alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2018.13-15.122-140alternative-1393Research ArticleВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКАHYDROGEN ECONOMYФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ АЛЮМИНИДОВ МЕТАЛЛОВ IV и V ГРУПП В ГИДРИДНОМ ЦИКЛЕPHYSICAL AND CHEMICAL PECULIARITIES OF FORMATION OF ALUMINIDES OF IV–V GROUPS METALS IN HYDRIDE CYCLEДолуханянС. К.DolukhanyanS. K.

Седа Кареновна Долуханян - доктор технических наук, профессор, заведующая лабораторией.

д. 5/2, ул. П. Севака, Ереван, 375044

Тел.: +7 (060) 62-35-90

Seda Dolukhanyan - D.Sc. in Engineering, Professor, Head of the Laboratory.

5/2 P. Sevak St., Yerevan, 375044

Tel.: +7 (060) 62 35 90

seda@ichph.sci.amМурадянГ. Н.MuradyanG. N.

Гарник Норикович Мурадян - младший научный сотрудник.

д. 5/2, ул. П. Севака, Ереван, 375044

Тел.: +7 (060) 62-35-90

Garnik Muradyan - Junior Researcher.

5/2 P. Sevak St., Yerevan, 375044

Tel.: +7 (060) 62 35 90

АлексанянА. Г.AleksanyanA. G.

Анаит Гургеновна Алексанян - научный сотрудник.

д. 5/2, ул. П. Севака, Ереван, 375044

Тел.: +7 (060) 62-35-90

Anahit Aleksanyan - Researcher.

5/2 P. Sevak St., Yerevan, 375044

Tel.: +7 (060) 62 35 90

Тер-ГалстянО. П.Ter-GalstyanO. P.

Офелия Паруйровна Тер-Галстян - научный сотрудник.

д. 5/2, ул. П. Севака, Ереван, 375044

Тел.: +7 (060) 62-35-90

Ofelya Ter-Galstyan - Researcher.

5/2 P. Sevak St., Yerevan, 375044

Tel.: +7 (060) 62 35 90

МнацаканянН. Л.MnatsakanyanN. L.

Нуне Левоновна Мнацаканян - научный сотрудник.

д. 5/2, ул. П. Севака, Ереван, 375044

Тел.: +7 (060) 62-35-90

Nune Mnatsakanyan - Researcher.

5/2 P. Sevak St., Yerevan, 375044

Tel.: +7 (060) 62 35 90

Институт химической физики Национальной Академии наук Армении им. А.Б. НалбандянаАрменияA.B. Nalbandyan Institute of Chemical Physics, National Academy of Sciences of Republic of ArmeniaArmenia201813082018013-15122140Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20182018Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/1393

Традиционные методы получения алюминидов МеIV-Vявляются трудоемкими, многостадийными и занимают много времени. В Лаборатории высокотемпературного синтеза и технологии неорганических соединений ИХФ НАН РА разработан новый высокоэффективный метод получения сплавов и интерметаллидов тугоплавких металлов – метод гидридного цикла (ГЦ). В настоящем обзоре представлены результаты систематических исследований ГЦ формирования алюминидов в системах: TiH2–Al, ZrH2–Al, NbH1,23–Al, TiH2–Al–ZrH2, TiH2-Al-NbH1,23. Установлено влияние параметров процесса, химических особенностей гидридов, соотношений исходных компонентов и фазовых превращений на процесс формирования алюминидов. Предложен механизм формирования алюминидов металлов IV–V групп в ГЦ: при нагреве компактированных смесей хМеH2+(1-х)Al→МехAl1-х+Н2↑ происходит диссоциация водорода из гидридов, вследствие чего разрушаются связи Ме–Н; в атмосфере выделившегося водорода происходит очистка от окисной пленки; образуются активные металлы, мгновенно экзотермически взаимодействующие с алюминием по твердофазному механизму, минуя плавление алюминия. Синтезировано более 30 алюминидов: однофазные α2-Ti3Al, γ-TiAl и TiAl3; твердые растворы Al в Zr состава Zr3Al, однофазные ZrAl2; ZrAl3 и гидрид ZrAlH4,49; однофазные NbAl3; Nb2Al и Nb3Al, содержащие около 10 % Nb2Al; Ti0,35 Zr0,4Al0,25; Ti0,55Zr0,2Al0,25; Ti0,25Al0,5Nb0,25; Ti0,45Al0,28Nb0,27, Ti0,2Zr0,05Al0,75; Ti0,2Zr0,05Al0,75 и др. Некоторые алюминиды без предварительного дробления взаимодействуют с водородом в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза с образованием обратимых гидридов. Построено два концентрационных треугольника систем Ti –Al–Zr и Ti–Al–Nb. По сравнению с традиционными методами синтез алюминидов металлов IV и V групп в ГЦ имеет существенные преимущества: относительно низкие температуры (~1 000 ºC) и сокращение длительности процесса (30– 60 мин); формирование алюминидов происходит в одну технологическую стадию, минуя плавление исходных компонентов; процесс экологически чистый и энергосберегающий, экономически рентабельный и т.д. Синтез триалюминидов происходит при температуре 650–670 ºС.

