nucВестник НЯЦ РКNNC RK Bulletin1729-75161729-7885Национальный ядерный центр Республики Казахстан10.52676/1729-7885-2025-3-211-218nuc-923Research ArticleСтатьиОПТИМИЗАЦИЯ УСЛОВИЙ СПЕКАНИЯ СИСТЕМЫ LaNi5-Al ДЛЯ ВОДОРОДО-АККУМУЛИРУЮЩИХ СИСТЕМ ПУТЕМ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯOPTIMIZATION OF SINTERING CONDITIONS OF LaNi5-Al SYSTEM FOR HYDROGEN STORAGE SYSTEMS BY THERMODYNAMIC MODELLINGhttps://orcid.org/0000-0002-2188-8075МиниязовА. Ж.MiniyazovA. Zh.

Миниязов Арман Жанарбекович.

Курчатов

Kurchatov

Miniyazov@nnc.kzСкаковМ. К.SkakovM. K.

Скаков Мажын Канапинович.

Курчатов

Kurchatov

skakov@nnc.kzhttps://orcid.org/0000-0003-4189-6539МухамедоваН. М.MukhamedovaN. M.

Мухамедова Нурия Мейрамкановна.

Курчатов

Kurchatov

bakayeva@nnc.kzhttps://orcid.org/0009-0009-9616-3982ОспановаЖ. Н.OspanovaZh. N.

Оспанова Жанна Нурболатовна.

Курчатов

Kurchatov

ospanova@nnc.kzhttps://orcid.org/0009-0007-4056-7721БекмагамбетоваБ. Е.BekmagambetovaB. E.

Бекмагамбетова Балжан Ерсиновна.

Курчатов

Kurchatov

Zhapasheva@nnc.kzРГП «Национальный ядерный центр Республики Казахстан»; «Центр технологических компетенций в сфере водородной энергетики» филиала ИАЭ РГП НЯЦ РККазахстанRSE “National Nuclear Center of the Republic of Kazakhstan”; “Center for Technological Competence in Hydrogen Energy” branch IAE RSE NNC RKKazakhstanРГП «Национальный ядерный центр Республики Казахстан»КазахстанRSE “National Nuclear Center of the Republic of Kazakhstan”Kazakhstan«Центр технологических компетенций в сфере водородной энергетики» филиала ИАЭ РГП НЯЦ РККазахстан“Center for Technological Competence in Hydrogen Energy” branch IAE RSE NNC RKKazakhstan20252210202503211218Copyright © Миниязов А.Ж., Скаков М.К., Мухамедова Н.М., Оспанова Ж.Н., Бекмагамбетова Б.Е., 20252025Миниязов А.Ж., Скаков М.К., Мухамедова Н.М., Оспанова Ж.Н., Бекмагамбетова Б.Е.Miniyazov A.Z., Skakov M.K., Mukhamedova N.M., Ospanova Z.N., Bekmagambetova B.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://journals.nnc.kz/jour/article/view/923

В данной работе представлены результаты моделирования фазовых равновесий в системе La-Ni-Al с использованием программного обеспечения Thermo-Calc. Целью расчетов являлась оптимизация состава и режимов спекания материалов, легированных алюминием, с целью сохранения структуры типа CaCu₅ и обеспечения стабильных гидридообразующих свойств. Были построены сечения фазовых диаграмм при температурах 750–950 ℃ для содержаний 5–20 мас.% Al, а также рассчитаны соответствующие термодинамические параметры, включая энергию Гиббса и энтальпию. Результаты показали, что при содержании 5–10 мас.% Al сохраняется фазовое поле LaNi5 с минимальным количеством вторичных фаз, тогда как при 15–20 мас.% наблюдается формирование интерметаллидов NiAl (ОЦК_B2) и редкоземельных соединений La2Ni7, а также появление жидкой фазы. Проведенный расчет по правилу Шайле показал перераспределение алюминия в жидкой фазе при превышении критического порога – 10 мас.%, что приводит к разрушению исходной структуры и ухудшению водородных характеристик материала. Полученные данные позволяют определить оптимальные условия синтеза и легирования для создания эффективных металлогидридных накопителей водорода нового поколения.

