CN101476076B - 一种透氢合金材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透氢合金材料及其制备方法，该合金材料按摩尔百分比该合金材料包括23mol％～54mol％的钛、21mol％-39mol％的钴和余量的钽，钛、钴和钽的含量之和为98～100mol％。该合金材料是将纯度为99％以上的钛、钴和钽放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至3×10^-3Pa以下，充入高纯度氩气至4×10⁴Pa，熔炼而成。本发明合金材料在573-673K具有高于纯钯的氢渗透度和优良的抗氢脆性能，而原料成本仅为纯钯的1/100左右，可以用于分离和纯化氢气，也可以用于催化重整的紧凑式膜反应器等。

Description

一种透氢合金材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种透氢合金材料及其制备方法，具体地说，本发明涉及钽钛固溶体和钛钴金属化合物复合得到的钛钴钽透氢合金材料及其制备方法。

技术背景

随着石油资源的枯竭及全球气候恶化，氢能和燃料电池技术日益受到世界各国重视。自然界不存在单质氢，需要通过电解水或者催化重整等化学方法制取。电解水制取氢气一方面成本过高，另一方面上述过程是将高质能(电能)转化为低质能(化学能)，不符合能源利用原则。利用催化重整甲烷等化学工艺获得的氢气含有一氧化碳等杂质将损伤燃料电池的电极，所以需要用透氢钯膜提纯制取高纯度(≥99.99999％)氢。

透氢钯膜纯化氢气的原理如下：氢气分子在钯膜一侧的表面离解成氢原子并溶于钯，根据Sievert法则钯内氢原子浓度与氢气压力的平方根成正比；钯膜两侧的氢压力差造成氢原子浓度差，氢原子从高压侧扩散到钯膜的另一侧；然后氢原子结合成分子。由于钯合金只能透过氢，不能透过其体气体，借此使氢气得以从混合气中分离，经一级分离即可得到99.99999％纯度氢。

钯金价格昂贵，需要开发低成本的替代合金材料。钒族金属(钽、铌、钒)具有非常高的氢渗透度，但是氢脆严重不能用于氢分离。TiCo金属化合物抗氢脆能力强，金属钽与TiCo金属化合物构成的复合相合金可以兼顾氢渗透特性和抗氢脆性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以兼顾氢渗透特性和抗氢脆性能的透氢合金材料。

本发明的另一目的是提供上述透氢合金材料的制备方法。

实现上述目的的技术方案如下：

一种透氢合金材料，该合金材料按摩尔百分比包括23mol％～54mol％的钛、21mol％-39mol％的钴和余量的钽，钛、钴和钽的含量之和为98～100mol％。

所述透氢合金材料中剩余的部分主要为杂质，包括铌(Nb)、钒(V)、镐(Zr)、铪(Tf)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)、镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)、钯(Pd)、银(Ag)、硅(Si)中的一种或多种，其含量之和为0-2mol％。

所述透氢合金材料由(Ta，Ti)固溶体和TiCo金属化合物构成。

所述透氢合金材料，构成相为初生相(Ta，Ti)和共晶相{TiCo+(Ta，Ti)}。

一种制备上述透氢合金材料的方法，包括以下步骤：

1)按配比称取纯度为99％以上的钛、钴和钽；

2)将上述称取的钽、钛、钴原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至3×10^-3Pa以下，充入氩气至4×10⁴Pa，熔炼成透氢合金材料。

本发明合金材料有益效果在于：

本发明合金材料在573-673K具有高于纯钯的氢渗透度和优良的抗氢脆性能，而原料成本仅为纯钯的1/100左右，可以用于分离和纯化氢气，也可以用于催化重整的紧凑式膜反应器等。

附图说明

图1是本发明合金材料的组成与氢渗透性能的关系图；

其中实心圆(·)代表脆性或发生氢脆的合金，空心圆(○)为兼备氢渗透性和优良抗氢脆性能的合金；

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

请参阅图1，本发明制得的TiCoTa合金材料采用火花放电线切割方法加工出直径12mm×0.6mm厚的试件。经表面抛光，采用X射线衍射分析(XRD)测定结晶结构，采用电子扫描显微镜(SEM)观察显微组织。采用磁控溅射镀钯处理后，使用氢渗透度测试仪测量氢渗透度及评价抗氢脆性能。

