Влияние легировавания Ti, Mo и W на кинетические и прочностные характеристики мембранных сплавов на основе Nb и V
В.А. Полухин, Р.М. Белякова, Э.Д. Курбанова
ФГБУН «Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук»
DOI: 10.26456/pcascnn/2021.13.345
Оригинальная статья
Аннотация: Проведен анализ влияния Ti, Mo и W на характер аморфной нано- и кристаллической структуры на прочностные и кинетические характеристики – диффузии D и проницаемости Ф водорода в мембранных сплавах, созданных на основе бинарных Ni–Nb и V–Ni. Легирование сплавов Ni–V титаном, молибденом и вольфрамом ведет к постепенному замещению ими ниобия и ванадия и способствует образованию нескольких второстепенных фаз хотя и действующих как барьеры для диффузии водорода, но способствующих снижению процессов гидридообразования. Выявлена строгая зависимость кинетики водорода не только от термодинамических параметров – температуры и давления, но и от наличия свободного объема в формируемых аморфных, нано-кристаллических и кристаллических сплавов. Установлено, что процессы селективности, динамика водорода – его поток J , определяемый произведением диффузии и проницаемости ( J=D×Ф), зависят от базового состава, выбора легирующих элементов (Ti, Mo и W ), а также формируемых структур – аморфной, нанокристаллической и полифазной дуплексной кристаллической микроструктурой. Установлено, что тщательно подобранный состав определяет производительность селективного процесса и способствует выделению высокочистого водорода с последующими его приложениями для зеленой энергетики.
Ключевые слова: водород, аморфные и нанокристаллические сплавы, V, Ni, Ti, Zr, Nb, структуризация, селектвность, растворимость, проницаемость, диффузия, гидриды, аккумуляция, термостабильность, хрупкость, кристаллизация, моделирование, икосаэдрические кластеры, нанофазы, дуплексная структура, фазы Лавеса
- Полухин Валерий Анатольевич – д.ф.-м.н., ведущий научный сотрудник, ФГБУН «Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук»
- Белякова Римма Михайловна – к.т.н., старший научный сотрудник, ФГБУН «Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук»
- Курбанова Эльмира Джумшудовна – к.х.н., научный сотрудник, ФГБУН «Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук»
Ссылка на статью:
Полухин, В.А. Влияние легировавания Ti, Mo и W на кинетические и прочностные характеристики мембранных сплавов на основе Nb и V / В.А. Полухин, Р.М. Белякова, Э.Д. Курбанова // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2021. — Вып. 13. — С. 345-357. DOI: 10.26456/pcascnn/2021.13.345.
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Dolan, M.D. Tubular vanadium membranes for hydrogen purification / M.D. Dolan, D.M. Viano, M.J. Langley, K.E. Lamb // Journal of Membrane Science. – 2018. – V. 549. – P. 306-311. DOI: 10.1016/j.memsci.2017.12.031.
2. Yan, E. Design of hydrogen permeable Nb–Ni–Ti alloys by correlating the microstructures, solidification paths and hydrogen permeability / E. Yan, X. Li, M. Rettenmayr et al. // International Journal of Hydrogen Energy. – 2014. – V. 39. – I. 7. – P. 3505-3516. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2013.12.060.
3. Hashi, K. Hydrogen permeation characteristics of multi-phase Ni–Ti–Nb alloys / K. Hashi, K. Ishikawa, T. Matsuda, K. Aoki // Journal of Alloys and Compounds. – 2004. – V. 368. – I. 1-2. – P. 215-220. DOI: 10.1016/j.jallcom.2003.08.064.
4. Li, X. Microstructure dependent hydrogen permeability in eutectic Nb30Ti35Co35 / X. Li, X. Liang, D. Liu et al. // International Journal of Hydrogen Energy. – 2016. – V. 41. I. 30. – P. 13086-13092. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2016.05.238.
