ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
|
ФНКЦ РР |
||
Диаграммами состояния занимаются во всех развитых странах мира, поскольку знание фазовых равновесий и фазовых превращений в сплавах, сконцентрированные в диаграммах состояния, являются фундаментом создания новых материалов и оптимизации технологий и свойств уже применяемых. Первые работы, имеющие отношение к диаграммам состояния появились в конце ХІХ века, что определялось стремительным ростом потребности в новых материалах. Такие работы были посвящены экспериментальному изучению структуры и свойств отдельных соединений. Однако, уже в начале ХХ века появились работы, посвященные полным диаграммам состояния бинарных систем, а к середине века экспериментальные работы по бинарным и тройным системам приняли систематический характер. На сегодняшний день сформировались две основные тенденции в области изучения фазовых равновесий и построения диаграмм состояния. Первая тенденция – переход к многокомпонентным системам, что естественно, т.к. современные материалы многокомпонентны. Это с необходимостью влечет за собой все сложности в экспериментальной работе и, в гораздо большей степени, в интерпретации результатов. Это объясняет тот факт, что многокомпонентные системы изучены в ограниченном объеме. В лучшем случае рассматриваются очень узкие интервалы, имеющие прямой выход на практику. Это породило вторую тенденцию – сочетание экспериментальных исследований с термодинамическим моделированием систем. Именно такой подход к изучению сложных систем сегодня наиболее эффективен и используется практически во всех лабораториях мира, занимающихся этой проблемой. Несмотря на то, что сплавы редкоземельных металлов с переходными металлами представляют значительный интерес, как с практической точки зрения, так и с точки зрения фундаментальной науки, задача создания соответствующей базы данных для них остается не решенной. При этом совершенствование традиционных и развитие новых методов синтеза требует уточнения информации о термодинамических свойствах фаз, равновесных и метастабильных превращениях с их участием. Применение термодинамической оптимизации с необходимостью требует ключевых экспериментальных данных по фазовым равновесиям и термодинамике сплавов. Если построением изотермических сечений занимаются во многих лабораториях мира, то работы по экспериментальному построению диаграмм плавкости постепенно сворачиваются. Сегодня лаборатория НИТУ МИСИС – одна из немногих, занимающихся этим сложным вопросом. С другой стороны, использование термодинамических способов расчета диаграмм состояния затруднено необходимостью оценки термодинамических свойств фаз (при отсутствии экспериментальных данных), а также необходимостью оптимизации результатов включением специально полученных экспериментальных данных по фазовым равновесиям. Расчет фазового равновесия в системе требует минимизации суммы значений свободной энергии Гиббса всех фаз, входящих в ее состав. Поэтому термодинамические свойства каждой фазы, принимающей участие в равновесии, должны быть описаны соответствующими моделями, которые для чистых веществ должны учитывать температурную зависимость, а для фаз, обладающих областью гомогенности, – температурно-концентрационную зависимость свободной энергии Гиббса. Такие задачи будут решаться в процессе выполнения настоящего проекта. Будут получены новые экспериментальные данные по фазовым равновесиям и термодинамическим свойствам в системах {Ti, Co}-РЗМ-Fe. Комплексом методов физико-химического анализа будут исследованы сплавы трехкомпонентных {Ti, Co}-РЗМ-Fe в литом и отожженном состояниях, впервые построены проекции поверхностей ликвидус, солидус и диаграмма плавкости, изотермические сечения (или их фрагменты) при различных температурах, политермические сечения, а также построена схема реакций при кристаллизации сплавов. На данный момент по системам {Ti, Co}-РЗМ-Fe есть только данные по частичным изотермическим сечениям, а данные о кристаллизации сплавов и о характере и температурах образования тройных соединений крайне ограничены. Будут изучены термодинамические свойства некоторых фаз систем {Ti, Co}-РЗМ-Fe. Будут определены области гомогенности тройных соединений, а также установлены температуры и способ их образования. В системе Sm-Fe-Ti будут исследованы концентрационные интервалы стабильности фазы со структурой ThMn12 при частичном замещении Fe на Co, Sm на Nd, c добавками Ti, Zr, V. Будут получены сплавы систем Mn-Al-X в концентрационном интервале 1-10 ат.%, где Х=Ga, Ni, Cu и исследована термодинамическая устойчивость t фазы.
