RU2532788C1 - Способ получения объемно-пористых структур сплавов-накопителей водорода, способных выдерживать многократные циклы гидрирования-дегидрирования без разрушения - Google Patents
Способ получения объемно-пористых структур сплавов-накопителей водорода, способных выдерживать многократные циклы гидрирования-дегидрирования без разрушения Download PDFInfo
- Publication number
- RU2532788C1 RU2532788C1 RU2013128238/02A RU2013128238A RU2532788C1 RU 2532788 C1 RU2532788 C1 RU 2532788C1 RU 2013128238/02 A RU2013128238/02 A RU 2013128238/02A RU 2013128238 A RU2013128238 A RU 2013128238A RU 2532788 C1 RU2532788 C1 RU 2532788C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- intermetallic compound
- powder
- temperature
- hydrogen
- bulk
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению объемно-пористых структур сплавов-накопителей водорода (СНВ), способных выдерживать многократные циклы гидрирования/дегидрирования без разрушения. Методом механической активации получают нанокристаллический порошок интерметаллического соединения обработкой порошков индивидуальных компонентов в шаровом планетарном активаторе или механоактивационной обработкой порошка сплава на основе интерметаллического соединения при фоновой температуре реактора 100-500°С. Порошок интерметаллического соединения прессуют в объемные образцы при давлении не менее 500 МПа. Объемные образцы СНВ отжигают в глубоком вакууме ниже 10-3-10-4 Па при температуре 0,3-0,5 температуры плавления интерметаллического соединения. Обеспечивается сохранение фазового состава и наноструктурного состояния, уровня водородсорбционных свойств, упрощается процедура активации взаимодействия с водородом и повышается температуропроводность материала. 7 ил., 2 табл., 2 пр.
Description
Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано для получения объемно-пористых структур сплавов-накопителей водорода, способных выдерживать многократные циклы гидрирования/дегидрирования без разрушения, не требующих трудоемкой процедуры активации при взаимодействии с водородом и способных свободно абсорбировать и десорбировать водород.
Известен способ получения пористого металлического тела, при получении которого выдерживают исходный металлический материал в герметизированном сосуде при пониженном давлении в интервале 13,33-0,000133 Па в диапазоне температур на 50-200°С ниже температуры плавления данного металла. Плавят исходный металлический материал при повышенном давлении 0,1-10 МПа, достигнутом путем ввода по меньшей мере одного типа газа, выбранного из группы, включающей водород, азот, аргон и гелий. Заливают расплавленный металл в кристаллизатор, регулируя при этом давление газа над расплавленным металлом и температуру расплавленного металла. Охлаждают и отверждают расплавленный металл в кристаллизаторе внутри герметизированного сосуда для образования пористого металлического тела. Это позволяет получить новый композитный пористый материал, который можно использовать в разных отраслях промышленности, а именно как материал для хранения водорода, электромагнитного экранирования, медицинских инструментов (Патент Российской Федерации №02217506. Опубликовано 27.11.2003 г.).
Однако такой способ получения пористого материала достаточно трудоемкий и связан с затратами времени и энергии. Кроме того, предполагается плавление материала, что не приемлемо для сплавов, подвергнутых механоактивационной обработке, т.к. происходит полная потеря приобретенного структурного состояния и фазового состава.
Известен способ получения образцов, включающий приготовление шихты в высокоэнергетической шаровой планетарной мельнице. Прессование полученной шихты с усилием не более 150 МПа и поэтапное спекание в среде водорода до температуры восстановительной выдержки 800°С, выдержка не менее 1 часа и продолжение нагрева до окончательной температуры спекания со скоростью не более 10°С в минуту и выдержка не менее 0.5 часа. Результатом является получение материала плотностью не менее 98% (Патент Российской Федерации №2292988 С1. Опубликовано 10.02.2007 г.).
Однако при таком способе вследствие влияния высоких температур происходит потеря приобретенного структурного состояния и фазового состава, которые были получены после механоактивационной обработки. Также достижение высокой плотности материала (до 98%) негативно скажется на его устойчивости при гидрировании, т.к. наличие сильных внутренних напряжений (при образовании гидридных фаз) приводит к полному разрушению объемного сплава-накопителя водорода до порошка.
