CC BY
11ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ТЕРМОДЕСОРБЦИОННОИ СПЕКТРОМЕТРИИ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ Т-с ДИАГРАММ СОСТОЯНИЯ МЕТАЛЛОВ С ВОДОРОДОМ НА ПРИМЕРЕ СИСТЕМ Ti-D И Pd-D
И. М. Неклюдов, А. Н. Морозов, В. Г. Кулиш*
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт» ул. Академическая 1, Харьков, 61108, Украина E-mail: morozov@kipt.kharkov.ua
* Харьковский Национальный педагогический университет им. Г. С. Сковороды ул. Артема 29, Харьков, 61002, Украина
Для систем металл - водород следует различать два типа равновесия, обусловленных наличием либо отсутствием обмена водородом, содержащимся в матрице металла, и окружающей его газовой фазе. Первый тип равновесия реализуется при наличии внешнего давления водорода. Варьируя величинами внешнего давления водорода и температуры, можно построить проекции линий максимальной растворимости на плоскость «температура-состав». Как правило, в справочниках приводятся именно такие диаграммы. Следует отметить, что эти диаграммы не во всех случаях, строго говоря, могут быть использованы для определения состава существующих в равновесии фаз. Второй тип равновесия реализуется при низких парциальных давлениях водорода либо при его отсутствии. В этом случае устойчивость фазовых состояний системы металл-водород определяет матрица металла, а сами фазовые состояния системы описываются Т-с диаграммами. В данной работе предлагается способ построения Т-с диаграмм с использованием термодесорбционной спектрометрии на примере систем и Pd-D.
В работах [1-3] показано наличие корреляции между пиками в спектрах термодесорбции дейтерия и фазовыми переходами в системах Т^ D и Pd-D. Приняв температуры максимумов пиков в спектрах термодесорбции в качестве верхней границы существования фаз, можно указать их температурные диапазоны.
На основе термодесорбционных и электро-нографических данных, приведенных в работах [1-2], определены температурные диапазоны существования фаз системы Ti-D:
• а-Т.ф) — твердый раствор дейтерия в титане существует до температуры фазового перехода чистого титана а-Т « Р-Ть При фазовом переходе часть дейтерия десорбируется из титана, а оставшийся водород растворяется, образуя твердый раствор водорода в Р-Т^);
• Р-Т.ф) — твердый раствор дейтерия в титане образуется в диапазоне температур 6001100 К в зависимости от концентрации дейтерия и распадается при температуре ~1350 К. Распад сопровождается полным выделением дейтерия из титана;
• у-Т (TiD2) — существует до температуры ~600 К;
• 8 — твердый раствор дейтерия в гидриде титана.
На рис. 1 представлена Т-с диаграмма фазового состояния системы Ti-D, построенная по результатам работ [1-2].
На основе данных, приведенных в работе [3], определены температурные диапазоны существования фаз системы Pd-D:
• а-фаза (твердый раствор дейтерия в палладии) существует до температуры ~400 К;
• Р-фаза (гидрид палладия Pd2D) — ~320 К;
• у-фаза — ~160К.
Изложенные выше рассуждения учтены в представленной на рис. 2 Т-с диаграмме системы Pd-D.
T, K
1300
1100
900
700
500
300
100
0 1 2 С, D/Ti (а^
Рис. 1. Т-с диаграмма фазового состояния для системы ^^
К достоинствам термодесорбционной спектрометрии следует отнести возможность определять как общее количество растворенного газа в металле, так и содержание в каждой отдельной компоненте (фазе) с установлением температурных диапазонов их существования.
Водородная энергетика и транспорт
Рис. 2. Т-с диаграмма фазового состояния для системы Pd—D
Работа поддержана Фондом фундаментальных исследований Украины (проект 02.07/206).
Список литературы
1. Неклюдов И. М., Морозов И. М., Воеводин В. Н., Кулиш В. Г. Кинетика структурных превращений в титане при облучении ионами дейтерия и постимплантационных отжигах. / / Аль- $ тернативная энергетика и экология, № 5(13). £
2004. С. 5-11. 3
2. Неклюдов И. М., Морозов А. Н., Кулиш В. Г. 1 Температурные диапазоны стабильности гидрид- "§ ных фаз системы TiD. // Материаловедение, № 11, £
2005. С. 45-56. 1
3. Rybalko V. F., MorozovA. N., Neklyu- ^ dovI. M., Kulish V. G. Observation of new phas- § es in Pd-D systems. // Phys. Lett. 287A, 2001, о P.175-182.