Алюминиды МеIV-Vгрупп являются весьма перспективными конструкционными материалами и применяются в авиакосмическом и наземном двигателестроении, оборонной промышленности, ведущих отраслях машиностроения, химической и пищевой промышленности, электронике, медицине как биосовместимые материалы и др.

The traditional methods for production of МеIV-V aluminides are laborious, long-lasting and multi-stage. The Laboratory of High-Temperature  Synthesis and Technology of Inorganic Compounds has developed a new highly efficient  method for obtaining alloys and intermetallides of refractory metals, the “hydride cycle” (HC) method. This review presents the results of systematic studies of HC-formation of aluminides in the systems TiH2–Al, ZrH2–Al, NbH1,23–Al, TiH2–Al–ZrH2, TiH2-Al-NbH1,23. The review describes the influences on this process of such parameters,  as chemical characteristics of hydrides, the ratios of the initial components, phase transformations, etc., and  proposes a mechanism for the HC-formation of aluminides of IV-V groups metals: upon heating of compacted хМеH2+(1-х)Al→МехAl1-х+Н2↑, the hydrogen dissociates from the hydride; in the environment of the liberated hydrogen, the oxide film is removed; a very active metals are formed, which instantly interact with aluminum exothermically  by a solid-phase mechanism without aluminum melting. We have synthesized in HC more than 30 aluminides: single-phase α2-Ti3Al, γ-TiAl и TiAl3; solid solutions of Al in Zr: Zr3Al, single-phase ZrAl2, ZrAl3 and Zr3AlH4.49 hydride; single-phase NbAl3 , Nb2Al and Nb3Al, containing about 10% Nb2Al; Ti0,35 Zr0,4Al0,25; Ti0,55Zr0,2Al0,25; Ti0,25Al0,5Nb0,25; Ti0,45Al0,28Nb0,27, Ti0,2Zr0,05Al0,75; Ti0,2Zr0,05Al0,75, etc. Without preliminary crushing, some aluminides interact with hydrogen in the SHS mode forming reversible hydrides. Based on the obtained results, two concentration triangles for Ti-Al-Zr and Ti-Al-Nb systems were constructed. Compared with existing methods, the synthesis in HC of aluminides of IV and V group metals has significant advantages: relatively low temperatures (~ 1000°C) and short duration (30-60 min) of process; formation in one technological stage, without melting of the original components; environmentally friendly and energy-saving, economically viable, etc. Synthesis of trialuminides occurs at temperatures of 650-670ºC. Aluminides based on MeIV-V groups are very promising construction materials, they are used in aerospace and ground machine-building, defense industry, chemical and food industry,  electronics, as biocompatible materials in medicine, etc.

