ИСТИНА

Повестка по сокращению выбросов парниковых газов, как противодействие тренду глобального потепления становится все более актуальной по всему миру. Заметное сокращение выбросов потребует применения высокоэффективных электрических машин, как для производства электроэнергии, так и для тяговых двигателей гибридных и электрических машин. Несмотря на то, что в настоящий момент электрические машины с постоянными магнитами, в которых используются магниты на основе Nd2Fe14B, обеспечивают очевидные преимущества по удельной мощности по сравнению с асинхронными машинами, ограниченная доступность и высокая цена на редкоземельные (RE) металлы делают эти машины менее выгодными. Особое беспокойство вызывает стоимость и критическая важность поставки Dy ключевого RE-элемента, необходимого для улучшения высокотемпературных характеристик магнитных сплавов на основе неодим-железо-бора для использования в генераторах и тяговых двигателях. Альтернативы сплавам на основе RE существуют, но в настоящее время им не хватает плотности энергии, необходимой для замены магнитов на основе неодима [1]. Многие из этих соединений были известны в течение десятилетий, но серьезный интерес к их разработке ослаб после открытия соединений на основе редкоземельных элементов. Принимая во внимание вышесказанное, становится понятным, что задача поиска новых систем, перспективных для применения в качестве постоянных магнитов, а также оптимизация старых является актуальной и соответствующей мировому тренду. Оптимизация и поиск новых систем легирования, области устойчивости потенциально интересных соединений могут быть получены из исследований диаграмм состояния, термодинаимческих свойств и термодинамического моделирования многокомпонентых систем. Так, в частности, были открыты новые системы для поиска постоянных магнитов с меньшим содержанием редкоземельных элементов, многие из которых базируются на соединениях со структурой ThMn12. Теоретический предел (BH)max для идеального объемного магнита с квадратной петлей гистерезиса составляет 1/4μ0Ms^2 , где предполагается, что все зерна материала должны быть идеально ориентированы в направлении легкого намагничивания и не содержать вторую фазы. В действительности, высокая коэрцитивная сила может быть достигнута только при наличии в магните межзеренной фазы. Типичное содержание второй фазы для коммерческой системы на основе Nd-Fe-B типа N50 составляет 0,1, что дает (BH)max <0.8 μ0Ms^2. Тогда максимальное значение (BH)max может составлять около 386 кДж/м^3 для систем на основе Sm-Fe-Ti, легированных кобальтом и цирконием. Стоимость материала для (Sm0,8Zr0,2)(Fe0,8Co0,2)11,5Ti0,5 составляет приблизительно 65 % от стоимости материала для Nd2Fe14B, поэтому, если коэрцитивная сила около 1.2 Тл, найденная в тонких пленках Sm(Fe0.8Co0.2)12B0.5 [3] может быть достигнута в объемном анизотропном магните, магнитотвердые свойства магнитов на основе 1:12 смогут превзойти свойства магнитов на основе Nd-Fe-B при повышенных температурах. Однако, помимо редкоземельных магнитов с рекордно высокими свойства и магнитным произведением более 200 кДж/м^3, на рынке существует запрос на недорогие магнитные материалы с энергетическим произведением в интервале 100-200 кДж/м^3 [4]. Одними из наиболее многообещающих систем подобных магнитов являются системы на основе Mn-Al. Ферромагнетизм в них обуcловлен появлением магнитотвердой тетрагональной τ-фазы со структурой L10. Теоретически значение (BH)max для этого соединения может достигать 117 кДж/м^3, однако, достигаемое на практике значение менее 50 кДж/м^3 [5]. Во многом это обусловлено как не оптимальными параметрами процесса получения, которые включают в себя процессы горячей деформации (около 700 °С), так и метастабильной природой исходной фазы, которая частично распадается на стабильные неферромагнитные фазы в процессе обработки. Показано, что добавки никеля и галлия приводят к улучшению стабильности фазы, однако, окончательного понимания природы улучшения стабильности нет. Однако создание новых материалов и сплавов специального назначения с заданным и управляемым комплексом свойств невозможно без достаточного объема знаний о характере физико-химического взаимодействия, что находит отражение в строении диаграмм состояния многокомпонентных систем, а также о кристаллической структуре и термодинамических свойствах фаз. Следовательно, чтобы понять магнитное поведение таких магнитов и получить хорошие условия обработки (состав, термообработка), необходимо детальное знание фазовых равновесий и областей гомогенности интерметаллических фаз. Таким образом, диаграммы состояния систем {Ti,Со}-РЗМ-Fe и Mn-Al-{Ga, Ni, Cu} являются важной теоретической основой для разработки новых материалов. Однако экспериментальные данные о фазовых равновесиях в этих системах крайне ограничены. Поэтому, цель данной работы – экспериментальное исследование фазовых равновесий в трехкомпонентных системах {Ti,Со}-РЗМ-Fe и Mn-Al-{Ga, Ni, Cu}, а также некоторых двухкомпонентных систем во широком диапазоне концентраций и температуры. Результаты исследования позволят оценить перспективы их дальнейшего, более глубокого изучения с целью предложить практическое применение в современной промышленности. Также, в работе планируется провести термодинамическое моделирование и определить термодинамические свойства некоторых систем, построение сечений диаграмм состояния для многокомпонентных систем, лежащих в области перспективных ферромагнитных соединений, их экспериментальная верификация, с последующим применением различных технологических подходов для формирования заданной структуры и свойств постоянных магнитов, на основе исследуемых соединений Sm-Fe-Ti и Mn-Al. Оригинальность предлагаемого исследования состоит в том, что выбранные тройные объекты практически не изучены. Полученные результаты составят фундаментальные основы для разработки новых материалов с заранее заданными свойствами. Оригинальным является также комплексный характер исследования, которое объединяет аспекты различных отраслей науки - химической термодинамики, кристаллохимии и материаловедения. Построенные диаграммы состояния по уровню будут соответствовать мировым стандартам и войдут в современные справочники и международные базы данных. Результаты работы будут иметь как фундаментальное, так и прикладное значение. Выявленные области составов перспективных сплавов и данные о влиянии легирующих добавок открывают путь научно обоснованного выбора легирующих элементов для оптимизации их свойств. [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.

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.