An agenda to reduce greenhouse gas emissions as a countermeasure to the global warming trend is becoming more and more relevant around the world. Significant emission reductions will require the use of highly efficient electric machines, both for power generation and for traction motors for hybrid and electric machines. While permanent magnet electric machines using Nd2Fe14B magnets currently offer clear power density advantages over asynchronous machines, the limited availability and high price of rare earth (R) metals make these machines less advantageous. Dy is a key R element required to improve the high temperature performance of neodymium-iron-boron magnetic alloys for use in generators and traction motors. However high costs and problematic supplying chain make magnetic alloys producers look for alternatives. Alternatives to RE-based alloys exist, but they currently lack the energy density required to replace neodymium-based magnets [1]. Many of these compounds have been known for decades, but serious interest in their development diminished after the discovery of rare earth compounds. Taking into account mentioned above issues it becomes clear that the task to search for new systems that are promising for use as permanent magnets, as well as optimizing old ones, is relevant and is in line with the global trend. Optimization and search for new alloying systems, stability regions of potentially interesting compounds can be done the basis of investigations of phase diagrams and thermodynamic properties of multicomponent systems and their thermodynamic modeling. Thus, in particular, new systems were discovered for the search for permanent magnets with a lower content of rare earth elements, many of which are based on compounds with the ThMn12 structure. The theoretical limit (BH)max for an ideal bulk magnet with a square hysteresis loop is 1/4μ0Ms^2, where it is assumed that all grains of the material should be ideally oriented in the direction of easy magnetization and not contain the second phase. In fact, a high coercive force can be achieved only if there is an intergranular phase in the magnet. However, the creation of new materials and special-purpose alloys with a given and controllable set of properties is impossible without a sufficient amount of knowledge about the nature of the physicochemical interaction, which is reflected in the structure of phase diagrams of multicomponent systems, as well as on the crystal structure and thermodynamic properties of phases. Therefore, to understand the magnetic behavior of such magnets and to obtain good processing conditions (composition, heat treatment), detailed knowledge of phase equilibria and homogeneity region of intermetallic phases is required. Thus, the phase diagrams of the {Ti, Co}-R-Fe and Mn-Al-{Ga, Ni, Cu} systems are an important theoretical basis for the development of new materials. However, experimental data on phase equilibria in these systems are extremely limited. Therefore, the purpose of this work is an experimental study of phase equilibria in three-component systems {Ti, Co}-R-Fe and Mn-Al-{Ga, Ni, Cu}, as well as some boundary binary systems in a wide range of concentrations and temperatures. The results of the study will allow us to assess the prospects for their further, deeper study in order to offer practical application in modern industry. Also, in the work it is planned to carry out thermodynamic modelling, investigate thermodynamic properties, construct cross-sections of phase diagrams for multicomponent systems lying in the field of promising ferromagnetic compounds, their experimental verification, followed by the use of various technological approaches to form a given structure and properties of permanent magnets, based on the studied Sm-Fe-Ti and Mn-Al compounds. The originality of the proposed study lies in the fact that the selected triple objects have practically not been studied. The results obtained will form the fundamental basis for the development of new materials with predetermined properties. The complex nature of the research which combines aspects of various branches of science - chemical thermodynamics, crystal chemistry and materials science is also original. The constructed phase diagrams by level will correspond to international standards and will be included in modern reference books and international databases. The results of the work will be of both fundamental and applied importance. The identified areas of compositions of promising alloys and data on the effect of alloying additions open the way for a scientifically substantiated choice of alloying elements to optimize their properties. [1] McCallum, Practical Aspects of Modern and Future Permanent Magnets, Annual Review of Materials Research, Vol. 44:451-477, 2014, https://doi.org/10.1146/annurev-matsci-070813-113457 [2] P.Tozman, H.Sepehri-Amin, K.Hono, Prospects for the development of SmFe12-based permanent magnets with a ThMn12-type phase, Scripta Materialia, V. 194, 2021, 113686, https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.113686 [3] H. Sepehri-Amin at all, Achievement of high coercivity in Sm(Fe0.8Co0.2)12 anisotropic magnetic thin film by boron doping, Acta Materialia, V. 194, 2020, Pages 337-342 [4] J.M.D.Coey, Permanent magnets: Plugging the gap, Scripta Materialia, Volume 67, Issue 6, September 2012, Pages 524-529, https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2012.04.036. [5] Feng L., Freudenberger J., Mix T., Nielsch K., Woodcock T.G., Rare-earth-free MnAl-C-Ni permanent magnets produced by extrusion of powder milled from bulk, Acta Materialia, V. 199, 2020, Pages 155-168.
Впервые будет проведено комплексное экспериментальное исследование фазовых равновесий и термодинамических свойств сплавов ранее неисследованных трехкомпонентных систем {Ti,Со}-РЗМ-Fe и Mn-Al-{Ga, Ni, Cu} в широких областях концентрации и температуры, а также некоторых ограничивающих двойных. Будут определены неизвестные термодинамические свойства интерметаллических соединений методом высокотемпературной калориметрии. Полученные данные по анализу стабильности соединений данных систем послужат основой для термодинамического моделирования. Данные о фазовых равновесиях и кристаллической структуре соединений, образующихся в исследованных системах, являются основой для разработки новых функциональных материалов. Будут получены новые сплавы на основе систем Sm-Fe-Ti и Mn-Al вблизи соединений, отвечающих соединениям ThMn12 и τ-фазе (L10). Для системы Sm-Fe-Ti будут исследованы концентрационные интервалы стабильности фазы со структурой ThMn12 при легировании переходными металлами. Для системы Mn-Al будут получены данные по термодинамической устойчивости t-фазы на тройных системах Mn-Al-Ga, Mn-Al-Ni, Mn-Al-Cu с добавками атомов металлоидов. Будут получены сплавы соответствующих систем, в том числе и методами неравновесной кристаллизации для исследования магнитных свойств полученных соединений. Будут опробованы технологические подходы для формирования оптимальной структуры сплавов с целью максимизации их магнитных свойств. Экспериментальные массивы данных могут быть использованы для поиска оптимальных характеристик новых материалов, а также в качестве справочного материала в области неорганической химии, химии твердого тела и материаловедении. Социальная и экономическая значимость работы заключается в том, что полученные данные существенно расширят и углубят научные основы разработки новых многокомпонентных материалов с магнитными особыми свойствами для производства постоянных магнитов. Это, в свою очередь, приведет к увеличению рабочего ресурса материалов, экономии минеральных и энергетических ресурсов. Все ожидаемые результаты являются новыми и полностью соответствуют мировым трендам исследований направленным на поиски новых магнитных материалов замещающих Nd2Fe14B либо заполняющих промежуток постоянных магнитов с энергетическим произведением в интервале 100-200 кДж/м^3. Решение данных проблем позволит выйти на рынок постоянных магнитов с качественно новым продуктом.
грант РНФ |
# | Сроки | Название |
1 | 2 августа 2018 г.-30 июня 2021 г. | Экспериментальное исследование фазовых превращений и свойств сплавов систем Fe-РЗМ-ПМ с целью поиска перспективных составов для создания постоянных магнитов |
Результаты этапа: |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".