V-Pd(Fe)体系合金的结构调制及氢渗透性能研究

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氢能是一种可持续、高燃烧热值、环境友好和贮存形式多样的二次能源,而氢气的分离和纯化工艺是氢能得以应用的一个重要环节,目前的合金氢渗透膜材料中只有Pd-Ag合金实现了商业化的应用,该类合金表现出良好的氢渗透性能和抗氢脆性能,但是由于Pd资源的稀有以及较高的成本很难实现大规模工业化的应用。因此,亟待寻找可替代Pd(或Pd基合金)的非Pd基合金氢渗透材料。VB族金属钒(V)具有高的氢渗透率成为广大研究者的研究热点。然而,V金属的氢溶解度较高,纯V作为渗氢膜材料使用容易出现氢脆,造成膜结构的破坏,无法满足渗氢工作。为了解决金属V易于氢脆的问题,通过元素掺杂合金化对金属V进行结构调制以降低其氢溶解度,改善其抗氢脆性能。本文根据“晶格匹配”的概念设计V基合金,研究探讨了Fe、Pd元素掺杂对V基固溶体晶体结构及渗氢性能的影响。主要工作如下:(1)采用非自耗高真空电弧熔炼炉法制备了V100-xFex(x=2,4,8)二元固溶体合金,XRD分析表明V100-xFex(x=2,4,8)合金是单相结构(BCC),Fe掺杂形成V-Fe固溶体,引起金属V晶格常数减小,晶格产生收缩畸变,晶格收缩畸变程度随着Fe掺杂量的增加而增大。V-Fe合金氢溶解度随掺杂量的增加而降低、吸氢反应吸氢焓随之增大、力学性能得到提高,改善V基合金抗氢脆性能。研究发现:在673 K温度下,V92Fe8合金氢渗透系数为7.85×10-8 mol H2 m-1s-1Pa-0.5,具有较好的综合渗氢性能,是相同渗氢条件下纯Pd渗氢性能4.90倍。(2)采用非自耗高真空电弧熔炼炉法制备了V100-xPdx(x=2,4,8)二元固溶体合金,XRD分析表明V100-xPdx(x=2,4,8)合金是单相结构(BCC),Pd掺杂形成V-Pd固溶体,引起金属V晶格常数增大,晶格产生膨胀畸变,晶格膨胀畸变程度随着Pd元素掺杂量的增加而增大。Pd元素掺杂可以显著降低钒基合金的氢溶解度、增加吸氢反应的吸氢焓、提高力学性能,改善V基合金抗氢脆性能。V100-xPdx(x=2,4,8)体系合金都有很高的氢渗透系数,且氢渗透系数随温度的增加而变大,随着掺杂量的增加而降低。研究发现:在673 K温度下,V92Pd8氢渗透系数为10.221×10-8 mol H2 m-1s-1Pa-0.5,具有很好的综合氢渗透性能,是相同渗氢条件下纯Pd渗氢性能的6.38倍。(3)采用高真空非自耗电弧熔炼炉法制备了V100-2xPdxFex(x=1,2,4)三元合金,XRD精修结果表明V100-2xPdxFex(x=1,2,4)三元合金是单相结构(BCC),Pd、Fe元素都固溶在金属V中,二者共掺杂时晶格常数趋于金属V,晶格畸变程度最小。V金属的氢溶解度随着Pd、Fe掺杂量的增加而降低,吸氢焓也随之增加,抗氢脆性能得到改善。V100-2xPdxFex(x=1,2,4)铸态合金的氢渗透系数随掺杂量的增加而降低,在同等条件下,V100-2xPdxFex(x=1,2,4)铸态合金的氢渗透系数要高于V100-xFex(x=2,4,8)体系合金,低于V100-xPdx(x=2,4,8)合金。研究发现:掺杂量越高,V基合金氢溶解度越低,抗氢脆性能越好,在673 K温度下,V92Pd4Fe4氢渗透系数为8.717×10-8 mol H2 m-1s-1Pa-0.5,合金表现出良好的渗氢综合性能,是相同条件下Pd的5.45倍,“晶格匹配”可以维持V金属较高的渗氢性能。
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