КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 21-72-10104

НазваниеФизика и технологии создания высокоэнергоемких постоянных магнитов и сложных магнитных систем методами аддитивного производства

РуководительВолегов Алексей Сергеевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина", Свердловская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2021 - 06.2024 

Конкурс№61 - Конкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые словааддитивные технологии, постоянный магнит, селективное лазерное плавление, инфильтрация, магнитная система, Nd2Fe14B

Код ГРНТИ29.19.41

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Потребность промышленности в постоянных магнитах ежегодно возрастает на 10-20%. Постоянные магниты системы Nd-Fe-B являются наиболее востребованными при производстве высокотехнологичных устройств. Существующие методы производства постоянных магнитов позволяют получать либо магниты простых форм с высоким значением максимального энергетического произведения ((BH)max до 56 МГсЭ), либо магниты сложных форм с небольшим (BH)max до 10 МГсЭ. Развитие аддитивных технологий, уже нашедших широкое применение в медицине, фармакологии, строительстве и машиностроении, во многом связано с постоянным развитием требований, предъявляемых к различным устройствам, биосовместимым изделиям и др. Повышение сложности геометрии изготавливаемых изделий, приводит к необходимости применения аддитивных технологий вместо субтрактивных и консервативных. Неоспоримым преимуществом аддитивных технологий является практически полное отсутствие отходов производства, поскольку незадействованный в процессе печати материал заново используется в процессе печати. Основной особенностью аддитивных технологий является возможность локального варьирования химического состава и микроструктуры образца, что открывает широкие возможности создания объектов с набором макроскопических свойств, который не может быть получен другими методами производства. Возможно получение так называемых 4d- и 5d-объектов, форма которых может целенаправленно изменяться под внешним воздействием. Применение 3D-печати для изготовления постоянных магнитов находится в зачаточном состоянии, но в течение нескольких ближайших лет будет использоваться при производстве миниатюрных постоянных магнитов, которые проблематично изготавливать традиционными методами. Настоящий проект направлен на разработку физических подходов для технологии 3d-печати постоянных магнитов методом селективного лазерного плавления, что будет включать в себя исследование физических процессов, протекающих во время печати, и определение ключевых параметров, влияющих на магнитные гистерезисные свойства изготавливаемых магнитов и магнитных систем. При создании такой технологии снимутся ограничения на форму готового изделия и распределения магнитного потока в нем. Станет возможным локальное варьирование магнитных свойств. Исследование влияния состава и толщины парамагнитной прослойки в получаемых методом 3D-печати магнитов на их гистерезисные магнитные свойства позволит установить, как сильно снижается межзеренное обменное взаимодействие в промышленно выпускаемых постоянных магнитах и предложить способы увеличения коэрцитивной силы в них. Реализация проекта позволит России оказаться в технологических лидерах по внедрению аддитивных технологий в процесс изготовления постоянных магнитов.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения предлагаемого проекта будут разработаны основные физические подходы и принципы и новая технология 3D-печати постоянных магнитов с контролируемой in situ текстурой осей легкого намагничивания и высокой коэрцитивной силой. Создаваемые магниты и магнитные системы предполагают отсутствие органического связующего и тяжелых редкоземельных металлов. Также особенностью предлагаемых подходов и технологии выступает идея использования для селективного лазерного плавления состава порошков на основе сплава системы Nd-Fe-B и легкоплавкой эвтектики. Такая технология будет востребована для производства магнитных систем со сложными геометрией и конфигурацией магнитных полей в наукоемких и высокотехнологичных изделиях, например, элементы МЭМС, стеллаторы, электронные линзы, микроэлектродвигатели и др. Будут исследованы неравновесные физические процессы и химические реакции, происходящие в микро- и нанокристаллических сплавах системы Nd-Fe-B и легкоплавкой эвтектики под действием кратковременного лазерного воздействия, а именно, будут установлены зависимости параметров инфильтрации от параметров лазерного воздействия и внешних условий, изменения фазового состава и микроструктуры