This work presents the results of phase equilibrium modeling in the La-Ni-Al system using the Thermo-Calc software. The aim of the calculations was to optimize the composition and sintering parameters of aluminum-alloyed materials to preserve the CaCu5-type structure and ensure stable hydride-forming properties. Phase diagram sections were constructed for temperatures of 750–950 ℃ at aluminum concentrations ranging from 5 to 20 wt.%, and corresponding thermodynamic parameters such as Gibbs free energy and enthalpy were calculated. The results showed that at 5–10 wt.% Al, the LaNi5 phase field is preserved with a minimal amount of secondary phases, while at 15–20 wt.% Al, the formation of NiAl (BCC_B2) intermetallics and rare-earth compounds such as La2Ni7 occurs, along with the appearance of a liquid phase. The Scheil solidification calculation revealed that when the critical aluminum threshold of 10 wt.% is exceeded, aluminum redistributes into the liquid phase, leading to the breakdown of the original structure and degradation of the material’s hydrogen storage properties. The obtained data enable the determination of optimal synthesis and alloying conditions for developing efficient next-generation metal hydride hydrogen storage systems.

материалы для хранения водородатермодинамическое моделированиеLaNi5легирование алюминиемфазы ОЦК_B2метод CALPHADThermo-Calchydrogen storage materialsthermodynamic modelingLaNi5aluminum alloyingBCC_B2 phasesCALPHAD methodThermo-CalcРабота выполнена при финансовой поддержке Комитета науки Министерства науки и высшего образования Республики Казахстан в рамках программно-целевого финансирования проекта BR21882200 «Разработка и исследование инновационных технологий, материалов и устройств для производства, хранения водорода и генерации электроэнергии».ReferencesУмирзаков С. А., Баймуратов А. С. Перспективы развития водородной энергетики в Республике Казахстан // Вестник НИЯУ МИФИ. Казахстанское издание. – 2021. – № 3(11). – С. 57–63.Umirzakov S. A., Baymuratov A. S. Perspektivy razvitiya vodorodnoy energetiki v Respublike Kazakhstan // Vestnik NIYaU MIFI. Kazakhstanskoe izdanie. – 2021. – No. 3(11). – P. 57–63. (In Russ.)Сарсембаев А. Е., Мукашева А. К. Развитие возобновляемых источников энергии как приоритетное направление энергетической политики Казахстана // Известия КазНИТУ. Серия энергетика и энергосбережение. – 2022. – № 1(25). – С. 29–35.Sarsembaev A. E., Mukasheva A. K. Razvitie vozobnovlyaemykh istochnikov energii kak prioritetnoe napravlenie energeticheskoy politiki Kazakhstana // Izvestiya KazNITU. Seriya energetika I energosberezhenie. – 2022. – No. 1(25). – P. 29–35. (In Russ.)Бухарбаев А. Ж., Искаков Н. Б. Потенциал водородной энергетики в Республике Казахстан: экологические и экономические аспекты // Известия НАН РК. Серия энергетика. – 2022. – № 4. – С. 35–42.Bukharbaev A. Zh., Iskakov N. B. Potentsial vodorodnoy energetiki v Respublike Kazakhstan: ekologicheskie i ekonomicheskie aspekty // Izvestiya NAN RK. Seriya energetika. – 2022. – No. 4. – P. 35–42. (In Russ.)International Renewable Energy Agency (IRENA). Hydrogen: A Renewable Energy Perspective. – Abu Dhabi: IRENA, 2019. – 52 p.International Renewable Energy Agency (IRENA). Hydrogen: A Renewable Energy Perspective. – Abu Dhabi: IRENA, 2019. – 52 p.