Сплав для обратимого поглощения водорода


 


Владельцы патента RU 2561543:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный индустриальный университет" (ФГБОУ ВПО "МГИУ") (RU)

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам для обратимого поглощения водорода, и может быть использовано в транспортных и энергетических устройствах. Сплав содержит, мас. %: титан 37,8-49,7; цирконий 0,9-8,0; молибден 0,03-0,25; алюминий 0,2-1,7; кальций 0,06-0,5; магний 0,03-0,3; железо - остальное. Уменьшается время активации сплава, и сокращается количество в нем редкого элемента молибдена. 1 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам сплавов на основе титана, используемых в качестве обратимого поглощения (аккумулятора) водорода, которые находят применение в транспортных средствах при переводе их на водородное топливо, энергетических устройствах, потребляющих водород, химической технологии и других областях.

Среди сплавов на основе титана, аккумулирующих водород, в наибольшей степени используются сплавы на основе интерметаллического соединения TiFe. Достоинством сплавов этого типа является их невысокая стоимость. Кроме того, порошкообразный гидрид на основе TiFe не пирофорен и, как показали довольно широкие исследования, безопасен в работе [1, стр.270]. Основными недостатками сплава TiFe являются необходимость проведения сложной активации, состоящей из дегазационной обработки с последующим длительным гидрированием [2], высокая чувствительность к газовым примесям в молекулярном водороде и значительный гистерезис процессов «абсорбция - десорбция водорода» [3, стр.86].

Известна большая группа сплавов рассматриваемого типа, объединенных в формулу: Ti1-XAXFeY-ZBZ, где A=Zr и (или) Hf; B=один или несколько элементов из группы: Co, Cr, Cu, Mn, Mo, Nb, Ni, V; X=0,01÷0,1; Y=0,85÷1,15; Z=0,01÷0,1 [3, стр.97]. Там же сообщается, что сплавы этой группы отличаются высокой активностью и абсорбционной емкостью; скорость взаимодействия с водородом увеличивается при частичной замене Ti цирконием и (или) гафнием и частичной замене Fe хромом, Co, Cu, Mo, Nb, Ni, V и (или) Mn; абсорбционная емкость при этом не уменьшается. Количество выделяющегося водорода значительно меньше, чем поглощенного.

Из вышеуказанной группы сплавов сплав типа Ti1-XZrXFeY-ZMoZ принят за прототип, при сохранении количественных соотношений компонентов сплава, а именно: X=0,01÷0,1; Y=0,85÷1,15; Z=0,01÷0,1.

Этот сплав может быть представлен соотношением компонентов по массе следующим образом, мас. %: титан 35,0-50,0; цирконий 0,9-8,0; молибден 1,0-8,0; железо - остальное. Сплав оптимального состава Ti0,98Zr0,02Fe0,98Mo0,02 или в соотношении компонентов по массе, мас. %: титан 44,5-44,6; цирконий 1,7-1,8; молибден - 1,8-1,9; железо - остальное, имеет следующие сорбционные характеристики: количество поглощенного водорода - 201 дм3/кг сплава; количество выделившегося водорода - 191 дм3/кг сплава; время активации - 80 ч [2; 3, стр.189, табл.29].

Указанный сплав имеет удовлетворительную разницу между количествами поглощенного и выделившегося водорода, но в то же время слишком большое время активации. Кроме того, сплав содержит тугоплавкий металл молибден (Тпл=2622°С) [4, стр.6], который с трудом растворяется в жидкой ванне остальных компонентов, в силу чего, не уменьшая сорбционных свойств, его содержание надо максимально сократить. В этом же направлении надо действовать и потому, что молибден считается редким элементом, и его распространенность в земной коре составляет всего ~10-3% [4, стр.452]. Если же заменять изъятую часть молибдена на другие металлы, то желательно, чтобы это были не редкие и относительно дешевые металлы.

Техническим результатом, на достижение которого направлено данное изобретение, является повышение активности сплава для уменьшения времени активации и сокращение в сплаве тугоплавкого, редкого и дорогостоящего молибдена.

