Неруйнівний при гідруванні водневмісний композиційний матеріал

Неруйнівний при гідруванні водневмісний композиційний матеріал, який складається з пластичної матриці та водневмісних включень, який відрізняється тим, що пластична матриця сформована з безпористої міді, а водневмісні включення сформовані з безпористого гідриду титану, при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: Сu 57-84 ТіН2 решта. (19) (21) a201003615 (22) 29.03.2010 (24) 25.01.2011 (46) 25.01.2011, Бюл.№ 2, 2011 р. (72) БРАТАНІЧ ТЕТЯНА ІВАНІВНА, СКОРОХОД ВАЛЕРІЙ ВОЛОДИМИРОВИЧ, КУЧЕРЯВИЙ ОЛЕГ ВІКТОРОВИЧ (73) ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАТЕРІАЛОЗНАВСТВА ІМ. І.М.ФРАНЦЕВИЧА НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ (56) RU 2109834 C1, 27.04.1998 3 Поставлена задача досягається шляхом формування пластичної матриці з безпористої міді в кількості 57-99% мас. та безпористих включень з гідрида титану. Запропонований спосіб можна охарактеризувати наступною сукупністю суттєвих ознак. Пластична матриця сформована з безпористої міді, а водневмісні включення з безпористого гідрида титану при співвідношенні компонентів, мас. %: Сu 57-84; ТіН2 решта. Завдяки зазначеним ознакам мікроструктура запропонованого неруйнівного водневмісного композиційного матеріалу являє собою безпористу матрицю, виконану з міді, з розташованими в ній безпористими включеннями, виконаними з гідрида титану. Запропонований матеріал виготовляли з литих безпористих сплавів титану з міддю з вмістом міді від 57 до 84% мас. Такому вмісту міді в сплавах згідно діаграми стану Ті - Сu (Фіг.1) (Murray J. L. Binary Alloy Phase Diagrams, 2nd Edition, Vol. 2. ASM International, Materials park, OH, USA. - 1990. 1494p.) відповідають інтерметаліди TiCu, Ti3Cu4, Ti2Cu3, TiCu4 або їх суміші. Вказані вихідні сплави піддавали деструктивному гідруванню за температури 773К під тиском водню 1.0МПа. Рентгенофазовими дослідженнями було встановлено, що в процесі деструктивного гідрування титан вибірково гідрувався зі складу інтерметалідів до ТіН2, а також утворювалась металева мідь. Таким чином, одержували водневмісні композиційні матеріали ТіН2 - Сu. Як показали мікроскопічні дослідження, одержані композити мали матричну структуру: в безпористій мідній матриці розподілені включення безпористого гідрида титану. Розміри включень гідрида титану змінювались в межах 0,1-0,35мкм. Неруйнівність такого композиту забезпечується одночасною дією двох факторів. По-перше, хороша пластичність мідної матриці та концентрація міді в сплаві, більше від 57% мас, створюють передумови для її неруйнівності під дією напружень з боку включень гідрида титану. По-друге, включення гідрида титану є дисперсними (порядку 0,1-0,35мкм). Як показано в статті Скорохода В.В., Солоніна С.М. та інших «Об'ємна деформація і зміна фізикомеханічних властивостей композиційних матеріалів TiFe - Cu (Ni) в процесі гідрування», Порошкова металургія, 1993р. №3 ст.69, в подібних композитах навколо гідридних включень існують поля напружень, межі яких можуть перетинатись. Це призводить до утворення тріщин та руйнування матеріалу. Можливість перетину меж полів напружень залежить від відстані між включеннями та їх розмірів. Відсутність взаємодії полів напружень в композиті досягається збільшенням відстані між включеннями шляхом зниженням концентрації включень, та/або зменшенням розмірів включень. 93331 4 В межах концентрації міді (57-84% мас.) в титаномідних ІМС та з урахуванням розмірів включень гідрида титану на рівні 0,1-0,35мкм ми одержали неруйнівні водневмісні композиційні матеріали. Таким чином, ми отримали неруйнівні водневмісні композиційні матеріали, які складались з безпористої мідної матриці та безпористих включень гідрида титану. Критерієм неруйнівності запропонованого водневмісного композита ТіН2 - Сu та прототипу TiFeH1,84 - Ni ми вважаємо відсутність тріщин, яку контролювали шляхом мікроскопічних досліджень. Матеріал - прототип виготовляли з пористих гранул інтерметаліда TiFe і карбонільного нікелю, взятого в якості метала матриці, шляхом пресування і наступного спікання. Після цього одержаний композит наводнювали за температури 293К під тиском водню 6,0МПа. Пористість нікелевої матриці складала 50%, пористість водневмісних включень TiFeH1,84 - 30%, що відповідає мінімальній, заявленій в прототипі пористості інтерметалідних гранул. Структура матеріалу-прототипу являла собою пористу нікелеву матрицю, в якій рівномірно розташовані пористі включення гідрида інтерметаліда TiFeH1,84. Запропоновані композиційні матеріали ТіН2 Сu одержували шляхом деструктивного гідрування інтерметалідів ТіСu, Ті3Сu4, Ті2Сu3, ТіСu4 або їх сумішей за температури 773К під тиском водню 1,0МПа до досягнення максимального насичення титану воднем, що контролюється встановленням постійного тиску водню в робочому об'ємі. Кількість поглинутого водню розраховували за величиною падіння тиску в робочому об'ємі. Дослідження показали, що неруйнівні зразки запропонованого матеріалу ТіН2 - Сu, який вміщує безпористу мідну матрицю і безпористі включення гідрида титану, має значно вищі питомі масову та об'ємну воднеємності у порівнянні з матеріалом прототипом TiFeH1,84 - Ni. Так, зразки-прототипи масових складів 43% TiFeH1,84 – 57% Ni, 33% TiFeH1,84 – 67% Ni та 16% TiFeH1,84 – 84% Ni в умовах збереження цілісності при гідруванні мали питомі масові воднеємності відповідно 85, 66 та 32мл Н2/г композиційного матеріалу. З урахуванням 50-процентної пористості їх матриць та 30процентної пористості включень TiFeH1,84 вказані композиції мали питомі об'ємні воднеємності відповідно 375, 288 та 140мл Н2/см3 композита. Зразки запропонованого матеріалу масових складів 43% ТіН2 – 57% Сu, 33% ТіН2 – 67% Сu, 20% ТіН2 – 80% Сu та 16% ТіН2 – 84% Сu мали питомі масові воднеємності відповідно 201, 156, 94 та 74мл Н2/г композиційного матеріалу. Їх питомі об'ємні воднеємності склали відповідно 1297, 1111, 731 та 579мл Н2/см3 композиційного матеріалу. Результати дослідження властивостей запропонованого матеріалу та матеріалу - прототипу зведені в таблиці. 5 93331 6 Таблиця Властивості неруйнівних композиційних матеріалів TiFeH1,84 - Ni та ТіН2 - Сu Фазовий склад матеріалу матриці, % мас. Масова концентрація включень, % мас. Питома масова воднеємність, мл Н2/г композиту Питома об'ємна воднеємність, мл Н2/см3 (композиту Ознаки руйнування 1 (тріщини) Прототип TiFеН1,84 - Ni 57 67 84 43 33 16 Запропонований матеріал ТіН2 - Сu 57 67 80 84 43 33 20 16 85 66 32 201 156 94 74 375 288 140 1297 1111 731 579 нема нема нема нема нема нема нема З таблиці видно, що запропонований композиційний матеріал ТіН2 - Сu з безпористою мідною матрицею в кількості від 57 до 84% мас. та безпористими включеннями гідрида титану має більші питомі масову та об'ємну воднеємності у порівнянні з матеріалом-прототипом відповідно в 2,36 та 4 разів. Це досягається за рахунок підвищення воднеємності включень при заміщенні інтерметаліда на основі титану на гідрид титану та за рахунок формування в процесі деструктивного гідрування безпористої матриці та безпористих включень гідрида титану. При концентрації міді, меншій від 57% мас, вихідний сплав згідно діаграми стану Ті - Сu (Фіг.1), вміщує інтерметалід Ті2Сu, який деструктивно гідрується з утворенням тріщин. Це обумовлено перекриттям меж полів напружень навколо включень гідрида титану в зв'язку з пониженою концентраці Комп’ютерна верстка М. Ломалова єю міді. При концентраціях міді у вихідному титано-мідному сплаві, більших від 84% мас, згідно діаграми стану (Фіг.1) інтерметалідні фази відсутні. Деструктивне гідрування розчину титану в міді неможливе. Підвищена воднеємність запропонованого композиційного матеріалу ТіН2 - Сu із вмістом міді від 57 до 84% мас в сукупності з його неруйнівністю забезпечує збільшення воднеємності та коефіцієнта корисної дії сорбційного обладнання. Запропонований матеріал може використовуватись як акумулятор водню, матеріал біологічного захисту від -випромінювання, а також в якості покриттів мідних деталей для покращення механічних характеристик при незначних втратах електропровідності. Підписне Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601