Жантасов М. Ж., Абдрахманов К. А. Энергетическая стратегия Республики Казахстан: переход к «зелёной» экономике // Вестник КазНТУ им. К. И. Сатпаева. – 2021. – № 2(148). – С. 45–52.Zhantasov M. Zh., Abdrakhmanov K. A. Energeticheskaya strategiya Respubliki Kazakhstan: perekhod k “zelenoy” ekonomike // Vestnik KazNTU im. K. I. Satpaeva. – 2021. – No. 2(148). – P. 45–52. (In Russ)Тулегенов Б. Т., Ашимов А. С. Развитие альтернативной энергетики в Республике Казахстан // Известия НАН РК. Серия энергетика. – 2020. – № 3. – С. 21–28.Tulegenov B. T., Ashimov A. S. Razvitie al'ternativnoy energetiki v Respublike Kazakhstan // Izvestiya NAN RK. Seriya energetika. – 2020. – No. 3. – P. 21–28. (In Russ.)Калдыгулова Г. К., Абдуллина А. М. Потенциал возобновляемых источников энергии в Казахстане и пути его реализации // Энергетика Казахстана. – 2019. – № 4. – С. 14–20.Kaldygulova G. K., Abdullina A. M. Potentsial vozobnovlyaemykh istochnikov energii v Kazakhstane i puti ego realizatsii // Energetika Kazakhstana. – 2019. – No. 4. – P. 14–20. (In Russ.)Айтмуратов Е. М., Ахметов Б. М. Анализ энергетического баланса Казахстана в условиях модернизации топливно-энергетического комплекса // Вестник Карагандинского университета. Серия: Техническая физика. – 2022. – № 1(105). – С. 33–40.Aytmuratov E. M., Akhmetov B. M. Analiz energeticheskogo balansa Kazakhstana v usloviyakh modernizatsii toplivno-energeticheskogo kompleksa // Vestnik Karagandinskogo universiteta. Seriya: Tekhnicheskaya fizika. – 2022. – No. 1(105). – P. 33–40. (In Russ.)Министерство энергетики Республики Казахстан. Национальный доклад о состоянии и перспективах развития энергетики в РК. – Астана: МЭ РК, 2023. – 84 с.Ministerstvo energetiki Respubliki Kazakhstan. Natsional'nyy doklad o sostoyanii i perspektivakh razvitiya energetiki v RK. – Astana: ME RK, 2023. – 84 p.Baklanov, V., Zhanbolatova, G., Skakov, M., Miniyazov, A., Sokolov, I., Tulenbergenov, T., Kozhakhmetov, Y., Bukina, O., & Orazgaliev, N. Study of the temperature dependence of a carbidized layer formation on the tungsten surface under plasma irradiation // Materials Research Express. – 2022. – Vol. 9(1), 016403. https://doi.org/10.1088/2053-1591/ac4626Baklanov, V., Zhanbolatova, G., Skakov, M., Miniyazov, A., Sokolov, I., Tulenbergenov, T., Kozhakhmetov, Y., Bukina, O., & Orazgaliev, N. Study of the temperature dependence of a carbidized layer formation on the tungsten surface under plasma irradiation // Materials Research Express. – 2022. – Vol. 9(1), 016403. https://doi.org/10.1088/2053-1591/ac4626Mukhamedova N. M. et al. Evolution of Phase Transformations in the Mg-Ni-Ce System After Mechanical Synthesis and Spark Plasma Sintering // Materials. – 2025. – Vol. 18. – No. 9. – P. 2131. https://doi.org/10.3390/ma18092131Mukhamedova N. M. et al. Evolution of Phase Transformations in the Mg-Ni-Ce System After Mechanical Synthesis and Spark Plasma Sintering // Materials. – 2025. – Vol. 18. – No. 9. – P. 2131. https://doi.org/10.3390/ma18092131Skakov, M., Kozhakhmetov, Y., Mukhamedova, N., Miniyazov, A., Sokolov, I., Urkunbay, A., Zhanbolatova, G., Tulenbergenov, T. Effect of a High-Temperature Treatment on Structural-Phase State and Mechanical Properties of IMC of the Ti-25Al-25Nb at.% System // Materials. – 2022. – Vol. 15. – No. 16. – P. 5560. https://doi.org/10.3390/ma15165560Skakov, M., Kozhakhmetov, Y., Mukhamedova, N., Miniyazov, A., Sokolov, I., Urkunbay, A., Zhanbolatova, G., Tulenbergenov, T. Effect of a High-Temperature Treatment on Structural-Phase State and Mechanical Properties of IMC of the Ti-25Al-25Nb at.