Synthesis of Ti–Fe intermetallic compounds from elemental powders mixtures

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Intermetallic compounds Fe2Ti and FeTi are of practical application as hydrogen accumulators (FeTi) or as magnetic materials (Fe2Ti). Due to the peculiarities of the double equilibrium diagram, the production of these intermetallic compounds by casting is difficult. Therefore, powder metallurgy methods are widely used combined with preliminary mechanical activation of the powder mixtures. The aim of the work is to investigate the possibility of obtaining single-phase compounds from powder mixtures of titanium and iron of target compositions. Research methods. Mechanically activated powder mixtures, products of combustion and subsequent annealing were studied by X-ray phase analysis, optical metallography, and scanning electron microscopy using elemental composition determination by energy-dispersive X-ray spectroscopy. Research methodology. Powder mixtures were mechanically activated for 20 minutes in an Activator 2S planetary ball mill with an intensity of 40 g and a ball/mixture ratio of 20. The mechanically activated mixtures were heated in a sealed reactor in argon media at an average rate of 85 C°/min. Results and discussion. At a temperature of about 500 °C, thermographs of thermocouples placed in a mechanically activated mixture showed a sharp rise (thermal explosion), indicating an exothermic reaction in the mixture. The rise for the 2Fe + Ti composition turned out to be more pronounced than that for the Fe + Ti composition. X-ray diffraction analysis showed that the main reaction product is the Fe2Ti compound for both mixtures. The predominant formation of Fe2Ti is explained by the greater negative enthalpy of Fe2Ti formation of compared to FeTi (−87.45 and −40.58 kcal/mol, respectively). Conclusion. High-temperature annealing of thermal explosion products did not make it possible to obtain single-phase target products. The content of secondary phases and unreacted reagents changed little after annealing. Based on the obtained results, it was concluded that the thermodynamic factor (the enthalpy of formation of the intermetallic compound) is the main one that determines the phase composition of the synthesis products in powder mixtures of titanium and iron.

About the authors

G. A. Pribytkov

Email: gapribyt@mail.ru
D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch Russian Academy of Sciences, 2/4 pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, gapribyt@mail.ru

A. V. Baranovskiy

Email: nigalisha@gmail.com
Ph.D. (Engineering), Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch Russian Academy of Sciences, 2/4 pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, nigalisha@gmail.com

V. V. Korzhova

Email: vicvic5@mail.ru
Ph.D. (Engineering), Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch Russian Academy of Sciences, 2/4 pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, vicvic5@mail.ru

I. A. Firsina

Email: iris1983@yandex.ru
Ph.D. (Engineering), Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch Russian Academy of Sciences, 2/4 pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, iris1983@yandex.ru

V. P. Krivopalov

Email: krivopalov@ispms.tsc.ru
Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch Russian Academy of Sciences, 2/4 pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, krivopalov@ispms.tsc.ru