Технический результат достигается за счет того, что сплав, содержащий титан, цирконий, железо и молибден, дополнительно содержит алюминий, кальций и магний при следующем соотношении компонентов, мас. %: титан 37,8-49,7; цирконий 0,9-8,0; молибден 0,03-0,25; алюминий 0,2-1,7; кальций 0,06-0,5; магний 0,03-0,3; железо - остальное.

Предварительно была изготовлена лигатура, в которую полностью вошли молибден, алюминий, кальций и магний. В предлагаемом сплаве эта лигатура замещала молибден в сплаве-прототипе с теми же самыми количественными соотношениями компонентов сплава. Таким образом, предлагаемый сплав может быть выражен формулой Ti1-XZrXFeY-ZАZ, где А - лигатура, имеющая следующий состав компонентов, мас. %: молибден 9-10, кальций 18-20, магний 10-12, алюминий - остальное; X=0,01÷0,1; Y=0,85÷1,15; Z=0,01÷0,1.

Для получения сплава были подготовлены три состава компонентов, содержащих титан, цирконий и железо, а также молибден, алюминий, кальций и магний, входящих в лигатуру. Указанные составы и их влияние на сорбционные свойства сплава представлены в таблице.

Таблица

Компоненты Состав, мас. %
1 2 3
Титан 49,7 43,2 37,8
Цирконий 0,9 4,8 8,0
Молибден 0,03 0,15 0,25
Алюминий 0,2 1,0 1,7
Кальций 0,06 0,3 0,5
Магний 0,03 0,17 0,3
Железо остальное остальное остальное
Сорбционные свойства
Время активации, ч 61 58 54
Абсорбционная емкость, дм3Н2/кг сплава 202 204 207
Десорбционная емкость, дм3Н2/кг сплава 195 193 190

Каждый состав сплава сплавлялся в дуговой печи с нерасходуемым вольфрамовым электродом на медном водоохлаждаемом поду в атмосфере аргона.

Навеску сплава с массой 0,02 кг помещали в реактор из нержавеющей стали и откачивали из него воздух до получения вакуума с остаточным давлением ~0,133 Па (10-3 мм рт.ст.).

Активация сплава состояла в обработке каждого состава сплава водородом, подаваемым в вакуумированный реактор под давлением 3 МПа при температуре 20°С. В этих условиях сплав выдерживался до тех пор, пока не был отмечен разогрев реактора, указывающий на химическое растворение водорода. Время активации составлял период от начала обработки сплава водородом до вышеуказанного разогрева реактора.

При определении абсорбционной емкости составов сплава время приближения к равновесию системы сплав-водород составляло 15 ч и более. Абсорбционная емкость определялась при 20°С с помощью уравнения Менделеева-Клапейрона по уменьшению давления. Для определения давления водорода применялся образцовый манометр типа МО модели 1231 (класс точности - 0,4).

Для определения десорбционной емкости составов сплава применялся барабанный газовый счетчик типа ГСБ-400 (класс точности-1,0). Температура десорбции водорода (50°С) регистрировалась с помощью хромель-копелевой термопары и ртутного термометра с ценой деления 0,1°С.

Как видно из таблицы, предложенный сплав имеет время активации, примерно в 1,4 раза меньшее (54-61 ч), чем у сплава-прототипа оптимального состава (80 ч).

В предложенном сплаве содержание молибдена составляет 0,03-0,25 мас.% против 1,8-1,9 мас.% в сплаве-прототипе оптимального состава, что соответствует снижению количества молибдена по массе примерно в 7-60 раз. При этом осуществлялась замена изъятой части молибдена на кальций, магний и алюминий, которые в отличие от молибдена не являются редкими, тугоплавкими и дорогостоящими металлами.

Источники информации

1. Висволл Р. Хранение водорода в металлах. В кн. Водород в металлах: в 2 т. Под ред. Г. Алефельда и И. Фелькля. Т. 2. Прикладные аспекты: пер. с англ. М.: Мир, 1981. С. 241-289.