% System // Materials. – 2022. – Vol. 15. – No. 16. – P. 5560. https://doi.org/10.3390/ma15165560Todorova S., Abrashev B., Rangelova V., Vassileva E., Spassov T. Effect of low Al content on the electrode performance of LaNi5₋xAlx hydrogen storage alloys // J. Chem. Technol. Metallurgy. – 2023. – Vol. 58. – No. 1. – P. 200–207.Todorova S., Abrashev B., Rangelova V., Vassileva E., Spassov T. Effect of low Al content on the electrode performance of LaNi5₋xAlx hydrogen storage alloys // J. Chem. Technol. Metallurgy. – 2023. – Vol. 58. – No. 1. – P. 200–207.Briki C., et al. Experimental investigation of microstructures and hydrogen properties in Al substituted LaNi5 alloys // Int. J. Hydrogen Energy. – 2023.Briki C., et al. Experimental investigation of microstructures and hydrogen properties in Al substituted LaNi5 alloys // Int. J. Hydrogen Energy. – 2023.Liu Y., et al. Optimization of LaNi5 hydrogen storage properties by mechanical alloying and Al substitution // Int. J. Hydrogen Energy. – 2024. – Vol. 53. – P. 394–402.Liu Y., et al. Optimization of LaNi5 hydrogen storage properties by mechanical alloying and Al substitution // Int. J. Hydrogen Energy. – 2024. – Vol. 53. – P. 394–402.Sleiman S., et al. Mechanism of hydrogen absorption by LaNi5 // Materials Today Energy. – 2024. – Vol. 5. – Art. 021.Sleiman S., et al. Mechanism of hydrogen absorption by LaNi5 // Materials Today Energy. – 2024. – Vol. 5. – Art. 021.Sato T., et al. Hydrogen absorption reactions of LaNi5 under various pressures // Molecules. – 2023. – Vol. 28(3). – Art. 1256.Sato T., et al. Hydrogen absorption reactions of LaNi5 under various pressures // Molecules. – 2023. – Vol. 28(3). – Art. 1256.Liao X., et al. CALPHAD analysis of La–Ni–Al system and Al solubility in LaNi5 // Materials Sci. – 2020.Liao X., et al. CALPHAD analysis of La–Ni–Al system and Al solubility in LaNi5 // Materials Sci. – 2020.Palumbo M., Dematteis E., Fenocchio L., Cacciamani G., Baricco M. Advances in CALPHAD methodology for modeling hydrides: a comprehensive review // CALPHAD. – 2024.Palumbo M., Dematteis E., Fenocchio L., Cacciamani G., Baricco M. Advances in CALPHAD methodology for modeling hydrides: a comprehensive review // CALPHAD. – 2024.Hannappel P., et al. Predicting hydrogen-storage properties of multicomponent metal hydrides: modeling of pressure capacity hysteresis and slope // Comput. Mater. Sci. – 2025.Hannappel P., et al. Predicting hydrogen-storage properties of multicomponent metal hydrides: modeling of pressure capacity hysteresis and slope // Comput. Mater. Sci. – 2025.Hannappel P., et al. Advanced thermodynamic modeling of metal hydrides within CALPHAD framework // CALPHAD. – 2025.Hannappel P., et al. Advanced thermodynamic modeling of metal hydrides within CALPHAD framework // CALPHAD. – 2025.Nemukula E., Mtshali C. B., Nemangwele F. Metal hydrides for sustainable hydrogen storage: a review // Int. J. Energy Res. – 2025. – Art. 6300225.Nemukula E., Mtshali C. B., Nemangwele F. Metal hydrides for sustainable hydrogen storage: a review // Int. J. Energy Res. – 2025. – Art. 6300225.Yartys V. A., et al. Effects of Al partial substitution for Ni on properties of LaNi5₋xAlx alloys // Int. J. Hydrogen Energy. – 2020.Yartys V. A., et al. Effects of Al partial substitution for Ni on properties of LaNi5₋xAlx alloys // Int. J. Hydrogen Energy. – 2020.Liu C., et al. Effect of Al and Mn substitution on hydrogen activation and surface stability of