【摘 要】
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氢能是一种可再生的清洁能源,近年来成为各国的能源战略重点。工业制氢（如:化石能源重整制氢）中制备的成品氢均含有许多副产品,如H2S、N2、CO和CO2等,因此,“氢分离技术”成为获取纯氢的一个重要技术环节。目前,尽管Pd基膜已商用于氢分离,但Pd资源稀缺且价格昂贵,亟待开发低成本高氢渗透性能的新型金属膜材料。基于上述背景,具有更高氢渗透性且价格低廉的5B族金属（Nb,V和Ta）受到了重点关注和研究
【基金项目】
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国家自然科学基金项目（项目批准号:51761009 和 51701048）； 广西自然科学基金项目（项目批准号:2020GXNSFAA159163）； 广西信息材料重点实验室基金项目（项目批准号:191021-Z）；
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氢能是一种可再生的清洁能源,近年来成为各国的能源战略重点。工业制氢（如:化石能源重整制氢）中制备的成品氢均含有许多副产品,如H2S、N2、CO和CO2等,因此,“氢分离技术”成为获取纯氢的一个重要技术环节。目前,尽管Pd基膜已商用于氢分离,但Pd资源稀缺且价格昂贵,亟待开发低成本高氢渗透性能的新型金属膜材料。基于上述背景,具有更高氢渗透性且价格低廉的5B族金属（Nb,V和Ta）受到了重点关注和研究。已有文献表明,Nb-Ti-Fe系氢分离合金非常有望成为取代Pd及其合金的金属膜材料。然而,至今为止由于该系合金中完整相图缺失以及高温平衡相数据的匮乏,导致Nb-Ti-Fe相图中由双相结构构成的“渗氢成分区域”仍不明确。此外,该渗氢区域内是否存在更高渗氢性能的合金成分也是未知的,亟待深入开展研究。基于此,本文选取Nb-Ti-Fe合金体系为研究对象,从相图（CALPHAD）热力学计算和实验分析两方面入手,对Nb-Ti-Fe合金的相图、显微组织、氢传输行为和力学性能等进行了详细研究,具体内容如下:1.研究得出了Nb-Ti-Fe合金富Nb角相图,阐明了凝固路径、相区种类和个数、合金凝固平衡反应和析出相的顺序等关键信息;基于此,优选相图中Ti Fe相区及附近位置的17种合金成分对其进行显微结构和凝固规律实验验证分析,首次明确了“渗氢成分区域”在Nb-Ti-Fe合金相图中较为准确的位置;2.基于上述结果,研究了“渗氢成分区域”即Ti Fe相区中不同合金的显微组织和渗氢性能之间的关系和渗氢机理,研究表明:由初生Ti Fe相和共晶{Bcc-（Nb,Ti）+Ti Fe}双相结构的合金具有良好的氢渗透和抗氢脆性能,并且共晶相的含量和形貌都对渗氢性能有较大影响。其中,Nb5Ti60Fe35合金在673 K时的渗氢性能最高,为3.82×10-8(mol H2m-1s-1Pa-1/2),该合金的渗氢机理可以通过双相混合模型来解释;3.研究了不同Ti/Fe比率和Nb含量对Nb-Ti-Fe合金显微组织、相体积分数和氢传输性能的影响规律,阐明了合金成分、组织结构、相体积分数和氢传输性能之间的本证关系;此外,对不同成分合金的显微硬度和置氢性能进行了测试分析,从合金的力学和吸氢性能来分析Nb-Ti-Fe合金的综合性能。
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