Структурно-фазовые изменения в электрохимических композитах Ni-In

Воронежский государственный технический университет, Воронеж, Россия

С развитием ряда отраслей промышленности и науки, прежде всего оборонного назначения,  многие исследователи опять начали проявлять интерес к изучению структуры и физико-механических свойств покрытий различного функционального назначения. Уровень развития инструментальной базы позволяет осваивать новые технологии получения материалов с заданными свойствами.

Сплавы металлов с индием представляли большой интерес для различных областей современной промышленности, особенно в 80-90 годы. Легирование никеля индием увеличивает его пластичность, износостойкость, прочность на разрыв, облегчает обрабатываемость, повышает антикоррозионную стойкость, придает способность к пайке и к свариваемости с токопроводящими элементами и применялось в радиоэлектронной отрасли взамен драгоценных металлов [1, 2]. В зависимости от содержания индия в осадке, предназначение сплавов Ni-In различно. Сплавы с содержанием индия выше 10 % применяются, как антифрикционные и коррозионностойкие в машиностроении, а с содержанием индия менее 3 %, как функциональные в радиоэлектронной промышленности [1, 2]. Функциональные свойства электрохимических композитов никель - индий были изучены не полностью.  Обзор литературных данных показывает, что литература по данным системам за последние 10-15 лет отсутствует. Для экспериментального подтверждения нашего предположения, что интерметаллиды металлов могут быть структурной ловушкой для атомов водорода в электрохимических системах нами была выбрана электрохимическая система не склонная к поглощению водорода и образованию металл-гидридной фазы, к которым относится электрохимический композит Ni-In, согласно литературным данным. По нашим исследованиям,  индий в виде твердого раствора (максимально 9 вес. %) не является примесной ловушкой для атомов водорода. Это обусловлено соотношением радиусов (r_Ni  = 0, 138 нм;  r_In = 0,184 нм). Связи с тем, что у In радиус больше, чем у Ni, то в окрестности индия возникают  сжимающие напряжения и водород уходит от него. Водородная проницаемость увеличивается.  Однако при увеличении концентрации индия  более 10 % вес. происходит образование новых фаз в виде интерметаллидов. Известно, если новая фаза некогерентно связана  с Ni матрицей через сетку дислокаций, то такую систему можно рассматривать, как структурную ловушку для атомов водорода. В работе [3] исследован фазовый состав структура и морфология электрохимических композитов Ni-In в зависимости от содержания In₂(SO₄)₃ в электролите.  При исследовании  фазового состава электрохимических систем никель-индий от содержания индия нами был обнаружен интересный результат. При содержании в электролите In₂(SO₄)₃ в количестве менее 2 г/л на катоде осаждается  никель, присутствие чистого индия и его соединений с никелем не обнаружено. С увеличением содержания сульфата индия (III) в растворе до 2 г/л и выше на катоде осаждается чистый никель и интерметаллиды: InNi₂, InNi₃, In₃Ni₂, η-In₂₇Ni₁₀. Однако, в диаграммах равновесного состояния   данная фаза η–In₂₇Ni₁₀    отсутствует.  По-видимому, наличие данной фазы зависит от способа получения системы Ni- In или она является метастабильной. Результаты рентгеноструктурного анализа представлены в таблице.

Зависимость фазового состава электрохимических композитов никель - индий от содержания индия

По результатам данной работы сделаны выводы:

1. Толщина электролитического осадка пропорциональна содержанию  сульфата индия в электролите и плотности катодного тока.

2. Выявлено присутствие фазы η – In₂₇Ni₁₀, о существовании которой имеются сведения в таблицах ASTM, но не указанной на существующих в литературе диаграммах равновесного состояния сплава Ni-In. Ее отсутствие, по-видимому, связано с тем, что данная фаза является метастабильной.

На основании проведенных исследований  подобран состав электролита с оптимальным содержанием сульфата индия In₂(SO₄)₃ в электролите, который позволяет получать более мелкокристаллические и равнозернистые Ni-In композиты с фазовым составом -  Ni₇₀In₃₀. При использовании концентрации In₂(SO₄)₃ в электролите 4 г/л получились образцы со стехиометрией Ni₇₀In₃₀. Увеличение концентрации индия в композитах (более 30 мас. % In) сопровождается появлением и ростом интенсивности дополнительных линий на дифрактограммах. Это связано с образованием интерметаллидов Ni₃In и In₂Ni о возможности образования, которых свидетельствует фазовая диаграмма системы  Ni-In [4-6]. Далее в электрохимический композит методом ионной имплантации вводили изотоп водорода – дейтерий  будут продолжены исследования в данном направлении.

Литература 

1. Звягинцева А.В. Электроосаждение покрытий никель – индий из сульфатно-хлоридного электролита /А.В. Звягинцева, А.И. Фаличева //Гальванотехника и обработка поверхности. – М., 1994. – т. 3 - №5 - 6. С. 47 -  51.

2. Звягинцева А.В. Физико-механические и коррозионно-электромеханические свойства никелевых покрытий, легированных индием /А.В. Звягинцева, А.И. Фаличева // Гальванотехника и обработка поверхности. – М., 1994. – т. 3 - №5 - 6. С. 52 -  54. 

3. Звягинцева А.В. Структурно-фазовые изменения в электрохимических

системах Ni-In /А.В. Звягинцева //Ученые записки Таврического национального университета им. В. И. Вернадского. Серия «Биология, химия». - 2013.  - Том 26 (65). –

№ 3. - С. 253-260.

4. Звягинцева А.В. Температурные интервалы десорбции дейтерия из Ni–In композитов [Текст] /А.В.  Звягинцева, А.Н. Морозов, И.М. Кирьян //Взаимодействие изотопов водорода с конструкционными материалами.  IHISM´14. Сборник докладов Пятой Международной конференции и Девятой Международной школы молодых ученых и специалистов им. А.А. Курдюмова ///Под ред. Д-ра техн. наук А.А. Юхимчука. Саров: ФГУП «РФЯЦ–ВНИИЭФ», 2015. - С. 106-119.

5. Звягинцева А.В. Определение водородной емкости структурных дефектов  [Текст] / А.В. Звягинцева //Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология». -  Саров: НТЦ «ТАТА».-  2015. - №21 (185). - С. 145-149.

6. Звягинцева А.В. Способность материалов  на основе никеля наноразмерного диапазона к аккумулированию водорода [Текст] /А.В. Звягинцева  //Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология». - Саров: НТЦ «ТАТА». - 2015. - №21 (185). - С. 150-155.