ЗАО «Ассоциация Аэрокосмических Инженеров»

НАУЧНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ

«В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 22 июля 2014 года № 14.579.21.0038 с Минобрнауки в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе №1 в период с 22.07.2014 по 31.12.2014 выполнялись следующие работы:

1. Аналитический обзор информационных источников.
2. Проведение патентных исследований.
3. Выбор и обоснование направлений исследований, способов решения поставленных задач, методов и средств изучения структуры, состава и свойств высококоэрцитивных наноструктурированных магнитотвердых материалов.
4. Разработка научных основ процессов получения с использованием процессов гидрирования и (или) азотирования МТМ на основе сплавов систем Sm-Fe и Nd-Fe-B с заданными составом и структурой.
5. Исследование механизмов формирования высококоэрцитивного состояния в наноструктурированных МТМ на основе сплавов систем Sm-Fe и Nd-Fe-B, синтезированных с использованием процессов гидрирования и (или) азотирования.
6. Исследование композиций и экспериментальное определение оптимальных режимов получения высококоэрцитивных наноструктурированных МТМ на основе сплавов систем Sm-Fe и Nd-Fe-B, синтезированных с использованием процессов гидрирования и (или) азотирования.
7. Разработка технологических решений на основе проведённых теоретических и экспериментальных исследований для получения высококоэрцитивных наноструктурированных МТМ на основе гидридов и (или) нитридов сплавов систем Sm-Fe и Nd-Fe-B.
8. Разработка ТЗ на проектирование макета лабораторной термогазобарической установки (далее – ЛТГБУ) для гидрирования и азотирования сплавов РЗМ с переходными металлами группы железа.
9. Расчет и разработка технологических параметров (режимов) выплавки сплавов в вакуумной индукционной печи.
10. Выплавка лигатур и пробных партий сплавов для изготовления исследовательских образцов.
11. Определение химического и фазового состава лигатур и пробных партий сплавов.

Выбор направления исследований. Теоретические исследования поставленных перед ПНИ задач.

На первом этапе ПНИ решались задачи анализа литературных данных и проведения патентных исследований, определения способов и режимов синтеза сплавов с использованием процессов гидрирования и азотирования, физико-химического исследования  сплавов на основе соединений Sm2Fe17 и Nd2Fe14B.

1. На основании предварительного анализа литературных данных были выбраны три ключевых направления работ для достижения цели ПНИ: (1) исследование порошков нитридов, в том числе композиционных, на основе сплавов системы Sm-Fe; (2) исследование быстрозакалённых сплавов системы Nd-Fe-B; (3) Исследование наноструктурированных порошков сплавов системы Nd-Fe-B после HDDR-обработки.

2. Проведены патентные исследования и написанан патентный отчет.

3. Были определены  способы решения поставленных задач на каждом из указанных направлении, включающих, в том числе, разработка лабораторных технологий получения высококоэрцитивных наноструктурированных порошков: (а) нитридов типа Sm2Fe17Nx;  (б) быстрозакалённых сплавов на основе системы Nd-Fe-B; (в) сплавов системы Nd-Fe-B, полученных HDDR-методом.

4. Для обоснования процессов получения азотсодержащих порошков МТМ на основе сплавов систем Sm-Fe и Nd-Fe-B с заданными составом и структурой осуществлена разработка научных основ процессов гидрирования и азотирования.

5. Выполнены исследования механизмов формирования высококоэрцитивного состояния в наноструктурированных МТМ на основе сплавов систем Sm-Fe и Nd-Fe-B, синтезированных с использованием процессов гидрирования и (или) азотирования.

6. Выполнены исследования композиций и проведено экспериментальное определение оптимальных режимов получения высококоэрцитивных наноструктурированных МТМ на основе сплавов систем Sm-Fe и Nd-Fe-B, синтезированных с использованием процессов гидрирования и (или) азотирования. Выполнены комплексные исследования структуры, фазового состава и магнитных свойств порошков сплавов Sm-Fe после азотирования.

7. Проведён детальный калориметрический анализ системы Sm2Fe17 – H2.

8. Выполнена разработка технологических решений для получения высококоэрцитивных наноструктурированных МТМ на основе гидридов и (или) нитридов сплавов систем Sm-Fe и Nd-Fe-B.

