) og SINTEF har i tillegg koordinert en EU Horizon Europe søknad (MagNEO) med UiO som en av partnerne. I linje med RRI prinsippene er det etablert helse og sikkerhetsprotokoller for råmaterialer og produkter i samsvar med livssyklusvurderinger i eksisterende nasjonale og europeiske direktiver. Vi har også vurdert biokompatibilitet/cytotoksisitet av de utviklede materialene. Selv om videre forskning vil være mer konkluderende, ser det ut som om pulveriserte grunnstoffer kan produsere en høyere fare for helse enn de legerte materialene. Dette indikerer at HMS tiltak bør være strengere når pulveriserte grunnstoffer benyttes i råstoff forberedelser og/eller additivproduksjon (3D-printing) enn når legerte pulver er benyttet (f.eks i LPBF) eller HEA resirkulering. «Magnificent» har holdt en åpen dialog med forskjellige interessenter gjennom seminarer, konferanser, workshops og intervjuer i nasjonale medier. I løpet av 2022-23 har seks foredrag (to digitale og fire fysiske) blitt holdt, og tre intervjuer blitt gitt (NRK P2) og to vitenskapelige artikler publisert. I tillegg er to artikkelmanuskripter under utarbeidelse. En HEA workshop er planlagt i desember 2023.

Within Magnificent, soft magnetic materials based on HEAs were successfully produced via additive manufacturing. The results are significant in scientific and societal terms. It is the first time that FeCoNi(AlMn)x HEAs produced via LMD, have been studied in terms of their magnetic properties. A detailed nanoscale investigation of the produced alloys, by combining atomic scale imaging and spectroscopies along with DFT calculations, was introduced also for the first time to the scientific society. This investigation revealed the coexistence of two ordered structures, which was never reported before for FeCoNi(AlMn)x HEAs. Thorough investigations of the magnetic properties of the aforementioned systems, (e.g., saturation magnetization and coercivity) associated with topography and magnetic domain structures, are also valuable technical insights to the research field. The favourable soft magnetic properties of the FeCoNiAlMn HEAs, is already a good technological basis. Further compositional and microstructural tuning of these HEAs will make them as suitable materials for electromechanical devices important for the green transition and sustainable growth. Additive manufacturing processing via LMD proved to be an attractive high throughput method for material screening. The preliminary cytotoxity assessment suggested that increased focus on HSE should be given in feedstock production and/or additive manufacturing practices when handling elemental powders. The HSE risk associated with pulverized HEAs is reduced and this is significant for the recycling of HEA-based magnets considering the criticality issues of metals like Co which necessitate material reuse/recycling. The magnetic material development methodology established in Magnificent is based on material screening via quantum mechanical modelling, high throughput synthesis and high throughput characterization. This can be further enriched with machine learning assisting quantum mechanical modelling for screening hundreds of thousands candidate alloy compositions, micromagnetic, microstructural and thermodynamic modelling coupled with various high throughput synthesis, characterization and testing. Variations of this approach have been already employed in a direct industrial project between SINTEF and Elkem (one of project's industrial advisors) where soft magnetic materials were selected via DFT computation of magnetic anisotropy energy and total magnetization, magnetometry characterization, arc-plasma synthesis, CALPHAD computations, and microstructural characterization. It was also utilised in two international proposals (M-ERANET, Horizon Europe) with consortia consisting of magnet producers, magnet end-users from the renewable energy and automotive sectors, additive manufacturing and material research specialists.

Conversion between movement and electricity has become a critical part of the global renewable energy system, with wind mills and electric vehicles as prominent examples. Soft magnetic materials are in the heart of electromagnetic generators and electric motors, but there is still much to desire from their functional and mechanical properties. Non-ideal magnetic properties may lead to fatigue and loss of generation efficiency or even mechanical failure. The present project aims to introduce a new generation of materials for soft magnets: high entropy alloys (HEA) generated with additive manufacturing (AM). HEA have demonstrated surprising combinations of properties in various fields, and a few recent works have indicated that this may also be the case for soft magnetic materials. Furthermore, the rich compositional freedom in these materials implies huge possibilities of tailoring functional and mechanical properties to specific applications. The goal of Magnificent is to identify novel HEA-based soft magnets with superior magnetic properties that exhibit significantly reduced losses and fatigue compared to the current state-of-the-art. At the same time, processing by AM facilitates net shape construction of complex geometries and potentially low-emission, distributed production. The project constitutes a complete suite of synthesis and characterization tools, facilitating screening of a large number of potential candidate materials in the search of optimal compositions. In addition, modelling efforts will contribute to the screening by suggesting new materials as well as rationalizing experimental results. But first and foremost, the project partners have endorsed the principles of responsible research and innovation, with specific actions on health, environment, and safety, proactive ethical principles, and a comprehensive risk assessment.