Высокоэнтропийные сплавы в системе Ti-Zr-V-Nb-Ta-Hf: особенности взаимодействия с водородом

Целью данного исследования является установление взаимосвязи между способом получения, последующей поверхностной модификацией и водородсорбционными свойствами ВЭС системы Ti-Zr-V-Nb-Ta-Hf. В качестве объектов исследования на основе проведенного термодинамического анализа были выбраны следующие многокомпонентные сплавы Ti0,2Zr0,2V0,2Nb0,2Ta0,2, Ti0,2Zr0,2V0,15Nb0,15Ta0,15Hf0,15, Ti0,25Zr0,25V0,15Nb0,15Ta0,2, Ti0,2Zr0,2V0,2Nb0,2Hf0,2, Ti0,25Zr0,25Hf0,25Nb0,25 и Ti0,2Zr0,2Hf0,2Nb0,2Ta0,2. В качестве способов получения были использованы дуговая плавка, электронно-лучевая плавка с капельной экстракцией расплава (ЭЛП-КЭР), механохимический синтез и гидридно-кальциевый синтез. Кристаллическую структуру полученных материалов изучали методом рентгенофазового анализа (РФА) и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). Морфологию полученных сплавов, а также продуктов их взаимодействия с водородом, анализировали методом сканирующей электронной микроскопии. Исследование тонкослойных палладиевых покрытий проводили с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX-картирование), а также с использованием метода ионного травления с последующим масс-спектрометрическим анализом (TOF-SIMS). Механические свойства сплавов изучали посредством проведения испытаний на сжатие и растяжение. Теплофизические характеристики сплавов исследовали методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) и методом измерения температуропроводности. Водородсорбционные и термохимические свойства сплавов изучали волюметрическим методом с параллельной фиксацией тепловыделения при помощи микрокалориметра Тиана-Кальве. Экспериментально установлено, что с помощью электронно-лучевой плавки с капельной экстракцией расплава можно синтезировать в стабильном однофазном состоянии следующие сплавы: Ti0,2Zr0,2V0,2Nb0,2Ta0,2, Ti0,2Zr0,2V0,15Nb0,15Ta0,15Hf0,15, Ti0,25Zr0,25V0,15Nb0,15Ta0,2, Ti0,2Zr0,2V0,2Nb0,2Hf0,2. Покрытия палладием ВЭС Ti0,2Zr0,2V0,2Nb0,2Ta0,2, и Ti0,25Zr0,25V0,15Nb0,15Ta0,2, полученных методом капельной экстракции расплава позволили исключить стадию высокотемпературной активирующей обработки, а также провести полное гидрирование при комнатной температуре с достижением максимальной водородсорбционной емкости для данных сплавов. С использованием калориметрии Тиана–Кальве совместно с проведением волюмометрических измерений прямым методом определены термодинамические параметры взаимодействия ВЭС с водородом. Энтальпия абсорбции зависит от состава гидридной фазы, можно выделить три стадии процесса: образование ОЦК твердого раствора (ΔH=-140…-100 кДж/моль H2), α-β фазовый переход (ΔH=-70 кДж/моль H2) и растворение водорода в β-фазе. (ΔH=-30…-20 кДж/моль H2). Впервые получен сплав Ti0,2Zr0,2Hf0,2Nb0,2Ta0,2 из оксидного сырья методом гидридно-кальциевого синтеза. Двухфазная природа обеспечивает высокую скорость поглощения водорода в сочетании с низкой температурой активации. Твердый раствор водорода в данной фазе стабилен в вакууме при температуре 430 ◦С и остаточном давлении <5•10−5 Торр, что позволяет рассматривать сплав в качестве геттера водорода.