Наноразмерные гидриды алюминидов титана
Представлены результаты исследования влияния большой пластической деформации на процесс гидрирования интерметаллидного сплава Ti–22.6% Al–13.9% Nb(Zr, Mo). Обнаружено, что механоактивация в атмосфере водорода позволяет получать наноразмерные гидриды алюминидов титана с кубической кристаллической реш...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Физика и техника высоких давлений |
|---|---|
| Дата: | 2008 |
| Автори: | , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
2008
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70469 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Наноразмерные гидриды алюминидов титана / Н.В. Казанцева, Н.В. Мушников, А.А. Попов, В.А. Сазонова, П.Б. Терентьев // Физика и техника высоких давлений. — 2008. — Т. 18, № 4. — С. 147-151. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859631899610185728 |
|---|---|
| author | Казанцева, Н.В. Мушников, Н.В. Попов, А.А. Сазонова, В.А. Терентьев, П.Б. |
| author_facet | Казанцева, Н.В. Мушников, Н.В. Попов, А.А. Сазонова, В.А. Терентьев, П.Б. |
| citation_txt | Наноразмерные гидриды алюминидов титана / Н.В. Казанцева, Н.В. Мушников, А.А. Попов, В.А. Сазонова, П.Б. Терентьев // Физика и техника высоких давлений. — 2008. — Т. 18, № 4. — С. 147-151. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Физика и техника высоких давлений |
| description | Представлены результаты исследования влияния большой пластической деформации на процесс гидрирования интерметаллидного сплава Ti–22.6% Al–13.9% Nb(Zr, Mo). Обнаружено, что механоактивация в атмосфере водорода позволяет получать наноразмерные гидриды алюминидов титана с кубической кристаллической решеткой и концентрацией водорода до 1.8 wt.% при комнатной температуре без повышенных требований к чистоте и давлению подаваемого водорода. Выход водорода в вакууме из таких образцов начинается при температуре ~ 175°С.
The results of the study of severe plastic deformation effect on the hydrogenation of the intermetallic alloy Ti–22.6% Al–13.9% Nb(Zr, Mo) are presented. It is found that ball milling in hydrogen atmosphere allows obtaining nanoscale hydrides of the titanium aluminides with the cubic crystal lattice at room temperature and without the special requirements on the purification of the hydrogen. The hydrogen content in such hydrides is about 1.8 wt.%; the desorption process begins at 175°С.
|
| first_indexed | 2025-12-07T13:11:45Z |
| format | Article |
| fulltext |
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 4
147
PACS: 81.30.Bx
Н.В. Казанцева, Н.В. Мушников, А.А. Попов, В.А. Сазонова,
П.Б. Терентьев
НАНОРАЗМЕРНЫЕ ГИДРИДЫ АЛЮМИНИДОВ ТИТАНА
Институт физики металлов УрО РАН
ул. С. Ковалевской, 18, г. Екатеринбург, 620041, Россия
E-mail: kazantseva@imp.uran.ru
Представлены результаты исследования влияния большой пластической деформа-
ции на процесс гидрирования интерметаллидного сплава Ti–22.6% Al–13.9% Nb(Zr,
Mo). Обнаружено, что механоактивация в атмосфере водорода позволяет полу-
чать наноразмерные гидриды алюминидов титана с кубической кристаллической
решеткой и концентрацией водорода до 1.8 wt.% при комнатной температуре без
повышенных требований к чистоте и давлению подаваемого водорода. Выход во-
дорода в вакууме из таких образцов начинается при температуре ~ 175°С.
Введение
Фазы внедрения (interstitial alloys), к которым относятся карбиды, нитриды,
гидриды, окислы, силициды и более сложные системы типа карбооксидов и др.,
образуются в результате внедрения неметаллических атомов относительно ма-
лых размеров в междоузлия кристаллических решеток, образованных атомами
переходных металлов. Небольшие размеры атомов внедрения обеспечивают их
высокую подвижность даже при сравнительно низких температурах и соответ-
ственно легкость фазовых переходов между соединениями, имеющими различ-
ную кристаллическую решетку и различный химический состав.
