СУТЕК САҚТАУ ЖҮЙЕЛЕРІНЕ АРНАЛҒАН LaNi₅-Al ЖҮЙЕСІН ТЕРМОДИНАМИЯЛЫҚ МОДЕЛЬДЕУ АРҚЫЛЫ ОҢТАМАЛАНДЫРУ

Бұл жұмыста Thermo-Calc бағдарламалық қамтамасын қолдану арқылы La-Ni-Al жүйесіндегі фазалық тепетеңдікті термодинамикалық модельдеу нәтижелері ұсынылған. Зерттеу мақсаты - алюминиймен легирленген материалдардың құрамын және синтерлеу режимдерін оңтайландыру арқылы CaCu₅ құрылымын сақтау және тұрақты гидридтік қасиеттерге қол жеткізу. Температурасы 750–950 ℃ аралығында болатын жағдайда, алюминийдің массалық үлесі 5–20% болған кездегі фазалық диаграмма қималары салынды және Гиббс энергиясы мен энтальпиясы секілді термодинамикалық параметрлер есептелді. Нәтижелер көрсеткендей, егер алюминийдің мөлшері 5–10 масс.% аралығында болса, LaNi5 фазалық аймағы сақталады және екінші реттік фазалар өте аз түзіледі. Ал 15–20 масс.% деңгейінде болса, NiAl (ОЦК_B2) интерметалликтері мен La₂Ni₇ сияқты сирек жер элементтері қосылыстары түзіледі және сұйық фаза пайда болады. Шайле ережесі бойынша жүргізілген есептеулер көрсеткендей, алюминийдің 10 масс.% шегінен асқан кезде ол сұйық фазаға ауысады, бұл бастапқы құрылымның бұзылуына және материалдың сутегімен жұмыс істеу қасиеттерінің нашарлауына алып келеді. Алынған нәтижелер жаңа буынға арналған металлогидридті сутегі сақтау жүйелерін жасау үшін тиімді синтез және легирлеу жағдайларын анықтауға мүмкіндік береді.

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