9. Разработано  ТЗ на проектирование макета лабораторной термогазобарической установки (ЛТГБУ) для гидрирования и азотирования сплавов РЗМ с переходными металлами группы железа. Выполнены исследования рынка предлагаемых к приобретению лабораторных установок для гидрирования и азотирования сплавов, а также имеющейся патентной информации о конструкциях такого рода установок. 

10. Выполнен расчёт оптимальных композиций лигатур и сплавов Sm-Fe, Nd-Fe-B и др., разработаны технологические карты процессов вакуумной индукционной плавки лигатур и сплавов с Sm и Nd соответственно, учитывающие специфику физико-химических свойств указанных РЗМ.

11.  Подобраны шихтовые компоненты и методом вакуумной индукционной плавки выплавлены лигатуры (Sm-Fe, Nd-Fe и Dy-Fe) и пробные партии сплавов (со стехиометрией Sm2Fe17 и на основе интерметаллического соединения Nd2Fe14B).

12. Выполнены исследования по определению химического (методом рентгеновского флуоресцентного анализа) и фазового (методами рентгеновской дифракции) состава лигатур и пробных партий сплавов.  

Экспериментальные и теоретические исследования поставленных перед ПНИ задач

1. разработаны составы МТМ на основе наноструктурированных сплавов систем Sm-Fe и Nd-Fe-B с высококоэрцитивными характеристиками, получаемых с использованием процессов гидрирования и азотирования.

2. Выполнены работы по изготовлению исследовательских образцов МТМ на основе гидридов и (или) нитридов сплавов систем Sm-Fe и Nd-Fe-B для их комплексных исследований, включающие дифференциальную сканирующую калориметрию и термогравиметрический анализ; рентгеноструктурный анализ; рентгенофлуоресцентный анализ; просвечивающую и сканирующую электронную и оптическую микроскопию; мёссбауэровскую спектроскопию; измерение магнитных свойств.

3. Выполнены комплексные исследования исследовательских образцов, устанавливающие связь между параметрами получения МТМ на основе сплавов систем Sm-Fe и Nd-Fe-B, синтезированных с использованием процессов гидрирования и (или) азотирования, и их структурой и свойствами, в том числе:

    — образцов МТМ на основе сплавов системы Sm-Fe в литом состоянии, после гидрирования, после гидрирования и азотирования, после гидрирования-дегидрирования, после гидрирования-дегидрирования и азотирования, после HDDR- обработки, после HDDR-обработки и азотирования, а также после механоактивационной обработки (высокоэнергетического помола) азотированных порошков;  

    -образцов МТМ на основе литых и быстрозакалённых сплавов системы Nd-Fe-B в исходном состоянии, после гидрирования, после гидрирования-дегидрирования, после гидрирования-дегидрирования и азотирования, а также после механоактивационной обработки.

4. Методом дифференциальной калориметрии выполнены исследования взаимодействия водорода с основной магнитотвёрдой фазой Nd2Fe14B на быстрозакалённых сплавах системы Nd-Fe-B;

     — впервые построены изотермы давление–состав,

     — определены изменения парциальной мольной энтальпии абсорбции и десорбции от концентрации водорода в системе         Nd2Fe14B-H2.

5. Определены температурные зависимости гистерезисных свойств после различных режимов обработки. 

6. Впервые с использованием кривых Хенкеля, в интервале температур от комнатной до 200 оС, исследованы магнитные взаимодействия в композиционных наноструктурированных порошках быстрозакалённых сплавов системы Nd-Fe-B.

7. Выполнена разработка лабораторных методик:

       (а) измерения гистерезисных свойств высококоэрцитивных МТМ, полученных с использованием процессов гидрирования и (или) азотирования;

       (б) проведения фазово-структурного анализа МТМ на основе сплавов РЗМ с переходными металлами группы железа, синтезированных с использованием процессов гидрирования и (или) азотирования. 

8. Выполнена разработка и согласование общей компоновочной схемы лабораторной термогазобарической установки, разработана эскизная конструкторская документация ЛТГБУ, в том числе:

    (а) чертёж общего вида ЛТГБУ,

    (б) схема деления ЛТГБУ,

    (в) чертёж общего вида блока подачи газов,

    (г) чертёж общего вида реактора для гидрирования/азотирования,

    (д) чертёж общего вида блока нагрева,

    (е) чертёж общего вида системы управления, а также схемы

    (ж) системы управления,

    (з) вакуумно-газовой и

    (и) развёрнутая пояснительная записка к ним. 

