Nb（V）-Ti-Co合金显微组织与氢传输性能研究

作     者：葛晓宇 

作者单位：桂林电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：闫二虎

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：Nb(V)-Ti-Co合金 显微组织 DBTC 氢渗透性能 氢溶解度 

摘      要：目前,氢气分离技术被广泛应用于氢气纯化领域,并且Pd基金属氢分离膜已被商业应用。但是其在成本、稀缺性以及耐久性上存在局限性,不适合大规模的商业应用。5B族金属由于其优异的氢渗透性、良好的机械性能有望成为Pd及其合金的替代品。其中,Nb-Ti-Co系以及V-Ti-Co系氢分离合金具有较高的渗氢性能与抗氢脆性能,被认为是极具研究前景的氢分离合金。但是,到目前为止,上述合金膜的持久性能还需改善,两种合金体系中渗氢性能不同的原因至今也不清楚。基于此,本文对Nb（V）-Ti-Co氢分离合金开展一系列研究工作,重点对其相图、显微组织、氢传输行为、力学性能和氢脆机理进行了研究,具体内容如下:1.在本课题组前期研究基础上,探索Nb-Ti-Co合金近共晶点附近合金的显微组织、力学性能和渗氢性能,研究结果表明:合金均由初生相(Ti Co相/bcc-（V,Ti）相)和共晶{bcc-（V,Ti）+Ti Co}相构成,随着Nb含量的增加,合金中共晶相逐渐降低,NbTiCo合金具有最大含量的bcc-（V,Ti）相。另外,合金的吸氢量随温度的升高而增加,且随着合金Nb含量的增加而增加。相应的,合金的渗氢性能随着bcc-（V,Ti）相的增加而逐渐变大,NbTiCo合金具有最大的渗氢性能,在673 K时为3.64×10 mol·H·m·s·Pa,约是同等实验测试条件下纯Pd的2.3倍。2.在以上工作基础上,在Nb-Ti-Co合金中添加V,形成新型（V,Nb）-Ti-Co合金,并对其显微组织演变、渗氢性能、氢溶解性能进行了系统研究。研究结果表明:随着V的添加,合金中逐渐出现杂质相(Co（V,Nb）、CoNb),随着Nb的逐渐被替代,合金的吸氢量随之降低,而渗氢性能先降低后增加。NbTiCo合金在673 K时的透氢性为2.77×10 mol·H·m·s·Pa,约为纯Pd的1.7倍。另外,结合（V,Nb）-Ti-Co合金的PCT曲线,初步探索了合金的DBTC区间,约为0.36 H/M左右,该值扩大了与V基单相合金的DBTC的差距,这为设计高抗氢脆性能合金提供了依据和参考。3.在（V,Nb）-Ti-Co合金系的研究基础上,研究了V-Ti-Co合金的相图以及VTiCo（x=-6,-3,0,3,6,9）合金显微组织,力学性能、腐蚀性能和渗氢性能。结果表明:合金相图中有8个相区(bcc-（Nb,Ti）、Ti Co、Sigma（Co V）、fcc、Ti Co（h）、Ti Co（c）、Ti Co以及TiCo),6个平衡凝固反应为:U(L+Ti Co→Ti Co（h）+Ti Co（c）),U(L+sigma（Co V）→bcc-（V,Ti）+Ti Co),U(L+Ti Co→Ti Co（h）+sigma（Co V）),U(L+Ti Co→Ti Co（h）+fcc),P(L+Ti Co+bcc-（V,Ti）→TiCo),E(L→Ti Co+Ti Co（h）+sigma（Co V）)。VTiCo合金中V含量为23.5 at%时,形成共晶{bcc-（V,Ti）+Ti Co}组织,当含量低于或者高于23.5 at%时,会伴随有初生Ti Co相和bcc-（V,Ti）相的析出。6种合金中,VTiCo合金的力学性能与耐腐蚀性能均最好,这主要取决于合金内部较高的共晶含量。另外,该合金还具有最大的渗氢性能,在673 K时Φ值为4.05×10mol·H·m·s·Pa,为同等条件下纯Pd的2.5倍。