THE THERMODESORPTION SPECTROMETRY METHOD
FOR CONSTRUCTING T-c DIAGRAMS WITH THE Ti-D AND Pd-D SYSTEMS AS AN EXAMPLE
I. M. Neklyudov, A. N. Morozov, V. G. Kulish*
National Science Center "Kharkov Institute of Physics and Technology" Akademicheskaya str. 1, Kharkov, 61108, Ukraine E-mail: morozov@kipt.kharkov.ua
* G. S. Skovoroda National Pedagogical University at Kharkov Artema str., Kharkov, 61029, Ukraine
For metal-hydrogen systems, there should be recognized two types of equilibrium specified by the presence or absence of the exchange of hydrogen contained in both the metal matrix and the gaseous environment. The first type of equilibrium is realized in the presence of external hydrogen pressure. By varying values of external hydrogen pressure and temperature, it appears possible to construct the projections of maximum solubility lines on the temperature-composition plane. As a rule, handbooks give only these diagrams. However, strictly speaking, these diagrams cannot be used in all cases for determining the composition of phases existing in equilibrium. The second type of equilibrium is realized at low partial pressures of hydrogen or in its absence. In this case the phase-state stability of the metal-hydrogen system is governed by the metal matrix, and the phase states of the system are described by the T-c diagrams. The present paper offers the method of constructing T-c diagrams through the use of thermodesorption spectrometry with the Ti-D and Pd-D systems as an example.
The analysis of spectra for deuterium ther-modesorption with due account for the above-mentioned structural changes has revealed a well-defined correlation between the gas release peaks in
the spectra and phase transitions in the Ti-D and Pd-D systems [1-3].
Taking the temperature of peak maxima in the thermodesorption spectra as an upper boundary of phase existence in the Ti-D system, it appears possible to indicate the temperature ranges of phase existence of the Ti-D system:
• a-Ti(D) — solid solution exists up the phase transition temperature of pure titanium a-Ti « P-Ti (~1100K). In the phase transition, a part of deute- « rium is desorbed from titanium, and the remaining £ hydrogen is dissolved to form the solid solution ^ P-Ti(D). |
• y-Ti(TiD2) is formed at temperatures below >g 300 K, and exists up to 600 K. a
• P-Ti(D) — solid solution is formed at the | phase transition temperature of pure titanium a- £ Ti« P-Ti (~1100K), and decays at ~1350 K. The | decay is accompanied by a full release of deuteri- * um from titanium. §
• 5 - solid solution of deuterium in titanium © hydride decays at ~200 K.
Relying on the estimates of temperature ranges for existence of different phases, the T-c diagram of the Ti-D system was constructed.
We have constructed the T-c-state diagram of the Pd-D system for the absence of external pres-
T, K
1300
1100
900
700
500
300
100
K
,T
500
400
300
200
100
а X__
Л а + ß
1 ■ ß + (ß' +Y)
0 1 2 C, D/Ti (at)
Fig. 1. T-c phase diagram for the Ti-D system
sure of deuterium (see Fig. 2). When constructing the diagram, we took the maximum peak temperatures in the spectra of deuterium thermodesorp-tion from palladium [3] as the upper limit of phase existence. So, the a-, P- and y-phases exist to temperatures of -400 K, ~320 K and ~160 K, respectively.
This paper became possible partially due to Grant 02.07/206 from the Basic Research Foundation in Ukraine.
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Total concentration D/Pd, atomic ratio
Fig. 2. T-c phase diagram for the Pd-D system
References
1. Neklyudov I. M., MorozovA. N., Voyevo-din V. N., Kulish V. G. Kinetics of structural transformations in titanium under irradiation with deuterium ions and at post-implantation annealings (in Russian). // Alternative energy and ecology, 2004. № 5(13). P. 5-11.
2. Neklyudov I. M., Morozov A. N., Kulish V. G. Temperature ranges of hydride phase stability of the TiD system (in Russian). // Materials Sciences Transactions, 2005. No. 11. P. 45-56.
3. Rybalko V. F., Morozov A. N., Neklyudov I. M., Kulish V. G. Observation of new phases in Pd-D systems. // Phys. Lett., 287A, 2001, P. 175-182.