9. Выполнена разработка эскизной конструкторской документации на приспособления для обеспечения реализации лабораторной технологии получения МТМ на основе сплавов систем Sm-Fe и Nd-Fe-B, включая:

     -ЭКД контейнера для газотермобарической обработки сплавов с РЗМ, транспортировки и хранения порошков МТМ;

     -ЭКД плавильного блока (кристаллизатора) для выплавки сплавов в вакуумной дуговой печи,
     -пояснительные записки к ним.

10. Выполнен расчёт оптимальных композиций лигатур и сплавов Sm-Fe, Nd-Fe-B для исследований.

11. Методами вакуумной индукционной и дуговой плавки выплавлены лигатуры (Sm-Fe, Nd-Fe, Nd-Fe-В и Fe-В) и сплавов для исследований (для изготовления исследовательских образцов МТМ на основе гидридов и (или) нитридов сплавов систем Sm-Fe и Nd-Fe-B для комплексных исследований).

12. Выполнены исследования по определению химического (методом рентгеновского флуоресцентного анализа) и фазового (методами рентгеновской дифракции) состава лигатур и сплавов для исследований.

Экспериментальные и теоретические иследования поставленных перед ПНИ задач

1. Проведены эксперименты с процессами, на основе которых строится лабораторная технология получения высококоэрцитивных наноструктурированных МТМ на основе сплавов систем Sm-Fe и Nd-Fe-B с использованием процессов гидрирования и (или) азотирования;

2. Разработана лабораторная методика проведения процесса гидрирования сплавов системы Sm-Fe и Nd-Fe-B.

3. Разработана лабораторная методика проведения процесса азотирования сплавов системы Sm-Fe и Nd-Fe-B.

4. Изготовлены исследовательские образцы высококоэрцитивных наноструктурированных МТМ на основе сплавов систем Sm-Fe и Nd-Fe-B с использованием процессов гидрирования и (или) азотирования по разрабатываемой технологии;

5. Проведены   исследования исследовательских образцов высококоэрцитивных наноструктурированных МТМ на основе сплавов систем Sm-Fe и Nd-Fe-B, полученных по лабораторным методикам.

6. Разработан проект лабораторного регламента на процесс получения с использованием процессов гидрирования и азотирования высококоэрцитивных наноструктурированных МТМ на основе сплавов систем Nd-Fe-B.

7. Разработан проект лабораторного регламента на процесс получения с использованием процессов азотирования или гидрирования и азотирования высококоэрцитивных наноструктурированных МТМ на основе сплавов систем Sm-Fe.

8. Изготовлены отдельные узлы ЛТГБУ.

9. Изготовлены приспособления для обеспечения реализации лабораторной технологии получения МТМ на основе сплавов систем Sm-Fe и Nd-Fe-B.

10. Выплавлены лигатуры и сплавы для исследований, изготовлены исследовательские образцы. 

11. Определены химический и фазовый состава лигатур и сплавов для исследований.

 

— Выбраны ключевые направления работ для достижения цели ПНИ. Проведены исследования рынка предлагаемых к приобретению лабораторных установок для гидрирования и азотирования сплавов, а также имеющаяся патентная информация о конструкциях такого рода установок.

— Рассчитаны шихтовки и выплавлены лигатуры и сплавы, изготовлены исследовательские и экспериментальные образцы, определён их химический и фазовый состав и структура; проведена гомогенизация сплавов, изготовлены исследовательские и экспериментальные образцы; с использованием передовых методик проведены комплексные исследования характеристик исследовательских образцов; проведены дополнительные исследования структуры и магнитных свойств азотированных многослойных плёнок Sm2Fe17/α-Fe со слоями толщиной 10 и 15 нм.

— Разработано  ТЗ на проектирование макета ЛТГБУ для гидрирования и азотирования сплавов РЗМ с ПМ группы железа, разработана ЭКД ЛТГБУ, проведено изготовление, монтаж и наладка ЛТГБУ. Разработана программа и методики испытаний ЛТГБУ. Разработано (ТЗ, ЭКД) и изготовлено вспомогательное оборудование: контейнер для газотермобарической обработки сплавов с РЗМ, транспортировки и хранения порошков МТМ и плавильного блока (кристаллизатора) для выплавки сплавов в вакуумной дуговой печи.

— Комплексные исследования характеристик образцов МТМ обладают научной новизной, а дополнительные исследования структуры и магнитных свойств обменно-связных многослойных плёнок Sm2Fe17/α-Fe полученных методом высокочастотного магнетронного напыления, не имеют аналогов в мире.

