stringtranslate.com

Гидрид титана

Гидрид титана обычно относится к неорганическому соединению TiH2 и связанным с ним нестехиометрическим материалам . [1] [2] Он коммерчески доступен в виде стабильного серо-черного порошка, который используется в качестве добавки при производстве спеченных магнитов Alnico , при спекании порошковых металлов, производстве металлической пены , производстве порошкообразного титанового металла и в пиротехнике. [3]

Также известный как сплав титана с водородом , [4] [5] это сплав [6] титана , водорода и , возможно , других элементов. Когда водород является основным легирующим элементом, его содержание в гидриде титана составляет от 0,02% до 4,0% по весу. Легирующие элементы, намеренно добавляемые для изменения характеристик гидрида титана, включают галлий , железо , ванадий и алюминий .

Производство

В коммерческом процессе получения нестехиометрического TiH 2− x губка из титанового металла обрабатывается водородным газом при атмосферном давлении при температуре 300-500 °C. Поглощение водорода является экзотермическим и быстрым, изменяя цвет губки на серый/черный. Хрупкий продукт измельчается в порошок, который имеет состав около TiH 1,95 . [3] В лаборатории гидрид титана получают путем нагревания порошка титана в потоке водорода при 700 °C, идеализированное уравнение выглядит следующим образом: [7]

Ti + H2 → TiH2

Другие методы производства гидрида титана включают электрохимический и шаровой методы измельчения. [8] [9]

Реакции

TiH 1.95 не подвержен воздействию воды и воздуха. [ требуется цитата ] Он медленно подвергается воздействию сильных кислот и разрушается плавиковой и горячей серной кислотами. Он быстро реагирует с окислителями, эта реактивность приводит к использованию гидрида титана в пиротехнике. [3]

Материал использовался для получения водорода высокой чистоты, который выделяется при нагревании твердого тела. [7] Выделение водорода в TiH ~2 начинается чуть выше 400 °C, но может не быть полным до точки плавления металлического титана. [10] [3] Тритид титана (Ti 3 H x ) был предложен для долгосрочного хранения газообразного трития . [11]

Структура

По мере того как TiH x приближается к стехиометрии, он принимает искаженную объемно-центрированную тетрагональную структуру, называемую ε-формой с осевым отношением менее 1. Этот состав очень нестабилен по отношению к частичному термическому разложению, если только не поддерживается в атмосфере чистого водорода. В противном случае состав быстро разлагается при комнатной температуре до тех пор, пока не будет достигнут приблизительный состав TiH 1,74 . [ необходима цитата ] Этот состав принимает структуру флюорита и называется δ-формой, и только очень медленно термически разлагается при комнатной температуре до тех пор, пока не будет достигнут приблизительный состав TiH 1,47 , в этот момент начинают появляться включения гексагональной плотноупакованной α-формы, которая является той же формой, что и чистый титан.

Эволюция дигидрида из титанового металла и водорода была изучена довольно подробно. α-Титан имеет гексагональную плотноупакованную (ГПУ) структуру при комнатной температуре. Водород изначально занимает тетраэдрические интерстициальные позиции в титане. Когда отношение H/Ti приближается к 2, материал принимает β-форму в гранецентрированную кубическую (ГЦК) , δ-форму, атомы H в конечном итоге заполняют все тетраэдрические позиции, давая предельную стехиометрию TiH 2 . Различные фазы описаны в таблице ниже.

Если гидрид титана содержит 4,0% водорода при температуре менее 40 °C, то он трансформируется в объемно-центрированную тетрагональную (ОЦТ) структуру, называемую ε-титаном. [12]

Когда гидриды титана с содержанием водорода менее 1,3%, известные как доэвтектоидные гидриды титана, охлаждаются, β-титановая фаза смеси пытается вернуться в α-титановую фазу, что приводит к избытку водорода. Один из способов выхода водорода из β-титановой фазы заключается в том, что титан частично превращается в δ-титан, оставляя титан с достаточно низким содержанием водорода, чтобы принять форму α-титана, что приводит к образованию α-титановой матрицы с включениями δ-титана.

