Застосування реакцій деструктивного гідрування інтерметалідів для синтезу неруйнівних гідридотвірних композитів з підвищеною воднеємністю

Реакції деструктивного гідрування Ti3Al, TiNi і TiCu застосували для синтезу неруйнівних композитів на основі гідриду титану з підвищеною в 2—3 рази воднеємністю відносно вихідних інтерметалідів. Це досягається за рахунок того, що композити є безпористими, а включення виконані з гідриду титану, водн...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2009
1. Verfasser:	Братаніч, Т.І.
Format:	Artikel
Sprache:	Ukrainian
Veröffentlicht:	Інститут проблем матеріалознавства імені І.М. Францевича НАН України 2009
Schriftenreihe:	Современные проблемы физического материаловедения
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/28666
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Застосування реакцій деструктивного гідрування інтерметалідів для синтезу неруйнівних гідридотвірних композитів з підвищеною воднеємністю / Т.І. Братаніч // Современные проблемы физического материаловедения: Сб. научн . тр. — К.: ІПМ НАН України, 2009. — Вип. 18. — С. 126-130. — Бібліогр.: 5 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-28666
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-286662025-02-23T19:14:26Z Застосування реакцій деструктивного гідрування інтерметалідів для синтезу неруйнівних гідридотвірних композитів з підвищеною воднеємністю Братаніч, Т.І. Реакції деструктивного гідрування Ti3Al, TiNi і TiCu застосували для синтезу неруйнівних композитів на основі гідриду титану з підвищеною в 2—3 рази воднеємністю відносно вихідних інтерметалідів. Це досягається за рахунок того, що композити є безпористими, а включення виконані з гідриду титану, воднеємність якого значно перевищує таку для вихідних інтерметалідів. Підвищена стійкість композитів на основі Ti3Al і TiCu проти руйнування під час гідрування обумовлена достатньою міцністю пластичної матриці та локалізованим впливом напруг, які створюються дрібними включеннями TiН2. Неруйнівність композитів на основі TiNi під час гідрування пояснюється позитивним впливом попередньої деформації матеріалу в результаті термопружного аустенітно-мартенситного перетворення. 2009 Article Застосування реакцій деструктивного гідрування інтерметалідів для синтезу неруйнівних гідридотвірних композитів з підвищеною воднеємністю / Т.І. Братаніч // Современные проблемы физического материаловедения: Сб. научн . тр. — К.: ІПМ НАН України, 2009. — Вип. 18. — С. 126-130. — Бібліогр.: 5 назв. — укр. XXXX-0073 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/28666 661.762:541.412:669:24.29 uk Современные проблемы физического материаловедения application/pdf Інститут проблем матеріалознавства імені І.М. Францевича НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
description	Реакції деструктивного гідрування Ti3Al, TiNi і TiCu застосували для синтезу неруйнівних композитів на основі гідриду титану з підвищеною в 2—3 рази воднеємністю відносно вихідних інтерметалідів. Це досягається за рахунок того, що композити є безпористими, а включення виконані з гідриду титану, воднеємність якого значно перевищує таку для вихідних інтерметалідів. Підвищена стійкість композитів на основі Ti3Al і TiCu проти руйнування під час гідрування обумовлена достатньою міцністю пластичної матриці та локалізованим впливом напруг, які створюються дрібними включеннями TiН2. Неруйнівність композитів на основі TiNi під час гідрування пояснюється позитивним впливом попередньої деформації матеріалу в результаті термопружного аустенітно-мартенситного перетворення.
format	Article
author	Братаніч, Т.І.
spellingShingle	Братаніч, Т.І. Застосування реакцій деструктивного гідрування інтерметалідів для синтезу неруйнівних гідридотвірних композитів з підвищеною воднеємністю Современные проблемы физического материаловедения
author_facet	Братаніч, Т.І.
author_sort	Братаніч, Т.І.