самораспространяющийся высокотемпературный синтезалюминид титана и ниобияинтерметаллидыгидриды металловгидрирование–дегидрированиесплавы тугоплавких металловself-propagating high-temperature synthesistitanium and niobium aluminidesintermetallidesmetal hydrideshydrogenation–dehydrogenationhigh-melting metal alloysReferencesKazantseva, N.V. Severe plastic deformation and hydrogenation of titanium aluminides / N.V. Kazantseva [et al.] // Journal of Alloys and Compounds. – 2011. – Vol. 509. – No. 38. – P. 9307–9311.Kazantseva N.V., Mushnikov N.V, Popov A.G., Terent’ev P.B., Pilyugin V.P. Severe plastic deformation and hydrogenation of titanium aluminides. Journal of Alloys and Compounds, 2011;509(38):9307–9311.Rodríguez, C. Nanostructured Al–ZrAl3 materials consolidated via spark plasma sintering: Evaluation of their mechanical properties / C. Rodríguez [et al.] Journal of Alloys and Compounds. – 2013. – Vol. 550. – P. 402–407.Rodríguez C., Belzunce F.J., Betegon C. Nanostructured Al–ZrAl3 materials consolidated via spark plasma sintering: Evaluation of their mechanical properties. Journal of Alloys and Compounds, 2013;550:402–407.Zhao, Liu. Preparation of Nb3Al superconductor by powder metallurgy / Liu Zhao [et al.] // J. Mod. Transport. – 2014. – Vol. 22. – No. 1. – P.55–60.Zhao Liu, Yongliang Chen, Lupeng Du. Preparation of Nb3Al superconductor by powder metallurgy. J. Mod. Transport, 2014;22(1):55–60.Azevedo, G. Synthesis and Characterization of Aluminum–Zirconium Intermetallic Composites / G. Azevedo, D. B. Santos // Journal of Materials Synthesis and Processing. – 2000. – Vol. 8. – No. 5. – P. 101–107.Azevedo G., Santos D.B. Synthesis and Characterization of Aluminum–Zirconium Intermetallic Composites. Journal of Materials Synthesis and Processing, 2000;8(5):101–107.Milanese, C. Ignition and reaction mechanism of Co– Al and Nb–Al intermetallic compounds prepared by combustion synthesis / C. Milanese [et al.] // Journal of Alloys and Compounds. – 2006. – Vol. 421. – P. 156–161.Milanese C., Maglia F., Tacca A. Ignition and reaction mechanism of Co–Al and Nb–Al intermetallic compounds prepared by combustion synthesis. Journalof Alloys and Compounds, 2006;421:156–161.Долуханян, С.К. Особенности формирования структур сплавов в системе Ti–Zr–Н / С.К. Долуханян [и др.] // Химическая физика. – 2007. – Т. 26. – № 11. – С. 36–43.Dolukhanyan S.K., Aleksanyan A.G., TerGalstyan O.P., Shekhtman V.Sh, Sakharov M.K., Abrosimova G.E. Specifics of the formation of alloys and their hydrides in the Ti–Zr–H system. Russian Journal of Physical Chemistry B, 2007;2(6):563–569.Способ получения компактных гидридов переходных металлов. Патент РА № 2299А C01B 6/00 /Долуханян С.К., Алексанян А.Г. – 2009.Method for the preparation of compact hydrides of transition metals (Sposob polucheniya compactnykh gidridov perekhodnykh metallowmetallow). Patent RA, No. 2299A. C01B 6/00 / Dolukhanyan S.K., Aleksanyan A.G. – 2009 (in Russ.).Способ получения сплавов переходных металлов. Патент РА № 2308А C22C 1/04 / Долуханян С.К., Алексанян А.