границ зерен. Будет установлена связь магнитных свойств синтезируемых предлагаемой технологией образцов постоянных магнитов и условий синтеза и микроструктурных параметров. Физически обоснованные подходы создания магнитов с управляемым распределением коэрцитивной силы и ориентации осей легкого намагничивания кристаллитов основной магнитотвердой фазы позволят сократить количество редкоземельных металлов в составе постоянных магнитов за счет оптимизации магнита под конкретные условия эксплуатации. Достижение описанных результатов приведет к росту цитирований публикаций российских ученых, снижению стоимости высокотехнологической продукции, созданию новых рабочих мест для высококвалифицированных специалистов, что будет иметь значимый социальный и экономический эффект для России. Существенным положительным эффектом от реализации настоящего проекта будет формирование коллектива молодых преподавателей и научных сотрудников, обладающего уникальными компетенциями в области 3d-печати постоянных магнитов. Сформированный коллектив будет в дальнейшем востребован при модернизации производственных предприятий, выпускающих постоянные магниты, например, на Пышминском опытном заводе «Прогресс» или НПП Неомаг Уральского федерального округа или создании новых. После выполнения проекта существенной модернизации будут подвергнуты читаемые входящими в состав исполнителей преподавателями курсы, что обеспечит обучение студентов в Уральском федеральном университете на мировом уровне.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
За первый год реализации проекта получены быстрозакаленные сплавы с основной фазой Pr2Fe14B и Nd2Fe14B. Сплавы получены в различном микроструктурном и фазовом состояниях. Исследованы процессы перемагничивания и предложена модель этих процессов в нанокристаллических сплавах R-Fe-B с парамагнитной прослойкой между зернами (застехиометрических), с зернами только основной магнитотвердой фазы и с зернами основной магнитотвердой фазы и магнитомягкой фаз. В застехиометрическом сплаве высокая коэрцитивная сила обусловлена задержкой формирования зародыша перемагничивания. Перемагничивание в достехиометрических и стехиометрических сплавах в большей степени похоже на модель задержки смещения доменной стенки на границах зерен, однако не может быть в полной мере описан в рамках этих процессов ввиду изменения топологии доменной стенки на границе зерен, а также сильного влияния межзеренного слоя с пониженным обменным параметром и наличием заряженных доменных стенок. Впервые показано, что заряженные доменные стенки являются одним из определяющих факторов уменьшения коэрцитивной силы сплавов по сравнению с предсказаниями существующих моделей. Впервые показано формирование анизотропных доменов взаимодействия в материале с изотропным распределением осей легкого намагничивания. Причина анизотропии связана с магнитостатическим взаимодействием и, в частности, заряженными доменными границами. Правильное теоретическое описание и предсказание свойств магнитного гистерезиса для таких сплавов требует комбинации моделей задержки формирования зародыша перемагничивания и модели Кнеллера-Хавига, учитывая ослабление обменного взаимодействия по границам зерен, а также распространение модели Кнеллера-Хавига на случай заряженных доменных стенок. Определены скорости диффузии использованных легкоплавких добавок (Pr,Nd)75(Cu,Co)25 в нанокристаллических сплавах Nd-Fe-B в процессе изотермического отжига и под действием нагрева и охлаждения в процессе печати. При T = 500 С скорость инфильтрации составляет 0,06 – 0,07 мкм/мин, T = 600 С – 8 – 9 мкм / мин, при T = 650 С составляет 35 - 40 мкм / мин. При мощности лазера P=52 Вт, расстоянии между соседними проходами лазерного пятна h=27 мкм, скорости сканирования v=2025 мм/с и диаметре пятна лазера 890 мкм скорость инфильтрации составляет 1,5 - 1,7 мм/мин, при мощности P=150 Вт и P=200 Вт при сохранении остальных параметров скорость инфильтрации превышает 3 мм/мин. Эти данные позволят определять параметры печати с учетом толщины слоя порошка и требуемых магнитных свойств на этапе проектирования магнитной системы и ее магнитотвердой части. Наиболее интересным результатом с точки зрения практического применения является демонстрация на примере однослойного магнита возможности получения коэрцитивной силы 19,6 кЭ непосредственно после печати и 21,5 кЭ после постобработки. Этот результат получен без применения тяжелых редкоземельных металлов и на настоящий момент является наилучшим из полученных. Полученные научные результаты положены в основу создания технологии аддитивного производства постоянных магнитов.