title	Застосування реакцій деструктивного гідрування інтерметалідів для синтезу неруйнівних гідридотвірних композитів з підвищеною воднеємністю
title_short	Застосування реакцій деструктивного гідрування інтерметалідів для синтезу неруйнівних гідридотвірних композитів з підвищеною воднеємністю
title_full	Застосування реакцій деструктивного гідрування інтерметалідів для синтезу неруйнівних гідридотвірних композитів з підвищеною воднеємністю
title_fullStr	Застосування реакцій деструктивного гідрування інтерметалідів для синтезу неруйнівних гідридотвірних композитів з підвищеною воднеємністю
title_full_unstemmed	Застосування реакцій деструктивного гідрування інтерметалідів для синтезу неруйнівних гідридотвірних композитів з підвищеною воднеємністю
title_sort	застосування реакцій деструктивного гідрування інтерметалідів для синтезу неруйнівних гідридотвірних композитів з підвищеною воднеємністю
publisher	Інститут проблем матеріалознавства імені І.М. Францевича НАН України
publishDate	2009
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/28666
citation_txt	Застосування реакцій деструктивного гідрування інтерметалідів для синтезу неруйнівних гідридотвірних композитів з підвищеною воднеємністю / Т.І. Братаніч // Современные проблемы физического материаловедения: Сб. научн . тр. — К.: ІПМ НАН України, 2009. — Вип. 18. — С. 126-130. — Бібліогр.: 5 назв. — укр.
series	Современные проблемы физического материаловедения
work_keys_str_mv	AT brataníčtí zastosuvannâreakcíjdestruktivnogogídruvannâíntermetalídívdlâsintezunerujnívnihgídridotvírnihkompozitívzpídviŝenoûvodneêmnístû
first_indexed	2025-11-24T15:31:22Z
last_indexed	2025-11-24T15:31:22Z
_version_	1849686263291969536
fulltext	УДК 661.762:541.412:669:24.29 Застосування реакцій деструктивного гідрування інтерметалідів для синтезу неруйнівних гідридотвірних композитів з підвищеною воднеємністю Т. І. Братаніч Реакції деструктивного гідрування Ti3Al, TiNi і TiCu застосували для синтезу неруйнівних композитів на основі гідриду титану з підвищеною в 2—3 рази воднеємністю відносно вихідних інтерметалідів. Це досягається за рахунок того, що композити є безпористими, а включення виконані з гідриду титану, воднеємність якого значно перевищує таку для вихідних інтерметалідів. Підвищена стійкість композитів на основі Ti3Al і TiCu проти руйнування під час гідрування обумовлена достатньою міцністю пластичної матриці та локалізованим впливом напруг, які створюються дрібними включеннями TiН2. Неруйнівність композитів на основі TiNi під час гідрування пояснюється позитивним впливом попередньої деформації матеріалу в результаті термопружного аустенітно-мартенситного перетворення. Відомо численні спроби створення гідридотвірних композиційних матеріалів, які складаються з металевої матриці і рівномірно розподілених в ній гідридотвірних включень. Стійкість таких композитів проти руйнування забезпечується підвищенням міцності пластичної металевої матриці та зниженням напружень на неї з боку інтерметалідних гідридотвірних включень. Це досягається формуванням біпористої структури композита, в якій пористі включення інтерметалідної сполуки рівномірно розподілені в пористій спеченій металевій матриці [1]. Суттєвим недоліком таких композитів є їх низька воднеємність з розра- хунку на одиницю маси або об’єму. Це пояснюється використанням в якості гідридотвірних включень інтерметалідів з пониженою воднеємністю у порівнянні з базовими металами. Крім того, металева матриця і гідри- дотвірні включення виконуються пористими, що призводить до зниження питомої воднеємності композита з розрахунку на об’єм. Раніше був запропонований спосіб синтезу композиційних матеріалів на основі гідридотвірних металів гідруванням вихідних інтерметалідів [2]. Від відомих способів він відрізняється тим, що взаємодія інтермета- ліду з воднем відбувається в області деструктивного гідрування при зміні тиску водню за даної температури від рівноважного тиску утворення мак- симально насиченого гідриду металу до рівноважного тиску утворення гідриду інтерметаліду граничного складу, який визначається кількістю атомів водню в