Mechanism of the Zr-V alloy nitridization process

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription or Fee Access

Abstract

A sequence of structural transformations characterizing the high-temperature nitridization of a zirconium-vanadium bimetallic billet has been established. The mechanism of nitridization of zirconium-vanadium alloy ZrV2, which is formed during the manufacture of a bimetallic workpiece by electric arc welding, has been established. During high-temperature interaction with nitrogen, the alloy disintegrates, the basis of which is ZrV2 intermetallic compound, with the formation of stoichiometric zirconium nitride ZrN, solid nitrogen solutions and compounds of the composition ZrхVyN1–х–y with simultaneous segregation of vanadium at the grain boundaries of zirconium nitride. The released vanadium diffuses into the area of a solid solution of zirconium with nitrogen in the individual zirconium, forming a solid solution of the composition ZrхVyN1–х–y. The final products of nitridization at the selected temperature are ZrN and Zr0,3V0,6N0,1. Ceramics is a composite consisting of grains of stoichiometric zirconium nitride distributed in ZrхVyN1–х–y with a limiting composition of Zr0,3V0,6N0,1.

Full Text

Restricted Access

About the authors

I. A. Kovalev

Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: vankovalskij@mail.ru
Russian Federation, Moscow

G. P. Kochanov

Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science of the Russian Academy of Sciences

Email: vankovalskij@mail.ru
Russian Federation, Moscow

T. Yu. Kolomiets

Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science of the Russian Academy of Sciences

Email: vankovalskij@mail.ru
Russian Federation, Moscow

G. S. Drobakha

Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science of the Russian Academy of Sciences

Email: vankovalskij@mail.ru
Russian Federation, Moscow

A. A. Ashmarin

Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science of the Russian Academy of Sciences

Email: vankovalskij@mail.ru
Russian Federation, Moscow

K. Yu. Demin

Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science of the Russian Academy of Sciences

Email: vankovalskij@mail.ru
Russian Federation, Moscow

A. S. Chernyavsky

Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science of the Russian Academy of Sciences

Email: vankovalskij@mail.ru
Russian Federation, Moscow

K. A. Solntsev

Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science of the Russian Academy of Sciences