Г. – 2009.Method for obtaining alloys of transition metals (Sposob polucheniya splavov perekhodnykh metallov). PA Patent No. 2308A. C22C 1/04 / S.K. Dolukhanyan, A.G. Aleksanyan. – 2009 (in Russ.).Dolukhanyan, S.K. Synthesis of Transition Metal Hydrides and a New Process for Production of Refractory Metal Alloys: An Autoreview / S.K. Dolukhanyan [et al.] // International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. – 2010. – Vol. 19. – No. 2. – P. 85–93.Dolukhanyan S.K., Aleksanyan A.G., Shekhtman V.Sh., Hakobyan H.G., Mayilyan D.G., Aghadjanyan N.N., Abrahamyan K.A., Mnatsakanyan N.L., TerGalstyan O.P. Synthesis of Transition Metal Hydrides and a New Process for Production of Refractory Metal Alloys: An Autoreview. International Journal of SelfPropagating High-Temperature Synthesis, 2010;19(2):85–93.Aleksanyan, A.G. Formation of alloys in Ti–V system in hydride cycle and synthesis of their hydrides in selfpropagating high-temperature synthesis regime / A.G. Aleksanyan [et al.] // Journal of Alloys and Compounds. – 2011. – Vol. 509. – P. 786– 789.Aleksanyan A.G Dolukhanyan S.K., Shekhtman V.Sh., Huot J., Ter-Galstyan O.P., Mnatsakanyan N.L. Formation of alloys in Ti–V system in hydride cycle and synthesis of their hydrides in self-propagating hightemperature synthesis regime. Journal of Alloys and Compounds, 2011;509:786–789.Aleksanyan, A.G. Formation of alloys in the Ti–Nb system by hydride cycle method and synthesis of their hydrides in self-propagating high-temperature synthesis / A.G. Aleksanyan [et al.] // Int. J. Hydrogen Energy. – 2012. – Vol. 37. – P. 14234–14239.Aleksanyan A.G., Dolukhanyan S.K., Shekhtman V.Sh, Khasarov S.S., Ter-Galstyan O.P., Martirosyan M.V. Formation of alloys in the Ti–Nb system by hydride cycle method and synthesis of their hydrides in self-propagating high-temperature synthesis. Int. J. Hydrogen Energy, 2012;37:14234–14239.Долуханян, С.К. Развитие водородного материаловедения в Армении: синтез гидридов переходных металлов и разработка новых технологий получения сплавов / Долуханян С.К. Монография Под ред. д-ра тех. наук, проф. А.С. Буйновского «Редкие и редкоземельные металлы». – Томск: Изд-во НТЛ., 2014. – Р. 329–351.Dolukhanyan S.K. Development of hydrogen material science in Armenia: synthesis of hydrides of transition metals and development of new technologies for obtaining alloys (Razvitie vodorodnogo materialovedeniya v ARMENII: sintez gidridov perekhodnykh metallov I razrabotka novykh technologii polucheniya splavov). Monograph edited by D.Sc., Prof. Buynivskogo A.S. “Rare and rare-earth metals”, Tomsk, 2014, pp. 329–351 (in Russ.).Dolukhanyan, S.K. Synthesis of Titanium Aluminides by Hydride Cycle Process / S.K.Dolukhanyan [et al.] // International Journal of Self Propagating HighTemperature Synthesis. – 2014. – Vol. 23. – No. 2. – P. 78–82.Dolukhanyan S.K., Aleksanyan A.G., TerGalstyan O.P., Shekhtman V.Sh,. Mnatsakanyan N.L. Synthesis of Titanium Aluminides by Hydride Cycle Process. International Journal of Self Propagating HighTemperature Synthesis, 2014;23(2):78–82.Мурадян, Г.Н. Особенности формирования алюминидов циркония в режиме гидридного цикла / Г.Н. Мурадян // Химический журнал Армении. – 2016. – Т. 69. – № 4. – С. 416–427.Muradyan G.N. Features of the formation of zirconium aluminides in the hydride cycle method (Osobennosti formirovaniya aluminidov tsirkoniya v rezhime gidridnogo tsikla). The chemical journal of Armenia, 2016;69(4):416–427 (in Russ.).