молекулі гідриду інтерметаліду nгран за формулою nгран = [(ΔHгран − TSгран) − (ΔHRHk − TSRHk) − к(ΔHH − TSH)] / (ΔHH − TSH), де T — температура; ΔH — ентальпія; S — ентропія; к — кількість атомів водню в молекулі гідриду металу; індекси гран, ІМС, RHk та H стосуються відповідно гідриду інтерметаліду граничного складу, інтерметалічної сполуки, гідриду металу та атомарного водню. © Т. І. Братаніч, 2009 126 Метою даної роботи є розробка неруйнівних гідридотвірних композитів на основі дигідриду титану з підвищеною воднеємністю деструктивним гідруванням інтерметалідів. Для розуміння причин руйнування матричних композиційних матеріалів під час гідрування розглянемо модель їх деформації. В якості елемента структури можна прийняти сферу, в центрі якої розміщене сферичне гідридотвірне включення. Відомо [3], що насичення гідридотвірних матеріалів воднем супроводжується значними об’ємними ефектами при утворенні гідридних фаз. У випадку композита об’ємна деформація включень викликає неоднорідну деформацію матриці навколо включення, яка зменшується по мірі віддалення від нього. Кількісні характеристики цієї деформації залежать, з одного боку, від величини об’ємної деформації включення, яка визначається складом гідридотвірного матеріалу та воднеємністю, з другого — від концентрації матричної фази та її властивостей: пластичності, міцності і пористості. Під час гідрування зростає розмір гідридотвірних включень. Деформація матриці при цьому визначається співвідношенням процесів неоднорідного ущільнення і розширення, обумовлених пластичною течією та мікроруйнуванням матеріалу матриці. Не аналізуючи кількісні поля розподілення напруг і деформацій в матеріалі під час гідрування, обмежимось використанням на якісному рівні результатів вирішення пружної задачі про включення, яке об’ємно деформується в ізотропному середовищі [4]. Згідно з цим рішенням, напруги і деформація описуються функціями, які зменшуються по мірі віддалення від включень. Таким чином, можна виділити сферичний шар в матриці навколо включення, в межах якого відбуваються зміни структури та властивостей. Назвемо його зоною впливу включення. При збільшенні ступеня наводнення включення розмір цієї зони впливу зростає. Коли межі зон впливу окремих включень перетинаються, це призводить до зміни об’єму матеріалу і його руйнування. Це означає, що стійкість матеріалу проти руйнування залежить від розміру гідридотвірного включення в композиті. Об’єктами експериментального дослідження були інтерметаліди Ti3Al, TiNi і TiCu, які одержували плавленням в дуговій печі МІФІ-9-3 в атмо- сфері очищеного аргону. Безпористі циліндрові зливки діаметром 15 мм електроіскровим способом розрізали на пластини товщиною 3 мм. Безпо- середньо перед гідридною обробкою на плоскопаралельних поверхнях зразків виготовляли двосторонні шліфи з метою усунення оксидних плівок та прискорення дисоціації водню. Воднеємність композита розраховували за величиною падіння тиску в робочому об’ємі. Композити TiН2—TiAl, TiН2—TiAl—TiAl2—TiAl3 та TiН2—TiAl3 виготовляли з безпористого сплаву Ti3Al шляхом його деструктивного гідрування за реакціями: Ti3Al + 4H → 2TiH2 + TiAl, (1) Ti3Al + 16/3H → 8/3TiH2 + 1/3TiAl3. (2) Масовий склад вихідного сплаву становив 86Ti—14Al і знаходився в межах області гомогенності Ti3Al, тобто був однофазний. Перед де- структивним гідруванням вихідний сплав активували відпалом при темпе- ратурі 773 К у вакуумі напротязі 30 хв. Гідрування здійснювали за температури 773 К під тиском водню 6 МПа протягом 48 год. Вказані 127 умови наводнювання відповідають області деструктивного гідрування Ti3Al. При цьому титан вибірково гідрувався зі складу Ti3Al до TiH2, а також утворювалися фази TiAl, TiAl2 та TiAl3. Дослідження показали, що зразки композиційних матеріалів 75% (мас.) TiН2—25% (мас.) TiAl3 та 51% (мас.) TiН2—49% (мас.) TiAl* мали відповідно питомі масові воднеємності 350 та 268 мл/г комп. Для порівняння: воднеємність прямого гідриду Ti3AlН1,5, згідно з роботою Рудмана [5], складає 99 мл/г Ti3Al. Таким чином, одержано композиційні гідридотвірні матеріали 75TiН2—25TiAl3 та 51TiН2—49TiAl з