Additive manufacturing of Fe-6.5Si, Si and Fe-6.5Si/Si composites

dc.contributor.advisor1Gargarella, Piter
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/4641435644243916
dc.contributor.advisor1orcidhttps://orcid.org/0000-0003-4445-5819
dc.contributor.authorPinotti, Vitor Eduardo
dc.contributor.authorlatteshttp://lattes.cnpq.br/5072100559323918
dc.contributor.authororcidhttps://orcid.org/0000-0002-3182-3371
dc.contributor.refereeKiminami, Claudio Shyinti
dc.contributor.refereeBolfarini, Claudemiro
dc.contributor.refereeDiaz, Julian Arnaldo Avila
dc.contributor.refereede Oliveira, Marcelo Falcão
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/5443002033733395
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/9231627080617037
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/0951090463905443
dc.contributor.refereeLatteshttp://lattes.cnpq.br/5681812218970006
dc.contributor.refereeorcidhttps://orcid.org/0000-0001-8231-7316
dc.contributor.refereeorcidhttps://orcid.org/0000-0002-3099-3694
dc.contributor.refereeorcidhttps://orcid.org/0000-0002-5893-4725
dc.contributor.refereeorcidhttps://orcid.org/0000-0003-4589-2463
dc.date.accessioned2026-08-11T11:41:37Z
dc.date.issued2026-07-08
dc.description.abstractThe increasing demand for high-efficiency electric motors requires soft magnetic cores with minimal eddy current losses. Although the addition of 6.5 wt.% Si to electrical steels significantly reduces these losses, the severe embrittlement of the material heavily limits conventional manufacturing routes involving rolling. This thesis explored Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) as an innovative route to fabricate multi-material Soft Magnetic Composites (SMCs) with high electrical resistivity layers, aiming to mitigate magnetic losses. Initially, the processing of each individual constituent was investigated. For the L-PBF deposition of gas-atomized Fe-6.5Si, a Design of Experiments (DoE)/Box-Behnken statistical method successfully defined an optimized processing window. Aided by substrate preheating, the L-PBF process yielded highly dense and nearly crack-free samples. Microstructural analysis identified stable atomic ordering phases (B2 and D03), despite the high cooling rates inherent to the method. Subsequently, silicon (selected as the ideal low-electrical-conductivity material) was evaluated. Unlike Fe-6.5Si, the DoE/Box-Behnken approach failed to provide consistent, predictable trends for silicon. However, empirical optimization demonstrated that strict control of energy input and substrate preheating are essential to mitigate severe cracking susceptibility and structural porosity, achieving a relative density exceeding 99%. Finally, multi-material integration was evaluated through sequential experiments. Initial attempts encountered complex constraints due to thermomechanical issues, such as wettability mismatches and high melt-pool surface tension, which continuously jammed the recoater blade. By incorporating a continuous outer border to stabilize the geometry, it was possible to process silicon layers within a narrow energy window (VED = 42-47 J/mm3). Extrinsic hardware limitations, such as powder cross-contamination, combined with strong fluid flow within the melt pool, promoted intense liquid-state mixing. This prevented the formation of discrete segmented layers as originally designed. Instead of creating a segmented structural composite, this multi-material approach resulted in the successful in-situ synthesis of a homogeneous, silicon-rich soft magnetic matrix stabilized at 11-12 wt.% Si.eng