Задачей настоящего изобретения является объединение операций механохимического синтеза (МХС) или механической активации (МА), обеспечивающих получение частиц порошка интерметаллического соединения (ИМС) в наноструктурном состоянии с повышенной плотностью дефектов кристаллической структуры, а также процесса консолидации порошка сплава-накопителя водорода (СНВ) в объемные наноструктурированные образцы с повышенной теплопроводностью.
Данная задача решается за счет сохранения достаточно высокого уровня дефектов кристаллической структуры (уровня активации) частиц порошка, а также возможностей технологии механоактивационной обработки. Технология включает в себя:
- получение, методом механической активации, нанокристаллического порошка ИМС обработкой порошков индивидуальных компонентов (например, Fe и Ti) в шаровом планетарном активаторе. Или механоактивационная обработка готового порошка сплава на основе ИМС (до получения наноструктурного состояния с высокой плотностью дефектов кристаллической структуры). При такой обработке механическая активация происходит при фоновой температуре реактора около 100-500°С;
- последующее прессование порошка ИМС в объемные образцы при давлении не менее 500 МПа;
- отжиг объемных образцов СНВ в вакууме ниже 10-3-10-4 Па при температуре, составляющей 0.3-0.5 Тпл (где Тпл - температуры плавления ИМС).
Предлагаемый способ изготовления объемных образцов сплавов-накопителей водорода сохраняет уровень упрочнения объемного образца (способный выдерживать многочисленные циклы абсорбции/десорбции) и особенности соответствующих фазовых структурных состояний (в частности наноструктурное), что достигается при минимальных деформационных статических нагружениях и минимальных термических воздействиях.
Получение СНВ в объемном наноструктурном состоянии позволяет увеличить теплопроводность СНВ, что, с одной стороны, позволяет улучшить тепломассоперенос (отвод и подвод тепла при гидрировании/дегидрировании), а с другой стороны, предотвращает вынос дисперсных порошков из рабочей зоны, которые могут повредить запорную арматуру контейнера или детали фильтров. Таким образом, использование СНВ в объемном состоянии гораздо проще и удобнее для практического использования, а также использование объемных компактов приводит к улучшению динамики и скорости процессов при поглощении и выделении водорода.
Технология получения сплавов в виде порошков методом МХС представляет собой процесс, при котором происходит одновременная совместная деформация исходных компонентов смеси в виде порошка. Эта технология широко используется в настоящее время для приготовления порошков ИМС, твердых растворов, а также аморфных порошков, т.е. для приготовления материалов сложного химического состава, характеризующихся особыми физико-механическими свойствами из-за высокой степени дисперсности структуры, возникающей вследствие деформации. То же самое, можно отнести к МА за исключением процесса синтеза фаз в процессе обработки. Именно деформация приводит к усложнению состава и образованию наноструктуры объемного характера. Таким образом, продукт МХС имеет заданный состав и специфическое структурное состояние (возбужденное, наноструктурное состояние), это состояние термодинамически определяется как метастабильное.
Водородсорбционные свойства являются основными для сплавов-накопителей водорода (СНВ), которые обычно используются в виде порошков, при этом порошки СНВ имеют некоторые существенные недостатки по сравнению с объемными СНВ:
- сравнительно малая теплопроводность, порядка 1 Вт-1 К-1 (теплопроводность компактных металлов и сплавов ≈ 10-100 Вт-1 К-1);
- тонкий металлический порошок СНВ в контейнерах может самопроизвольно возгораться при выдержке на воздухе (не безопасен);
- сильное увеличение объема СНВ при гидрировании (ΔV/V≈10-20%) может вызывать чрезвычайно большие напряжения в стенках контейнера, в котором находится СНВ. Именно из-за сильного гидрирования и происходит разрушение объемных компактов в процессе первого же цикла абсорбции/десорбции.
В этой связи использование СНВ в виде объемных компактов позволило бы увеличить безопасность СНВ и улучшить динамику и скорость процессов поглощения и выделения водорода. Получение такого объемного образца СНВ в наноструктурном состоянии позволило бы, также упростить трудоемкую процедуру его активации, что характерно для сплавов, склонных к нежелательной пассивации воздухом или компонентами, содержащимися в технических водородсодержащих газах.
Метод получения объемных образцов нанокристаллических СНВ не должен существенно менять требуемый фазовый состав и структурное состояние сплава. Поэтому прежде всего надо ограничить возможные области температур, до которых может происходить нагрев порошка материала при его получении и последующей консолидации. Недопустимо выходить за пределы температур, при которых материал теряет свои свойства.
В основе предлагаемого метода получения СНВ использовалась интенсивная пластическая деформация, либо дополнительная интенсивная пластическая деформация уже полученных СНВ порошков, для того чтобы возникло наноструктурное возбужденное состояние и способность материала к схватыванию.
Пример 1.
Смесь порошков Fe-53.8% (по массе), Ti-46.2% (по массе) подвергалась обработке в шаровой планетарной мельнице (типа АГО-2С) продолжительностью от 120 минут со скоростью 840 об/мин, в атмосфере аргона и под давлением аргона в механореакторах (барабанах) 0.2-0.3 МПа. Согласно оценке энергонапряженность измельчения в механическом активаторе (мельнице) составляла около 15 Вт/гр. Фоновая температура механореактора, в ходе механохимического синтеза, составляла около 500°С. Реакцию механохимического синтеза проводили до получения наноструктурного ИМС TiFe, что подтверждается анализом уширения линий на дифрактограмме порошка ИМС TiFe, полученного МХС (Фигура 1), а также прямым наблюдением наноструктуры с помощью просвечивающей электронной микроскопии (Фигура 2).
Прессование порошка ИМС TiFe, с получением объемных образцов (Фигура 3), проводилось при давлении не менее 500 МПа при комнатной температуре. Последующий отжиг объемных образцов СНВ проводился в глубоком вакууме (до 10-3-10-4 Па) при температуре 0.3-0.5 Тпл (где Тпл - температуры плавления ИМС). Получение СНВ ИМС TiFe в виде объемных компактов позволило увеличить плотность материала, а также его температуропроводность (Фигура 4) и, таким образом, увеличить его теплопроводность.
Операцию консолидации СНВ на основе ИМС TiFe следует проводить непосредственно после операции МХС, так как главную роль в процессе консолидации играют накопленные в ходе процесса МХС дефекты кристаллической структуры (материал переходит в активное возбужденное состояние), что позволяет при нагреве до сравнительно низких температур получать взаимодействие частиц порошка между собой с образованием контактных площадок (шеек) между этими частицами порошка (Фигура 5). Вследствие сравнительно низкой плотности (66,5% от теоретической) такой объемно-пористый образец способен выдерживать многократные циклы абсорбции/десорбции без разрушения при изменении объема образца до 13%, что не характерно для традиционных СНВ, которые из-за сильного изменения объема, обычно диспергируются до мелкого порошка уже после первого цикла гидрирования. Проведение консолидации без проведения операции предварительной механической активации приводит к отсутствию образования контактных площадок (шеек) между частицами порошка и разрушению объемного образца уже после первого цикла гидрирования (Фигура 6).
Полученный объемный наноструктурный образец СНВ помещался в автоклав для активации его взаимодействия с водородом. Процедура активации абсорбции водорода, заключалась в нагреве сплава до 300°С, атмосфере водорода (давлением 1 МПа) и выдержке около 30 минут.
Полученный таким образом объемный наноструктурный образец СНВ способен выдерживать многократные циклы абсорбции/десорбции без разрушения. При этом нагретый до температуры отжига (600°С) СНВ сохраняет свой фазовый состав и наноструктурное состояние, что является принципиальным для СНВ. Изотермы «давление-состав» (при температуре 22°С) нанокристаллического порошка ИМС TiFe и объемного образца представлены на Фигуре 7.
Консолидация СНВ в объемные образцы предложенным способом повышает теплопроводность образцов и за счет этого улучшает динамику и скорость поглощения и выделения водорода, делает их безопасными и более удобными при эксплуатации.
Пример 2.
Готовый СНВ, полученный традиционными металлургическими технологиями (высокотемпературными переплавами, либо коммерческие порошки СНВ), подвергался МА обработке по режимам, указанным в примере 1, но продолжительность обработки следует сократить 30-60 минут, данного времени достаточно для получения наноструктурного состояния и достижения высокой плотности дефектов кристаллической структуры. Все остальные этапы выполняются по примеру 1, конечной целью является получение простого в эксплуатации наноструктурного объемного образца СНВ, который обладает упрощенной процедурой активации при взаимодействии с водородом и способен выдерживать многократный циклы абсорбции/десорбции.
Основные характеристики объемных образцов СНВ на основе ИМС TiFe представлены в таблице 1. Исследованные физико-механические свойства объемного компакта представлены в таблице 2.
Таблица 1 | ||||
Состав | Период решетки, нм | Размер кристаллита, нм | Содержание водорода при комнатной температуре и давлении 4 МПа | Расчетная плотность, г/см3 |
МХС TiFe (компактированный) | 0.2969 | 12-15 | 1.1-1.2 масс.% | 6.582 |
Таблица 2 | |
Микротвердость объемных образцов | 560 HV |
Предел прочности на сжатие объемных образцов | 250 МПа |
Кристаллографическая плотность до гидрирования | 6.55 г/см3 |
Кристаллографическая плотность после гидрирования | 5.82 г/см3 (≈99% от теоретической плотности β-фазы гидрида TiFeH) |
Плотность объемных образцов до отжига | 3.9 г/см3 (≈60% от теоретической плотности ИМС TiFe) |
Плотность объемных образцов после отжига | 4.3 г/см3 (≈66.5% от теоретической плотности ИМС TiFe) |
Температуропроводность до отжига | 0.2-0.3 мм2/с |
Температуропроводность после отжига | 1.0-1.2 мм2/с |
Изменение объема образца при гидрировании | ΔV/V0=13% |
Claims (1)
- Способ получения объемно-пористых структур сплавов-накопителей водорода (СНВ), способных выдерживать многократные циклы гидрирования/дегидрирования без разрушения, включающий получение нанокристаллического порошка интерметаллического соединения путем механической активации порошков индивидуальных компонентов в шаровом планетарном активаторе при фоновой температуре реактора 100-500°С, или путем механоактивационной обработки готового порошка интерметаллического соединения до получения наноструктурного состояния с высокой плотностью дефектов кристаллической структуры, последующую консолидацию полученного порошка интерметаллического соединения в объемные образцы СНВ при давлении не менее 500 МПа, отжиг объемных образцов СНВ в вакууме ниже 10-3-10-4 Па при температуре 0,3-0,5 температуры плавления интерметаллического соединения.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013128238/02A RU2532788C1 (ru) | 2013-06-20 | 2013-06-20 | Способ получения объемно-пористых структур сплавов-накопителей водорода, способных выдерживать многократные циклы гидрирования-дегидрирования без разрушения |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013128238/02A RU2532788C1 (ru) | 2013-06-20 | 2013-06-20 | Способ получения объемно-пористых структур сплавов-накопителей водорода, способных выдерживать многократные циклы гидрирования-дегидрирования без разрушения |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2532788C1 true RU2532788C1 (ru) | 2014-11-10 |
Family
ID=53382492
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013128238/02A RU2532788C1 (ru) | 2013-06-20 | 2013-06-20 | Способ получения объемно-пористых структур сплавов-накопителей водорода, способных выдерживать многократные циклы гидрирования-дегидрирования без разрушения |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2532788C1 (ru) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4839085A (en) * | 1987-11-30 | 1989-06-13 | Ergenics, Inc. | Method of manufacturing tough and porous getters by means of hydrogen pulverization and getters produced thereby |
RU2118231C1 (ru) * | 1997-03-28 | 1998-08-27 | Товарищество с ограниченной ответственностью "ТЕХНОВАК+" | Способ получения неиспаряемого геттера и геттер, полученный этим способом |
RU2131323C1 (ru) * | 1995-04-14 | 1999-06-10 | С.А.Е.С.Геттерс С.п.А. | Способ получения высокопористых неиспаряющихся геттерных материалов и материалы, полученные этим способом |