Для водородной экономики гидриды интерметаллидов являются наиболее
удобной системой для хранения водорода. Поскольку плотность водорода в
металлических гидридах значительно выше, чем в газообразном или жидком
состояниях (в связи с тем, что в металлической матрице атомы водорода
взаимодействуют с атомами металла), атомы водорода находятся очень
близко друг к другу. С другой стороны, высокая подвижность атомов водо-
рода в металлической матрице позволяет легко получать его в свободном
состоянии при нагреве.
Целью данной работы являлось исследование влияния большой пластиче-
ской деформации на процессы гидрирования/дегидрирования интерметал-
лидного сплава Ti–22.6 at.% Al–13.9 at.% Nb(Zr, Mo).
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 4
148
Техника эксперимента
Материалом для исследования служили листы экспериментального спла-
ва Ti–25.6Al–13.9Nb(Zr, Mo), изготовленные пакетной прокаткой. Для полу-
чения однофазного состояния (β0, сверхструктура В2) образцы отжигали в
вакууме при 1200°C в течение 1 h, затем закаливали в ледяной воде. Перед
наводороживанием и механической активацией поверхность слитков очи-
щали от окисного слоя и затем травили в реактиве Кролла (2 h HNO3, 1 h HF,
3 h H2O). Гидрирование массивных образцов и порошков после механоакти-
вации проводили в аппарате типа Сивертса чистым водородом, получаемым
при разложении гидрида LaNi5Hx. Непосредственно перед гидрированием
поверхность образцов активировали нагревом в вакууме до 500°C. Погло-
щение водорода регистрировали по изменению давления в известном объеме
установки, а также дополнительно контролировали путем взвешивания кон-
тейнера с образцом после завершения водородной обработки. Погрешность
определения количества поглощенного водорода составляла ±0.02 wt.%.
Механическую активацию образцов проводили в атмосфере водорода при
комнатной температуре и начальном давлении газа 775 mm Hg в вибромель-
нице. В качестве измельчающих тел были выбраны 6 стальных шаров диа-
метром 16 mm и общей массой 214.3 g. Отношение масс порошка и шаров
составляло 1:179.
Результаты и обсуждение
Согласно литературным данным в интерметаллидах с исходной кубиче-
ской решеткой (сверхструктурой В2) возможно образование двух гидридов с
тетрагональной и кубической решеткой, также упорядоченных по алюми-
нию и титану и имеющих различное содержание водорода [1–3]. Химиче-
ские формулы этих гидридов: Ti(Al, Nb)H и Ti(Al, Nb)H2. При этом, как по-
казывает расчет, при упорядочении по третьему элементу (Nb) и формиро-
вании гидрида с той же симметрией (кубической или тетрагональной), но с
химическими формулами TiAlNbH или TiAlNbH2 максимальное количество
водорода снижается, поскольку в этом гидриде не только титан и алюминий,
но и ниобий занимают свои собственные подрешетки. При сопоставлении
результатов, полученных с помощью рентгеноструктурного анализа (РСА), с
литературными данными было сделано предположение, что в результате на-
водороживания массивного образца в аппарате типа Сивертса образовался γ-
гидрид TiAl(Nb)H2, имеющий тетрагональную решетку (рис. 1). Параметры
решетки этого гидрида следующие: а = 0.3194 nm, с = 0.382 nm. Перед повтор-
ным гидрированием был выполнен РСА сплава, который показал, что в резуль-
тате охлаждения порошка после дегидрирования при 500°C в вакууме про-
изошло фазовое превращение В2 → О. Дифрактограмма сплава после дегид-
рирования и охлаждения приведена на рис. 2. Параметры решетки равновес-
ной орторомбической О-фазы (Ti2AlNb), рассчитанные из данных РСА, со-
ставили: а = 0.6076 nm, b = 0.978 nm, с = 0.46799 nm. Дифрактограммы сплава
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 4
149
30 40 50 60 70
0
1
2
3
4
5
3
121γ
120γ
200γ
110γ101γ
2
1
211B2200B2
In
te
ns
ity
, 1
02
2θ, deg
20 40 60 80 100
0
2
4
6
8
10
12
