Вплив водню на структуру та властивості на основі кремнію
Вплив водню на структуру та властивості на основі кремнію
Умови взаємодії
Фазовий склад
Параметри ґратки, нм
Режим
, MПa
Tмакс
, °С
t, год
а
с
Вихідний сплав
ZrCr2
(C14)
0,5104(1)
0,8267(3)
ГД1
3
950
0
ZrCr2
0,5402(2)
0,8849(5)
ДР2
вакуум
940
0
ZrCr2
(С14)
0,5094(1)
0,8266(3)
ГД
3
860
3
e-ZrHx
0,3495(2)
0,4488(3)
ГД
5
950
0
e-ZrHx
0,3500(2)
0,4457(4)
ДР
вакуум
940
0
ZrCr2
(С15)
0,7206(1)
-
Умови взаємодії
Фазовий склад
Параметри ґратки, нм
Режим
, MПa
Tмакс
, °С
а
с
Вихідний сплав
ZrCr2
(C15)
0,7209(1)
-
ГД
3
950
e-ZrHx
0,3508(2)
0,4491(3)
ДР
вакуум
950
ZrCr2
0,7209(1)
-
ГД
5
940
e-ZrHx
0,3497(1)
0,4521(4)
ДР
вакуум
860
ZrCr2
0,7208(1)
-
Умови взаємодії
Фазовий склад
Параметри ґратки (нм)
Режим
, MПa
Tмакс
, °С
ф, год
a
c
Вихідний сплав
Zr0,9
(С14)
0,5098(2)
0,8257(3)
ГД
3
950
0
Zr0,9
0,5387(1)
0,8793(4)
ГД
5
950
0
Zr0,9
0,5365(1)
0,8768(4)
ДР
Вакуум
950
0
С14
0,51036(2)
0,82595(4)
ГД
5
950
4
e-ZrHx
0,3488(2)
0,4488(4)
ДР
Вакуум
250
0
Zr0,9
Cr
0,5111(1)
0.8272(5)
ДР
Вакуум
525
0
Zr0,9
Cr
0,5113(1)
0,4776(1)
0,28917(4)
0,8246(4)
-
-
ДР
Вакуум
800
0
Zr0,9
Ті0,1
Cr2
(C15)
a-Zr
Cr
Zr0,9
Ті0,1
Cr2
(C14),
d-ZrHx
– сліди
0,7210(1)
0,3239(1)
0,28951(3)
-
0,5156(4)
-
ДР
Вакуум
950
0
Zr0,9
Ті0,1
Cr2
(C15)
d-ZrHx
Cr
0,7206(1)
0,4681(2)
0,28939(4)
-
-
-
ДР
Вакуум
950
3
Zr0,9
Ті0,1
Cr2
(C15)
d-ZrHx
Cr
0,7199(1)
0,4676(1)
0,2891(1)
-
-
-
Реакція рекомбінації в цьому випадку є незавершеною. Після нагріву у вакуумі частково диспропорціонованого зразка вихідна фаза сплаву відновлюється.
Таблиця 4. Умови та фазовий склад продуктів взаємодії у системі
Zr0,8Ті0,2Cr2-Н2
Умови взаємодії
Фазовий склад
(ст. тип)
Параметри ґратки (нм)
Режим
, MПa
Tмакс
, °С
ф, год
a
c
Вихідний сплав
Zr0,8
Ti0,2
Cr2
(С14)
0,5081(1)
0,8233(3)
ГД
5
900
0
Zr0,8
Ti0,2
Cr2
Hx
(C14)
Cr
e-ZrHx
- сліди
0,5357(1)
0,28917(8)
0,8734(4)
-
ДР
Вакуум
950
0
Zr0,8
Ti0,2
Cr2
(C14)
0,50869(6)
0,8236(1)
ГД
5
950
12
Zr0,8
Ti0,2
Cr2
Hx
(C14)
e-ZrHx
Cr
TiHx
- сліди
0,5352(4)
0,3491(2)
0,28932(6)
0,8752(7)
0,4489(3)
-
ДР
Вакуум
950
0
Zr0,8
Ti0,2
Cr2
(C15)
Zr0,8
Ti0,2
Cr2
(C14)
Cr
d-ZrHx
- сліди
0,7201(2)
0,5097(1)
0,28956(5)
-
0,8261(2)
-
ГД
5
950
17
e-ZrHx
Cr
TiHx
- сліди
0,3498(3)
0,28960(5)
0,4492(6)
-
ДР
Вакуум
950
0
Zr0,8
Ti0,2
Cr2
(C15)
d-ZrHx
Cr
0,7200(2)
0,4665(2)
0,2896(1)
-
-
-
ДР
Вакуум
950
3
Zr0,8
Ti0,2
Cr2
(C15)
d-ZrHx
Cr
0,7190(2)
0,4650(1)
0,28958(5)
-
-
-
Таким чином, показано, що часткове заміщення цирконію титаном у сполуці ZrCr2
призводить до зменшення швидкості фазових перетворень.