5. Vatolin, N.A. Simulation of the influence of hydrogen on the structural properties of amorphous iron / N.A. Vatolin, V.A. Polukhin, R.M. Belyakova, E.A. Pastukhov // Materials Science and Engineering. – 1988. – V. 99. – I. 1-2. – P. 551-554. DOI: 10.1016/0025-5416(88)90396-5.
6. Pastukhov, E.A. Short order and transport in amorphous palladium materials / E.A. Pastukhov, N.I. Sidorov, V.A. Polukhin, V.P. Chentsov // Defect and Diffusion Forum. – 2009. – V. 283-286. – P. 149-154. DOI: 10.4028/www.scientific.net/DDF.283-286.149.
7. Polukhin, V.A. Formation of a intermediate order in metallic glasses and a long order in nanocrystalline alloys with allowance for the character of binding and the transformation of the short order in a melt / V.A. Polukhin, E.D. Kurbanova, N.A. Vatolin // Russian Metallurgy (Metally). – 2018. – V. 2018. – I. 2. – P. 95-109. DOI: 10.1134/S0036029518020167.
8. Sarker, S. Icosahedra clustering and short range order in Ni–Nb–Zr amorphous membranes / S. Sarker, D. Isheim, G. King et al. // Scientific Reports. – 2018. – V. 8. – Art. № 6084. – 14 p. DOI: 10.1038/s41598-018-24433-9.
9. Polukhin, V.A. Spatial arrangement of the fragmented phases in nanostructured 3d metal alloys during a change in the melt composition and cooling conditions / V.A. Polukhin, R.M. Belyakova, L.K. Rigmant // Russian Metallurgy (Metally). – 2010. – V. 2010. – I. 8. – P. 681-698. DOI: 10.1134/S0036029510080045.
10. Mendelev, M.I. Molecular dynamics simulation of diffusion in supercooled Cu–Zr alloys / M.I. Mendelev, M.J. Kramer, R.T. Ott, D.J. Sordelet // Philosophical Magazine. – 2009. – V. 89. – I. 2. – P. 109-126. DOI: 10.1080/14786430802570648.
11. Dai, Y. Glass-forming region of the Ni–Nb–Ta ternary metal system determined directly from n–body potential through molecular dynamics simulations / Y. Dai, J.H. Li, X.L. Che, B.X. Liu // Journal of Materials Research. – 2009. – V. 24. – I. 5. – P. 1815-1819. DOI: 10.1557/jmr.2009.0198.
12. Saeki, Y. Relationship between hydrogen permeation and microstructure in Nb–TiNi two-phase alloys / Y. Saeki, Y. Yamada, K. Ishikawa // International Journal of Hydrogen Energy. – 2014. – V. 39. – I. 23. – P. 12024-12030. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2014.05.192.
13. Liu, D.M. Development of Nb35Mo5Ti30Ni30 alloy membrane for hydrogen separation applications / D.M. Liu, X.Z. Li, H.Y. Geng et al. // Journal of Membrane Science. – 2018. – V. 553. – P. 171-179. DOI: 10.1016/j.memsci.2018.02.052.
14. Li, X. Changes in microstructure, ductility and hydrogen permeability of Nb–(Ti, Hf)Ni alloy membranes by the substitution of Ti by Hf / X. Li, D. Liu, R. Chen et al. // Journal of Membrane Science. – 2015. – V. 484. – P. 47-56. DOI: 10.1016/j.memsci.2015.03.002.
15. Polukhin, V.A. Presolidification changes in the structural–dynamic characteristics of glass-forming metallic melts during deep cooling, vitrification, and hydrogenation / V.A. Polukhin, N.I. Sidorov, N.A. Vatolin // Russian Metallurgy (Metally). – 2019. – V. 2019. – I. 8. – P. 758-780. DOI: 10.1134/S0036029519080123.
16. Ishikawaa, K. Hydrogen permeability and microstructure of rapidly quenched Nb–TiNi alloys / K. Ishikawaa, Y. Seki, K. Kita, et al. // Journal of Alloys and Compounds. – 2011. – V. 509. – Supplement 2. – P. S790-S793. DOI: 10.1016/j.jallcom.2010.10.126.
