Невипаровуваний гетерний сплав та невипаровуваний гетерний пристрій

1. Невипаровуваний гетерний сплав, який містить, мас. %: від 60 до 85 Y, від 5 до 30 Мn та від 5 до 20 Аl. 2. Сплав за п. 1, який відрізняється тим, що містить, мас. %: Y – 75, Мn – 15, Аl – 10. 3. Сплав за п. 1, який відрізняється тим, що містить, мас. %: Y – 70, Мn – 18, Аl – 12. C2 2 (19) 1 3 початкової обробки шляхом термічної активації при температурах, які можуть варіювати між приблизно 300°С до приблизно 900°С протягом часу від декількох хвилин до декількох годин в залежності від матеріальної композиції. Гетерні матеріали взагалі є металами перехідних III, IV і V груп або сплавами їх з іншими елементами, взагалі з перехідними металами або алюмінієм. Більшість з використовуваних гетерних матеріалів є сплавами на основі титану і особливо цирконію. НВГ матеріали показують сорбційні властивості стосовно водню, які відрізняються від таких властивостей відносно інших газів. Якщо для більшості газів хімічна сорбція цими сплавами є необоротною, то сорбція водню НВГ матеріалами є рівноважним оборотним процесом, в залежності від температури: водень ефективно сорбується при відносно низьких температурах (до 200-400°С, в залежності від хімічного складу матеріалу), але при більш високих температурах він вивільняється. Характеристики рівноваги цих матеріалів при сорбції водню взагалі представляють графічно у вигляді кривих, які показують при різних температурах рівноважний тиск водню на НВГ матеріалі в залежності від концентрації водню у тому самому матеріалі. Переважними характеристиками для НВГ матеріалу є низька температура активації і, коли передбачають сорбцію водню, низький рівноважний тиск водню у всьому інтервалі температур, при яких матеріал повинен бути використаний. НВГ матеріалами, особливо прийнятними для сорбції водню, є чистий ітрій i сплав, описаний у патенті US №3 203 901, який вміщує по масі 84% цирконію 116% алюмінію, але ці обидва матеріали потребують відносно високих температур для їх активації, на рівні приблизно 700-900°С (в залежності від бажаної ступені активації). В патенті GB №1 248 184 i міжнародній публікації WO 03/029502 описані багаті на ітрій матеріали, властивості яких є по суті подібними до властивостей чистого ітрію, але проблемою, пов'язаною з матеріалами по патенту GB №1 248 184, є те, що вони є по суті сумішами чистих металів, тому при високих температурах може виникати випаровування металу, змішаного з ітрієм. Іншим матеріалом, який широко застосовують для сорбції водню, є сплав з приблизним складом, по масі, 80% цирконію, 15% кобальту i 5% мішметалу (комерційна суміш лантану i/ бо церію i рідкоземельних металів), який описаний у патенті US №5 961 750, цей матеріал має відносно високий рівноважний тиск водню при температурах вище приблизно 500°С, що є недоліком. Наприкінці, в міжнародній публікації WO 2006/057020 для використання при сорбції водню описані сплави, які вміщують цирконій (як основний компонент), ітрій i один або більше елементів, вибраних з групи алюміній, залізо, хром, марганець i ванадій. Ці матеріали мають більш низькі температури активації у порівняння з попередньо згаданими матеріалами, але мають дуже погані характеристики сорбції для інших газів, таких як азот. 91745 4 Метою винаходу є створення невипаровуваних гетерних сплавів, які можуть застосовуватися для сорбції широкого ряду газів i мають особливо хороші властивості щодо сорбції водню. За винаходом, цієї мети досягають невипаровуваними гетерними сплавами, які мають, по масі, від 60% до 85% ітрію, від 5% до 30% марганцю i від 5% до 20% алюмінію. Далі винахід буде описаний з посиланнями на креслення, де на: Фіг.1 наведена діаграма, яка показує рівень можливих складів НВГ сплавів за винаходом, Фіг.2а-2г показана деякі можливі втілення невипаровуваних гетерних пристроїв, виготовлених для використання сплавів за винаходом, Фіг.3-6 наведені графіки, які показують характеристики сорбції газу сплаву за винаходом i деяких відомих гетерних матеріалів. Сплави за винаходом є ті, які знаходяться усередині виділеної полігональної ділянки на трійковій діаграмі, яка показує маспроценти композицій (Фіг.1) . Серед них переважними сплавами є сплави зі складом Υ 75мас.