Nb-Pd-Ti-Co氢分离合金微观组织与氢传输性能

发布时间：2020-05-26 08:52

【摘要】：研究表明Nb-Ti-Co氢分离合金具有高氢渗透性能,但由于共晶组织高氢溶解度导致合金抗氢脆性能不足,且由于高温氢渗透过程中合金表面Pd催化膜与基体发生互扩散,导致氢渗透性能衰退,故本文通过加入Pd来调控共晶结构进而提高合金氢传输性能。本文运用元素置换法,用元素Pd置换Nb-Ti-Co中等比例的Ti和Co,形成Nb-Pd-Ti-Co新型氢分离合金,研究元素Pd对合金微观组织和氢传输性能的影响规律,得到同时具有优异氢渗透性能、优异抗氢脆性能以及良好高温持久氢渗透性的氢分离合金。对Nb30Pdx Ti35-x/2Co35-x/2(x=0,5,10,15,20)合金的XRD、SEM和EDS结果分析表明,当加入的Pd量x≤10时,合金物相主要由bcc-Nb相和B2-Ti Co相组成,组织仍然保持全共晶的结构,加入的元素Pd主要固溶于B2-Ti Co相中,仅有少量固溶于bcc-Nb相中,其对微观组织的主要影响是使共晶中两相层片间距变大和晶界处的bcc-Nb相和B2-Ti Co相发生粗化。当Pd加入量x=15时,组织组成为初生B2-Ti Co相加共晶相,且随着Pd的继续加入初生B2-Ti Co相逐渐增多。对全共晶Nb30Pdx Ti35-x/2Co35-x/2(x=0,5,10)合金进行氢溶解测试,发现元素Pd置换Ti和Co能较大幅度地降低合金的氢溶解度,即Pd能有效降低共晶组织的氢溶解度。对全共晶合金进行氢渗透测试,发现元素Pd置换Ti和Co后会降低合金的渗透性能,且随着Pd元素添加量的增多,氢渗透性能降低幅度越大。根据计算合金扩散系数,Pd逐渐置换合金中的Ti、Co后,合金的氢扩散系数先降低后增加,这是合金本征扩散系数和热力学因子综合作用的结果。全共晶Nb30Pdx Ti35-x/2Co35-x/2(x=0,5,10)三个合金在缓冷过程中没有发生氢脆,但相比与Nb30Ti35Co35合金,加入Pd后形成的合金表现出更优异的抗氢脆性能,即Pd的加入能进一步提高合金的抗氢脆性能。在6小时高温氢渗透实验后,Nb30Ti35Co35氢渗透系数降低了73.31%,而Nb30Pd10Ti30Co30仅降低了38.72%,Pd的加入能有效的降低高温氢渗透过程中基体与Pd膜之间的互扩散,显著提高了全共晶合金的高温持久氢渗透性。进一步探究加入Pd对亚共晶氢分离合金的微观组织和氢传输性能的影响发现,亚共晶Nb52Pdx Ti25-25x/48Co23-23x/48(x=0,5,10)合金组织仍初生Nb相加共晶相组成,加入的Pd对初生bcc-Nb相没有影响,但对共晶晶界处的Bcc-Nb相和B2-Ti Co相发生粗化,而且Pd加入量x=5,Pd主要固溶于共晶组织中,初生Nb相中几乎没有,当Pd加入量x=10时,固溶于初生Nb相中的Pd增多。氢溶解测试表明,Pd的加入能降低Nb52Ti25Ni23合金的氢溶解度。氢渗透和抗氢脆性能测试表明,Nb52Pd5Ti22.4Co20.6合金的氢渗透性能与Nb52Ti25Ni23合金相比仅发生轻微降低,但合金的抗氢脆性能得到了提高,说明Pd的加入对共晶组织进行了调控,提高了多相合金中共晶组织承担抗氢脆性能的能力,而Nb52Pd10Ti19.8Co18.2合金氢渗透性能发生了较大的降低,说明Pd加入较多时对合金的氢渗透性能降低太多。6小时高温氢渗透实验表明,Nb52Ti25Ni23氢渗透系数降低了76.11%,而Nb52Pd10Ti19.8Co18.2仅降低了49.87%,加入Pd能提高Nb52Ti25Ni23合金的高温持久氢渗透性。研究发现Nb52Pd5Ti22.4Co20.6合金具有良好的综合性能:在673K温度下,氢渗透系数为2.78×10-8mol H2 m-1s-1Pa-0.5,为纯Pd的1.74倍,在冷却到室温后仍然没有发生氢脆,6小时高温氢渗透实验后氢渗透系数降低了62.48%。
【图文】：

氢渗透,合金,系数,限业

际应用的金属膜主要是纯 Pd 及 Pd 基合金膜，Pd 基合金 Pd 金属地球存储量很少，，导致价格非常高，这极大的限业提纯氢上的大规模使用。对此，研究能代替贵金属 P离合金膜材料具有迫切的要求。研究表明，元素周期表和 Ta)[17]具备优异的氢渗透性能。图 1-1 为几种金属氢渗

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金属膜分离氢气原理图
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG139

【参考文献】