In
te
ns
ity
, 1
02
262O
004O
024O
043O
223O
420O
400O041O
042O
221O
002O
040O
021O
2θ, deg
Рис. 1. Дифрактограммы сплава в исходном состоянии (1), после первого (2) и по-
сле второго (3) гидрирования в аппарате типа Сивертса
Рис. 2. Дифрактограмма сплава 1 после дегидрирования при 500°C в течение 2 h
после первого и после второго гидрирования достаточно схожи, изменилось
только распределение интенсивности линий и добавилось несколько новых
линий в больших углах. В целом положение линий на дифрактограмме этого
гидрида также хорошо соответствует положению линий гидрида с тетраго-
нальной решеткой, параметры которой уменьшились и составили согласно
расчетам: а = 0.318 nm, с = 0.3609 nm. Поглощение водорода при повторном
гидрировании уменьшилось с 1.76 до 0.61 wt.%.
Оценку количества поглощенного водорода в процессе механоактива-
ции в атмосфере водорода проводили по калибровочной кривой давление–
состав для данной измельчительной системы, которую получали при меха-
ноактиваци интерметаллида ErFe2Hx. Последний очень легко гидрируется,
и зависимость его параметра решетки от содержания водорода хорошо из-
вестна. Как показали результаты РСА, при механоактивации сплава в ат-
мосфере водорода происходит образование наноразмерного гидрида с ку-
бической кристаллической решеткой. Но по сравнению с литературными
данными для кубического гидрида (0.8 wt.% Н2, а = 0.334 nm) [3] получен-
ный нами гидрид имеет увеличенный параметр решетки: а = 0.3358 nm
(рис. 3). Это, вероятно, объясняется повышенным содержанием водорода в
гидриде. Обнаружена зависимость процента поглощения от размеров час-
тиц исходных порошков, загружаемых в кювету для механоактивации. При
размере исходных частиц от 0.5 до 1 mm поглощение составило 1.96 wt.%,
а при размере частиц менее 0.5 mm наблюдается снижение процента по-
глощения водорода до 1.78 wt.% (рис. 4). Поскольку, как показал наш экс-
перимент, в процессе остывания порошка после дегидрирования происхо-
дит фазовый переход В2–О (рис. 2), в результате чего при последующем
гидрировании снижается процент поглощенного водорода, было решено
сохранить небольшое количество водорода в образце при дегидрировании,
так как водород является бета-стабилизатором и может препятствовать
протеканию фазового превращения.
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 4
150
20 40 60 80 100
0
10
20
30
40
200Fe 220
β
110Fe
110
β
2Θ, deg
In
te
ns
ity
, 1
02
0 50 100 150
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2 1
H
yd
ro
ge
n
ab
so
rp
tio
n,
%
Time of activation in H2, min
Рис. 3. Дифрактограмма сплава после механической активации в водороде в тече-
ние 2 h
Рис. 4. Кривые поглощения водорода сплавом при механической активации по-
рошков разного гранулометрического состава в атмосфере водорода при комнатной
температуре: 1 – D < 500 μm, 2 – 500 < D < 1000 μm
В результате эксперимента было обнаружено, что откачка вакуумным насо-
сом реактора с образцом механоактивированного гидрида при комнатной тем-
пературе происходит заметно медленнее обычного. По-видимому, небольшая
часть водорода выходит из образца уже при комнатной температуре. С нагре-
вом в вакууме активный выход водорода начался при температуре 180°C. Де-
гидрирование было выполнено при температуре 200°C в течение 7 min до вос-
становления уровня вакуума 2·10–2 torr. Поскольку необходимо было оставить
часть водорода в образце для блокирования структурного фазового перехода,
дальнейшую дегазацию образца прекратили. Изменение массы образца при де-
газации составило 1.76 wt.%. Для повторного гидрирования контейнер с по-
рошком снова был помещен в реактор и вакуумирован. Поглощение водорода
началось при температуре 340°C. Максимальное количество поглощенного во-
дорода (выход кривой поглощения на плато) было достигнуто через 50 min.
