Nb-Ti(Hf)-Co共晶合金氫溶解與氫擴散性能.pdf

1、近年來，在5B族金屬如Nb、V中添加適量合金化元素(如Ti、Ni、Co及Hf等)，獲得具有初生Nb/V相和共晶體或全共晶的微觀組織，開發(fā)出了一系列同時具有高滲氫和抗氫脆性能的新型氫分離金屬膜材料，如 Nb-Ti-Ni、Nb-Ti-Co、Nb-Hf-Ni和Nb-Zr-Ni等。本文以Nb30Ti35-xHfxCo35（x=0,10,17.5）合金為研究對象，利用掃描電子顯微鏡（SEM）和X射線衍射分析（XRD）等首先研究了元素Hf替代Ti后

2、，合金鑄態(tài)微觀組織及相組成的變化規(guī)律，然后利用Sieverts裝置，獲得了各合金的吸氫PCT曲線，分析了溫度、壓力和Hf含量對合金氫溶解的影響規(guī)律，進(jìn)一步利用time-lag法獲得氫在合金內(nèi)的擴散特性。
　　Nb30Ti35-xHfxCo35（x=0,10,17.5）鑄態(tài)合金由全共晶組織構(gòu)成，Nb30Ti35Co35合金包括[bcc-Nb+B2-TiCo]，Nb30Ti25Hf10Co35合金包括[bcc-Nb+B2-(Ti, H

3、f)Co]，而Nb30Ti17.5Hf17.5Co35則包括[bcc-Nb+ orthorhombic-(Hf, Ti)Co]。值得注意，(Ti, Hf)Co是Hf置換B2-TiCo中部分Ti原子后形成的B2型化合物，具有韌性特征，而(Hf, Ti)Co是Ti置換orthorhombic-HfCo中部分Hf原子后形成的斜方晶型化合物，具有明顯的脆性特征。因此，Nb30Ti35-xHfxCo35系氫分離合金中的Hf含量應(yīng)該小于Ti含量，以

4、提高抗氫脆性能。
　　通過 Sieverts裝置對上述合金進(jìn)行吸氫性能測試并獲得合金吸氫 PCT曲線，研究發(fā)現(xiàn)：由于H在合金中的溶解過程釋放熱量，合金膜片的氫溶解含量隨著溫度的升高逐漸減小。隨著合金中Hf含量的逐漸增加，合金的氫溶解系數(shù)K逐漸增大，氫溶解性能增強，573K下，Nb30Ti17.5Hf17.5Co35合金的氫溶解系數(shù)為17.75 mol H2m-3Pa-1/2，約為相同條件下Nb30Ti35Co35合金的1.3倍，是

5、金屬鈀的4.5倍。對Nb30Ti35-xHfxCo35（x=0,10,17.5）合金吸氫后進(jìn)行XRD測試，表明，Nb30Ti35Co35和Nb30Ti25Hf10Co35合金只有共晶體中的bcc-Nb相吸氫，并最終生成NbH氫化合物，其共晶體中的B2-TiCo、B2-(Ti，Hf)Co相不吸氫。但對于Nb30Ti17.5Hf17.5Co35合金，其共晶體中的bcc-Nb和orthorhombic-(Hf, Ti)Co相都具有較強的吸氫能

6、力，最終形成NbH和(Hf, Ti)CoH氫化物。綜合Nb30Ti35-xHfxCo35（x=0,10,17.5）合金鑄態(tài)微觀組織和氫溶解性能，可確定，Nb30Ti25Hf10Co35合金是氫分離合金的首選材料。一方面，其具有較高的氫溶解性能，有利于改善氫滲透性；另一方面，合金共晶結(jié)構(gòu)中的B2型化合物相具有韌性特性，有利于抗氫脆。
　　利用Time-lag法獲得了氫在Nb30Ti35Co35及Nb30Ti25Hf10Co35合金內(nèi)

7、的氫擴散系數(shù)，并計算獲得合金的晶格擴散系數(shù)。表明，Hf替代 Ti后，合金原子之間的距離被拉大，氫原子在各個間隙位置之間的移動變得困難，降低了合金膜片的氫擴散系數(shù)；隨著溫度的升高及合金中溶解的氫含量（H/M）增加，合金的表觀擴散系數(shù)DH增大，673K時，隨著Nb30Ti25Hf10Co35合金中氫含量由0.1242增加到0.24654，合金的氫擴散系數(shù)增大了3.2倍，達(dá)到12.76×10-10m2s-1，約為573K下該合金氫擴散系數(shù)的4