2. U.S. Patent 4370163, С22С 14/00, 1983. Moriwaki et al. Hydrogen storage alloy and process for making same.

3. Сплавы-накопители водорода. Справ. изд.: Б.А. Колачев, Р.Е. Шалин, А.А. Ильин. - М.: Металлургия, 1995. - 384 с.

4. Славинский М.П. Физико-химические свойства элементов. - М.: Металлургиздат, 1952. - 763 с.

Сплав для обратимого поглощения водорода, содержащий титан, цирконий, молибден и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит алюминий, кальций и магний при следующем соотношении компонентов, мас. %:

титан 37,8-49,7
цирконий 0,9-8,0
молибден 0,03-0,25
алюминий 0,2-1,7
кальций 0,06-0,5
магний 0,03-0,3
железо остальное



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам на основе титана, используемым для абсорбции и десорбции водорода, и может быть использовано в транспортных и энергетических устройствах.

Изобретение относится к области металлургии цветных металлов, в частности к производству слитков жаропрочных сплавов на основе титана. Лигатура содержит, мас.%: вольфрам 28-32, алюминий 28-32, титан остальное.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к титановому сплаву с высокой коррозионной стойкостью. Титановый сплав содержит, в мас.%: металл платиновой группы 0,01-0,15, редкоземельный металл 0,001-0,10 и Ti и примеси - остальное.

Изобретение относится к области порошковой металлургии. Готовят смесь, содержащую не более 65 мас.% порошка, полученного методом плазменного распыления титанового сплава ВТ-22, не менее 30 мас.% смеси технических порошков титана ПТМ и никеля ПНК, взятых в соотношении 1:1, и 3-5 мас.% полученного электролизом порошка меди ПМС-1 фракции менее 50 мкм.

Изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано при изготовлении броневых листов из (α+β)-титанового сплава. Способ изготовления броневых листов из (α+β)-титанового сплава включает подготовку шихты, выплавку слитка состава, мас.%: 3,0-6,0 Al; 2,8-4,5 V; 1,0-2,2 Fe; 0,3-0,7 Mo; 0,2-0,6 Cr; 0,12-0,3 О; 0,010-0,045 С; <0,05 N; <0,05 Н;<0,15 Si; <0,8 Ni; остальное - титан.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам на основе титана, обладающим улучшенными баллистическими и механическими свойствами. Сплав на основе титана состоит по существу из, вес.%: 4,2-5,4 алюминия, 2,5-3,5 ванадия, 0,5-0,7 железа, 0,15-0,19 кислорода и титана до 100.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к свариваемым литейным сплавам на основе титана, и предназначено для изготовления фасонных отливок арматуры, насосов, корпусов, используемым в судостроении, химической и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к титановым материалам с высокой прочностью и обрабатываемостью. Титановый материал содержит железо 0,60 мас.% или менее и кислород 0,15 мас.% или менее, титан и неизбежные примеси - остальное.

Изобретение относится к производству удлиненных изделий из титана, или титанового сплава, или заготовок таких изделий. Для повышения качества изделий и упрощения их производства заявлен способ, который заключается в подготовке массы титана или титанового сплава (10), плавке этой массы посредством электрической дуги и способом гарнисажной плавки (20), литье одного или нескольких слитков преимущественно цилиндрической формы и диаметра менее 300 мм из расплавленной массы (30), а затем волочении одного или нескольких из этих слитков при температуре 800°С-1200°С посредством волочильного стана (40) для применения, например, в области авиации.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам на основе титана, используемых для аккумулирования водорода, и может быть использовано в экологически чистых энергетических устройствах.

