Спосіб одержання монолітних виробів з гідридів елементів підгрупи титану

Спосіб одержання монолітних виробів з гідридів елементів підгрупи титану обробкою металів воднем при нагріванні і тиску, який відрізняється тим, що нагрівання металу ведуть зі швидкістю 5-20°С/хв до температури Тнагр, обумовленої СПІВВІДНОШеННЯМ Тнагр-Тпол+(50-1 00)°С, де Тпол - температура поліморфного перетворення металу, наступне плавне охолодження - зі швидкістю 5-20°С/хв до температури ТОХол, обумовленої СПІВВІДНОШеННЯМ Тохол -Тпол -(50-200)°С, де Тпол - температура поліморфного перетворення металу, при цьому цикл нагрівання-охолоджування повторюють N раз, обумовлене співвідношенням N=1,5xS, де S - найбільша товщина виробу в мм , і остаточно охолоджують до кімнатної температури, що дорівнює 18-20°С Винахід відноситься до одержання монолітних гідридів елементів підгрупи титану і може бути використаний в атомній енергетиці, як компактні поглиначі нейтронів і як акумулятори чистого водню, в інших галузях техніки Відомо кілька способів виготовлення виробів з гідридів, але основні - спікання порошку гідридів і наскрізне гідрування деталі з металу Відомий спосіб одержання пдронітридів титану цирконію, гафнію шляхом локального запалення вихідної речовини в атмосфері, що містить водень, ВІДПОВІДНО до якого як вихідну речовину використовують твердий розчин азоту у відповідному металі складу Тіо 2 о з, Zr0 2є о 35, Hf0 з о зв при тиску водню 1 - Юатм (Автсв СРСР № 1057411, № С01В 6/02, бюл №41, 1983) Істотним недоліком відомого способу є - неможливість проведення процесу для масивних виробів, тому що він призначений для одержання порошків пдридонитридів чи металів виробів з нього, - високі парціальні тиски газу реагенту - водню, Найбільш близьким по технічній сутності винаходу, що заявляється, і результату, що досягається, є спосіб одержання пдридонітридів елементів підгрупи титану зі структурою гексагональної щільно упакованих кристалічних ґрат обробкою металів воднем і азотом при нагріванні, у якому, ВІДПОВІДНО до винаходу, обробку ведуть шляхом миттєвого запалення металів у суміші газів при співвідношенні їхніх парціальних тисків 0,5 = PN/PH - 2 Інша ВІДМІННІСТЬ полягає в тому, що процес ведуть для титану при тиску вище 45атм, для цирконію - вище ЗОатм, для гафнію - вище 27атм (Авт св СРСР № 1036678, 301В 6/02, бюл № 31 і , 1983) Відомий спосіб володіє поруч недоліків - високі парціальні тиски газів реагентів - водню й азоту (до 45атм), - застосуємо для одержання дрібних дисперсних, порошкоподібних пдронітридів металів, тому що більш великі МОНОЛІТНІ вироби інтенсивно розтріскуються, мають неоднорідний ХІМІЧНИЙ склад по товщині, найчастіше реакція не йде через неможливість нагріти швидко великий обсяг монолітного металу В основу винаходу поставлена задача одержання якісних, монолітних виробів з гідридів металів підгрупи титану з мінімальною пористістю 0,5 1%, удосконалювання технології шляхом зниження парціального тиску водню (у 10 -15 разів) Задача вирішується тим, що у відомому способі одержання гідридів металів підгрупи титану обробкою металів воднем при нагріванні ВІДПОВІДНО до винаходу - плавно нагрівають металеву заготівлю в атмосфері водню з тиском 0,1 - 0,2МПа зі швидкістю 5 - 20°С/хв до температури Тнагр рівної Тнагр =Т П 0 Л +(50-100)°С, ДЄ ю 59274 Тпол - температура поліморфного перетворення гідрованого металу, - потім плавно прохолоджують зі швидкістю 5 20°С/хв до температури Тнагр рівної Тохп = Тпол - (50 - 200)°С, де Тпол - температура поліморфного перетворення гідрованого металу, - цикл нагрівання-охолодження повторюють N раз, що визначають зі співвідношення N = 1,5 xS, де S - найбільша товщина виробу в мм - Остаточно плавно прохолоджують виробу до кімнатної температури, рівних 18 - 20°С Загальними ознаками способу, що заявляється, і обраного прототипу є - обробкою металів воднем при нагріванні і тиску Наявність ВІДМІТНИХ ознак обумовлено наступними обставинами - нагрівання монолітної заготівлі ведеться плавно з заданою швидкістю, що визначається швидкістю прогріву металу, його товщиною і складає 5 - 20°С/хв для виробів масою до 50кг - нагрівання ведеться до конкретної температури, що обумовлена температурою поліморфного перетворення використовуваного металу плюс перегрівши вище на 50 - 100°С для повного проходження перетворення і додаткового