References

  1. Sandrock G. A panoramic overview of hydrogen storage alloys from a gas reaction point of view // Journal of Alloys and Compounds. – 1999. – Vol. 293–295. – P. 877–888. – doi: 10.1016/S0925-8388(99)00384-9.
  2. Delogu F., Cocco G. Compositional effects on the mechanochemical synthesis of Fe–Ti and Cu–Ti amorphous alloys by mechanical alloying // Journal of Alloys and Compounds. – 2003. – Vol. 352, iss. 1. – P. 92–98. – doi: 10.1016/S0925-8388(02)01109-X.
  3. Zadorozhnyi V.Yu., Skakov Yu.A., Milovzorov G.S. Appearance of metastable states in Fe–Ti and Ni–Ti systems in the process of mechanochemical synthesis // Metal Science and Heat Treatment. – 2008. – Vol. 50, iss. 7. – Р. 404–410. – doi: 10.1007/s11041-008-9078-4.
  4. Hydrogen storage nanocrystalline TiFe intermetallic compound: synthesis by mechanical alloying and compacting / V. Zadorozhnyy, S. Klyamkin, M. Zadorozhnyy, O. Bermesheva, S. Kaloshkin // International Journal of Hydrogen Energy. – 2012. – Vol. 37, iss. 22. – P. 17131–17136. – doi: 10.1016/j.ijhydene.2012.08.078.
  5. Mechanical alloying of nanocrystalline intermetallic compound TiFe doped with sulfur and magnesium / V.Yu. Zadorozhnyy, S.N. Klyamkin, M.Yu. Zadorozhnyy, M.V. Gorshenkov, S.D. Kaloshkin // Journal of Alloys and Compounds. – 2014. – Vol. 615. – P. S569–S572. – doi: 10.1016/j.jallcom.2013.12.144.
  6. Mechanical alloying of nanocrystalline intermetallic compound TiFe doped by aluminum and chromium / V.Yu. Zadorozhnyy, S.N. Klyamkin, M.Yu. Zadorozhnyy, O.V. Bermesheva, S.D. Kaloshkin // Journal of Alloys and Compounds. – 2014. – Vol. 586. – P. S56–S60. – doi: 10.1016/j.jallcom.2013.01.138.
  7. Effect of mechanical activation on compactibility of metal hydride materials / V.Yu. Zadorozhnyy, S.N. Klyamkin, M.Yu. Zadorozhnyy, D.V. Strugova, G.S. Milovzorov, D.V. Louzguine-Luzgin, S.D. Kaloshkin // Journal of Alloys and Compounds. – 2017. – Vol. 707. – P. 214–219. – doi: 10.1016/j.jallcom.2016.11.320.
  8. Preparation and hydrogen storage properties of nanocrystalline TiFe synthesized by mechanical alloying / V.Yu. Zadorozhnyy, G.S. Milovzorov, S.N. Klyamkin, M.Yu. Zadorozhnyy, D.V. Strugova, M.V. Gorshenkov, S.D. Kaloshkin // Progress in Natural Science: Materials International. – 2017. – Vol. 27, iss. 1. – P. 149–155. – doi: 10.1016/j.pnsc.2016.12.008.
  9. Zaluski L., Zaluska A., Ström-Olsen J.O. Nanocrystalline metal hydrides // Journal of Alloys and Compounds. – 1997. – Vol. 253–254. – P. 70–79. – doi: 10.1016/S0925-8388(96)02985-4.
  10. Dobromyslova A.V., Taluts N.I. Mechanical alloying of Ti–Fe alloys using severe plastic deformation by high-pressure torsion // Physics of Metals and Metallography. – 2018. – Vol. 119, N 11. – P. 1127–1132. – doi: 10.1134/S0031918X18110030.
  11. Рогачев А.С., Мукасьян А.С. Горение для синтеза материалов: введение в структурную макрокинетику. – М.: Физматлит, 2013. – 399 с. – ISBN 978-5-9221-1441-7.
  12. Григорьева Т.Ф., Баринов А.П., Ляхов Н.З. Механохимический синтез интерметаллических соединений // Успехи химии. – 2001. – Т. 70 (1). – С. 52–71.
  13. Аввакумов Е.Г. Механические методы активации химических процессов. – Новосибирск: Наука, 1986. – 303 с.
  14. Ляхов Н.З., Талако Т.Л., Григорьева Т.Ф. Влияние механоактивации на процессы фазо- и структурообразования при самораспространяющемся высокотемпературном синтезе. – Новосибирск: Параллель, 2008. – 168 с.
  15. Прибытков Г.А., Семенова А.А., Итин В.И. Синтез в режиме горения интерметаллидов системы железо – титан // Физика горения и взрыва. – 1984. – № 5. – С. 21–23.
  16. Влияние механической активации на высокотемпературный синтез и фазообразование низкокалорийных интерметаллических соединений / Ю.С. Найбороденко, Н.Г. Касацкий, Е.Г. Сергеева, О.К. Лепакова // Химия в интересах устойчивого развития. – 2002. – Т. 10. – С. 199–204.
  17. Morphological characteristics of mechanochemically synthesized Fe/Ti composites / T.F. Grigor’;eva, S.A. Kovaleva, T.Yu. Kiseleva, S.V. Vosmerikov, E.T. Devyatkina, E.A. Pastukhov, N.Z. Lyakhov // Russian Metallurgy (Metally). – 2016. – Vol. 2016, N 8. – P. 737–741. – doi: 10.1134/S0036029516080048.
  18. Saito T. Magnetic properties of Ti–Fe alloy powders prepared by mechanical grinding // Journal of Alloys and Compounds. – 2004. – Vol. 364, iss. 1. – P. 113–116. – doi: 10.1016/S0925-8388(03)00532-2.
  19. Bukrina N.V., Baranovskiy A.V. Synthesis of composites made of powder mixtures (Ti, C, and Al) in controlled heating // Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. – 2019. – Vol. 60, iss. 4. – P. 732–739. – doi: 10.1134/S0021894419040187.
  20. Bartin I., Knacke O., Kubaschevski O. Thermochemical properties of inorganic substances. Supplement. – Berlin: Springer-Verlag, 1977. – 861 p. – doi: 10.1007/978-3-662-02293-1.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».