透氢V_(55)Ti_(30)Ni_(15)合金的制备工艺及组织性能研究

【摘要】近年来，随着市场对清洁能源氢的需求增加，高效、质优价廉的氢提纯膜材料受到广泛关注。目前已经商业化应用的Pd-Ag合金膜由于成本高昂限制了其的广泛应用。拥有较低成本、高氢渗透率和机械稳定性能的多相V55Ti30Ni15合金成为一种潜在替代Pd-Ag合金的新型合金材料。目前对透氢V55Ti30Ni15合金的成形性、力学性能、抗毒化性以及加工成形前后氢渗透性能均未有相关研究，因此本文对此进行系统研究很有必要，以促进V-Ti-Ni多相合金膜的推广应用。针对合金氩弧熔炼的特点，研究了冷却速率对铸态V55Ti30Ni15合金显微组织和硬度影响规律，分析V基固溶体(Vss)体积分数、渗透温度和压力与合金氢渗性能之间的关系。研究表明铸态合金二次枝晶臂宽度、二次枝晶臂间距及Vss的尺寸和体积分数均是随着冷却速率的增大而减小，而显微硬度值呈现出增大的趋势。400℃的V55Ti30Ni15合金氢渗透率与Vss体积分数成线性关系，且随渗透温度的增加而增加，氢渗透通量随渗透压增大而增加。为了分析不同温度和浓度下杂质气体对合金氢渗透性能影响机理，测试了H2S、CO和CO2三种杂质气体对V55Ti30Ni15合金毒化效应。研究发现三种杂质气体对合金的氢渗透率降低程度H2S最严重，CO次之，CO2最小。在低浓度低温(250-300℃)时，气体的竞争吸附导致合金膜氢渗透率下降，温度升高(350-400℃)，系统内分子热运动变得更快更强，气体竞争吸附效果减弱，杂质气体对透氢率影响不明显。而当杂质气体浓度增大，杂质气体对氢气传质的阻塞作用开始占主导作用，温度越高，气体之间互扩散系数增大，阻碍作用越大，氢渗透降低越严重。针对氩弧熔炼后铸锭出现的亚稳相及不易轧制等缺点，采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和能谱分析技术(EDS)，研究了透氢V55Ti30Ni15合金的均匀化热处理工艺，分析热处理对合金微观组织演变、硬度变化、相析出的影响规律。结果显示，铸态合金热处理后显微硬度变化主要原因是热处理过程中发生在Vss上的内部结构的改变，Vss中析出和溶入纳米级NiTi粒子，导致合金的硬度降低和升高。NiTi粒子对Vss的析出强化作用弱于Ni、Ti元素的固溶强化作用。800℃/18h是V55Ti30Ni15合金合适的均匀化热处理工艺参数。对V55Ti30Ni15合金在热处理过程中Vss边界出现的无析出区(PFZ)进行研究，分析其可能的形成机理及对合金轧制变形的影响。结果表明在合金均匀化初期或温度较低时，PFZ形成可能是空位贫乏造成的；而在保温时间延长或温度升高阶段，PFZ宽度增加可能是空位贫化和溶质原子贫化同时造成的。PFZ使NiTi2相产生的裂纹被限制在无析出区内，起到限制裂纹扩展的作用。对V55Ti30Ni15合金在中低温下的轧制性能进行了测试和分析，利用TEM等技术探索了合金在中低温下的变形机制。研究发现合金的轧制性能随着温度升高而提高，显微组织变得更加均匀，热处理提高了合金30%以上单道次极限轧制率。圆形纳米NiTi析出粒子和Vss界面属于共格界面，在轧制过程中沿轧制方向被拉长。合金在室温下轧制，变形机制为滑移；在中温(700℃)轧制时，以滑移为主要变形机制，同时伴有动态回复的软化机制。随着合金轧制变形量增加，合金晶粒由在(211)晶面方向上具有明显的取向逐步变为在(200)晶面方向上取向明显；低温下轧制对合金晶粒取向变化无明显影响，均在(200)晶面方向上取向明显，而在700℃轧制合金晶粒取向明显减弱；合金轧制后退火能消除合金轧制变形后晶粒取向。为了研究成形工艺对合金力学性能和氢渗透性能的影响，对V55Ti30Ni15合金进行室温拉伸测试和400℃氢渗透测试。研究发现经轧制退火后，合金强度比铸态合金低约20%，但延伸率却比铸态合金提升约25%。氢渗透率也恢复到铸态的水平，渗透通量是铸态合金的近5倍。说明轧制和随后的高温退火处理工艺对于成形透氢V-Ti-Ni合金是行之有效的。合金中的缺陷（如位错）、显微组织各向异性等均对合金的氢渗透率有很大影响。高密度的位错是氢陷阱位置，捕捉住扩散中的氢原子，导致透氢率降低。合金中各相的排列平行于氢渗透方向时将会获得更高的氢渗透率，即氢渗透方向垂直于轧制方向时氢渗透率较低。
【作者】江鹏；
【导师】于彦东；
【作者基本信息】哈尔滨理工大学，材料学，2014，博士
【关键词】V-Ti-Ni合金；氢渗透率；热处理；轧制；力学性能；

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