Сообщалось о метастабильной фазе γ-гидрида титана. [13] Когда α-гидрид титана с содержанием водорода 0,02-0,06% быстро охлаждается , он превращается в γ-гидрид титана, поскольку атомы «замораживаются» на месте, когда структура ячейки меняется с hcp на fcc. γ-титан принимает объемно-центрированную тетрагональную (bct) структуру. Более того, нет никаких изменений состава, поэтому атомы, как правило, сохраняют своих тех же соседей.

Водородная хрупкость титана и титановых сплавов

Отдельные цвета, достигаемые путем анодирования титана.

Поглощение водорода и образование гидрида титана являются источником повреждения титана и титановых сплавов. Этот процесс водородной хрупкости вызывает особую озабоченность, когда титан и сплавы используются в качестве конструкционных материалов, как в ядерных реакторах.

Водородная хрупкость проявляется как снижение пластичности и в конечном итоге откалывание поверхностей титана. Влияние водорода в значительной степени определяется составом, металлургической историей и обработкой Ti и сплава Ti. [14] CP-титан ( коммерчески чистый : ≤99,55% содержание Ti) более восприимчив к водородному воздействию, чем чистый α-титан. Хрупкость, наблюдаемая как снижение пластичности и вызванная образованием твердого раствора водорода, может происходить в CP-титане при концентрациях всего 30-40 ppm. Образование гидрида связано с присутствием железа на поверхности сплава Ti. Частицы гидрида наблюдаются в образцах Ti и сплавов Ti, которые были сварены, и из-за этого сварка часто проводится под защитой инертного газа, чтобы уменьшить возможность образования гидрида. [14]

Ti и сплавы Ti образуют поверхностный оксидный слой , состоящий из смеси оксидов Ti(II) , Ti(III) и Ti(IV) , [15] , который обеспечивает определенную степень защиты от проникновения водорода в объем. [14] Толщину этого слоя можно увеличить путем анодирования , процесса, который также приводит к характерной окраске материала. Ti и сплавы Ti часто используются в средах, содержащих водород, и в условиях, когда водород восстанавливается электролитически на поверхности. Травление , обработка кислотной ванной, которая используется для очистки поверхности, может быть источником водорода.

Использует

Распространенные области применения включают керамику , пиротехнику , спортивное оборудование , как лабораторный реагент , как вспенивающий агент и как предшественник пористого титана. При нагревании в смеси с другими металлами в порошковой металлургии гидрид титана выделяет водород, который служит для удаления углерода и кислорода, производя прочный сплав. [3]


Плотность гидрида титана варьируется в зависимости от легирующих компонентов, но для чистого гидрида титана она колеблется от 3,76 до 4,51 г / см3 .

Даже в узком диапазоне концентраций, составляющих гидрид титана, смеси водорода и титана могут образовывать ряд различных структур с очень разными свойствами. Понимание таких свойств необходимо для изготовления качественного гидрида титана. При комнатной температуре наиболее стабильной формой титана является гексагональная плотноупакованная (ГПУ) структура α-титана. Это довольно твердый металл, который может растворять только небольшую концентрацию водорода, не более 0,20 мас.% при 464 °C (867 °F) и всего 0,02% при 25 °C (77 °F). Если гидрид титана содержит более 0,20% водорода при температурах получения гидрида титана, он превращается в объемно -центрированную кубическую (ОЦК) структуру, называемую β-титаном. Он может растворять значительно больше водорода, более 2,1% водорода при 636 °C (1177 °F). Если гидрид титана содержит более 2,1% при 636 °C (1177 °F), то он преобразуется в гранецентрированную кубическую (ГЦК) структуру, называемую δ-титаном. Он может растворять даже больше водорода, до 4,0% водорода при 37 °C (99 °F), что отражает верхнее содержание водорода в гидриде титана. [16]

Существует много типов процессов термической обработки , доступных для гидрида титана. Наиболее распространенными являются отжиг и закалка. Отжиг — это процесс нагревания гидрида титана до достаточно высокой температуры для его размягчения. Этот процесс происходит в три фазы: восстановление , рекристаллизация и рост зерна . Температура, необходимая для отжига гидрида титана, зависит от типа отжига. Отжиг должен проводиться в атмосфере водорода, чтобы предотвратить выделение газа .

