V-Ni-M系滤氢合金微观结构与氢传输性能

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V基滤氢合金因其具有优异的氢传输性能受到广泛的关注。其中V85Ni15合金具有优异的抗氢脆性能,但其氢渗透流量较低,在673K温度下氢渗透系数为2.17×10-8molH2m-1s-1Pa-0.5。故本论文基于对合金氢渗透流量和抗氢脆性能两方面的匹配,以V85Ni15合金为基础,向合金中加入Al、Co、Cr、Cu、Fe几种元素,设计了V-Ni-M系(A组V85M15与B组V85Ni10M5)总计10种成分的滤氢合金。研究合金元素的加入对V-Ni-M系合金的微观结构及氢溶解、扩散和渗透等传输性能的影响规律。  V-Ni-M系合金的XRD及SEM测试结果表明,所有合金均是bcc-V相的单相固溶体结构,加入的Al、Co、Cr、Cu、Fe和Ni均固溶在bcc-V相中。从原子半径和电子结构两个方面分析,上述合金元素的加入均会导致bcc-V的晶格被压缩,衍射峰较纯V的衍射峰相比均向右偏移。其中A组合金中A1#合金V85(CoCrFeNi)15与A6#合金V85(Al0.5CoCrCuFeNi)15的衍射峰与V85Ni15合金最接近,A4#合金V85(AlCoCrCuNi)15的衍射峰与纯V最接近。  各合金的氢渗透实验表明,用Al、Co、Cr、Cu、Fe几种元素替代Ni元素会提高各合金的氢渗透性能。其中A组V85(CoCrFeNi)15、V85(AlCoCrFeNi)15、V85(AlCoCrCuNi)15、V85(Al0.5CoCrCuFeNi)15合金和B组V85Ni10(CoCrFe)5合金在673K下的氢渗透系数分别为2.91、2.27、4.42、3.92和2.41molH2m-1s-1Pa-0.5。从合金的抗氢脆性能分析看,上述合金的抗氢脆性能略差于对比合金V85Ni15。但在实验温度(523K-673K)下,V85(CoCrFeNi)15和V85(Al0.5CoCrCuFeNi)15均展现出良好的氢渗透性能和抗氢脆性能。  各合金的吸氢PCT曲线表明,合金的氢溶解量随着实验温度的升高而降低,随着氢气压力的升高而升高。在低氢气压力时,氢溶解速率较快,符合Siverts公式,通过对PCT曲线的拟合分析,得到各合金的氢溶解系数大小顺序如下:V85(Al0.5CoCrCuFeNi)15>V85(AlCoCrFeNi)15>V85(CoCrFeNi)15>V85Ni10(CoCrFe)5>V85Ni15。随着Ni含量的增加,合金的氢溶解系数逐渐降低,表明Ni的斥氢能力较强;Al的加入使得合金的氢溶解系数增加,表明Al的斥氢能力较弱。其中V85(Al0.5CoCrCuFeNi)15合金在673K温度下的氢溶解系数是V85Ni15的1.77倍。  从氢化学势角度对合金的氢传输行为进行研究,发现氢渗透流量和PCT因子间存在线性关系。通过拟合分析得到了氢原子的迁移速率、本征扩散系数及扩散激活能等参数。研究发现,随着温度的升高,氢原子的迁移速率越大,对应的各合金的本征扩散系数越大。其中各合金本征扩散系数的大小顺序如下:V85(Al0.5CoCrCuFeNi)15>V85Ni15>V85(CoCrFeNi)15>V85(AlCoCrFeNi)15>V85Ni10(CoCrFe)5。扩散系数的大小顺序与合金XRD衍射峰的偏移情况相同,衍射峰越接近纯V,合金的本征氢扩散系数越大。  综合10种合金成分的氢溶解、氢扩散、氢渗透以及抗氢脆性能数据分析,V85(CoCrFeNi)15及V85(Al0.5CoCrCuFeNi)15合金在实验条件下相较于V85Ni15具有更好的氢传输性能。在673K温度下,V85(CoCrFeNi)15及V85(Al0.5CoCrCuFeNi)15合金的氢渗透流量分别是对比合金V85Ni15的1.34和1.81倍,并展现出较好的抗氢脆性能。
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