— Результаты, полученные на 4-м этапе ПНИ, явятся основой для успешного завершения работы в целом, в том числе, проведения исследовательских испытаний экспериментальных образцов и ЛТГБУ, полностью соответствуют плану-графику и ТЗ. Полученные результаты являются уникальными, а исследовательские образцы по уровню свойств соответствуют уровню аналогичных новейших отечественных и зарубежных разработок.

— Охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности (РИД), полученные в рамках прикладного научного исследования и экспериментальной разработки

— Ноу-хау № 151228 от 28.12.2015 «Получение порошковых магнитотвердых материалов на основе сплавов системы Sm-Fe-N/Fe с помощью механоактивационного синтеза», Приказ  от 29.12.2015 Директора ЗАО «Ассоциация Аэрокосмических Инженеров»

— Разработаны композиции и лабораторная технология получения наноструктурированных МТМ на основе сплавов систем Nd-Fe-B и Sm-Fe, обладающих остаточной намагниченностью (Br) не менее 1,20 Тл и коэрцитивной силой (Hci) более 720 кА/м, защищённые Ноу-Хау.

 — Проведены исследовательские испытания экспериментальных образцов высококоэрцитивных наноструктурированных МТМ на основе сплавов систем Sm-Fe и Nd-Fe-B, полученных с использованием процессов гидрирования и (или) азотирования, по разработанной Программе и методикам исследовательских испытаний на соответствие требованиям ТЗ.

— Впервые в мире выполнены исследования (дополнительные) гистерезисных свойств, структуры и фазового состава уникальных многослойных пленок Sm2Fe17/α-Fe (гетероструктур) с толщинами слоёв (7,5/7,5) нм, 10/10 нм, полученных методом высокочастотного магнетронного распыления (наибольшее значение Hci = 524 кА/м получено на плёнке (Sm2Fe17/Fe)*10 (толщина слоёв 10 нм), отожженной при 7000С в течение 6 минут).

— Выплавлены сплавы систем Nd-Fe-B и Sm-Fe и с их использованием по разработанной Программе и методикам проведены испытания лабораторной термогазобарической установки, подтвердившие её технические характеристики и эффективность использования для разного вида водородных обработок (гидрирование-дегидрирование, HDDR-обработка и т.п.) и/или азотирования. Проведено обобщение и оценка полученных результатов, в том числе технико-экономическая оценка их рыночного потенциала, а также разработаны технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации полученной в рамках ПНИ научно-технической продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера.

— На основании полученных результатов осуществлена разработка проекта ТЗ для проведения последующей ОТР на тему: «Разработка опытно-промышленной технологии получения с использованием процессов гидрирования и (или) азотирования высококоэрцитивных магнитотвёрдых материалов на основе наноструктурированных сплавов РЗМ с переходными металлами группы железа для нового поколения композиционных постоянных магнитов» и проектов учебно-методических материалов и программы внедрения в образовательный процесс Химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова и НИТУ «МИСиС» результатов ПНИ.

— Охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности (РИД), полученные в рамках прикладного научного исследования и экспериментальной разработки:

  1) Ноу-хау  № 161226 «Получение нанокомпозиционых порошковых высококоэрцитивных магнитотвердых материалов Sm2Fe17N3-δ/Nd2Fe14B/α-Fe методом мокрого помола».

  2) Ноу-хау  № 161228 «Получение нанокомпозиционых порошковых высококоэрцитивных магнитотвердых материалов на основе системы Nd-Fe-B/α-Fe методом механического сплавления»

— Эффекты от внедрения результатов проекта:

  1) Разработанные технологии получения наноструктурированных МТМ на основе высококоэрцитивных магнитотвёрдых порошков сплавов систем РЗМ-Fe-В (РЗМ – Nd, Pr или их смеси), полученных методами быстрой закалки и/или водородной обработки, а также высококоэрцитивных магнитотвёрдых порошков наноструктурированных сплавов системы Sm-Fe-N, полученных с использованием процессов гидрирования и азотирования, обладают определённой технологической новизной и практически неисчерпаемым потенциалом развития, являют собой качественно новую для российских потребителей продукцию, способную повысить конкурентоспособность отечественных производителей как постоянных магнитов, так и приборов и устройств нового поколения на их основе, с улучшенными характеристиками, и, следовательно, могут представлять реальный интерес в качестве экспортной продукции.