насичення воднем охолодження ведеться з заданою швидкістю до фіксованої температури, що визначається повнотою зворотного поліморфного перетворення мінус 50 - 200°С зі швидкість, що можлива для маси виробу і не зухвалого виникнення значних внутрішніх напружень і складає 5 - 20°С/хв - цикли нагрівання-охолодження повторюються задане число раз, що визначається найбільшою товщиною виробу і забезпечує проходження реакції гідрування по всій його товщині Імперична залежність числа циклів від товщини приведена вище, остаточне охолодження ведуть плавно, тому що отриманий моноліт гідриду має високу твердість і крихкістю і можливе утворення тріщин при різкому охолодженні виробу Приклад здійснення способу Заготівлю з металевого цирконію у виді пластини товщиною 10мм поміщають в автоклав високого тиску Автоклав вакуумують Потім заповнюють автоклав воднем до тиску 0,2Мпа і нагрівають заготівлю до температури 950°С зі швидкістю 10°С/хв У процесі нагрівання і термоциклювання заготівлі йде інтенсивне поглинання водню, тому автоклав оснащений датчиком тиску, що стежить і керує подачею в автоклав водню для підтримки заданого тиску По досягненню температури 950°С включається режим охолодження і заготівля прохолоджується зі швидкістю 10°С/хв до температури 800°С Термоцикли повторюють 15 разів Потім заготівлю плавно прохолоджують до кімнатної температури 18 - 20°С і витягають з автоклава ХІМІЧНИЙ аналіз отриманого гідриду показує зміст водню на рівні 62 - 63ат%, що відповідає стехіометричному складу ZrH2 Мікроструктурні дослідження показують, що гідрид має не напружену, дрібну кристалічну структуру Технологічний процес став більш безпечним і технологічним у плані виготовлення устаткування Заготівлю з металевого титану у виді циліндра товщиною 10мм поміщають в автоклав високого тиску Автоклав вакуумують Потім заповнюють автоклав воднем до тиску 0,15Мпа і нагрівають заготівлю до температури 980°С зі швидкістю 15°С/хв У процесі нагрівання і термоциклювання заготівлі йде інтенсивне поглинання водню, тому в автоклав надходить водень для підтримки заданого тиску По досягненню температури 980°С включається режим охолодження і заготівля прохолоджується зі швидкістю 10°С/хв до температури 850°С Термоцикли повторюють 15 разів Потім заготівлю плавно прохолоджують до кімнатної температури 18 - 20°С і витягають з автоклава ХІМІЧНИЙ аналіз отриманого гідриду титану показує зміст водню на рівні 61 - 62ат%, що відповідає стехіометричному складу Т1Н2 Заготівлю з металевого гафнію у виді бруска товщиною 15мм поміщають в автоклав високого тиску Автоклав вакуумують Потім заповнюють автоклав воднем до тиску 0,2Мпа і нагрівають заготівлю до температури 970°С зі швидкістю 5°С/хв У процесі нагрівання і термоциклювання заготівлі йде інтенсивне поглинання водню, тому автоклав оснащений датчиком тиску, що стежить і керує подачею в автоклав водню для підтримки заданого тиску По досягненні температури 970°С включається режим охолодження і заготівля прохолоджується зі швидкістю 5°С/хв до температури 830°С Термоцикли повторюють 23 рази Потім заготівлю плавно прохолоджують до кімнатної температури 18 - 20°С і витягають з автоклава ХІМІЧНИЙ аналіз отриманого гідриду показує зміст водню на рівні 62 - 63ат%, що відповідає стехіометричному складу HfH2 Техніко-економічні показники способу, що заявляється, і способу, узятого як прототип (а с № 1036678) представлені в таблиці Таблиця Техніко-економічні показники Матеріал заготівлі Нагрівання заготівлі Охолодження заготівлі Термоциклювання заготівлі Робочі тиски газової фази Спосіб, що заявляється Моноліт будь-яких розмірів Прототип (а с №1036678) Пресований у брикет порошок Швидкий з невідомою швидкі3 заданою швидкістю до фіксованої стю до невизначеної температемператури тури 3 заданою швидкістю до фіксованої Довільне температури Визначається розмірами заготівлі Відсутнє 0,1 -0,2МПа 2,7-4,5МПа 5 59274 Порівнюючи ці показники, можна зробити висновок, що спосіб, що заявляється, забезпечує більш високі технічні результати, а саме - можливість одержання монолітних виробів з Комп'ютерна верстка А Крулевський 6 гідридів металів низькі робочі тиски газової фази, - велику безпеку процесу, - зниження капітальних витрат на реакційні модулі Підписано до друку 05 09 2003 Тираж 39 при м Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна