Hydrogen and its effect on the grinding of Ti-Ni powder

Cover Page

Cite item

Abstract

Introduction. Industrial nickel-titanium alloy PN55T45 closed to the equiatomic composition is widely used for the manufacture of products by powder metallurgy. To achieve high physical and mechanical properties of the material obtained by this method, it is necessary to use fine powders, which can be obtained by implementing high-intensity grinding in a planetary ball mill. However, during such treatment, contamination, powder oxidation and particle aggregation, etc. are possible. To solve this problem, preliminary hydrogenation is proposed for subsequent grinding in a planetary ball mill. The aim of the work is to study the effect of hydrogen on the grinding of titanium nickelide powder. Materials and methods. The morphology and average particle size of the powders were studied by scanning electron microscopy. The structure and phase composition of the powders were investigated by the methods of X-ray structural and X-ray phase analysis. The data of X-ray structural analysis were used to estimate the dislocation density. Results and discussions. It is shown that the use of pre-hydrogenation for 180 minutes before machining allows reducing the average particle size by about a half. After mechanical treatment of the powder, the parameters of the crystal lattices of the TiNi (austenite), Ti2Ni and Ni3Ti phases do not change within the error range. After mechanical treatment of the powder with preliminary hydrogenation, the crystal lattice parameter of only the Ti2Ni phase changes significantly, in particular, at 180 minutes of hydrogenation, the lattice parameter increases to 1.1457 ± 5×10-4 nm, which corresponds to the stoichiometry of the Ti2NiH0.5 hydride with a lattice parameter of 1.1500 nm. The highest dislocation density estimated by X-ray diffraction analysis is contained in the Ti2Ni (511) phase than in the TiNi (austenite) (110) and Ni3Ti (202) phases. Thus, preliminary hydrogenation can be an effective method of powder grinding due to the formation of brittle hydride and suppression of the aggregation of fine particles during high-intensity mechanical treatment.

About the authors

E. V. Abdulmenova

Email: Ekaterina.V.Abdulmenova@yandex.ru
Postgraduate student, Research assistant, Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 2/4 pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, Ekaterina.V.Abdulmenova@yandex.ru

S. N. Kulkov

Email: kulkov@ms.tsc.ru
D.Sc. (Physics and Mathematics), Professor, Institute of Strength Physics and Materials Science of Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, 2/4 pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, kulkov@ms.tsc.ru

References

  1. Wade N., Adachi Y., Hosoi Z. A role of hydrogen in shape memory effect of Ti-Ni alloys // Scripta Metallurgica et Materialia. – 1990. – Vol. 24 (6). – P. 1051–1055. – doi: 10.1016/0956-716x(90)90298-u.
  2. Hydrogen embrittlement of work-hardened Ni-Ti alloy in fluoride solutions / K. Yokoyama, K. Kaneko, T. Ogawa, K. Moriyama, K. Asaoka, J. Sakai // Biomaterials. – 2005. – Vol. 26. – P. 101–108. – doi: 10.1016/j.biomaterials.2004.02.009.
  3. Закономерности водородного охрупчивания аустенитных нержавеющих сталей с ультрамелкозернистой структурой разной морфологии / Е.Г. Астафурова, Е.В. Мельников, С.В. Астафуров, И.В. Раточка, И.П. Мишин, Г.Г. Майер, В.А. Москвина, Г.Н. Захаров, А.И. Смирнов, В.А. Батаев // Физическая мезомеханика. – 2018. – Т. 21, № 2. – С. 103–117. – doi: 10.24411/1683-805X-2018-12011.
  4. Колачев Б.А. Водородная хрупкость металлов. – М.: Металлургия, 1985. – 216 с.
  5. Гадельшин М.Ш., Анисимова Л.И., Бойцова Е.С. Водородное пластифицирование титановых сплавов // Международный научный журнал альтернативная энергетика и экология. – 2004. – Т. 17. – № 9. – С. 26–29.
  6. Влияние водорода на структуру закаленного сплава на основе орторомбического алюминида титана и фазовые превращения при последующем нагреве / О.Г. Хаджиева, А.Г. Илларионов, А.А. Попов, С.В. Гриб // Физика металлов и металловедение. – 2013. – Т. 114, № 6. – С. 577–582. – doi: 10.7868/S0015323013060077.
  7. Functional role of polycrystal grain boundaries and interfaces in micromechanics of metal ceramic composites under loading / V.E. Panin, V.E. Egorushkin, D.D. Moiseenko, P.V. Maksimov, S.N. Kulkov, S.V. Panin // Computational Materials Science. – 2016. – Vol. 116. – P. 74–81. – doi: 10.1016/j.commatsci.2015.10.
  8. Otsuka K., Ren X. Physical metallurgy of Ti-Ni-based shape memory alloys // Progress in Materials Science. – 2005. – Vol. 50 (5). – P. 511–678. – doi: 10.1016/j.pmatsci.2004.10.001.
  9. El-Eskandarany M.S. Structure and properties of nanocrystalline TiC full-density bulk alloy consolidated from mechanically reacted powders // Journal of Alloys and Compounds. – 2000. – Vol. 305. – P. 225–238. – doi: 10.1016/s0925-8388(00)00692-7.
  10. Nobuki T., Crivello J-C., Cuevas F. Fast synthesis of TiNi by mechanical alloying and its hydrogenation properties // International Journal of Hydrogen Energy. – 2019. – Vol. 44. – P. 10770–10776. – doi: 10.1016/j.ijhydene.2019.02.203.
  11. Effect of cycling on hydrogen storage properties of Ti2CrV alloy / A. Kumar, K. Shashikala, S. Banerjee, J. Nuwad, P. Das, C.G.S. Pillai // International Journal of Hydrogen Energy. – 2012. – Vol. 37. – P. 3677–3682. – doi: 10.1016/j.ijhydene.2011.04.135.
  12. Destructive hydrogenation as method for improvement of TiNi exploitation properties / T.I. Bratanich, O.I. Get’;man, T.V. Permyakova, V.V. Skorokhod // International Journal of Hydrogen Energy. – 2007. – Vol. 32. – P. 3941–3946. – doi: 10.1016/j.ijhydene.2007.04.033.
  13. Hydrogenation properties of nanostructured Ti2Ni-based alloys and nanocomposites / M. Balcerzak, J. Jakubowicz, T. Kachlicki, M. Jurczyk // Journal of Power Sources. – 2015. – Vol. 280. – P. 435–445. – doi: 10.1016/j.jpowsour.2015.01.135.
  14. Diffusion during powder metallurgy synthesis of titanium alloys / O.M. Ivasishin, D. Eylon, V.I. Bondarchuk, D.G. Savvakin // Defect Diffusion Forum. – 2008. – Vol. 277. – P. 177–185. – doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/ddf.277.177' target='_blank'>www.scientific.net/ddf.277.177.
  15. Role of surface contamination in titanium PM / O.M. Ivasishin, D.G. Savvakin, M.M. Gumenyak, O.B. Bondarchuk // Key Engineering Materials. – 2012. – Vol. 520. – P. 121–132. – doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/kem.520.121' target='_blank'>www.scientific.net/kem.520.121.
