透氫V55Ti30Ni15合金的制備工藝及組織性能研究.pdf

1、近年來(lái)，隨著市場(chǎng)對(duì)清潔能源氫的需求增加，高效、質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的氫提純膜材料受到廣泛關(guān)注。目前已經(jīng)商業(yè)化應(yīng)用的Pd-Ag合金膜由于成本高昂限制了其的廣泛應(yīng)用。擁有較低成本、高氫滲透率和機(jī)械穩(wěn)定性能的多相V55Ti30Ni15合金成為一種潛在替代Pd-Ag合金的新型合金材料。目前對(duì)透氫V55Ti30Ni15合金的成形性、力學(xué)性能、抗毒化性以及加工成形前后氫滲透性能均未有相關(guān)研究，因此本文對(duì)此進(jìn)行系統(tǒng)研究很有必要，以促進(jìn)V-Ti-Ni多相合金膜的推

2、廣應(yīng)用。
　　針對(duì)合金氬弧熔煉的特點(diǎn)，研究了冷卻速率對(duì)鑄態(tài)V55Ti30Ni15合金顯微組織和硬度影響規(guī)律，分析V基固溶體(Vss)體積分?jǐn)?shù)、滲透溫度和壓力與合金氫滲性能之間的關(guān)系。研究表明鑄態(tài)合金二次枝晶臂寬度、二次枝晶臂間距及Vss的尺寸和體積分?jǐn)?shù)均是隨著冷卻速率的增大而減小，而顯微硬度值呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。400℃的V55Ti30Ni15合金氫滲透率與Vss體積分?jǐn)?shù)成線性關(guān)系，且隨滲透溫度的增加而增加，氫滲透通量隨滲透壓增大而

3、增加。
　　為了分析不同溫度和濃度下雜質(zhì)氣體對(duì)合金氫滲透性能影響機(jī)理，測(cè)試了H2S、CO和CO2三種雜質(zhì)氣體對(duì)V55Ti30Ni15合金毒化效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)三種雜質(zhì)氣體對(duì)合金的氫滲透率降低程度H2S最嚴(yán)重，CO次之，CO2最小。在低濃度低溫(250-300℃)時(shí)，氣體的競(jìng)爭(zhēng)吸附導(dǎo)致合金膜氫滲透率下降，溫度升高(350-400℃)，系統(tǒng)內(nèi)分子熱運(yùn)動(dòng)變得更快更強(qiáng)，氣體競(jìng)爭(zhēng)吸附效果減弱，雜質(zhì)氣體對(duì)透氫率影響不明顯。而當(dāng)雜質(zhì)氣體濃度增大，雜

4、質(zhì)氣體對(duì)氫氣傳質(zhì)的阻塞作用開(kāi)始占主導(dǎo)作用，溫度越高，氣體之間互擴(kuò)散系數(shù)增大，阻礙作用越大，氫滲透降低越嚴(yán)重。
　　針對(duì)氬弧熔煉后鑄錠出現(xiàn)的亞穩(wěn)相及不易軋制等缺點(diǎn)，采用X射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)和能譜分析技術(shù)(EDS)，研究了透氫V55Ti30Ni15合金的均勻化熱處理工藝，分析熱處理對(duì)合金微觀組織演變、硬度變化、相析出的影響規(guī)律。結(jié)果顯示，鑄態(tài)合金熱處理后顯微硬度變化主要原因是熱處理過(guò)程中發(fā)生在V

5、ss上的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變，Vss中析出和溶入納米級(jí)NiTi粒子，導(dǎo)致合金的硬度降低和升高。NiTi粒子對(duì)Vss的析出強(qiáng)化作用弱于Ni、Ti元素的固溶強(qiáng)化作用。800℃/18h是V55Ti30Ni15合金合適的均勻化熱處理工藝參數(shù)。
　　對(duì)V55Ti30Ni15合金在熱處理過(guò)程中Vss邊界出現(xiàn)的無(wú)析出區(qū)(PFZ)進(jìn)行研究，分析其可能的形成機(jī)理及對(duì)合金軋制變形的影響。結(jié)果表明在合金均勻化初期或溫度較低時(shí)，PFZ形成可能是空位貧乏造成的;

6、而在保溫時(shí)間延長(zhǎng)或溫度升高階段，PFZ寬度增加可能是空位貧化和溶質(zhì)原子貧化同時(shí)造成的。PFZ使NiTi2相產(chǎn)生的裂紋被限制在無(wú)析出區(qū)內(nèi)，起到限制裂紋擴(kuò)展的作用。
　　對(duì)V55Ti30Ni15合金在中低溫下的軋制性能進(jìn)行了測(cè)試和分析，利用TEM等技術(shù)探索了合金在中低溫下的變形機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)合金的軋制性能隨著溫度升高而提高，顯微組織變得更加均勻，熱處理提高了合金30％以上單道次極限軋制率。圓形納米NiTi析出粒子和Vss界面屬于共格界

7、面，在軋制過(guò)程中沿軋制方向被拉長(zhǎng)。合金在室溫下軋制，變形機(jī)制為滑移;在中溫(700℃)軋制時(shí)，以滑移為主要變形機(jī)制，同時(shí)伴有動(dòng)態(tài)回復(fù)的軟化機(jī)制。隨著合金軋制變形量增加，合金晶粒由在(211)晶面方向上具有明顯的取向逐步變?yōu)樵?200)晶面方向上取向明顯;低溫下軋制對(duì)合金晶粒取向變化無(wú)明顯影響，均在(200)晶面方向上取向明顯，而在700℃軋制合金晶粒取向明顯減弱;合金軋制后退火能消除合金軋制變形后晶粒取向。
　　為了研究成形工藝對(duì)

8、合金力學(xué)性能和氫滲透性能的影響，對(duì)V55Ti30Ni15合金進(jìn)行室溫拉伸測(cè)試和400℃氫滲透測(cè)試。研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)軋制退火后，合金強(qiáng)度比鑄態(tài)合金低約20％，但延伸率卻比鑄態(tài)合金提升約25％。氫滲透率也恢復(fù)到鑄態(tài)的水平，滲透通量是鑄態(tài)合金的近5倍。說(shuō)明軋制和隨后的高溫退火處理工藝對(duì)于成形透氫V-Ti-Ni合金是行之有效的。合金中的缺陷（如位錯(cuò)）、顯微組織各向異性等均對(duì)合金的氫滲透率有很大影響。高密度的位錯(cuò)是氫陷阱位置，捕捉住擴(kuò)散中的氫原子，導(dǎo)致