При повторном нагреве образца в вакууме выход водорода начался также
при температуре 180°C, а при 200°C уровень вакуума 2·10–2 torr был достигнут за
10 min. Измеренное изменение массы порошка соответствует выходу 0.64 wt.%
водорода. Повторение процедуры гидрирования показало, что теперь порошок
практически не поглощает водород вплоть до температуры 463°C. В качестве
завершающей процедуры порошок был вакуумирован при 460°C. Наблюдался
выход значительного количества водорода, и потеря массы составила прибли-
зительно 2.5 wt.%. Проведение РСА этого последнего дегидрированного по-
рошка показало присутствие в сплаве только кубической фазы β/β0.
Заключение
В ходе исследования обнаружено, что фазовый переход метастабильной
кубической В2 в равновесную орторомбическую О-фазу, протекающий в
Физика и техника высоких давлений 2008, том 18, № 4
151
результате охлаждения массивного образца после дегидрирования при
500°C, снижает процентное содержание водорода в гидриде при повторном
гидрировании и фактически препятствует возможности циклического ис-
пользования этого образца. Применение механоактивации в атмосфере во-
дорода позволяет получать гидриды алюминидов титана Ti(Al, Nb), Ti3(Al,
Nb) при комнатной температуре без повышенных требований к чистоте и
давлению подаваемого водорода. Выход водорода в вакууме из механоакти-
вированных образцов начинается при температуре около 175°C. Сохранение
в образце небольшого количества водорода позволяет увеличить количество
циклов гидрирования/дегидрирования, однако при последующем гидриро-
вании температура выхода водорода повышается.
Работа выполнена по бюджетной теме ИФМ «Структура» с частичной
финансовой поддержкой: проект РФФИ № 04-03-96008, программа на-
циональной технологической базы № 33/06/859-2006, Гос. контракт
№ 02.467.11.2007.
1. L.T. Zhang, K. Ito, H. Inui, V.K. Vasudevan, M. Yamaguchi, Actа mater. 49, 751 (2001).
2. L.T. Zhang, K. Ito, H. Inui, V.K. Vasudevan, M. Yamaguchi, Acta mater. 49, 963 (2001).
3. L.T. Zhang, K. Ito, H. Inui, V.K. Vasudevan, M. Yamaguchi, Acta mater. 51, 781
(2003).
N.V. Kazantseva, N.V. Mushnikov, A.A. Popov, V.А. Sazonova, P.B. Terent’ev
NANODIMENSIONAL HYDRIDES OF TITANIUM ALUMINIDES
The results of the study of severe plastic deformation effect on the hydrogenation of the
intermetallic alloy Ti–22.6% Al–13.9% Nb(Zr, Mo) are presented. It is found that ball
milling in hydrogen atmosphere allows obtaining nanoscale hydrides of the titanium alu-
minides with the cubic crystal lattice at room temperature and without the special re-
quirements on the purification of the hydrogen. The hydrogen content in such hydrides is
about 1.8 wt.%; the desorption process begins at 175°С.