  16. Ivasishin O.M., Moxson V.S. Low-cost titanium hydride powder metallurgy // Titanium Powder Metallurgy. – Amsterdam; Boston: Elsevier, 2015. – P. 117–148. – doi: 10.1016/b978-0-12-800054-0.00008-3.
  17. Sun P., Fang Z.Z., Koopman M. A comparison of hydrogen sintering and phase transformation (HSPT) processing with vacuum sintering of CP-Ti // Advanced Engineering Materials. – 2013. – Vol. 15. – P. 1007–1013. – doi: 10.1002/adem.201300017.
  18. Paramore J.D., Fang Z.Z., Sun P. Hydrogen sintering of titanium and its alloys // Titanium Powder Metallurgy. – Amsterdam; Boston: Elsevier, 2015. – P. 163–182. – doi: 10.1016/b978-0-12-800054-0.00010-1.
  19. Баймаков Ю.В., Журин А.И. Электролиз в гидрометаллургии. – М.: Металлургиздат, 1962. – 617 с.
  20. Abdulmenova E.V., Kulkov S.N. Mechanical high-energy treatment of TiNi powder and phase changes after electrochemical hydrogenation // International Journal of Hydrogen Energy. – 2021. – Vol. 46. – P. 823–836. – doi: 10.1016/j.ijhydene.2020.09.171.
  21. Дресвянников А.Ф., Колпаков М.Е. Контроль и управление качеством материалов. – Казань: КГТУ, 2007. – 389 с. – ISBN 978-5-7882-0255-0.
  22. Aбдульменова E.В., Кульков С.Н. Закономерности изменения структуры после механической активации порошкового TiNi и его взаимодействие с водородом // Известия высших учебных заведений. Физика. – 2019. – Т. 62, № 8. – C. 137–142. – doi: 10.17223/00213411/62/8/137.
  23. Tabular processor for X-ray diffractometry. – URL: http://slavic.me/rtp/index.htm (accessed: 12.08.2021).
  24. Scherrer P. Bestimmung der inneren Struktur und der Größe von Kolloidteilchen mittels Röntgenstrahlen // Kolloidchemie Ein Lehrbuch. – Berlin; Heidelberg: Springer, 1912. – P. 387–409. – doi: 10.1007/978-3-662-33915-2_7.
  25. Stuewe H-P., Shimomura Y. Lattice constants of the body-centered-cubic phases FeTi, CoTi, and NiTi // Zeitschrift fur Metallkunde. – 1960. – Vol. 51. – P. 180–181.
  26. Muller M.H., Knott H.W. Powder metallurgy and metal ceramics // Transactions of the Metallurgical Society of AIME 227. – 1963. – Vol. 674. – P. 674–677.
  27. Laves F., Wallbaum H.J. Die Kristallstruktur von Ni3Ti und Si2Ti // Zeitschriftfür Kristallographie – Crystalline Materials. – 1939. – Vol. 101. – P. 78–93. – doi: 10.1524/zkri.1939.101.1.78.
  28. Michal G.M., Sinclair R. The structure of TiNi martensite // Acta Crystallographica. Section B: Structural Science. – 1981. – Vol. 37. – P. 1803–1807. – doi: 10.1107/S0567740881007292.
  29. Wasserstoff in intermetallischen phasen am beispiel des systems titan-nickel-wasserstoff / H. Buchner, M. Gutjahr, K. Beccu, H. Saufferer // Zeitschrift Fur Metallkunde. – 1972. – Vol. 63. – P. 497–500.
  30. Mechanism of early capacity loss of Ti2Ni hydrogen-storage alloy electrode / B. Luan, N. Cui, H. Zhao, H.K. Liu, S.X. Dou // Journal of Power Sources. – 1995. – Vol. 55. – P. 101–106. – doi: 10.1016/0378-7753(94)02162-v.
  31. Williamson G.K., Smallman R.E. Dislocation densities in some annealed and cold-worked metals from measurements on the X-ray Debye-Scherrer spectrum // Philosophical Magazine. – 1956. – Vol. 1 (1). – P. 34–46. – doi: 10.1080/14786435608238074.
  32. Взаимодействие водорода с металлами / В.Н. Агеев, И.Н. Бекман, О.П. Бурмистрова и др.; отв. ред. А.П. Захаров. – М.: Наука, 1987. – 296 с.
  33. Tomita M., Yokoyama K., Sakai J. Effects of potential, temperature and pH on hydrogen absorption and thermal desorption behaviors of Ni-Ti superelastic alloy in 0.9 % NaCl solution // Corrosion Science. – 2008. – Vol. 50. – P. 2061–2069. – doi: 10.1016/j.corsci.2008.04.022.
  34. Defect studies of H implanted niobium / I. Prochazka, J. Cízek, V. Havranek, W. Anwand // Journal of Alloys and Compounds. – 2015. – Vol. 645. – P. S69–S71. – doi: 10.1016/j.jallcom.2015.01.197.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


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».