% - Μn 15мас.% - ΑΙ 10мас.% i Υ 70мас.% - Μn 18мас.% - ΑІ 12мас.%, які показані на Фіг.1 точками а і b, відповідно. Сплави за винаходом можуть бути приготовлені шляхом плавлення в печі кусків або порошків складових металів, завантажених у загальних відношеннях, які відповідають бажаній кінцевій композиції Переважними є технологій дугової плавки в 4 інертних газах, наприклад, під тиском 3 10 Паскаля (Ра) в аргоні, або в індукційній печі під вакуумом або в атмосфері інертного газу. Але, можливо пристосувати i інші технологій, які є загально відомими у металургії для виготовлення сплавів. Плавлення потребує температур вище приблизно 1000°С. При виготовленні гетерних пристроїв, використовуючи сплави за винаходом, ці пристрої можуть бути у вигляді таблеток тільки з гетерного матеріалу або виготовлені з гетерного матеріалу на підкладці, або у контейнері, переважно використовувати сплави у формі порошку з розмірами частинок взагалі менше 250мкм (μm), переважно між 40 i 125мкм. Використання частинок більших розмірів призводить до надлишкового зменшення робочої поверхні (площі поверхні на одиницю маси) матеріалу, з відповідним погіршенням властивостей щодо сорбції газу, зокрема, щодо швидкість сорбції при низьких температурах. Використання часток розміром менше за 40мкм призводять до проблем при виконанні операцій при виробництві гетерних пристроїв, особливо внаслідок їх займаності/вибуховості, коли вони попадають на повітря, хоча їх використання є можливим i є потрібним у деяких випадках. Форми, в яких гетерні пристрої можуть бути виготовлені, використовуючи сплави за винаходом, є дуже різноманітні, включаючи таблетки, сформовані або тільки з порошків гетерних сплавів, або на металевій підкладці. В обох випадках порошки можуть ущільнюватися або стисненням, або шляхом спікання, або обома способами. Таблетки, виготовлені тільки зі стиснених порошків, 5 можуть застосовуватися, наприклад, для теплоізоляції термосів. Коли порошки нанесені на підкладку, то взагалі в якості матеріалу підкладки використовують сталь, нікель або сплави на основі нікелю. Підкладка може бути тільки у вигляді стрічки, на поверхню якої нанесені порошки сплаву закріплені на стрічці або холодною прокаткою або спіканням після осадження, використовуючи різні технології. Підкладка може бути виконана як робочий контейнер різноманітних форм, в якому порошки взагалі вводять шляхом стиснення або навіть без стиснення у деяких пристроях, в яких контейнер має спроможність утримувати порошки або завдяки форми контейнера, або завдяки тому, що мають пористу мембрану, яка є проникною для потоку газу. Деякі з цих можливих пристроїв проілюстровані на Фіг.2а-2г; на Фіг.2а показана таблетка 20, виготовлена у вигляді спресованих порошків тільки з НВГ сплаву; на Фіг.2б показаний НВГ пристрій 30, сформований як металева стрічка 31, на якій знаходяться порошки НВГ сплаву; на Фіг.2в показаний поперечний переріз НВГ пристрою 40, сформований з металевого контейнера 41 з верхнім отвором 42, який має всередині порошки 43 з НВГ сплаву; на Фіг.2г показаний поперечний переріз НВГ пристрою 50, який містить металевий контейнер 51, всередині якого знаходяться порошки 52 з НВГ сплаву, а верхній отвір контейнера закритий пористою мембраною 53; можливі i інші форми i конфігурації пристроїв, в яких застосовані гетерні сплави за винаходом. НВГ сплави за винаходом можуть бути активовані або протягом декількох десятків хвилин при температурі 500°С, або протягом однієї або двох годин при температурі приблизно 300°С, що є більш м'якими умовами, ніж звичайно потрібні для чистого ітрію або сплавів цирконій-алюміній (температури приблизно 800-900°С), крім того сплави за винаходом показують кращі властивості щодо сорбції водню при температурах нижчих за ті, які потрібні при використанні ітрію або відомих композицій, які включають цей елемент як основний компонент, одночасно, сплави за винаходом показують кращі властивості як сорбенти газів, відмінних від водню, у порівнянні з вище описаними відомими гетерними сплавами (які взагалі вміщують цирконій як основний компонент). Далі винахід буде проілюстрований наступними прикладами. Ці приклади не обмежують винахід, а описують деякі втілення, щоб показати спеціалістам як на практиці реалізувати винахід i отримати добрий результат. В цих прикладах всі композиції сплавів даються у процентах по масі елементів, якщо не визначене інше. Приклад 1 В цьому прикладі описується приготування декількох сплавів за винаходом. Сплав закладом Υ 75мас.% - Μn 15мас.% - ΑΙ 10мас.%, який відповідає точці а на трійковій діаграмі на Фіг.1, виробляють, починаючи із зважування у бажаних співвідношеннях порошків елементів. Порошки перемішують i насипають у охолоджуваний водою мідний тигель печі дугового плавлення в атмосфері аргону під тиском 3 104Па (так звана технологія "холод-земля") Температура, якої було 91745 6 досягнуто сумішшю під час плавлення складає приблизно 2000°С, цю температуру підтримують протягом приблизно 5 хвилин, потім розплав залишають для охолодження до кімнатної температури і отримують злиток бажаного сплаву. Так як приготування має місце в умовах високого термального градієнту, то, щоб підвищити однорідність сплаву, плавлення повторюють чотири рази. Злиток, отриманий охолодженням після чотирьох плавлень, подрібнюють, а отриманий порошок просівають, отримуючи фракцію з частинок розміром між 40 i 105мкм. Цей отриманий порошок використовують для приготування декількох таблеток, які використовують при дослідженнях сорбції газів, які описані нижче кожну з цих таблеток, позначених як "зразок 1", в подальшому, отримують пресуванням 120мг порошку під тиском 2000кг/см2. Приклад 2 Дослідження сорбції водню проводять на таблетці зразка 1 i на таблетці вагою 120мг, отриманої пресуванням порошків з чистого ітрію. Всі таблетки активують при 500°С протягом 30 хвилин. Тести на сорбцію водню проводять згідно технологи, яка описана у стандарті ASTM F 798-82 (стандарт американського товариства спеціалістів по випробуванню матеріалів) з температурою випробування 400°С i тиском водню 4 103Па, як кажуть, ці тести мають місце при "динамічних умовах", так як камера для тестування живиться змінним потоком водню, який регулюють за допомогою системи із зворотнім зв'язком, щоб мати постійний тиск водню на таблетку при тестуванні. На Фіг.3 графічно показані результати цих досліджень у вигляді графіку залежності швидкості сорбції S, яка виміряна у кубічних сантиметрах сорбованого водню за секунду i помножену на грам сплаву (см3/с г), від кількості сорбованого водню, Q, виміряної у кубічних сантиметрах газу, помножених на тиск сорбції у гектоПаскалях i визначений на грам сплаву (см3 гПа/г), крива 1 відповідає таблетці зразка 1, а крива , яка відповідає зразку з чистого ітрію, позначена Υ. Приклад 3 В цьому прикладі виміряють зміну рівноважного тиску водню на зразок сплаву за винаходом. Вимірна система складається з скляної колби, яка з'єднана з помпою через уловлювач рідинного азоту, який допомагає підтримувати фоновий тиск під час дослідження, зразок нагрівають із зовні колби радіо частотами за допомогою індуктора Систему вакуумують поки залишковий тиск не досягне 1 104Па. При помпуванні зразок активується нагріванням за допомогою радіо частот при температурі 700°С протягом години. Наприкінці процесу активації зразок доводять до температури 600°С i колбу відключають від помпи. Виміряну кількість водню вводять у колбу i вимірюють змни тиску за допомогою ємкісного манометра, величина тиску, при якій система стабілізується, забезпечує тиск рівноваги у цих умовах. Таку процедуру повторюють декілька разів, кожного разу вводячи у систему різну кількість водню. Отримують виміри рівноважних тисків, при відомих об'ємі системи i масі зразка, тобто отримують концентрацію водню, 7 сорбованого зразком при різних умовах вимірювання. З допомогою описаних вище вимірної системи i технологій виміряють величини рівноважного тиску водню на таблетку зразка 1, ці величини графічно представлені у вигляді кривої 1 на графіку Фіг.4, який показує залежність рівноважного тиску, Р, виміряного у гектопаскалях (гПа), від концентрації сорбованого водню, С, яка виміряна у кубічних сантиметрах газу, помножених на тиск при сорбції i визначений на міліграм сплаву (см3 гПа/мг) Для порівняння, на тому самому графіку також показані дві криві, які показують рівноважний тиск водню для двох відомих матеріалів, прийнятних для сорбції водню, зокрема, крива 2 показує властивості сплаву зі складом Zr 84мас.% - AІ 16мас.% (характеристики яких описані у патенті US №3 203 901), а крива 3 показує властивості сплаву з складом Zr 80,8мас.% - Со 14,2мас.% мишметал 5,0% (відомого з патенту US №5 961 750). Криві 2 i 3 є частинами ліній, отриманих по середнім даним, отриманим від декількох експериментальних тестувань, проведених в минулому на зазначених відомих сплавах у тих самих умовах, які описані вище при дослідженні зразка 1. Приклад 4 Дослідження, які наведені у прикладі 3, повторюють, виміряючи в цьому випадку рівноважний тиск водню при 700°С з таблетками, які відповідають зразку 1 i з тими самими сплавами Zr-AI, Zr-Co - мишметал. Результати цих досліджень графічно показані на Фіг.5, де знову крива 1 показує властивості зразка 1, а криві 2 i 3 показують властивості сплавів Zr-AI i Zr-Co - мишметал відповідно. 91745 8 Приклад 5 Проводять дослідження на сорбцію ряду моноксидів (CO) на таблетці зразка 1 i на таблетках тих самих сплавів Zr-AI i Zr-Co - мишметал з прикладу 3, ці таблетки відомих сплавів мають таку саму масу як i таблетка зразка 1. Ці дослідження проводять в так званих "динамічних умовах" відповідно до стандарту ASTM F 798-82, описаних в прикладі 2 Таблетки активують при температурі 500°С протягом 10 хвилин, а тестування проводять при 400°С з постійним тиском СО у 4 103Па. Результати цих досліджень показані на графіку Фіг.6 у вигляді кривої залежності швидкості сорбції CO (виміряної у кубічних см СО за секунду, см3/с) від кількості сорбованого СО (виміряної у кубічних см сорбованого CO помноженої на тиск при дослідженні, см3 гПа). Обговорення результатів Графік на Фіг.3 підтверджує, що сплави за винаходом мають кращі властивості щодо сорбції водню, ніж зразки з чистого ітрію, активовані в тих самих умовах. Графіки на Фіг.4 і 5 показують, що сплави за винаходом мають кращі властивості рівноваги у порівнянні з двома відомими сплавами, які вважаються як такі, що мають особливо хороші характеристики, що стосуються цих параметрів. Наприкінці, Фіг.6 показує, що сплави за винаходом також мають кращі сорбуючі властивості для окисненого газу (СО) у порівнянні з тими самими двома відомими сплавами, які використані для порівняння в прикладах 3 і 4. 9 91745 10 11 Комп’ютерна верстка Т. Чепелева 91745 Підписне 12 Тираж 26 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