Fig. 1. Diffraction patterns of initial alloy (1), after first (2) and after second (3) hydro-
genation in a Siverts-type apparatus
Fig. 2. Diffraction pattern of alloy 1 after dehydrogenation at 500°C for 2 h
Fig. 3. Diffraction pattern of the alloy after mechanical activation in hydrogen for 2 h
Fig. 4. Curves for hydrogen absorption by the alloy under mechanical activation of pow-
ders, having different granulometric composition, in hydrogen atmosphere at room tem-
perature: 1 – D < 500 μm, 2 – 500 < D < 1000 μm
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-70469 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0868-5924 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T13:11:45Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Казанцева, Н.В. Мушников, Н.В. Попов, А.А. Сазонова, В.А. Терентьев, П.Б. 2014-11-06T18:38:38Z 2014-11-06T18:38:38Z 2008 Наноразмерные гидриды алюминидов титана / Н.В. Казанцева, Н.В. Мушников, А.А. Попов, В.А. Сазонова, П.Б. Терентьев // Физика и техника высоких давлений. — 2008. — Т. 18, № 4. — С. 147-151. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 81.30.Bx https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70469 Представлены результаты исследования влияния большой пластической деформации на процесс гидрирования интерметаллидного сплава Ti–22.6% Al–13.9% Nb(Zr, Mo). Обнаружено, что механоактивация в атмосфере водорода позволяет получать наноразмерные гидриды алюминидов титана с кубической кристаллической решеткой и концентрацией водорода до 1.8 wt.% при комнатной температуре без повышенных требований к чистоте и давлению подаваемого водорода. Выход водорода в вакууме из таких образцов начинается при температуре ~ 175°С. The results of the study of severe plastic deformation effect on the hydrogenation of the intermetallic alloy Ti–22.6% Al–13.9% Nb(Zr, Mo) are presented. It is found that ball milling in hydrogen atmosphere allows obtaining nanoscale hydrides of the titanium aluminides with the cubic crystal lattice at room temperature and without the special requirements on the purification of the hydrogen. The hydrogen content in such hydrides is about 1.8 wt.%; the desorption process begins at 175°С. Работа выполнена по бюджетной теме ИФМ «Структура» с частичной финансовой поддержкой: проект РФФИ № 04-03-96008, программа национальной технологической базы № 33/06/859-2006, Гос. контракт № 02.467.11.2007. ru Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України Физика и техника высоких давлений Наноразмерные гидриды алюминидов титана Нанорозмірні гідриди алюмінідів титану Nanodimensional hydrides of titanium aluminides Article published earlier |
| spellingShingle | Наноразмерные гидриды алюминидов титана Казанцева, Н.В. Мушников, Н.В. Попов, А.А. Сазонова, В.А. Терентьев, П.Б. |
| title | Наноразмерные гидриды алюминидов титана |
| title_alt | Нанорозмірні гідриди алюмінідів титану Nanodimensional hydrides of titanium aluminides |
| title_full | Наноразмерные гидриды алюминидов титана |
| title_fullStr | Наноразмерные гидриды алюминидов титана |
| title_full_unstemmed | Наноразмерные гидриды алюминидов титана |
| title_short | Наноразмерные гидриды алюминидов титана |
| title_sort | наноразмерные гидриды алюминидов титана |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70469 |
| work_keys_str_mv | AT kazancevanv nanorazmernyegidridyalûminidovtitana AT mušnikovnv nanorazmernyegidridyalûminidovtitana AT popovaa nanorazmernyegidridyalûminidovtitana AT sazonovava nanorazmernyegidridyalûminidovtitana AT terentʹevpb nanorazmernyegidridyalûminidovtitana AT kazancevanv nanorozmírnígídridialûmínídívtitanu AT mušnikovnv nanorozmírnígídridialûmínídívtitanu AT popovaa nanorozmírnígídridialûmínídívtitanu AT sazonovava nanorozmírnígídridialûmínídívtitanu AT terentʹevpb nanorozmírnígídridialûmínídívtitanu AT kazancevanv nanodimensionalhydridesoftitaniumaluminides AT mušnikovnv nanodimensionalhydridesoftitaniumaluminides AT popovaa nanodimensionalhydridesoftitaniumaluminides AT sazonovava nanodimensionalhydridesoftitaniumaluminides AT terentʹevpb nanodimensionalhydridesoftitaniumaluminides |