Вплив водню на структуру та властивості на основі кремнію (стр. 1 из 3)

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний університет «Львівська політехніка»

Кафедра «Технології машинобудування»

Контрольна робота

Дисципліна: фізика металів

“ ВПЛИВ ВОДНЮ НА СТРУКТУРУ ТА ВЛАСТИВОСТІ СПЛАВІВ НА ОСНОВІ КРЕМНІЮ”

Зміст

Вступ

1 Мета роботи

2 Опис методики обладнання та проведення експериментів

3 Вибір об’єктів дослідження

4 Дослідження впливу водневої обробки на розрядні характеристики сплаву ZrCrNi

Висновки

Література

Вступ

Протягом останніх років у сучасному матеріалознавстві інтенсивно розвивається новий напрямок хіміко-термічної обробки конструкційних матеріалів, основою якого є використання водню як технологічного середовища, у якому проводять обробку. Найбільш перспективним об’єктом для застосування водневих технологій є новий клас функціональних матеріалів на основі гідридотвірних сплавів рідкісноземельних металів та цирконію– це постійні магніти, гетери та металогідридні електроди для нікель- металогідридних джерел живлення. При цьому основне завдання гідридного матеріалознавства полягає як у розробці нових металогідридних матеріалів, так і у створенні технологічних процесів покращення експлуатаційних характеристик вже широко апробованих металогідридів. Особливо це стосується сплавів і інтерметалідних сполук, які пропонуються для використання як металогідридні електроди.

На даний час найбільш широко для виготовлення металогідридних електродів застосовують сплави на основі сполуки LaNi₅. Однак, всебічна увага дослідників спрямована і на вивчення цирконієвих сплавів зі структурою фаз Лавеса, які володіють вищою розрядною ємністю, однак поступаються вказаним комерційним сплавам низькою швидкістю активації, тобто потребують проведення значної кількості циклів заряду-розряду для досягнення максимальної розрядної ємності. Це зумовлено тим, що розчинення непроникних для водню оксидних плівок, які формуються на електродному матеріалі в процесі його помелу, вимагає певного часу та енергетичних затрат. Крім того, активованість електродів можна підвищити за рахунок гомогенізації і зміни вихідного фазово-структурного стану.

Найбільш перспективним для цієї мети є розроблений у середині 80-х років минулого століття процес диспропорціонування – рекомбінації (ГДДР).

Тому вияснення можливостей створення нового технологічного підходу до вирішення проблеми покращення активованості цирконієвих електродів є актуальною задачею гідридного матеріалознавства і складає предмет досліджень даної цієї роботи.

1Мета роботи

1. Розробити методологічні підходи до вивчення процесу ГДДР в металогідридних матеріалах та визначення їх зарядно-розрядних характеристик.

2. Оптимізувати параметри механохімічного помелу сплавів на основі сполуки ZrCr₂.

3. Встановити особливості процесів ГДДР та Solid-ГДДР у сполуці ZrCr₂ зі структурою фаз Лавеса двох типів MgZn₂ (С14) та MgCu₂ (С15).

4. Дослідити особливості процесу ГДДР у сполуці ZrCr₂ при заміщенні хрому на нікель та цирконію на титан.

5. Встановити закономірності та фізичну природу фазових перетворень у сплавах системи Zr-Cr-Ni та їх вплив на зарядно-розрядні характеристики виготовлених з них металогідридних електродів.

6. Видати рекомендації щодо умов комплексної водневої обробки сплавів на основі сполуки ZrCr₂ для покращення їх зарядно-розрядних характеристик.

Об’єкт дослідження. Фазові перетворення у цирконієвих сплавах зі структурою фаз Лавеса.

Предмет дослідження. Вплив водню на фазовий склад, структуру і зарядно-розрядні характеристики сплавів на основі сполуки ZrCr₂.

Методи дослідження. Диференціальний термічний аналіз (ДТА) для визначення температур фазових перетворень, метод термодесорбційної спектроскопії для дослідження процесів десорбції водню, рентгеноструктурний аналіз для встановлення фазового складу сплавів, металографічний аналіз та мікрорентгеноспектральний аналізи для вивчення структури і процентного вмісту елементів у фазах, метод гальваностатичного циклування для вивчення зарядно-розрядних характеристик.

2Опис методики обладнання та проведення експериментів

Для отримання досліджуваних сплавів використовували метали наступної чистоти (масова частка основного компонента, %): Zr (99,5), Ti (99,5), Cr (99,99), Ni (99,9). Отриману шихту сплавляли в електродуговій печі на мідному водоохолоджуваному поді з використанням нерозпилюваного вольфрамового електроду у середовищі очищеного аргону за тиску 110-150 кПа. Маса зразка становила 1,5-3 г.

Термостабільність гідридів та процес ГДДР вивчали на розробленій та виготовленій у ФМІ НАН України комп’ютеризованій установці диференціального термічного аналізу (ДТА), яка дозволяє за виділенням (поглинанням) теплоти фіксувати процес утворення (розпаду) гідридних фаз та забезпечує можливість водневої обробки гідридотвірних матеріалів за тиску водню £10 МПа. Установка обладнана терморегулятором РИФ-101 і забезпечує нагрів з заданою швидкістю до температури 1000 °С. Джерелом водню у експериментах служив термосорбційний компресор ОМЕГА-10, виготовлений на основі гідриду сплаву LaNi₅. Крім того, ця установка дозволяє одночасно вести запис зміни тиску водню у робочій камері.