Долуханян, С. К. Исследование процесса формирования алюминидов ниобия в гидридном цикле / С. К. Долуханян [и др.] // Химическая Физика. – 2015. – Т. 34. – № 9. – С. 1–8.Dolukhanyan S.K., Ter-Galstyan O.P., Aleksanyan A.G., Hakobyan A.G., Mnatsakanyan N.L., Shekhtman V.Sh. Study of the formation of niobium aluminides in the hydride cycle. Russian Journal of Physical Chemistry B, 2015;9(5):702–709.Edited by A. A. Borisov, L. De Luca, and A.G. Merzhanov. Self-Propagating High-Temperature Synthesis of Materials. Combustion Science and Technology Book Series. / S.K. Dolukhanyan. – SHS of Binary and Complex Hydrides. – New York: Taylor & Francis, 2002. – P. 219–237.Edited by A. A. Borisov, L. De Luca, and A.G. Merzhanov. Self-Propagating High-Temperature Synthesis of Materials. Combustion Science and Technology Book Series^ Dolukhanyan, S.K. SHS of Binary and Complex Hydrides. New York: Taylor & Francis., 2002, pp. 219–237.Долуханян, С.К. СВС-метод получения аккумуляторов водорода / С.К. Долуханян // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2005. – № 11. – С.13–16.Dolukhanyan S.K. SHS method for obtaining hydrogen accumulators (SHS-metod polucheniya akkumulyatorov vodoroda). International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2005;11;13–16 (in Russ.).Merzhanov, A.G. Self propagating High Temperature Synthesis of Refractory Inorganic Composites / A.G. Merzhanov, I.P. Borovinskaya // Dokl. AN SSSR. – 1972. –Vol. 204. – № 2. – P. 366–369.Merzhanov A.G., Borovinskaya I.P. Self propagating High Temperature Synthesis of Refractory Inorganic Composites (Samorasprostranyayuschiisya vysokotemperaturnyi sintez tugoplavkikh neorganicheskikh soedinenii). Dokl. AN SSSR, 1972;204(2):366–369 (in Russ.).Лякишев, Н.П. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Т. 1–3. / Н.П. Лякишев. – М.: Машиностроение, 2000. – 992с.Lyakishev N.P. Diagram of the state of double metal systems (Diagramma sostoyaniya dvoinykh metallicheskikh system). Moscow: Mashinostroenie Publ., 2000;1–3;992 (in Russ.).Tretyachenko, L. Light Metal Systems. Al–Ti–Zr, Al–Nb–Ti / L. Tretyachenko. – Heidelberg: Springer / GmbH, 2005, P. 54–59; 334–379 p.Tretyachenko L. Light Metal Systems. Al–Ti– Zr, Al–Nb–Ti. Heidelberg: Springer / GmbH, 2005, pp. 54–59; 334–379.Lu, Kai-li. Isothermal section of Al−Ti−Zr ternary system at 1073 K / Kai-li Lu [et al.] // Trans. Nonfer. Met. Soc. China. – 2016. – Vol. 26. – P. 3052–3058.Lu Kai-li Lu Kai-li, Yang Feng, Xie Zhi-yun. Isothermal section of Al−Ti−Zr ternary system at 1073 K. Trans. Nonfer. Met. Soc. China, 2016;26:3052–3058.Ding, X.F. A closely-complete peritectic transformation during directional solidification of a Ti-45Al-8,5Nb alloy / X.F. Ding [et al.] // J. Alloys and Compounds. – 2011. – No. 509. – P. 404–409.Ding, X.F., Ding X.F., Lin J.P., Qi H., Zhang L.Q., Song X.P., Chen G.L. A closely-complete peritectic transformation during directional solidification of a Ti-45Al-8.5Nb alloy. J. Alloys and Compounds, 2011;509:404–409.Долуханян, С.К. Формирование алюминидов титана и ниобия, индуцированных водородом в гидридном цикле. / С.К. Долуханян [и др.] // Химическая физика. – 2017. – Т. 36. – № 4. – С. 1–11.Dolukhanyan S.K., Ter-Galstyan O. P., Aleksanyan A. G., Muradyan G. N., Mnatsakanyan N. L. Formation of titanium and niobium aluminides induced by hydrogen in the hydride cycle. Russian Journal of Physical Chemistry B, 2017;11(2):272–281.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.