ОПТИМИЗАЦИЯ УСЛОВИЙ СПЕКАНИЯ СИСТЕМЫ LaNi₅-Al ДЛЯ ВОДОРОДО-АККУМУЛИРУЮЩИХ СИСТЕМ ПУТЕМ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

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.

1. Умирзаков С. А., Баймуратов А. С. Перспективы развития водородной энергетики в Республике Казахстан // Вестник НИЯУ МИФИ. Казахстанское издание. – 2021. – № 3(11). – С. 57–63.

2. 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.

3. 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.

4. International Renewable Energy Agency (IRENA). Hydrogen: A Renewable Energy Perspective. – Abu Dhabi: IRENA, 2019. – 52 p.

5. 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.

6. Тулегенов Б. Т., Ашимов А. С. Развитие альтернативной энергетики в Республике Казахстан // Известия НАН РК. Серия энергетика. – 2020. – № 3. – С. 21–28.

7. Калдыгулова Г. К., Абдуллина А. М. Потенциал возобновляемых источников энергии в Казахстане и пути его реализации // Энергетика Казахстана. – 2019. – № 4. – С. 14–20.

8. 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.

9. Министерство энергетики Республики Казахстан. Национальный доклад о состоянии и перспективах развития энергетики в РК. – Астана: МЭ РК, 2023. – 84 с.

10. 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/ac4626

11. Mukhamedova 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/ma18092131

12. Skakov, 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/ma15165560

13. 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.

14. Briki C., et al. Experimental investigation of microstructures and hydrogen properties in Al substituted LaNi5 alloys // Int. J. Hydrogen Energy. – 2023.

15. 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.

16. Sleiman S., et al. Mechanism of hydrogen absorption by LaNi5 // Materials Today Energy. – 2024. – Vol. 5. – Art. 021.

17. Sato T., et al. Hydrogen absorption reactions of LaNi5 under various pressures // Molecules. – 2023. – Vol. 28(3). – Art. 1256.

18. Liao X., et al. CALPHAD analysis of La–Ni–Al system and Al solubility in LaNi5 // Materials Sci. – 2020.

19. Palumbo M., Dematteis E., Fenocchio L., Cacciamani G., Baricco M. Advances in CALPHAD methodology for modeling hydrides: a comprehensive review // CALPHAD. – 2024.

20. Hannappel P., et al. Predicting hydrogen-storage properties of multicomponent metal hydrides: modeling of pressure capacity hysteresis and slope // Comput. Mater. Sci. – 2025.

21. Hannappel P., et al. Advanced thermodynamic modeling of metal hydrides within CALPHAD framework // CALPHAD. – 2025.

22. Nemukula E., Mtshali C. B., Nemangwele F. Metal hydrides for sustainable hydrogen storage: a review // Int. J. Energy Res. – 2025. – Art. 6300225.

23. Yartys V. A., et al. Effects of Al partial substitution for Ni on properties of LaNi5₋xAlx alloys // Int. J. Hydrogen Energy. – 2020.

24. Liu C., et al. Effect of Al and Mn substitution on hydrogen activation and surface stability of LaNi5 // Int. J. Hydrogen Energy. – 2024.

25. 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.

26. 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.

27. 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.

28. Kunselman C., Bocklund B., Otis R., Arroyave R. Analytical gradient based optimization of CALPHAD model parameters // arXiv. – 2025.

29. Zhang D., Prasad A., Bermingham M. J., et al. Grain refinement in LaNi5-based alloys via additive manufacturing and Al doping // Acta Materialia. – 2020.

30. Dematteis E., Palumbo M., et al. CALPHAD modeling of metal hydrogen systems: a review // CALPHAD. – 2014.

31. 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.

32. 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/reactions5030021

33. Chen 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.2021.07.171

34. Liu 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.2023.12.038

35. 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.

36. 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.2020.10.099

37. Available at: https://materialsproject.org (accessed: July 28, 2025)

38. 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.

39. 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/S223878541930465X

40. Faghihi 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/s00466-015-1243-1

41. Zhou 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