US7122100B2 (en) * | 2000-09-27 | 2006-10-17 | Saes Getters S.P.A. | Porous getter devices with reduced particle loss and method for manufacturing same |
RU2292988C1 (ru) * | 2005-07-05 | 2007-02-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственный заказчик - Федеральное агентство по атомной энергии | Способ получения молибден-медного композиционного материала |
-
2013
- 2013-06-20 RU RU2013128238/02A patent/RU2532788C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4839085A (en) * | 1987-11-30 | 1989-06-13 | Ergenics, Inc. | Method of manufacturing tough and porous getters by means of hydrogen pulverization and getters produced thereby |
RU2131323C1 (ru) * | 1995-04-14 | 1999-06-10 | С.А.Е.С.Геттерс С.п.А. | Способ получения высокопористых неиспаряющихся геттерных материалов и материалы, полученные этим способом |
RU2118231C1 (ru) * | 1997-03-28 | 1998-08-27 | Товарищество с ограниченной ответственностью "ТЕХНОВАК+" | Способ получения неиспаряемого геттера и геттер, полученный этим способом |
US7122100B2 (en) * | 2000-09-27 | 2006-10-17 | Saes Getters S.P.A. | Porous getter devices with reduced particle loss and method for manufacturing same |
RU2292988C1 (ru) * | 2005-07-05 | 2007-02-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственный заказчик - Федеральное агентство по атомной энергии | Способ получения молибден-медного композиционного материала |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3452940B2 (ja) | 非蒸発ゲッターを製造する方法及びこの方法で製造したゲッター | |
US8920712B2 (en) | Manufacture of near-net shape titanium alloy articles from metal powders by sintering with presence of atomic hydrogen | |
US9777347B2 (en) | Manufacture of near-net shape titanium alloy articles from metal powders by sintering with presence of atomic hydrogen | |
WO2016109431A1 (en) | Manufacture of near-net shape titanium alloy articles from metal powders by sintering with atomic hydrogen | |
Haraki et al. | Properties of hydrogen absorption by nano-structured FeTi alloys | |
JP4986101B2 (ja) | 水素貯蔵材料およびその製造方法 | |
GB2581903A (en) | Uranium carbide pellet, preparation method thereof, and fuel rod | |
CN107640744B (zh) | 一种高成型性的不饱和氢化钛粉及其制备方法 | |
RU2532788C1 (ru) | Способ получения объемно-пористых структур сплавов-накопителей водорода, способных выдерживать многократные циклы гидрирования-дегидрирования без разрушения | |
WO2019205830A1 (zh) | 一种利用金属吸氢膨胀促进金属坯体致密化的方法 | |
RU2264366C2 (ru) | СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СИЛЬНО УПЛОТНЕННЫХ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ МАССИВНЫХ ТЕЛ ИЗ MgB2 СВЯЗАННЫХ С НИМИ ТВЕРДЫХ КОНЕЧНЫХ ПРОДУКТОВ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ | |
WO2013022531A1 (en) | Manufacture of near-net shape titanium alloy articles from metal powders by sintering with presence of atomic hydrogen | |
RU2412020C2 (ru) | Способ изготовления наноструктурированного конструкционного материала с объемной наноструктурой | |
MXPA06011792A (es) | Composicion de almacenamiento de hidrogeno. | |
JPH01100057A (ja) | 超電導性材料の製造方法 | |
CN103706801A (zh) | 铀锆合金粉末的制备方法 | |
RU2542256C2 (ru) | Способ защиты порошков гидридообразующих сплавов для хранения водорода, предотвращающий пассивацию компонентами воздуха и других газообразных сред | |
Thangaraj et al. | Fabrication of porous NiTi shape memory alloy by elemental powder sintering | |
US20090208406A1 (en) | Low temperature activation of metal hydrides | |
RU2647424C1 (ru) | СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИДА Nb3Al (Варианты) | |
RU2610652C1 (ru) | Способ получения порошков ниобия | |
RU2758421C1 (ru) | Способ получения алюмоматричного композита | |
CN114309627B (zh) | 一种低氧含量难熔高熵合金粉末的制备方法 | |
RU2792355C1 (ru) | Способ получения заготовок сверхупругих титановых сплавов медицинского назначения | |
EP0468903B1 (fr) | Méthode d'obtention sous forme divisée d'un matériau magnétique de type terre rare - métaux de transition bore pour des aimants résistant à la corrosion |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180621 |