Настоящее изобретение относится к областям металлургии, а именно к способам термической обработки высоколегированных псевдо-β титановых сплавов. Способ термической обработки крупногабаритных изделий из высокопрочного титанового сплава, содержащего, мас.%: 4,0…6,3 алюминия, 4,5…5,9 ванадия, 4,5…5,9 молибдена, 2,0…3,6 хрома, 0…5 циркония, 0…6 олова, 0…0,5 кремния, титан и неизбежные примеси - остальное, включает охлаждение со скоростью V1<3°С/мин из однофазной β-области до температуры T1<370°С и последующее старение при температуре Т2=370…600°С в течение 1…12 часов. После старения дополнительно осуществляют нагрев и обработку сплава в интервале температур Т3=Т2…Тβ в течение 1…12 часов, охлаждение со скоростью V2>V1 до температуры Т4, которая не выше температуры Т2, и последующее повторное старение в интервале температур Т2 в течение 1…12 часов. Обеспечивается повышение прочности и ударной вязкости. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл., 1 пр.
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к интерметаллидному сплаву на основе системы алюминий-титан , который может быть использован при производстве изделий и покрытий, в частности в производстве лопаток газотурбинных двигателей, клапанов моторов, вентиляторов для горячих газов. Предварительно производят механическую активацию порошка алюминия в количестве 25 мас.% и порошка титана в количестве 75 мас.%. Полученную смесь уплотняют, осуществляют ее нагрев высокочастотным электромагнитным полем до температуры 1200-1400°C и последующую выдержку. Обеспечивается получение монофазного интерметаллидного сплава заданного состава с однородным распределением структурных составляющих. 1пр.

Изобретение относится к способу получения титановых сплавов. Способ термомеханической обработки титанового сплава включает обработку титанового сплава давлением, включающую пластическое деформирование при температуре в области альфа-бета фаз до эквивалентной пластической деформации с по меньшей мере 25%-ным уменьшением площади поперечного сечения, после чего температура титанового сплава не достигает и не превышает температуры бета-перехода титанового сплава. Далее проводят одноступенчатую термообработку при температуре, меньшей или равной температуре бета-перехода минус 11,1°C. Полученные сплавы обладают высокими характеристиками прочности и ударной вязкости. 3 н. и 38 з.п. ф-лы, 7 ил., 3 табл., 4 пр.

Изобретение относится к металлургии, а именно к производству титановых сплавов, и может быть использовано для изготовления деформированных полуфабрикатов, а также отливок, предназначенных для изготовления деталей энергетического и транспортного машиностроения, авиационной и космической техники с рабочими температурами в интервале от -196 до 450°C. Сплав на основе титана содержит, мас.%: алюминий 1,8-4,4; ванадий 1,0-2,5; железо 0,05-0,5; цирконий 0,05-3,0; кислород 0,05-0,22; молибден 0,5-1,5; ниобий 0,05-0,8; кремний 0,05-0,2; углерод 0,005-0,1 и титан - остальное. Использование заявленного свариваемого сплава на основе титана позволяет повысить рабочую температуру применения деталей на 50°C, уровня пластичности и технологической пластичности более чем на 10% с сохранением высоких показателей прочности. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

Группа изобретений относится к получению сплава на основе титана из водной суспензии частиц руд, содержащих соединения титана. Способ включает генерацию магнитных полей, накладываемых на порции перерабатываемой сырьевой массы, восстановление металлов из руд при непрерывном перемешивании сырьевой массы с последующим накоплением и формированием продукта в виде кольцевого столбчатого монокристалла, состоящего из интерметаллида, выбранного из ТiАl3, TiFeAl2, TiAl2Fe, TiFe3, и его выгрузку. В качестве исходной сырьевой массы используют водную суспензию, содержащую частицы рудного материала с дисперсностью в пределах 0,001-0,008 мм и в количестве 40-70% объема водной суспензии. При этом в качестве магнитных полей используют пилообразные магнитные поля с напряженностью 3·104÷1,5·105 А/м и частотой колебаний 20-80 единиц импульсов в течение одной минуты. Восстановление ведут с подачей к слоям сырья газовых струй, состоящих из сжатого атмосферного воздуха и углерода в качестве восстановителя, присутствующего в составе сжатых газов. Предложено также устройство для реализации данного способа. Обеспечивается получение сплава непосредственно из рудного сырья. 2 н.п. ф-лы, 5 ил., 3 пр.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокопрочным титановым сплавам, используемым для изготовления деформированных полуфабрикатов. Сплав на основе титана содержит, мас. %: алюминий 1,5-3,5; молибден 1,0-3,0; ванадий 8,0-12,0; хром 2,5-5,0; железо 0,3-1,8; цирконий 0,4-2,0; олово 0,4-2,0; иттрий и/или гадолиний 0,01-0,16; титан и примеси остальное. Сплав характеризуется высокими прочностными характеристиками при сохранении высокой пластичности сплава в термически упрочненном состоянии, а также повышенной технологичностью в закаленном состоянии. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 5 пр.

