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本论文工作采用XRD、SEM、EDS等分析检测手段观察并分析了Nb-Fe、Nb-Ti-Ni和Nb-Ti-Zr-Ni合金的组织特征,并利用室温拉伸、氢渗透及P-C-T实验检测了合金的抗氢脆性能和氢渗透系数。利用磁控溅射镀膜制备了Pd/Nb40Ti30Ni30/Pd/多孔Ni支撑体复合膜,并对复合膜的性能进行了表征。主要研究内容包括:
制备了Nb70Fe30合金,分析并表征了其显微组织及氢渗透性能。该合金具有共晶组织包围先析出相的复相组织特征；BCC-Nb相在氢环境下大量吸氢,并在较低温时形成氢化物；共晶组织因FeNb相的脆性而不能抑制先析出相的吸氢膨胀,合金抗氢脆性能极差。添加Fe元素未能改善Nb合金的氢渗透性能。
通过在Nb中添加Ni、Ti合金元素制备了Nb-Ti-Ni合金,结合组织分析的结果分析讨论了Ni、Ti对合金氢渗透性能的影响及其作用机理。Nb100-2XxTixNix合金具有共晶组织{BCC-Nb}NiTi>包围先析出相(BCC-Nb)的组织特征。先析出相具有较好的氢溶解度和氢扩散系数,为主要的渗氢相；由BCC-Nb粒子弥散分布于TiNi相中构成的共晶组织具有较好的力学性能,通过抑制先析出相的吸氢膨胀而起抗氢脆作用。Ni、Ti的含量增加导致先析出相的Ni、Ti固溶量增加而尺寸和体积份数逐渐降低,合金的氢渗透系数迅速降低；但共晶组织的体积份数增加,合金的断裂强度和延伸率升高,吸氢后合金的强度和延伸率下降减少,有利于提高Nb100-2xTixNix合金的抗氢脆性能。
用Zr替代Nb40Ti30Ni30合金中的Ti,研究了Zr含量对Nb40Ti30-xZrxNi30合金组织及氢渗透性能的影响。Zr对合金中先析出相和共晶组织的体积份数影响不大,而使先析出相中Ni、Ti的固溶量和共晶组织中NiTi相的含量明显降低。尽管Zr未增加先析出相的体积份数,但明显增加了先析出相及共晶组织的氢渗透系数,合金的氢渗透系数明显增加。Zr的含量增加,增加了先析出相的吸氢膨胀,并降低了共晶组织的断裂强度和延伸率,合金的抗氢脆性能变差。由于大量吸氢并有氢化物相生成,Nb40Ti15Zr15Ni30合金在573K以下表现为氢脆而Nb40Zr30Ni30合金表现为强烈的氢脆敏感性。适当的Zr量,可使Nb40Ti30-xZrxNi30合金既具有较高的氢渗透系数又能保持较好的抗氢脆性能。
设计并制备了具有致密金属膜-多孔支撑体复合结构的Pd/Nb40Ti30Ni30/Pd/多孔Ni支撑体复合膜,多孔支撑体帮助表面金属膜承受渗透压力差产生的应力,而致密金属膜在氢纯化过程中起氢选择性渗透作用。多孔Ni支撑体采用将Ni粉压缩并在氢环境中进行还原烧结的方法成功制备；Pd/Nb40Ti30Ni30/Pd金属膜层采用磁控溅射的方法制备。Nb40Ti30Ni30合金成膜性能研究表明:磁控溅射Nb40Ti30Ni30膜结构致密、成分均匀,沉积态膜为非晶态结构；退火态膜由共格析出的纳米级BCC-Nb和TiNi相组成。基片预热温度升高,膜致密度增加,其硬度和弹性模量升高。
表面金属膜厚度大于3μm时,复合膜具有氢唯一选择性渗透特征。厚度为12μm时,氢在表面金属膜层中的固态扩散为复合膜氢渗透时的主要限制性因素；而厚度为6μm时,除固态扩散过程外,表面反应等也会影响氢渗透过程。非晶态及晶态复合膜的氢渗透系数均比Nb40Ti30Ni30及Pd合金低一个数量级。由于晶化过程膜表面存在污染及Pd与Nb40Ti30Ni30膜层的元素互扩散,晶态复合膜的氢渗透流量略低于非晶态复合膜。复合膜具有表面金属膜层薄、多孔Ni支撑体气体传输阻力小等复合结构特征,与自支撑Nb40Ti30Ni30和Pd合金渗透膜相比,复合膜的氢渗透流量提高2倍以上,且其氢渗透流量可以通过增加渗透膜面积进一步提高,而不会降低其抗氢脆性能。因此Pd/Nb40Ti30Ni30/Pd/多孔Ni支撑体复合膜可以用作新型氢纯化与分离膜,具有代替Pd及PdAg合金的应用潜力。