підвищеною воднеємністю відповідно в 3,5 та 2,7 разів у порівнянні з прямим гідридом Ti3AlН1,5. Композити TiН2—TiAl, TiН2—TiAl—TiAl2—TiAl3, одержані після 2 та 4 год деструктивного гідрування, не мали ознак руйнування. Мікроструктуру композита, який отриманий після 4 год деструктивного гідрування, досліджували методом дифракційної електронної мікроскопії (рис. 1). Композит TiН2—TiAl—TiAl2—TiAl3 складався з безперервної щільної матриці фазового складу (TiAl—TiAl2—TiAl3) та розміщених в ній сферичних включень TiН2. Матриця мала шарувату структуру з шириною шару 70—170 нм, в якій розміщені інтерметалідні складові TiAl, TiAl2, TiAl3 з розмірами від одиниць нанометрів. Включення гідриду титану мали розмір близько 500 нм. Композит TiН2—TiAl3, одержаний після 48 год деструктивного гідрування, зруйнувався до стану дисперсного порошку (рис. 2). Це пояснюється подальшим ростом включень гидриду титану при додатковому наводнюванні. Отриманий експериментальний результат підтверджує сформульований раніше висновок теоретичного моделювання процесу гідрування композитів про вплив розміру гідридотвірного включення на стійкість матеріалу проти руйнування. Неруйнівний композит масового складу 43TiH2—57Cu виготовляли деструктивним гідруванням литого безпористого інтерметаліду TiCu згідно з реакцією TiCu + 2H → TiH2 + Cu. (3) Процес здійснювали за температури 773 К під тиском водню 1 МПа. Рентгенофазовими дослідженнями встановлено, що в процесі деструктивного гідрування титан вибірково гідрувався зі складу інтерметаліду до TiH2, а також утворювалась мідь. Як показали мікроскопічні дослідження, одержаний композит був безпористим і мав матричну структуру: в мідній матриці розподілено включення гідриду титану. Розміри включень гідриду титану змінювались в межах 0,1—0,35 мкм. Ознаки руйнування композита у вигляді тріщин відсутні. Підвищена механічна стійкість такого композита обумовлена одночасною дією двох факторів. По-перше, хороша пластичність мідної матриці та достатня концентрація міді в сплаві забезпечують її достатню міцність. По-друге, розміри включень гідриду титану становлять приблизно 0,1—0,35 мкм. Неруйнівність композита свідчить про локалізований характер впливу напруг, які створюються такими включеннями на матрицю. ________________________ * Тут і далі склади композитів наведено у % (мас.). 128 Рис. 1. Мікроструктура композита TiН2—TiAl—TiAl2—TiAl3, одержа- ного після 4 год деструктивного гідрування сплаву Ti3Al. Рис. 2. Характер руйнування композитів, отриманих деструктив- ним гідруванням Ti3Al протягом 4, 5, 27 і 48 год. Таким чином, отримано неруйнівний водневмісний композиційний матеріал, який складається з безпористої мідної матриці та безпористих включень гідриду титану. Питома масова воднеємність композита 43TiH2—57Cu становила 201 мл H2/г комп., а питома об’ємна воднеємність — 1297 мл H2 /см3 комп. Для порівняння: воднеємність гідриду інтерметаліду TiCuH складає 100,5 мл H2/г TiCu. Це означає, що питома масова воднеємість композита вдвоє перевищує таку інтерметаліду TiCu. Неруйнівні композити TiH2—Ni3Ti та TiH2—Ni виготовляли деструктивним гідруванням безпористих інтерметалідів TiNi з вмістом титану 42, 44 та 46% (мас.), що відповідає області гомогенності інтерметаліду TiNi. Деструктивне гідрування TiNi відбувалось послідовно згідно з реакціями: 3TiNi + 4H → 2TiH2 + TiNi3, (4) TiNi + 2H → TiH2 + Ni. (5) Процес здійснювали за температур 523, 623 і 773 К під тиском водню 1,5 МПа. Згідно з результатами рентгенофазового аналізу, в процесі деструктивного гідрування TiNi титан виходив зі складу інтерметаліду і гідрувався до TiH2, а також в залежності від кількості поглинутого матеріалом водню утворювалися металевий нікель і/або Ni3Ti. В ході нагрівання вихідних зразків TiNi до температури деструктивного гідрування їх об’єм збільшився на 10% внаслідок термопружного аустенітно-мартенситного перетворення, яке супроводжу- валось зміною форми і параметрів гратки TiNi і не привело до руйнування матеріалу. В процесі селективного гідрування титану до TiH2 його об’єм збільшився на 25% за рахунок розширення кристалічної гратки титану. Це