实施例1：制备Ti_26.9Co_25.0Ta_47.8合金(摩尔百分比组成为26.9mol％Ti、25.0mol％Co、47.8mol％Ta)材料

制备方法如下：

1)称取0.054mol纯度为99％的钛(Ti)，0.050mol纯度为99.5％的钴(Co)和0.096mol纯度99.5％的钽(Ta)，金属原料总质量约为22.902克。

2)将上述称取的钽、钛、钴原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至3×10^-3Pa以下，充入高纯度氩气至4×10⁴Pa，熔炼成Ti₂₇Co₂₅Ta₄₈合金材料。

按摩尔百分比该合金材料包括26.9mol％的钛、25.0mol％的钴和47.8mol％的钽，钛、钴和钽的含量之和为99.7mol％，杂质包括铌(Nb)、镍(Ni)、银(Ag)。该合金由体心立方构型BCC-(Ta，Ti)固溶体和B2-TiCo金属化合物组成，由初生相(Ta，Ti)和共晶相{TiCo+(Ta，Ti)}构成。采用磁控溅射镀钯处理后，使用氢渗透度测试仪测量出Ti₂₇Co₂₅Ta₄₈合金在673K的氢渗透度为2.8×10^-8(mol H2m^-1s^-1Pa^-0.5)，且具有优良的抗氢脆性能。

实施例2：制备Ti_28.5Co_26.9Ta_43.6合金(摩尔百分比组成为28.5mol％Ti、26.9mol％Co、43.6mol％Ta)材料

制备方法如下：

1)称取0.058mol纯度为99％的钛(Ti)，0.054mol纯度为99.5％的钴(Co)和0.088mol纯度99％的钽(Ta)，金属原料总质量约为21.882克。

2)将上述称取的钽、钛、钴原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至3×10^-3Pa以下，充入高纯度氩气至4×10⁴Pa，熔炼成Ti₂₉Co₂₇Ta₄₄合金材料。

按摩尔百分比该合金材料包括28.5mol％的钛、26.9mol％的钴和43.6mol％的钽，钛、钴和钽的含量之和为99.0mol％，杂质包括镐(Zr)、铪(Tf)、铬(Cr)、锰(Mn)。该合金由体心立方构型BCC-(Ta，Ti)固溶体和B2-TiCo金属化合物组成，由初生相(Ta，Ti)和共晶相{TiCo+(Ta，Ti)}构成。Ti₂₉Co₂₇Ta₄₄合金在673K的氢渗透度为2.2×10^-8(mol H₂m^-1s^-1Pa^-0.5)，且具有优良的抗氢脆性能。

实施例3：制备Ti_28.9Co_30.1Ta_39.0合金(摩尔百分比组成为28.9mol％Ti、30.1mol％Co、39.0mol％Ta)材料

制备方法如下：

1)称取0.075mol纯度为99％的钛(Ti)，0.075mol纯度为99.5％的钴(Co)和0.100mol纯度99％的钽(Ta)，金属原料总质量约为26.105克。

2)将上述称取的钽、钛、钴原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至3×10^-3Pa以下，充入高纯度氩气至4×10⁴Pa，熔炼成Ti₃₀Co₃₀Ta₄₀合金材料。

按摩尔百分比该合金材料包括28.9mol％的钛、30.1mol％的钴和39.0mol％的钽，钛、钴和钽的含量之和为98.0mol％，杂质包括铌(Nb)、镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)、银(Ag)、硅(Si)。该合金由体心立方构型BCC-(Ta，Ti)固溶体和B2-TiCo金属化合物组成，由初生相(Ta，Ti)和共晶相{TiCo+(Ta，Ti)}构成。Ti₃₀Co₃₀Ta₄₀合金在673K的氢渗透度为2.1×10^-8(molH₂m^-1s^-1Pa^-0.5)，且具有优良的抗氢脆性能。

实施例4：制备Ti_38.2Co_28.9Ta_31.4合金(摩尔百分比组成为38.2mol％Ti、28.9mol％Co、31.4mol％Ta)材料

制备方法如下：

1)称取0.117mol纯度为99％的钛(Ti)，0.087mol纯度为99.5％的钴(Co)和0.096mol纯度99％的钽(Ta)，金属原料总质量约为28.099克。