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Гринвуд, Норман Н.; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN 978-0-08-037941-8.
  2. ^ Холлеман, А. Ф.; Виберг, Э. «Неорганическая химия» Academic Press: Сан-Диего, 2001. ISBN 0-12-352651-5 . 
  3. ^ abcde Риттмайер, Питер; Вейтельманн, Ульрих (2005). «Гидриды». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайли-ВЧ. дои : 10.1002/14356007.a13_199. ISBN 978-3-527-30673-2.
  4. ^ McQuillan, AD (22 декабря 1950 г.). «Экспериментальное и термодинамическое исследование системы водород-титан». Труды Королевского общества A. 204 ( 1078): 309–323. Bibcode : 1950RSPSA.204..309M. doi : 10.1098/rspa.1950.0176. S2CID  135759594. Получено 10 марта 2013 г.
  5. ^ Беннетт, Л. Х. (1980). «Ядерный магнитный резонанс в сплавах». Труды MRS . 3. doi :10.1557/PROC-3-3 . Получено 10 марта 2013 г.
  6. ^ Ван, Синь-Куан; Ван, Цзянь-Тао (15 июня 2010 г.). «Структурная стабильность и диффузия водорода в сплавах TiHx». Solid State Communications . 150 (35–36): 1715–1718. Bibcode : 2010SSCom.150.1715W. doi : 10.1016/j.ssc.2010.06.004 . Получено 10 марта 2013 г.
  7. ^ ab M. Baudler "Hydrogen, Deuterium, Water" в Handbook of Preparative Inorganic Chemistry, 2nd Ed. Под редакцией G. Brauer, Academic Press, 1963, NY. Vol. 1. p. 114-115.
  8. ^ Милленбах, Полин; Гивон, Мейр (1 октября 1982 г.). «Электрохимическое образование гидрида титана». Journal of the Less Common Metals . 87 (2): 179–184. doi :10.1016/0022-5088(82)90086-8 . Получено 10 марта 2013 г.
  9. ^ Чжан, Хэн; Киси, Эрих Х (1997). «Формирование гидрида титана при комнатной температуре с помощью шаровой мельницы». Журнал физики: конденсированное вещество . 9 (11): L185–L190. Bibcode : 1997JPCM....9L.185Z. doi : 10.1088/0953-8984/9/11/005. ISSN  0953-8984. S2CID  250853926.
  10. ^ Полин, Ирена; Доник, Чертомир; Мандрино, Джордже; Вончина, Майя; Дженко, Моника (январь 2012 г.). «Характеристика поверхности порошка гидрида титана». Вакуум . 86 (6): 608–613. doi :10.1016/j.vacuum.2011.07.054.
  11. ^ Браун, Чарльз С.; Буксбаум, Роберт Э. (июнь 1988 г.). «Кинетика поглощения водорода в альфа-титане». Metallurgical Transactions A. 19 ( 6): 1425–1427. Bibcode : 1988MTA....19.1425B. doi : 10.1007/bf02674016. S2CID  95614680.
  12. ^ ab Fukai, Y (2005). Система металл-водород, основные объемные свойства, 2-е издание . Springer. ISBN 978-3-540-00494-3.
  13. ^ Нумакура, Х; Койва, М; Асано, Х; Идзуми, Ф (1988). «Нейтронографическое исследование метастабильного γ-дейтерида титана». Акта Металлургика . 36 (8): 2267–2273. дои : 10.1016/0001-6160(88)90326-4. ISSN  0001-6160.
  14. ^ abc Donachie, Matthew J. (2000). Титан: Техническое руководство . ASM International. ISBN 978-0-87170-686-7.
  15. ^ Лу, Ганг; Бернасек, Стивен Л.; Шварц, Джеффри (2000). «Окисление поликристаллической титановой поверхности кислородом и водой». Surface Science . 458 (1–3): 80–90. Bibcode :2000SurSc.458...80L. doi :10.1016/S0039-6028(00)00420-9. ISSN  0039-6028.
  16. ^ Сетояма, Дайго; Мацунага, Дзюнджи; Мута, Хироаки; Уно, Масаёхи; Яманака, Синсуке (3 ноября 2004 г.). «Механические свойства гидрида титана». Журнал сплавов и соединений . 381 (1–2): 215–220. doi : 10.1016/j.jallcom.2004.04.073.

Внешние ссылки