об’ємне зростання титанових включень частково компенсувалось попереднім збільшенням об’єму TiNi під час аустенітно-мартенситного фазового перетворення. Дослідження показали, що зразки розробленого матеріалу складів 42Ti—58Ni, 44Ti—56Ni і 46Ti—54Ni мали питомі масові воднеємності відповідно 195, 206 і 217 мл Н2/г комп., а їх питомі об’ємні воднеємності складали відповідно 1248, 1300, 1351 мл Н2/см3 комп. Для порівняння: масова і об’ємна воднеємності гідриду TiNiH складають відповідно 105 мл Н2/г TiNi і 676 мл Н2/см3 TiNi. Під час деструктивного гідрування до максимального воднепоглинання композиційні зразки збільшились в об’ємі на 8% і не мали ознак руйнування (тріщин). Така стійкість TiH2—Ni 129 проти руйнування під час гідрування забезпечувалась тим, що включення гідриду титану не створювали руйнівних напружень в матриці. Зразки TiН2—Ni з вмістом титану 38 і 50% (мас.) в процесі деструк- тивного гідрування збільшились в об’ємі відповідно на 13,3 і 15,2%, мали мережу тріщин, частково втратили міцність, тобто почали руйнуватися. Це пояснюється тим, що згідно з діаграмою стану Ti—Ni, за межами області гомогенності інтерметаліду TiNi при концентрації титану меншій за 42% (мас.) або більшій за 46% (мас.) сплав, крім фази TiNi, містить також інтерметаліди Ti2Ni або Ni3Ti, в яких аустенітно-мартенситні перетворення не відбуваються. Ці фази є баластними з точки зору компенсації об’ємного зростання титанових включень під час гідрування. Таким чином, зразки TiNi з вмістом титану 42—46% (мас.) не руйнувались при наводнюванні, а продуктами реакцій були композити TiH2—Ni (TiNi3), які мали підвищені масову і об’ємну воднеємності. Це досягається збільшенням воднеємності включень при заміні інтерметаліду на базовий гідридотвірний метал (титан), а також формуванням безпористої структури композита. На основі одержаних результатів можна сформулювати наступні висновки. Взаємодія інтерметалідів Ti3Al, TiNi і TiCu з воднем в межах їх областей деструктивного гідрування, які визначаються термодинамічними параметрами всіх компонентів реакції, приводить до синтезу гідридовмісних композиційних матеріалів з підвищеною воднеємністю в середньому в 2—3 рази відносно вихідних інтерметалідів. Це забезпечується заміною інтерметаліду на базовий гідридотвірний метал з підвищеною воднеємністю у порівнянні з інтерметалідом та формуванням безпористої структури композита. Підвищена стійкість композитів TiН2—TiAl, TiН2—TiAl—TiAl2—TiAl3 проти руйнування обумовлена утворенням дрібних включень TiН2, які не створюють руйнівних напруг в матрицях композитів, композита 43TiН2— 57Cu — високою пластичністю і достатньою міцністю мідної матриці, а також локалізованим характером впливу напруг, які створюються дрібними включеннями TiН2. Неруйнівність композитів 42TiН2—58Ni, 44TiН2—56Ni і 46TiН2—54Ni забезпечується за рахунок компенсації деформації гідрування попередньою деформацією термопружного аустенітно-мартенситного перетворення TiNi. 1. А. с. 1611965 СССР. Способ получения композиционного гидрирующегося материала / В. В. Скороход, С. М. Солонин, И. Ф. Мартынова, Т. И. Братанич. — Опубл. 7.12. 1990, Бюл. № 45. 2. Пат. 71816 України. Спосіб одержання композиційного гідридоутворюючого матеріалу / Т. І. Братаніч, Т. В. Пермякова, В. В. Скороход, Л. І. Копилова. — Опубл. 15.09.2006, Бюл. № 9. 3. Swantendruber L. I., Carter G. C., Kahan D. I. et al. Numerical physical property data for meal hydrides utilized for hydrogen storage // Proc. of the 2d World Hydrogen Energy сonf., Zurich, Switzerland, 21—24 August 1978. — 1978. — 4. — P. 1973— 2012. 4. Swain M. V. Nickel sulphide inclusions in glass: an example of microcracking induced by a volumetric expanding phase change // J. of Mater. Science. — 1981. — 16, No. 1. — P. 151—158. 5. Rudman P. S., Reilly J. J., Wiswall R. H. The formation of metastable hydrides Ti0,75Al0,25Hx with x < 1,5 // J. of Less-Common Metals. — 1978. — 58. — P. 231—240. 130

Застосування реакцій деструктивного гідрування інтерметалідів для синтезу неруйнівних гідридотвірних композитів з підвищеною воднеємністю

Institution

Ähnliche Einträge