2)将上述称取的钽、钛、钴原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至3×10^-3Pa以下，充入高纯度氩气至4×10⁴Pa，熔炼成Ti₃₉Co₂₉Ta₃₂合金材料。

按摩尔百分比该合金材料包括38.2mol％的钛、28.9mol％的钴和31.4mol％的钽，钛、钴和钽的含量之和为98.5mol％，杂质包括铌(Nb)、铪(Tf)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)、镍(Ni)。该合金由体心立方构型BCC-(Ta，Ti)固溶体和B2-TiCo金属化合物组成，由初生相(Ta，Ti)和共晶相{TiCo+(Ta，Ti)}构成。Ti₃₉Co₂₉Ta₃₂合金在673K的氢渗透度为1.0×10^-8(molH₂m^-1s^-1Pa^-0.5)，且具有优良的抗氢脆性能。

实施例5：制备Ti_35.2Co_34.9Ta_29.4合金(摩尔百分比组成为35.2mol％Ti、34.9mol％Co、29.4mol％Ta)材料

制备方法如下：

1)称取0.105mol纯度为99.9％的钛(Ti)，0.105mol纯度为99.9％的钴(Co)和0.090mol纯度99.9％的钽(Ta)，金属原料总质量约为27.499克。

2)将上述称取的钽、钛、钴原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至3×10^-3Pa以下，充入高纯度氩气至4×10⁴Pa，熔炼成Ti₃₅Co₃₅Ta₃₀合金材料。

按摩尔百分比该合金材料包括35.2mol％的钛、34.9mol％的钴和29.4mol％的钽，钛、钴和钽的含量之和为99.5mol％，杂质包括钒(V)、钯(Pd)、硅(Si)。该合金由体心立方构型BCC-(Ta，Ti)固溶体和B2-TiCo金属化合物组成，由初生相(Ta，Ti)和共晶相{TiCo+(Ta，Ti)}构成。Ti₃₅Co₃₅Ta₃₀合金在673K的氢渗透度为1.1×10^-8(mol H₂m^-1s^-1Pa^-0.5)，且具有优良的抗氢脆性能。

实施例6：制备Ti₅₀Co₃₀Ta₂₀合金(摩尔百分比组成为50mol％Ti、30mol％Co、20mol％Ta)材料

制备方法如下：

1)称取0.150mol纯度为99.9％的钛(Ti)，0.090mol纯度为99.9％的钴(Co)和0.060mol纯度99.9％的钽(Ta)，金属原料总质量约为23.341克。

2)将上述称取的钽、钛、钴原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至3×10^-3Pa以下，充入高纯度氩气至4×10⁴Pa，熔炼成Ti₅₀Co₃₀Ta₂₀合金材料。

该合金由体心立方构型BCC-(Ta，Ti)固溶体和B2-TiCo金属化合物组成，由初生相(Ta，Ti)和共晶相{TiCo+(Ta，Ti)}构成。Ti₅₀Co₃₀Ta₂₀合金在673K的氢渗透度为0.7×10^-8(molH₂m^-1s^-1Pa^-0.5)，且具有优良的抗氢脆性能。

Claims (2)

1.一种透氢合金材料，其特征在于：该合金材料由钽钛固溶体和钛钴金属化合物构成，该合金材料的构成相是初生相(Ta，Ti)和共晶相{TiCo+(Ta，Ti)}，按摩尔百分比该合金材料包括23mol％～54mol％的钛、21mol％-39mol％的钴和余量的钽，钛、钴和钽的含量之和为98～100mol％，所述透氢合金材料中剩余的部分为杂质，包括铌(Nb)、钒(V)、锆(Zr)、铪(Hf)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)、镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)、钯(Pd)、银(Ag)、硅(Si)中的一种或多种，其含量之和为0-2mol％。

2.一种制备如权利要求1所述的透氢合金材料的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)按配比称取纯度为99％以上的钛、钴和钽；

2)将上述称取的钛、钴、钽原料放入非自耗真空电弧炉内，抽真空至3×10^-3Pa以下，充入氩气至4×10⁴Pa，熔炼成透氢合金材料。 

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