LaNi5 // Int. J. Hydrogen Energy. – 2024.Liu C., et al. Effect of Al and Mn substitution on hydrogen activation and surface stability of LaNi5 // Int. J. Hydrogen Energy. – 2024.Singh A., Maiya M. P., Murthy S. S. Heat exchanger design in solid state hydrogen storage devices (LaNi4.7Al0.3 etc.) // Int. J. Hydrogen Energy. – 2019.Singh A., Maiya M. P., Murthy S. S. Heat exchanger design in solid state hydrogen storage devices (LaNi4.7Al0.3 etc.) // Int. J. Hydrogen Energy. – 2019.Todorova S., Abrashev B. Influence of very low Al substitution (x<0.1) on hydrogen capacity and cycling life of LaNi5−xAlx electrodes // J. Chem. Technol. Metall. – 2023. – Vol. 58. – No. 1. – P. 200–207.Todorova S., Abrashev B. Influence of very low Al substitution (x<0.1) on hydrogen capacity and cycling life of LaNi5−xAlx electrodes // J. Chem. Technol. Metall. – 2023. – Vol. 58. – No. 1. – P. 200–207.Liao X., Wang X., et al. Effects of Al partial substitution for Ni on structure and volume expansion of LaNi5 alloys // Trans. Nonferrous Met. Soc. China. – 2020. – Vol. 30, S1. – P. S967–S971.Liao X., Wang X., et al. Effects of Al partial substitution for Ni on structure and volume expansion of LaNi5 alloys // Trans. Nonferrous Met. Soc. China. – 2020. – Vol. 30, S1. – P. S967–S971.Kunselman C., Bocklund B., Otis R., Arroyave R. Analytical gradient based optimization of CALPHAD model parameters // arXiv. – 2025.Kunselman C., Bocklund B., Otis R., Arroyave R. Analytical gradient based optimization of CALPHAD model parameters // arXiv. – 2025.Zhang D., Prasad A., Bermingham M. J., et al. Grain refinement in LaNi5-based alloys via additive manufacturing and Al doping // Acta Materialia. – 2020.Zhang D., Prasad A., Bermingham M. J., et al. Grain refinement in LaNi5-based alloys via additive manufacturing and Al doping // Acta Materialia. – 2020.Dematteis E., Palumbo M., et al. CALPHAD modeling of metal hydrogen systems: a review // CALPHAD. – 2014.Dematteis E., Palumbo M., et al. CALPHAD modeling of metal hydrogen systems: a review // CALPHAD. – 2014.Delsante S., Parodi N., Novakovic R., Borzone G. Phase relations of the Sm–Ni–Al ternary system at 800 °C // J. Phase Equilib. Diffus. – 2024.Delsante S., Parodi N., Novakovic R., Borzone G. Phase relations of the Sm–Ni–Al ternary system at 800 °C // J. Phase Equilib. Diffus. – 2024.Sleiman, S.; Shahgaldi, S.; Huot, J. Investigation of the First Hydrogenation of LaNi5 // Reactions. – 2024. – Vol. 5.– P 419-428. https://doi.org/10.3390/reactions5030021Sleiman, S.; Shahgaldi, S.; Huot, J. Investigation of the First Hydrogenation of LaNi5 // Reactions. – 2024. – Vol. 5.– P 419-428. https://doi.org/10.3390/reactions5030021Chen B., Chen Y., Ren H., Hu R., Zhang J. Effect of Al substitution on the microstructure and hydrogen storage properties of LaNi5-based alloys // International Journal of Hydrogen Energy. – 2021. – Vol. 46, Issue 62. – P. 31786–31796. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.07.171Chen B., Chen Y., Ren H., Hu R., Zhang J. Effect of Al substitution on the microstructure and hydrogen storage properties of LaNi5-based alloys // International Journal of Hydrogen Energy. – 2021. – Vol. 46, Issue 62. – P. 31786–31796. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.07.171Liu Y., Chabane D., El-Kedim O., Bouzabata B., Liu Z., Zhang X., Liu X. Optimization of LaNi5 hydrogen storage properties by the combination of mechanical alloying and element substitution // International Journal of Hydrogen Energy. – 2024. – Vol. 53. – P. 394–402. – https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.12.038Liu Y., Chabane D., El-Kedim O., Bouzabata B., Liu Z., Zhang X., Liu X. Optimization of LaNi5 hydrogen storage properties by the combination of mechanical alloying and element substitution // International Journal of Hydrogen Energy. – 2024. – Vol. 53. – P. 394–402. – https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.12.038Cao D.L., Yang X.G., Zhu Y.J., Zhang M. Effects of Al partial substitution for Ni on properties of LaNi5–xAlx // Transactions of Nonferrous Metals Society of China.Cao D.L., Yang X.G., Zhu Y.J., Zhang M. Effects of Al partial substitution for Ni on properties of LaNi5–xAlx // Transactions of Nonferrous Metals Society of China.Ye R., Wang J., Liu S., Zhang J. Effects of Al and Mn substitution on the hydrogen storage performance of LaNi5 alloys // International Journal of Hydrogen Energy. – 2021. – Vol. 46, Issue 4. – P. 3767–3777. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.10.099Ye R., Wang J., Liu S., Zhang J. Effects of Al and Mn substitution on the hydrogen storage performance of LaNi5 alloys // International Journal of Hydrogen Energy. – 2021. – Vol. 46, Issue 4. – P. 3767–3777. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.10.099Available at: https://materialsproject.org (accessed: July 28, 2025)Available at: https://materialsproject.org (accessed: July 28, 2025)Xie, L., Cheng, N., Yang, X., Lin, W., Xie, L., Li, X., Zheng, J. Pd-modified LaNi5 nanoparticles for efficient hydrogen storage in a carbazole type liquid organic hydrogen carrier. – 2022.Xie, L., Cheng, N., Yang, X., Lin, W., Xie, L., Li, X., Zheng, J. Pd-modified LaNi5 nanoparticles for efficient hydrogen storage in a carbazole type liquid organic hydrogen carrier. – 2022.Patel R., Patel K., Upadhyay R.V., Mehta R.V. Effect of cooling rate on structural and hydrogen storage properties of LaNi5–xAlx intermetallics // Materials Today: Proceedings. – 2019. – Vol. 18. – P. 5374–5379. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S223878541930465XPatel R., Patel K., Upadhyay R.V., Mehta R.V. Effect of cooling rate on structural and hydrogen storage properties of LaNi5–xAlx intermetallics // Materials Today: Proceedings. – 2019. – Vol. 18. – P. 5374–5379. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S223878541930465XFaghihi D., Ziaei-Rad S., Shodja H.M. A coupled thermoelastic–plastic damage model for ductile failure // Computational Mechanics. – 2015. –Vol. 56, No. 4. – P. 613–632. https://doi.org/10.1007/s00466-015-1243-1Faghihi D., Ziaei-Rad S., Shodja H.M. A coupled thermoelastic–plastic damage model for ductile failure // Computational Mechanics. – 2015. –Vol. 56, No. 4. – P. 613–632. https://doi.org/10.1007/s00466-015-1243-1Zhou W., Zhang Y., Wang D., Sun Q., Li W., Chen Y. Hydrogen storage performances and mechanisms of LaNi5 alloy with hollow structure // Journal of Materials Science & Technology. – 2023. – Vol. 142. – P. 125–134. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2022.03.038Zhou W., Zhang Y., Wang D., Sun Q., Li W., Chen Y. Hydrogen storage performances and mechanisms of LaNi5 alloy with hollow structure // Journal of Materials Science & Technology. – 2023. – Vol. 142. – P. 125–134. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2022.03.038

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