Аннотация результатов, полученных в 2024 году
На текущем этапе выполнения исследований были получены важные результаты для понимания того, как формируется структура и магнитные свойства в системе Mn-Al в области существования ферромагнитной магнитотвердой фазы в процессе механического измельчения и быстрой закалки. На порошках, полученных из массивного слитка состава Mn55Al36Ga9 было показано, что низкоэнергетический режим измельчения без использования поверхностно-активных веществ приводит к образованию тонких (<10 мкм) чешуевидных частиц. Незначительное изменение объемной доли τ-фазы после 6 часов измельчения (85,2 об.%) по сравнению с массивным образцом до измельчения (90,1 об.%) указывает на высокую термодинамическую стабильность ферромагнитной фазы в процессе механического измельчения. Быстрозакалённые ленты того же состава Mn55Al36Ga9, полученные при различных скоростях охлаждения, имели двухфазную структуру γ2 + ε, при этом количественные закономерности между объёмными долями этих фаз и скоростью охлаждения выявить не удалось . Ленты данного состава претерпевают следующую последовательность фазовых превращений: 1) до 400 °С: ε → γ2, 2) в диапазоне 400–500 °С: ε → L10 (ε), 3) 500–600 °С: γ2 → L10 (γ2), 4) 500–600 °С: L10 (ε) → β, 5) 600–700 °С: растворение (β-Mn), 6) выше 700 °С: распад τ-фазы. Общий ход кривых, показывающий изменения фазового состава, сохраняется при повышении скорости закалки. Быстрозакалённые ленты состава Mn55Al36Ga9 в процессе помола приобретают более высокие магнитные свойства, если помол осуществлять непосредственно после закалки (при фазовом составе лент γ2 + ε), не проводя предварительного отжига на τ-фазу. Это позволяет получить более мелкие частицы порошка, что в комбинации с последующим отжигом обуславливает высокое значение коэрцитивной силы (280 кА/м) при удельном магнитном моменте насыщения 62 А*м2/кг. Термодинамическая стабильность измельченного сплава Mn55Al36Ga9, изготовленного из массивного слитка, сравнима с термодинамической стабильностью сплавов Mn-Al-C. Отжиг при 700°C в течение 10 мин после помола в течение 6 часов приводит к росту концентрации β-Mn с 6,3 об.% до 29,7 об.%, чего не наблюдается в массивных образцах. Исследования магнитных гистерезисных свойств порошка Mn55Al36Ga9, изготовленного из массивного слитка, показали, что коэрцитивная сила достигает своего максимального значения в 217 кА/м после 6 часов измельчения, после чего она снижается до 170 кА/м после 20-минутного отжига при температуре 700°C. При измерении магнитных гистерезисных свойств быстрозакалённых лент состава Mn55Al36Ga9 было показано, что закалённая при v = 40 м/с, характеризуется более высокими значениями остаточной намагниченности (175 кА/м) и коэрцитивной силы (149 кА/м), но более низкой максимальной намагниченностью в поле 2 Тл в сравнении с лентой, закалённой при v = 10 м/с, для которой эти свойства составляют 97 кА/м и 35 кА/м, соответственно. В сплава легированных ванадием были показаны следующие закономерности: -Ванадий снижает термодинамическую стабильность τ-фазы, что проявляется в сужении области гомогенности, повышении критической скорости закалки, необходимой для фиксации фазы, а также в низкой температуре распада фазы относительно двойных сплавов. -В быстрозакалённых лентах область существования τ-фазы слабо смещается в сторону более низких концентраций марганца по сравнению с массивным состоянием. -Предполагаемая по результатам ДСК температура Кюри сплава Mn53Al44V3 составила 281 оС, что ниже значения, характерного для двойных сплавов. -Наибольшее количество ферромагнитной τ-фазы как в массивном, так и в быстрозакалённом состоянии, наблюдается в сплавах состава Mn53Al44V3. На основании полученных данных был собран прототип фазовой диаграммы Mn-Al-V в области концентраций V = 3% ат., Mn ≈ 50-55% ат., а также создана схема зависимости фазового состава, фиксируемого при быстрой закалке, от состава сплавов Mn-Al-V. Для быстрозакаленных лент системы Mn-Al-V, использование гексана в качестве ПАВ позволяет слабо усиливать анизотропию формы порошков Mn53Al44V3, изготовленных из быстрозакалённых лент, благодаря чему несколько повышается значение коэрцитивной силы. Однако достигнутые значения намагниченности в результате помола в течение 60 минут оказались низкими: максимальный удельный магнитный момент образцов составил около 55 А*м2/кг, что составляет около половины удельного магнитного момента, полученного на бездефектных лентах. Было показано, что быстрозакалённые ленты состава Mn53Al44V3 имеют высокую намагниченность насыщения: удельный магнитный момент насыщения образца составил 107 А*м2/кг, что в пересчёте на намагниченность τ-фазы (с учётом её объёмной доли) составляет 121 А*м2/кг. Микромагнитное моделирование ансамблей ферромагнитных частиц с высокой магнитокристаллической анизотропией без текстуры построен график зависимости коэрцитивной силы Hс и остаточной намагниченности (Mr/Ms) от размера кристаллитов d. Наибольшее значение коэрцитивной силы (Нс=0,5 Тл) достигается при размере кристаллитов