dc.description.resumoA crescente demanda por motores elétricos de alta eficiência requer núcleos magnéticos moles com perdas mínimas por correntes parasitas. Embora a adição de 6,5% em peso de Si aos aços elétricos reduza significativamente essas perdas, a intensa fragilização do material limita severamente as rotas convencionais de fabricação baseadas em laminação. Nesta tese, investigou-se a técnica de Fusão em Leito de Pó por Laser (Laser Powder Bed Fusion, L-PBF) como uma rota inovadora para a fabricação de Compósitos Magnéticos Moles (Soft Magnetic Composites, SMCs) multimateriais contendo camadas de alta resistividade elétrica, com o objetivo de mitigar as perdas magnéticas. Inicialmente, foi investigado o processamento individual de cada um dos constituintes. Para a deposição por L-PBF da liga Fe-6,5Si atomizada a gás, um planejamento estatístico de experimentos (Design of Experiments, DoE), baseado no método Box-Behnken, permitiu definir com sucesso uma janela otimizada de processamento. Com o auxílio do pré-aquecimento do substrato de fabricação, o processo L-PBF resultou na obtenção de amostras altamente densas e praticamente isentas de trincas. A análise microestrutural revelou a presença das fases ordenadas estáveis B2 e D03, apesar das elevadas taxas de resfriamento inerentes ao processo. Em seguida, o silício (selecionado como o material de baixa condutividade elétrica mais adequado) foi avaliado. Diferentemente da liga Fe-6,5Si, a abordagem baseada em DoE/Box-Behnken não foi capaz de fornecer tendências consistentes e preditivas para o processamento do silício. Entretanto, a otimização empírica demonstrou que o controle rigoroso da energia fornecida e o pré-aquecimento do substrato são fatores essenciais para reduzir a elevada suscetibilidade à formação de trincas e à porosidade estrutural, possibilitando a obtenção de densidades relativas superiores a 99%. Por fim, a integração multimaterial foi investigada por meio de experimentos sequenciais. As primeiras tentativas enfrentaram limitações complexas decorrentes de problemas termomecânicos, como incompatibilidades de molhabilidade e elevada tensão superficial da poça de fusão, que provocavam o travamento recorrente da lâmina recoater. A incorporação de uma borda externa contínua para estabilização geométrica permitiu o processamento de camadas de silício em uma estreita janela de energia (VED = 42-47 J/mm3). Limitações extrínsecas do equipamento, como a contaminação cruzada entre os pós, aliadas ao intenso fluxo do metal fundido na poça de fusão, promoveram uma intensa mistura no estado fundido, impedindo a formação das camadas segmentadas originalmente projetadas. Em vez da obtenção de um compósito estrutural segmentado, essa abordagem multimaterial resultou na síntese in situ de uma matriz magnética mole homogênea, enriquecida em silício e estabilizada entre 11 e 12% em peso de Si.por
dc.description.sponsorshipFundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)
dc.description.sponsorshipConselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)
dc.description.sponsorshipId2022/05528-2
dc.description.sponsorshipId140668/2022-5
dc.identifier.citationPINOTTI, Vitor Eduardo. Additive manufacturing of Fe-6.5Si, Si and Fe-6.5Si/Si composites. 2026. Tese (Doutorado em Ciência e Engenharia de Materiais) – Universidade Federal de São Carlos, Campus São Carlos, 2026. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/24482.*
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/20.500.14289/24482
dc.language.isoeng
dc.publisherUniversidade Federal de São Carlos
dc.publisher.addressCampus São Carlos
dc.publisher.centerCentro de Ciências Exatas e de Tecnologia - CCET
dc.publisher.initialsUFSCar
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PPGCEM
dc.relation.urihttps://doi.org/10.1016/j.jmrt.2026.04.106
dc.relation.urihttps://doi.org/10.1002/adem.202502417
dc.relation.urihttps://doi.org/10.1557/s43578-023-01271-8
dc.relation.uri10.1016/j.powtec.2024.119986
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subjectLaser Powder Bed Fusioneng
dc.subjectSoft Magnetic Compositeseng
dc.subjectHigh-silicon steeleng
dc.subjectIn-situ synthesiseng
dc.subjectMulti-material additive manufacturingeng
dc.subjectFusão em Leito de Pó a Laserpor
dc.subjectCompostos Magnéticos Molespor
dc.subjectAço de alto silíciopor
dc.subjectSíntese in-situpor
dc.subjectManufatura aditiva multimaterialpor
dc.subject.cnpqENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA
dc.subject.ods9. Indústria, Inovação e Infraestrutura
dc.titleAdditive manufacturing of Fe-6.5Si, Si and Fe-6.5Si/Si compositeseng
dc.title.alternativeManufatura aditiva de Fe-6.5Si, Si e compósitos Fe-6.5Si/Sipor
dc.typeTese

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