Основу електродного сплаву ZrCrNi складає фаза Лавеса з гексагональною ґраткою структурного типу MgZn2
(С14) і, як домішки, присутні фази Zr7
Ni10
, Zr9
Ni11
та Cr (рис. 3а).
За даними ДТА під час нагріву сплаву ZrCrNi до 950 °C за початкового тиску
= 5 MРа, крім піку, зумовленого утворенням гідриду сплаву за кімнатної температури, зафіксовано ще чотири теплові ефекти. Два екзотермічні при 535 і 675 °С та два ендотермічні при 790 і 820 °С. Для встановлення фізичної природи фазових перетворень зразки нагрівали до 610, 750 та 810 °С, тобто вище температури відповідних фазових перетворень на термограмі. Рентгенофазовим аналізом показано, що сплав ZrCrNi після нагріву до 610 °С (
=5 MPа) частково диспропорціонує з утворенням гідриду на основі фази Лавеса (структурний тип С14), гідриду цирконію та хрому .
Після нагріву до 750 °С вихідний сплав ZrCrNi (фаза Лавеса С14) зазнає повного розпаду на e-ZrHx
, Cr, та ZrNi3
. Аналогічний фазовий склад отримали при витримці протягом 4-5 год при 610 °С. Підвищення температури до 810 °С призводить до розпаду фази ZrNi3
та зменшення відносної інтенсивності піків гідриду цирконію. При цьому з’являється кілька рефлексів фази Zr2
Ni7
. В результаті нагріву до 950 °С вихідний сплав розпадається на e-ZrHx
, Cr, Zr2
Ni та Zr2
Ni7
.
Нагрів у вакуумі продуктів часткового диспропорціонування призводить до відновлення фази Лавеса зі структурою типу С14, яка була у вихідному сплаві . Після водневої обробки сплав гомогенізується (зникають рефлекси фази Zr9
Ni11
). Після нагріву у вакуумі продуктів повного розпаду формується фаза Лавеса зі структурою типу С15 та інтерметалідні фази з системи Zr-Ni ( табл. 5).
4Дослідження впливу водневої обробки на розрядні характеристики сплаву ZrCrNi
Оптимізовано умови і встановлено вплив механо-хімічного помелу та фазово-структурного стану сплаву на розрядні характеристики сформованих на його основі металогідридних електродів.
Помел у планетарному млині є високопродуктивним способом подрібнення матеріалів, однак у випадку застосування його для отримання порошків електродних матеріалів існують вади, пов’язані зі зниженням максимальної розрядної ємності.