Email: vankovalskij@mail.ru
Russian Federation, Moscow

References

  1. Song, Y. First-principles study of hydrogen adsorption behavior in C15 Laves phase compound ZrV2 / Song Y., Feng Yi., Feng X., Cheng Yo., Sun W., Pei X., Dong M., Feng T., Qiu Yu., Wu Ch. // AIP Advances. 2021. V.11. Is.11. Art.115011115017. https://doi.org/10.1063/5.0067621.
  2. Лившиц, Б.Г. Физические свойства металлов и сплавов / Б.Г. Лившиц, В.С. Крапошин, Я.Л. Липецкий. – М. : Металлургия, 1980. 320 с. – (Livshits, B.G. Physical properties of metals and alloys / B.G. Livshits, V.S. Kraposhin, Ya.L. Lipetsk. – Moscow : Metallurgy, 1980. 320 р.)
  3. Фирстов, С.А. Влияние характеристик литых многокомпонентных эквиатомных двухфазных сплавов на количественное соотношение содержащихся в них поликомпонентной фазы Лавеса С14 и ОЦК-твердого раствора замещения / С.А. Фирстов, В.Ф. Горбань, Н.А. Крапивка, Э.П. Печковский, М.В. Карпец // Композиты и наноструктуры. 2015. Т.7. №3. С.127–144. – (Firstov, S.A. Influence of characteristics of cast multicomponent equiatomic two-phase alloys on the quantitative ratio of the polycomponent Lava phase C14 and (BCC) solid substitution solution contained in them / S.A. Firstov, S.A. Firstov, V.F. Gorban, N.A. Krapivka, E.P. Pechkovsky, M.V. Karpets // Composites and Nanostructures. 2015. V.7. №3. Р.127–144.)
  4. Перевезенцев, А.Н. Гидриды интерметаллических соединений и сплавов, их свойства и применение в атомной технике / А.Н. Перевезенцев, Б.М. Андреев, В.К. Капышев, Л.А. Ривкис, М.П. Малек, В.М. Быстрицкий, В.А. Столупин // Физика элементарных частиц и атомного ядра. 1988. Т.9. №6. С.1386–1437. – (Perevezentsev, A.N. Hydrides of intermetallic compounds and alloys, their properties and application in atomic engineering / A.N. Perevezentsev, B.M. Andreev, V.K. Kapyshev, L.A. Rivkis, M.P. Malek, V.M. Bystritsky, V.A. Stolupin // Physics of elementary particles and the atomic nucleus. 1988. V.9. №6. Р.1386–1437.)
  5. Сивов, Р.Б. Новые сплавы-накопители водорода на основе ZrFe2 с высоким давлением диссоциации гидридов / Р.Б. Сивов , Т.А. Зотов, В.Н. Вербецкий // Альтернативная энергетика и экология. 2010. Т.85. №5. С.13–20. – (Sivov, R.B. New hydrogen storage alloys based on ZrFe2 with high pressure of hydride dissociation / R.B. Sivov, T.A. Zotov, V.N. Verbetsky // Alternative energy and ecology. 2010. V.85. №5. P.13–20.)
  6. Фатеев, В.Н. Проблемы аккумулирования и хранения водорода / В.Н. Фатеев, О.К. Алексеева, С.В. Коробцев, Е.А. Серегина, Т.В. Фатеева, А.С. Григорьева, А.Ш. Алиев // Химические проблемы. 2018. №4. T.16. C.453–483. – (Fateev V.N. Problems of hydrogen accumulation and storage / V.N. Fateev, O.K. Alekseeva, S.V. Korobtsev, E.A. Seregina, T.V. Fateeva, A.S. Grigorieva, A.Sh. Aliev // Chem. problems. 2018. №4. V.16. P.453–483.)
  7. Куритнык, И.П. Материалы высокотемпературной термометрии / И.П. Куритнык, Г.С. Бурханов, Б.И. Стаднык. – М. : Металлургия, 1986. 207 c. – (Kuritnyk, I.P. Materials of high-temperature thermometry / I.P. Kuritnyk, G.S. Burkhanov, B.I. Stadnyk. – Moscow : Metallurgy, 1986. 207 p.)
  8. Weiss, J.D. Pressure dependence of the thermoelectric power of sodium between 5 and 14K / J.D. Weiss, D. Lazarus // Phys. Rev. B. 1974. V.10. №2. P.456–473. DOI : 10.1103/PhysRevB.10.456.
  9. Mott, N.F. The resistance and thermoelectric properties of the transition metals / N.F. Mott. – L. : Proced. Royal. Soc., 1936. A156.368-382. http://doi.org/10.1098/rspa.1936.0154.
  10. Cusack, N. Absolute scale of thermoelectric power at high temperature / N. Cusack, P. Kendall // The Proceed. Phys. Soc. 1958. V.72. №5. P.898–901. DOI : 10.1088/0370-1328/72/5/429.
  11. Fokin, V.N. Reaction of the intermetallide ZrV2 with ammonia / V.N. Fokin, E.E. Fokina, B.P. Tarasov // Russian J. Inorg. Chem. 2012. V.57. Р.21–23.
  12. Пат. RU № 2759827. С1 МПК G01K 7/02 (2006.01), С01В 21/076 (2006.01). Способ получения высокотемпературных керамических термоэлектрических преобразователей для высокотемпературной термометрии из нитридов элементов подгрупп титана и ванадия методом окислительного конструирования / Ковалев И.А., Кочанов Г.П., Рубцов И.Д., Шокодько А.В., Чернявский А.С., Солнцев К.А. ; заявка № 2021103466 от 12.02.2021 г. Бюл. №32, опубл. 18.11.2021 г. – (Pat. RU № 2759827. C1 IPC G01K 7/02 (2006.01), C01B 21/076 (2006.01). A method for producing high-temperature ceramic thermoelectric transducers for high-temperature thermometry from nitrides of elements of the titanium and vanadium subgroups by the method of oxidative engineering / Kovalev I.A., Kochanov G.P., Rubtsov I.D., Shokodko A.V., Chernyavsky A.S., Solntsev K.A.; application №2021103466 dated 12.02.2021. Bull. №32, published on 11.18.2021.)
  13. Solntsev, K.A. Oxidative constructing of thin-walled ceramics (OCTWC) / K.A. Solntsev, E.M. Shustorovich, Y.A. Buslaev // Reports of the Acad. Sci. 2001. V.378. №4–6. Р.143–149.