 

Публикации

1. Василенко Д.Ю., Шитов А.В., Попов А.Г., Гавико В.С., Братушев Д.Ю., Подкорытов К.И., Головня О.А. Магнитные гистерезисные свойства и микроструктура высококоэрцитивных магнитов (Nd,Dy)–Fe–B с концентрацией Dy до 10 вес. % и низким содержанием кислорода Физика металлов и металловедение, №2, т. 123, с. 1-11 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.31857/S0015323022020103

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
За второй год реализации проекта получены объемные образцы магнитотвердых материалов на основе фазы Nd2Fe14B. Определены параметры процесса 3D-печати, позволяющие получать высококоэрцитивное состояние. Коэрцитивная сила некоторых образцов превышает 20 кЭ при комнатной температуре. В составе образцов не содержится тяжелых редкоземельных металлов. Получены однослойные и многослойные образцы магнитотвердых материалов на основе соединения Sm(Fe,Ti)12. В случае однослойных образцов коэрцитивная сила составила 3,2 кЭ, в случае объемных – 2,9 кЭ при комнатной температуре. Исследованы процессы намагничивания и перемагничивания нанокристаллических сплавов Nd-Fe-B после проведения изотремической инфильтрации легкоплавкими эвтектическими сплавами R75(Cu0,25Co0,75)25, где R = La, Ce, Nd, Gd, Tb. Показано, что константа межзеренного обменного взаимодействия в результате инфильтрации уменьшается в 4 – 10 раз по сравнению с исходным сплавом. В результате уменьшения обменного взаимодействия, а также формирования структуры ядро-оболочка, инфильтрация сплавом Tb75(Cu0,25Co0,75)25 привела к увеличению коэрцитивной силы сплава с 9 до 35 кЭ. Методами микромагнитного моделирования показано, что обменное взаимодействие в нанокристаллических сплавах на основе соединения Nd2Fe14B при температуре ниже температуры спонтанного спин-переориентационного перехода приводит к формированию вихревых структур, объединяющих несколько зерен основной фазы. Получена оценка температуры поверхности построения в процессе печати магнита при параметрах печати, приводящих к наибольшему значению коэрцитивной силы сплава. Температура составляет 1250 – 1350 C и зависит от площади теплового контакта верхнего слоя с нижележащим. Методом быстрой закалки и последующих отжигов получен быстрозакаленный сплав на основе фазы SmCo5 с коэрцитивной силой 44 кЭ, что является абсолютным максимумом для соответствующих фаз и метода получения.

 

Публикации

1. Мальцева В.Е., Андреев С.В., Незнахин Д.С., Уржумцев А.Н., Селезнева Н.В., Волегов А.С. The Magnetic Properties of a NdFeB Permanent Magnets Prepared by Selective Laser Sintering Физика металлов и металловедение, 2022, Vol. 123, No. 8, pp. 740–745 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1134/S0031918X2208004X

2. Незнахин Д.С., Мальцева В.Е., Андреев С.В., Селезнева Н.В., Патраков Е.И., Головня О.А., Волегов А.С. Phase composition and magnetic properties of (Sm,Zr)Fe11Ti magnets produced by selective laser melting Journal of Magnetism and Magnetic Materials, V. 563; Article Number 169937 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2022.169937

3. Протасов А.В., Попов А.Г., Волегов А.С., Гавико В.С., Шитов А.В., Головня О.А. Микроструктура и магнитные свойства сплава (Sm,Zr)(Fe,Co)10.3Ti0.7, изготовленного методом полосового литья Физика Металлов и Металловедение, № 1, том 124, с. 17-23 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31857/S001532302260099X

4. - Миниатюрные постоянные магниты можно будет печатать на 3D-принтере Новости УрФУ, - (год публикации - )

5. - Миниатюрные постоянные магниты можно будет печатать на 3D-принтере Новости РАН, - (год публикации - )