Таблиця 5. Умови та фазовий склад продуктів взаємодії у системі ІМС
ZrCrNi-Н2
Умови взаємодії
Фазовий склад
(ст. тип)
Параметри ґратки, нм
Режим
Tмакс
, °C
а
b
с
Вихідний сплав
ZrCrNi (C14)
Zr7
Ni10
, Zr9
Ni11
,Cr - сліди
0,50124(8)
-
0,8214(2)
ГД
610
ZrCrNiНх
(C14)
e-ZrHx
Cr - сліди
0,5286(2)
0,3489(3)
-
-
0,8620(8)
0,4530(7)
ДР
270
ZrCrNi (C14)
d-ZrHx
, Cr - сліди
0,5013(2)
-
0,8209(4)
ДР
530
ZrCrNi (C14)
Zr7
Ni10
, Cr - сліди
0,50077(8)
-
0,8211(2)
ДР
950
ZrCrNi (C14)
Zr7
Ni10
Cr - сліди
0,50181(7)
1,2380(9)
-
0,9211(7)
0,8224(2)
0,9193(6)
ГД
750 або
610,
t=4-5 год
e-ZrHx
ZrNi3
Cr
0,3500(1)
0,5309(2)
0,28853(2)
-
-
-
0,4493(3)
0,4298(3)
-
ДР
950
ZrCrNi (C15)
ZrCrNi (C14)
ZrNi
Cr
0,7097(1)
0,5014(3)
0,3261(2)
0,28853(4)
-
-
0,9972(6)
-
-
0,8167(6)
0,4094(3)
-
ГД
810
e-ZrHx
Cr
Zr2
Ni7
- сліди
0,3502(2)
0,28845(6)
-
-
0,4482(3)
-
ДР
950
ZrCrNi (C15)
ZrCrNi (C14)
ZrNi
Cr
Zr9
Ni11
- сліди
0,70955(8)
0,5012(5)
0,3267(3)
0,28847(6)
-
-
0,9894(7)
-
-
0,819(1)
0,4108(4)
-
ГД
950
e-ZrHx
Cr
Zr2
Ni7
, Zr2
Ni - сліди
0,3500(2)
0,28836(6)
-
-
0,4476(3)
-
ДР
660
Zr7
Ni10
ZrNi
Cr
ZrHx
, Zr2
Ni - сліди
1,235(2)
0,3253(4)
0,28836(6)
0,9168(7)
0,992(1)
-
0,9183(7)
0,4117(5)
-
ДР
950
ZrCrNi (C15)
ZrCrNi (C14)
ZrNi
Cr
0,7097(1)
0,5006(4)
0,3265(2)
0,28852(3)
-
-
0,9945(8)
-
-
0,821(2)
0,4107(4)
-
На нашу думку, причина погіршення експлуатаційних характеристик зумовлена напруженнями, які виникають у матеріалі після помелу, та з частковими аморфізацією та диспропорціонуванням сплаву. На це вказує поява гало й розширення ліній на дифрактограмі меленого сплаву та сліди продуктів диспропорціонування, зокрема виділень хрому . Оптимізація умов помелу полягала у зниженні частоти обертання млина (табл. 6), що запобігає аморфізації та диспропорціонуванню сплаву .
Таблиця 6. Умови подрібнення та розрядні характеристики металогідридних електродів з композиту ZrCrNi+Ni
Умови помелу
Сплав-звязка,
мас. частки
Обробка
N, кількість
Iр
, мА/г
Смакс
,мА·год/г
н, об/хв
ф, хв
400
15
2:1
-
-
25
172
300
20
2:1
+1
1
25
240
100
30
2:1
-
4
50
228
100
30
2:1
-2
20
50
264
100
30
2:1
+3
2
50
293
100
30
2:1
+4
6
50
246
Примітки: 1
заряд при 80 °С, Із
=50 мА·год/г, ф=8 год; 2
сплав попередньо подрібнений у ступці; 3
ГДДР
=5 МПа, ГД при 610°С, ДР при 950°С; 4
ГДДР
=5 МПа, ГД при 810 °С, ДР при 950°С.
Сплави після механохімічного здрібнення потребують малої кількості циклів активації, однак володіють нижчою ємністю. Для усунунення негативних наслідків помелу проводили гомогенізуючу водневу обробку сплаву (процес ГДДР): нагрів до 610 °С у водні з наступним нагрівом до 950 °С у вакуумі.
Внаслідок застосування такого комплексного підходу отримали високу активованість електродів без зниження їх розрядної ємності. Високий ступінь гомогенності сплаву забезпечує, на нашу думку, його високу розрядну ємність. Такий помел у механічному млині у водні запобігає оксидуванню порошку сплаву, що забезпечує високу активованість електроду.
Електроди, виготовлені з гомогенізованого сплаву зі структурою типу С14 вже після другого циклу заряду-розряду досягають ємності 260 мА·год/г, тобто близько 90% від максимальної (293 мА·год/г). Коли основою електродного сплаву є фаза зі структурою типу С15, отримана при нагріві у водні до 810 °С, а потім до 950 °С у вакуумі, то 90% від максимальної ємності досягається після 8 циклів, що становить 256 мА·год/г. Зниження максимальної розрядної ємності зумовлене формуванням бінарних ІМС сполук системи Zr-Ni.
Таким чином, комплексне застосування процесу ГДДР та механохімічної обробки дозволяє зменшити кількість циклів для активації електродів з 20 до 2 (рис. 6, крива 5). На нашу думку, отриманий результат пояснюється впливом двох факторів: відновленням поверхневих оксидних плівок та гомогенізацією сплаву внаслідок проведення ГДДР.