  14. Солнцев, К.А. Окислительное конструирование тонкостенной керамики (ОКТК) выше температуры плавления металла : получение оксидных волокон из волокон Al и его сплава / К.А. Солнцев, Е.М. Шусторович, А.С. Чернявский, И.В. Дуденков // Докл. Акад. Наук. 2002. T.385. №3. C.372–377. – (Solntsev, K.A. Oxidative engineering of thin-walled ceramics (OCTWC) above the melting point of metal : production of oxide fibers from Al fibers and its alloy / K.A. Solntsev, E.M. Shustorovich, A.S. Chernyavsky, I.V. Dudenkov / Reports of the Acad. Sci. 2002. V.385. №3. P.372–377.)
  15. Кузнецов, К.Б. Структура и твердость керамики, полученной в процессе высокотемпературной нитридизации циркониевой фольги / К.Б. Кузнецов, К.А. Шашкеев, С.В. Шевцов, А.И. Огарков, Н.Н. Третьяков, М.П. Саприна, А.В. Костюченко, А.С. Чернявский, В.М. Иевлев, К.А. Солнцев // Неорган. матер. 2015. Т.51. №8. С.893–900. DOI : 10.7868/S0002337X15080126 – (Kuznetsov, K.B. Structure and hardness of ceramics produced through high-temperature nitridation of zirconium foil / K.B. Kuznetsov, K.A. Shashkeev, S.V. Shevtsov, A.I. Ogarkov, N.N. Tretyakov, M.P. Saprina, A.V. Kostyuchenko, A.S. Chernyavskii, V.M. Ievlev, K.A. Solntsev // Inorg. Mater. 2015. V.51. №8. P.820–827. https://doi.org/10.1134/S0020168515080129.)
  16. Шевцов, С.В. Структурно-фазовые превращения и твердость керамики, получаемой в процессе высокотемпературной нитридизации циркония / С.В. Шевцов, А.И. Огарков, И.А. Ковалев, К.Б. Кузнецов, Д.В. Просвирнин, А.А. Ашмарин, А.С. Чернявский, К.А. Солнцев // Журн. неорган. химии. 2016. Т.61. №12. С.1635–1639. DOI : 10.7868/S0044457X16120163. – (Shevtsov, S.V. Structural and phase transformations and hardness of ceramics produced by high-temperature zirconium nitriding / S.V. Shevtsov, A.I. Ogarkov, I.A. Kovalev, K.B. Kuznetsov, D.V. Prosvirnin, A.A. Ashmarin, A.S. Chernyavskii, K.A. Solntsev // Russ. J. Inorg. Chem. 2016. V.61. №12. P.1573–1577. https://doi.org/10.1134/S0036023616120160.)
  17. Ковалев, И.А. Фазовые превращения при высокотемпературной нитридизации сплавов Zr-Nb / И.А. Ковалев, С.В. Канныкин, А.А. Коновалов, Г.П. Кочанов, А.И. Огарков, Б.А. Тарасов, Д.П. Шорников, С.С. Стрельникова, А.С. Чернявский, К.А. Солнцев // Неорг. матер. 2022. T.58. №4. С.382–388. DOI : 10.31857/S0002337X22040078. – (Kovalev, I.A. Phase transformations accompanying high-temperature nitridation of Zr-Nb alloys / I.A. Kovalev, S.V. Kannykin, A.A. Konovalov, G.P. Kochanov, A.I. Ogarkov, B.A. Tarasov, D.P. Shornikov, S.S. Strel’nikova, A.S. Chernyavskii, K.A. Solntsev // Inorg. Mater. 2022. V.58. №4. P.364–370. DOI : 10.1134/S0020168522040070.)
  18. Pshenichnaya, O.V. Effect of powder particle size on the sintering of zirconium nitride / O.V. Pshenichnaya, M.A. Kuzenkova, P.S. Kislyi // Powder Metall. Met. Ceram. 1979. V.18. P.882–887.
  19. Petrykina, Y.R. Hot pressing of transition metal nitrdes and their properties / Y.R. Petrykina, K.L. Shvedova // Powder Metall. 1972. V.11. №4. P.276–279.
  20. Powder Diffraction File. Alphabetical Index Inorganic Сompounds. – Pensilvania : ICPDS. 1997.
  21. Лякишев, Н.П. Диаграммы состояния двойных металлических систем / Н.П. Лякишев. – М. : Машиностроение. 1996. T.3. С.397–399. – (Lyakishev, N.P. Diagrams of the state of binary metal systems. – Moscow : Mech. Eng. 1996. V.3. P.397–399.)
  22. Кузнецов, К.Б. Кинетика насыщения циркония азотом в процессе высокотемпературной нитридизации / К.Б. Кузнецов, И.А. Ковалев, В.Ю. Зуфман, А.И. Огарков, С.В. Шевцов, А.А. Ашмарин, А.С. Чернявский, К.А. Солнцев // Неорг. матер. 2016. Т.52. №6. С.609–611. – (Kuznetsov, K.B. Kinetics of zirconium saturation with nitrogen during high-temperature nitridation / K.B. Kuznetsov, I.A. Kovalev, V.Y. Zufman, A.I. Ogarkov, S.V. Shevtsov, A.A. Ashmarin, A.S. Chernyavskii, K.A. Solntsev // Inorg. Mater. 2016. V.52. №6. P.558–560. DOI : 10.1134/S0020168516060078.)
  23. Ковалев, И.А. Нитридизация металлической пары Ti-V и оценка термоЭДС синтезированного керамического образца / И.А. Ковалев, Г.С. Дробаха, Г.П. Кочанов, А.Н. Рогова, А.И. Ситников, А.А. Половинкин, С.В. Шевцов, К.Ю. Дёмин, А.А. Ашмарин, С.Н. Хвостов, А.С. Чернявский, К.А. Солнцев // Неорг. матер. 2023. Т.59. №12. P.1379–1390. https://doi.org/10.31857/S0002337X23120060. – (Kovalev, I.A. Nitridation of a Ti-V metal pair and evaluation of the thermoelectric power of the resultant ceramic / I.A. Kovalev, G.S. Drobakha, G.P. Kochanov, A.N. Rogova, A.I. Sitnikov, A.A. Polovinkin, S.V. Shevtsov, K.Yu. Demin, A.A. Ashmarin, S.N. Khvostov, A.S. Chernyavsky, K.A. Solntsev // Inorg. Mater. 2023. V.59. №12. P.1333–1344. DOI : 10.1134/S0020168523120063.)
  24. Ковалев, И.А. Нитридизация металлической пары Ti-Zr и оценка термоЭДС синтезированного керамического образца / И.А. Ковалев, Г.С. Дробаха, Г.П. Кочанов, А.Н. Рогова, А.И. Ситников, А.В. Шокодько, С.В. Шевцов, К.Ю. Дёмин, А.А. Ашмарин, А.И. Огарков, А.С. Чернявский, К.А. Солнцев // Металлы. 2024. №6. С.1–13. DOI : https://doi.org/10.31857/S0869573324061830. – (Kovalev, I.A. Nitridizatsiya metallicheskoy pary Ti-Zr i otsenka termoEDS sintezirovannogo keramicheskogo obraztsa / I.A. Kovalev, G.S. Drobakha, G.P. Kochanov, A.N. Rogova, A.I. Sitnikov, А.V. Shokodko, S.V. Shevtsov, K.Yu. Demin, A.A. Ashmarin, А.I. Ogarkov, A.S. Chernyavsky, K.A. Solntsev // Russian Metallurgy. 2024. Is.6. P.1–13. DOI : https://doi.org/10.31857/S0869573324061830.)