17. Lee, D.-Y. Hydrogen permeation properties of Pd– coated Ni–Nb–Ti–Zr amorphous alloys / D.-Y. Lee, E. Fleury // Metals and Materials International. – 2008. – V. 14. – I. 5. – P. 545-548. DOI: 10.3365/met.mat.2008.10.545.
18. Рalumbo, O. Hydrogen absorption properties of amorphous(Ni0,6Nb0,4-yTay)100-xZrx membranes / O. alumbo, F. Trequattrini, N. Pal et al. // Progress in Natural Science: Materials International. – 2017. – V. 27. – I. 1. – Р. 126-131. DOI: 10.1016/j.pnsc.2017.01.002.
19. Otsuka, K. Physical metallurgy of Ti–Ni–based shape memory alloys / K. Otsuka, X. Ren // Progress in Materials Science. – 2005. – V. 50. – I. 5. – P. 511-678. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2004.10.001.
20. Wong, T. Effect of annealing on the hydrogen permeation and mechanical behaviour of Nb–Ni–Zr alloy membranes / T. Wong, Z. Yu, K. Suzuki et al. // Materials Science Forum. 2010. V. 654-656. P. 2851-2854. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.654-656.2851.
21. Motemani, Y. High-temperature shape memory effect in Ti–Ta thin films sputter deposited at room temperature / Y. Motemani, P.J.S. Buenconsejo, C. Craciunescu, A. Ludwig // Advanced Materials Interfaces. – 2014. – V. 1. – I. 3. – Art. №. 1400019. – 5 p. DOI: 10.1002/admi.201400019.
22. Dolan, M.D. Hydrogen transport properties of several vanadium-based binary alloys / M.D. Dolan, M.E. Kellam, K.G. McLennan, D. Liang, G. Song // International Journal of Hydrogen Energy. – 2013. – V. 38. – I. 23. – P. 9794-9799. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2013.05.073.
23. Полухин, В.А. Водородопроницаемость аморфных, нано- и кристаллических сплавов на основе железа и никеля / В.А. Полухин, Н.И. Сидоров, Р.М. Белякова // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2020. – Вып. 12. – С. 457-473. DOI: 10.26456/pcascnn/2020.12.457.
24. Белякова, Р.М. Проницаемость водорода сквозь сплавы тантала, легированные Nb и W / Р.М. Белякова, В.А. Полухин // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2020. – Вып. 12. – С. 356-369. DOI: 10.26456/pcascnn/2020.12.356.
25. Galashev, A.E. Computer-assisted study of silver absorption by porous silicon dioxide nanoparticles / A.E. Galashev, V.A. Polukhin // Colloid Journal. – 2011. – V. 73. – I. 6. – P. 761-767. DOI: 10.1134/S1061933X11050036.
26. Suzuki, A. A Review for consistent analysis of hydrogen permeability through dense metallic membranes / A. Suzuki, H.A. Yukawa // Membranes. – 2020. – V. 10. – I. 6. – Art. № 120. – 20 p. DOI: 10.3390/membranes10060120.
27. Полухин, В.А. Специфика формирования кластерных структур Фриауфа, 2D–упаковок кагоме и фаз Лавеса при гидрировании сплавов титана. Кинетика водорода / В.А. Полухин, Р.М. Белякова // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2019. – Вып. 11. – С. 345-355. DOI: 10.26456/pcascnn/2019.11.345.
28. Awakura, Y. Hydrogen solubility and permeability of Nb–W–Mo alloy membrane / Y. Awakura, T. Nambu, Y. Matsumoto, H. Yukawa // Journal of Alloys and Compounds. – 2011. – V. 509. – Supplement 2. – P. S877-S880. DOI: 10.1016/j.jallcom.2010.10.133.
29. Zhang, H. Mechanical properties of Nb–Ti–Ni alloy membranes for hydrogen permeation / H. Zhang, Z. Wang, F. Liu et al. // Rare Metal Materials and Engineering. – 2016. – V. 45. – no. 6. – P. 1443-1448. DOI: 10.1016/S1875-5372(16)30128-X.