Фазово-структурний аналіз сплавів проводили на дифрактометрі HZG-4A (Cu-K_a випромінювання). Дифрактограми індексували за допомогою програми PowderCell 2.2, а для уточнення структур використовували розроблений у Львівському національному університеті імені Івана Франка пакет програм Crystal Structure Determination (CSD 4.04). Мікроструктурні дослідження та елементний аналіз складу досліджуваних зразків вивчали на растровому електронному мікроскопі JSM-840 (Японія) з системою мікроаналізаторів-спектрометрів “Analitik Link Systems” та “Ortec” (Англія).

Для дослідження зарядно-розрядних характеристик сплавів використовували металогідридні електроди, виготовлені з суміші порошку досліджуваного сплаву та високодисперсного нікелю (<1 мкм) у масовому співвідношенні 2:1. Суміш “сплав-нікель” отримували помелом у водні сплаву разом з порошком нікелю в однокамерному планетарному млині Pulverisette 6 (Fritsch, Німеччина). Плоскі електроди розмірами 36´12´1 мм формували шляхом пресування отриманої суміші на нікелеву сітку під навантаженням 7000 кг/см².

Зарядно-розрядні характеристики вивчали у двоелектродній комірці з позитивним нікелевим (Ni(OH)₂/NiOOH) електродом при 20 °С. Електроліт - 6М водний розчин гідроксиду калію (КОН). Металогідридні електроди активували шляхом повторення циклів заряду-розряду. Питому розрядну ємність С_р обраховували за формулою:

С_р=(І_р´t_р)/m,

де І_р - сила струму, мА; t_р - час розряду, год; m - маса сплаву, г.

3 Вибір об’єктів дослідження

Перш за все необхідно зазначити, що основним об’єктом дослідження був вибраний сплав ZrCrNi, який вже апробований як матеріал для виготовлення металогідридних електродів. Тому саме на цьому сплаві перевіряли можливості застосування водневої обробки. Однак, щоб зрозуміти процеси, які відбуваються за наводнення цього сплаву, на першій стадії досліджували вихідну сполуку ZrCr₂, як модельний об’єкт.

Згідно з даними рентгенофазового аналізу, зразки вихідних сплавів ZrCr₂ та Zr_1-xTi_xCr₂ однофазні , мають гексагональну ґратку зі структурою типу MgZn₂ (C14).

Встановлено, що ІМС ZrCr₂ (С14) повністю розпадається після нагріву до 950 °С у водні при

=5 МПа на гідрид цирконію та хром (табл. 1) за схемою

ZrCr₂ + H₂®e-ZrH_x + Cr.

Таблиця 1. Умови та фазовий склад продуктів взаємодії у системі

ZrCr2 (С14)-Н2

Умови взаємодії				Фазовий склад(ст. тип)3	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	ZrCr2Hx (С14)e-ZrHxCr	0,5402(2)0,3525(4)0,28838(7)	0,8849(5)0,449(1)-
ДР2	вакуум	940	0	ZrCr2 (С14)	0,5094(1)	0,8266(3)
ГД	3	860	3	e-ZrHxCr	0,3495(2)0,28820(4)	0,4488(3)-
ГД	5	950	0	e-ZrHxCr	0,3500(2)0,2880(1)	0,4457(4)-
ДР	вакуум	940	0	ZrCr2 (С15)	0,7206(1)	-

Примітки: ¹ГД - гідрування-диспропорціонування; ²ДР - десорбція-рекомбінація; ³ст. тип - структурний тип.

При цьому на кривій ДТА зафіксовано два екзотермічні ефекти, пов’язані з утворенням гідриду вихідної фази при 20 °C та гідриду цирконію під час диспропорціонування при 875 °С. За

=3 МПа ІМС ZrCr₂ (С14) частково розпадається:

ZrCr₂ + H₂® ZrCr₂H_x + e-ZrH_x + Cr.

Витримка при 860 °С протягом 3 год завершується повним розпадом вихідної фази (табл. 1). ІМС ZrCr₂ (С15) повністю розпадається (табл. 2) при 820 °С за

=3 МПа. Підвищення тиску водню до 5 МПа призводить до зниження температури диспропорціонування до 775 °С.

Таблиця 2. Умови та фазовий склад продуктів взаємодії у системі

ZrCr2 (С15)-Н2

Умови взаємодії			Фазовий склад(ст. тип)	Параметри ґратки, нм
Режим	, MПa	Tмакс, °С		а	с
Вихідний сплав			ZrCr2 (C15)	0,7209(1)	-
ГД	3	950	e-ZrHxCr	0,3508(2)0,28855(2)	0,4491(3)-
ДР	вакуум	950	ZrCr2 (С15)Crd-ZrHx - сліди	0,7209(1)0,2885(1)	--
ГД	5	940	e-ZrHxCr	0,3497(1)0,28856(8)	0,4521(4)-
ДР	вакуум	860	ZrCr2 (С15)d-ZrHxCr	0,7208(1)0,4601(2)0,28867(1)	---

Після десорбції-рекомбінації продуктів повного розпаду ZrCr₂(С14) формується низькотемпературна фаза Лавеса з кубічною ґраткою (структурний тип MgCu₂ (C15). Нагрів у вакуумі частково диспропорціонованої ZrCr₂ (С14) завершується відновленням вихідної фази зі структурою типу С14.