от 30 нм до 90 нм в ансамблях без текстуры, при этом Mr/Ms≈0,59, в ансамбле с текстурой заметно увеличиваются магнитные свойства (d=40 нм, Нс=0,7 Тл и Mr/Ms=0,74). - Для придания высококоэрцитивного состояния ферромагнитному сплаву системы Mn-Al следует использовать диапазон размера кристаллитов от 90 нм до 30 нм, а также создавать текстуру. - На полученных петлях магнитного гистерезиса для ансамблей с прослойкой, имитирующей неферромагнитную изолирующую границу видно, что коэрцитивной силы имеет максимум (Hc=0,52 Тл) при толщине прослойки 7 нм, механизм пока не совсем понятен, предположительно возникает эффект магнитной изоляции кристаллов. При дальнейшем увеличении толщины прослойки значение коэрцитивной силы снижается, что связано с уменьшением доли ферромагнитной фазы. В данной работе было впервые исследовано фазово-структурное состояние сплавов Mn55-xAl36Ga9Cux (x = 0, 1, 2, 3, 4, 5) в литом, закаленном и отожженном состоянии, а также установлена зависимость гистерезисных магнитных свойств отожженных при 700 °С в течение 20 минут образцов от концентрации Cu. Было установлено, что предел растворимости Cu в решетке ферромагнитной фазы L10 системы Mn-Al-Ga составляет ~ 3 % по атомной доле. Была исследована микро- и доменная структура сплавов, которая показала образование немагнитной прослойки при концентрации меди, превышающей 3 % по атомной доле. Интересным результатом является получение высокого содержания ферромагнитной фазы в сплаве Mn51Al36Ga9Cu4 в литом состоянии – 98,5 ± 4,9 % по объему.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Ключевые научные результаты, полученные в отчетном периоде: Установлены и оптимизированы критические технологические параметры получения текстурированных порошковых магнитов на основе системы Mn-Al-Ga. Экспериментально доказано, что для формирования максимальной доли ферромагнитной τ-фазы (~81.7 об.%) в сплаве Mn₅₅Al₃₆Ga₉ необходим режим термической обработки, включающий гомогенизацию слитка и закалку в воде вместе с кварцевой ампулой (обеспечивающей промежуточную скорость охлаждения) и последующего отжига при 700°C. Данный режим минимизирует образование нежелательных фаз. Найдены оптимальные режимы измельчение до мелкодисперсного порошка (средний размер частиц ~2.3 мкм) с сохранением высокой доли τ-фазы. Для этого обязательно необходимо использовать поверхностно-активное вещество (этанол) в процессе помола в планетарной шаровой мельнице для предотвращения агломерации и холодной сварки частиц. Спроектирована и апробирована установка для прессования в магнитном поле, позволившая получить цельные заготовки. Сформулированы рекомендации по преодолению этого барьера, включая ускорение стадий нагрева/охлаждения при спекании. Впервые детально изучено влияние добавок титана (Ti) в сплавы тройной системы Mn-Al-Ga. Показано что титан приводит к увеличению коэрцитивной силы в 3 раза — с 35 до 111 кА/м, а также повышает максимальную намагниченность материала на 27%. Оба эффекта связаны с уменьшением плотности антифазных границ. Проведено систематическое изучение системы Mn-Al-Cu, и обнаружено, что в сплаве существуют два типа магнитной фазы с разным содержанием марганца, которые образуются разными путями. Установлено, что наиболее стабильной является фаза с почти равным содержанием марганца и алюминия (~50/50), а не с избытком марганца (~55%), как считалось ранее. Для данной системы удалось получить сплав, почти 100% состоящий из магнитной фазы. Методом ПЭМ обнаружено формирование сеть дислокаций в сплавах Mn-Al-Ga, образующих антифазные границы. Компьютерное моделирование из первых принципов, (DFT-расчёты) показало, что атомы марганца на этих границах выстраиваются противоположно общему магнитному полю материала (антиферромагнитно). Это объясняет, почему экспериментально измеренная намагниченность таких материалов иногда ниже теоретически ожидаемой. Обнаружены, что в системы Mn-Al-V в бстрозакаленных лентах возникает большой (130С) гистерезис температуры Кюри — температура, при которой материал теряет магнетизм при нагреве, не совпадает с температурой, при которой он вновь намагничивается при охлаждении. Такой эффект, характерный для фазовых переходов первого рода, ранее не наблюдался в магнитных сплавах Mn-Al. Это указывает на особый, ещё не изученный механизм магнитных взаимодействий в присутствии ванадия. Разработаны модели сплавов, содержащие дефекты кристаллического строения - двойники. С помощью микромагнитного моделирования изучено, как различные дефекты кристаллической решётки (в частности, двойники) влияют на магнитные характеристики. Моделирование подтвердило, что двойники ухудшают свойства магнита, и показало, что степень этого влияния сильно зависит от их ориентации. Практическая ценность работы заключается в создании технологических основ для производства отечественных безредкоземельных постоянных магнитов с конкурентоспособными характеристиками. Такие магниты востребованы в электродвигателях, генераторах возобновляемой энергии, датчиках и других критически важных устройствах.