Группа изобретений относится к порошковой металлургии. Порошковая смесь для получения титанового сплава включает порошок титанового сплава, содержащий алюминий и ванадий или содержащий в дополнение к алюминию и ванадию по меньшей мере один из циркония, олова, молибдена, железа и хрома, и по меньшей мере один металлический порошок, выбранный из порошка меди, порошка хрома и порошка железа, смешанного с порошком титанового сплава. Причем порошок титанового сплава получен гидрированием сырья из титанового сплава и дегидрированием полученного гидрированного порошка титанового сплава. Количество металлического порошка составляет от 1 до 10 мас. % при добавлении одного вида металлического порошка, а при добавлении двух или более видов металлических порошков количество добавленного металлического порошка составляет от 1 до 20 мас. %. Предложены также способ получения упомянутой порошковой смеси, титановый сплав и способ его получения из упомянутой порошковой смеси. Обеспечивается повышение качества порошковой смеси, которая может быть уплотнена до плотности не менее 99 % от теоретической. 4 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 3 табл., 20 пр.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к изготовлению мелкозернистых листовых титановых сплавов, которые являются подходящими для использования при сверхпластическом формовании. Способ изготовления листов с мелкозернистой структурой из α/β-титанового сплава включает ковку сляба титанового сплава для получения листовой заготовки, которую нагревают до температуры, превышающей температуру превращения в бета-фазу на величину от приблизительно 100°F (37,8°C) до приблизительно 250°F (121°C), с последующим охлаждением. Далее нагревают листовую заготовку до температуры от приблизительно 1400°F (760°C) до приблизительно 1550°F (843°C) с последующей горячей прокаткой для получения листовой заготовки промежуточной толщины. Снова нагревают до температуры в диапазоне от приблизительно 1400°F (760°C) до приблизительно 1550°F (843°C) с последующей горячей прокаткой для получения листовой заготовки конечной толщины. Проводят отжиг, шлифование и травление. Получают заготовки с мелкозернистой структурой, пригодные для использования при низкотемпературной формовке. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 26 ил., 8 табл., 5 пр.

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к получению сплавов. Способ получения сплава, содержащего титан, медь и кремний, из водной суспензии частиц руд, содержащих соединения титана, меди и кремния, включает генерацию магнитных полей, накладываемых на порции перерабатываемой сырьевой массы. При этом восстановление металлов ведут при непрерывном перемешивании сырьевой массы, с последующим накоплением и формированием продукта в виде кольцевого столбчатого структурного образования, состоящего из сплава, содержащего титан, медь и кремний. Затем осуществляют его выгрузку. Предложено устройство для осуществления указанного способа. Техническим результатом является возможность получения указанного сплава непосредственного из рудного сырья. 2 н.п. ф-лы, 5 ил., 3 пр.

Группа изобретений относится к способу и устройству получения содержащего алюминий и титан сплава - интерметаллида. Способ включает получение сплава из водной суспензии частиц руд, содержащих соединения алюминия и титана. Для этого генерируются физические магнитные поля, которые накладываются на зоны с рудной массой. С их помощью производится восстановление металлов в целостную монолитную структуру - сплав. Техническим результатом является возможность получения указанного сплава непосредственно из рудного сырья. 2 н.п. ф-лы, 6 ил., 3 пр.
Наверх