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Optical image of the surface of the transverse seam of the metal junction (a) and a map of the distribution over the surface of the transverse seam of element concentrations: b – Zr; c – V

Download (2MB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Optical image of the surface of the transverse section of the initial metal junction in white light (a) and in differential interference relief contrast (b)

Download (2MB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Dependence of the resistance R change on the nitriding time τ of the ZrV2 alloy

Download (283KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. X-ray diffractograms of surfaces after nitridization of Zr(a)-ZrV2(b)-V(c), synthesis temperature 1900 °C, 300 min

Download (427KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. X-ray diffractogram of powder samples after nitridization of the ZrV2 alloy (a) and the area of the individual Zr branch near the alloy (b), synthesis temperature 1900 °C, 300 min

Download (717KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Scheme of the ZrV2 alloy nitridization process (II) in system Zr-ZrV2-V (I)

Download (506KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. A map of the distribution of zirconium and vanadium concentrations in the alloy, after nitrification for 10 (a, b), 100 (c, d), 200 (e, f) and 300 (g, h) min

Download (11MB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Optical image of the central region of the alloy (a) after synthesis temperature 1900 °C, 300 min and a map of the distribution over the surface of the transverse section of element concentrations: N (b), Zr (c) and V (d)

Download (4MB)
Indexing metadata
10. Formula

Download (27KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences