Новые подходы к разработке композитных материалов и систем хранения водорода на основе сплавов титана с железом. Этап II.

Замена водород-аккумулирующих сплавов редкоземельных металлов и никеля, традиционно применяемых в металлогидридных системах хранения и термосорбционного компримирования водорода, на сплавы титана, включая интерметаллид TiFe, позволит снизить стоимость таких систем в 3–5 раз. Основной проблемой водород-аккумулирующих сплавов титана и железа (в частности интерметаллида TiFe), которые могут производиться в РФ из недорогого и легкодоступного сырья, является ухудшение их водородсорбционных свойств за счет загрязнения сплава кислородом, углеродом и интерметаллидом TiFe2 при выплавке. В ходе выполнения гранта в 2024 году исполнителями проекта (сотрудниками Комплекса лабораторий водородного материаловедения ФИЦ ПХФ и МХ РАН) совместно с коллегами из ГИРЕДМЕТ было показано, что приготовление сплавов титана плавкой в оксидных и графитовых тиглях приводит к загрязнению сплава кислородом, углеродом и интерметаллидом TiFe2, что резко ухудшает его водородсорбционные характеристики. Поэтому большое внимание было уделено оптимизации технологии вакуумной плавки сплавов титана с железом. Особое внимание также уделено влиянию состава футеровки и процедуры формирования тиглей, чистоты исходных металлов и аргона, а также технологических режимов плавки на содержание кислорода и углерода в сплаве. Установлено, что при использовании для выплавки сплавов титана с железом стандартных тиглей на основе магнезитовой массы с добавлением CaF2, SiO2 и Al2O3 происходит взаимодействие металлов с материалом тигля, а при замене стандартных добавок на CaCO3, ZrO2 и Y2O3 – нет, при плавке в корундовом тигле сплав загрязняется кислородом, но покрытием внутренней поверхности тигля нитридом алюминия (AlN) этого можно избежать, уменьшению количества кислорода и углерода способствует предварительное рафинирование железа перед введением титана и мишметалла через систему дозирования. Наименьшее количество кислорода и углерода в сплаве оказалось при следующей процедуре индукционной плавки: откачка воздуха до 0,25 Па, нагрев шихты в тигле до 800-900℃, выдержка для удаления газов, затем – плавление шихты увеличением мощности индуктора, выдержка расплава для обеспечения индукционного перемешивания, заполнение камеры аргоном высокой чистоты под давлением до 33 кПа, после – заливка в стальную изложницу. Такого же качества сплав можно получить, если сначала расплавить железо в тигле, провести вакуумную очистку, затем – заполнять высокочистым аргоном, а после – подавать в плавильную ванну титан и мишметалл, выдержать расплав и заливать в изложницу. При таких технологиях индукционной плавки сплав содержит наибольшее количество основной фазы интерметаллида TiFe – 96,4 % и минимальное количество примесных фаз (TiFe2 – 2,5 мас.% и Ti4Fe2O1–x – 1,2 мас.%). Приготовленный по разработанной оптимальной технологии сплав с наибольшим содержанием основной фазы обладает наилучшими водород-аккумулирующими характеристиками: легко активируется, быстро гидрируется, имеет максимальную обратимую водородоемкость – 1.8 масс.%, высокую циклическую стабильность и может быть использован для изготовления металлогидридного аккумулятора с рабочим интервалом температур 0–100оС и давлений 1–50 атм. Еще большего улучшения водород-аккумулирующих характеристик можно добиться путем создания композитов сплавов с добавками графеноподобного материала (ГПМ) с нанесенными на него наночастицами никеля или железа (М). Формирование композита осуществляется механохимическим воздействием смеси порошков сплава и добавок М/ГПМ в атмосфере водорода в специальном устройстве, разработанном и запатентованном в ходе выполнения гранта. Подана заявка на изобретение на способ приготовления наиболее перспективных составов М/ГПМ, которые в композите обеспечивают катализ процесса диссоциации молекул водорода, улучшают теплопроводность, устраняют возможность спекания высокодисперсных металлических частиц. Научные результаты, выполненные в ходе выполнения гранта в текущем году, представлены в 4 опубликованных статьях, 6 докладах на международных и российских конференциях, использованы в лекциях для студентов МГУ, МФТИ и ЮФУ. Устройство для получения композитных водород-аккумулирующих материалов защищено патентом на полезную модель. На способ получения никель-графенового катализатора гидрирования подана заявка на изобретение.