Висновки
1. Встановлено закономірності ГДДР в сполуці ZrCr2
двох структурних модифікацій (типу MgZn2
та MgCu2
). Показано, що диспропорціонування ZrCr2
(структура типу MgZn2
) починається за
=3 МПа з утворенням гідриду вихідної фази та виділенням хрому і гідриду цирконію. Повністю сплав диспропорціонує за витримки 3 год при 860 °С, або за початковому тиску водню
=5 МПа. Нагрів у вакуумі продуктів часткового диспропорціонування сполуки ZrCr2
приводить до відновлення вихідної фази. Аналогічна обробка продуктів повного диспропорціонування завершується утворенням сполуки ZrCr2
зі структурою типу MgCu2
. У випадку сполуки ZrCr2
структурного типу MgCu2
вона розпадається на e-ZrHx
та Cr за температур 820 та 775 °С (
=3 та 5 МПа відповідно) з подальшим відновленням вихідної фази нагрівом продуктів диспропорціонування у вакуумі.
2. Вперше показано, що заміщення цирконію на титан зменшує швидкість фазових перетворень у сполуці ZrCr2
при нагріві у водні. Повний розпад сплаву Zr1-x
Tix
Cr2
на e-ZrHx
, ТіНх
та Cr має місце після 4 і 17 год витримки (для x=0,1 і 0,2 відповідно) при 950 °С за
=5 МПа.
3. Вперше встановлено, що фазові перетворення у системі ZrCrNi-H2
при
=5 MПa розпочинаються при 535 °С з утворенням гідриду вихідної фази Лавеса зі структурою типу MgZn2
, Cr та e-ZrHx
. Після нагріву до 675 °С утворюються e-ZrHх
, ZrNi3
та Cr; за температури вище 790 °С: e-ZrHх
, Zr2
Ni7
та Cr; вище 820 °С: e-ZrHх
, Zr2
Ni7
, Zr2
Ni та Cr.
4. В залежності від максимальної температури обробки отримано сплав з різним співвідношенням основних та вторинних фаз: фази Лавеса зі структурою типу MgZn2
та MgCu2
, ZrNi, Cr, Zr9
Ni11
і Zr7
Ni10
. Встановлено, що обробка у водні гомогенізує сплав ZrCrNi.
5. Покращення активованості металогідридних електродів на основі сполуки ZrCr2
зумовлене сумісним впливом двох процесів – відновленням оксидних плівок у водні та гомогенізацією внаслідок застосування ГДДР.
6. Оптимізовано параметри проведення процесу ГДДР та механохімічного помелу сплаву ZrCrNi у водні та видано рекомендаціїї щодо практичного впровадження отриманих результатів.
Література
1. Bulyk I.I., Basaraba Yu. B., Trostianchyn A.M. Features of the HDDR process in ZrT2
(T = Cr, Mn, Fe, Co) compounds // J. Alloys and Compounds. - 2004. -Vol.367. - P. 283-288.
2. Булик І.І., Басараба Ю.Б., Тростянчин А.М. Вплив титану на спричинені воднем перетворення у фазах Лавеса на основі цирконію // Фіз.-хім. механіка матеріалів. - 2004. - № 6. - С. 67-72.
3. Bulyk I.I., Basaraba Yu. B., Dovhyj Ya. O. Influence of Ti on the hydrogen-induced phase-structure transformations in the ZrCr2
intermetallic compound // Intermetallics. - 2006. – Vol.14. - P. 735-741.
4. Bulyk I.I., Basaraba Yu. B., Trostianchyn A.M. Effect of hydrogen on the phase-structure transformations in ZrCrNi alloy // J. Alloys and Compounds. - 2004. – Vol.376. - P. 95-104.
5. Булик І.І., Басараба Ю.Б., Тростянчин А.М., Давидов В.М. Диспропорціонування у водні та рекомбінування фаз Лавеса цирконію з хромом // Фіз.-хім. механіка матеріалів. - 2005. - № 3. - С. 101-108.
6. Булик І.І., Басараба Ю.Б. Вплив водневої обробки на розрядні властивості електродів зі сплаву ZrCrNi // Фіз.-хім. механіка матеріалів. - 2005. - № 5. - С. 49-54.