Nb-Zr-Ni(Co)系合金组织和渗氢性能研究

摘要

氢能源作为一种清洁绿色新能源，越来越引起人们的重视，而氢气的分离提纯是氢气利用的关键环节，本文探索和研究了可替代纯钯的Nb-Zr-Ni三元系和Nb-Zr-Ni-Co四元系氢分离合金膜材料。论文中选取了两种合金系39个成分进行配制和熔炼，利用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射分析(XRD)等方法对合金的铸态微观组织和结构进行分析，从而获得了满足“多相构成，功能分担”氢分离合金设计理念的成分范围，在理想的成分范围内选择了15个成分进行氢渗透实验，研究了合金的渗氢性能，总结出合金的渗氢性能与成分、组织之间的关系。并对发生断裂的合金断口进行分析，得出了合金中各相的断裂类型。
　　在Nb-Zr-Ni三元合金中，当Zr/Ni(at％)=1:1时，过共晶成分(Nb含量大于13at%)的合金是本文较理想的渗氢成分范围，组织中包含可渗氢的初生Nb相和抵抗氢脆的{Nb+ZrNi}二元共晶基体相，随着Nb含量的升高，合金的氢渗透性随初生Nb相体积分数的升高而升高，抗氢脆性能随着共晶基体相体积分数的降低而下降，Nb30Zr35Ni35和Nb40Zr30Ni30成分的合金膜片表现出了氢渗透率和抗氢脆能力的良好配合，具有较好的应用前景；当Zr/Ni(at%)≠1:1时，合金中出现了Zr2Ni、ZrNi2、Zr2Ni7、NbNi等杂质相，导致合金抗氢脆性能严重恶化，不适合用作渗氢材料。
　　在Nb-Zr-Ni-Co四元合金中，Nb30Zr35Ni35-XCoX和Nb40Zr30Ni30-XCoX系列合金的组织都含有初生Nb相和{Nb+ZrNi(Co)或 ZrCo(Ni)}二元共晶相，合金的氢渗透性与这两相有关，随着Co含量的升高，合金的氢渗透率随之升高，这两个系列合金分别当Co含量为10at%和15at%时，氢渗透率达到最大值，是纯钯氢渗透率的2.3倍和2.9倍(673K)，而且合金的抗氢脆能力也较好；而当Co含量继续升高时，由于组织中出现了{Nb+ZrNi(Co)或ZrCo(Ni)+Zr2Ni(Co)或Zr2Co(Ni)}三元共晶相，并且三元共晶相体积分数随之增加，由于三元共晶相使合金的抗氢脆性能严重恶化，因此不能用作渗氢材料。
　　合金的氢脆主要由初生相Nb在渗氢过程中的脆性引起，初生Nb相的断裂呈明显的脆性断裂，而共晶基体相呈现韧性断裂的形貌。另外，初生Nb相和共晶基体相的界面结合能力也是影响合金膜片断裂的一个重要原因。

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第1章 绪论

1.1 氢能源研究的重要性

1.2 氢气纯化方法比较

1.3多种氢分离膜材料比较

1.4透氢金属膜材料的发展

1.4金属膜的渗氢机理及计算模型

1.5 Nb基多元渗氢合金的发展

1.6 Nb-Zr-Ni氢渗透合金膜的研究现状

1.7 Nb-Ti-Zr-Ni-Co氢渗透合金膜研究现状

1.8 本文的研究内容

第2章 实验材料与实验方法

2.1 研究方案

2.2实验所涉及合金成分的选择

2.3实验方法和分析方法

第3章 Nb-Zr-Ni(Co)合金铸态微观组织研究

3.1 Nb-Zr-Ni三元合金铸态的微观组织

3.2 Nb-Zr-Ni-Co四元合金铸态的微观组织

3.3本章小结

第4章 Nb-Zr-Ni(Co)合金的渗氢性能

4.1 引言

4.2 Nb-Zr-Ni三元合金的渗氢性能

4.3 Nb-Zr-Ni-Co四元合金的渗氢性能

4.4 Nb-Zr-Ni(Co)合金的氢脆断口分析

4.5 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