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近年来,在5B族金属如Nb、V中添加适量合金化元素(如Ti、Ni、Co及Hf等),获得具有初生Nb/V相和共晶体或全共晶的微观组织,开发出了一系列同时具有高渗氢和抗氢脆性能的新型氢分离金属膜材料,如Nb-Ti-Ni、Nb-Ti-Co、Nb-Hf-Ni和Nb-Zr-Ni等。本文以Nb30Ti35-xHfxCo35(x=0,10,17.5)合金为研究对象,利用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射分析(XRD)等首先研究了元素Hf替代Ti后,合金铸态微观组织及相组成的变化规律,然后利用Sieverts装置,获得了各合金的吸氢PCT曲线,分析了温度、压力和Hf含量对合金氢溶解的影响规律,进一步利用time-lag法获得氢在合金内的扩散特性。Nb30Ti35-xHfxCo35(x=0,10,17.5)铸态合金由全共晶组织构成,Nb30Ti35Co35合金包括[bcc-Nb+B2-Ti Co],Nb30Ti25Hf10Co35合金包括[bcc-Nb+B2-(Ti,Hf)Co],而Nb30Ti17.5Hf17.5Co35则包括[bcc-Nb+orthorhombic-(Hf,Ti)Co]。值得注意,(Ti,Hf)Co是Hf置换B2-Ti Co中部分Ti原子后形成的B2型化合物,具有韧性特征,而(Hf,Ti)Co是Ti置换orthorhombic-Hf Co中部分Hf原子后形成的斜方晶型化合物,具有明显的脆性特征。因此,Nb30Ti35-xHfxCo35系氢分离合金中的Hf含量应该小于Ti含量,以提高抗氢脆性能。通过Sieverts装置对上述合金进行吸氢性能测试并获得合金吸氢PCT曲线,研究发现:由于H在合金中的溶解过程释放热量,合金膜片的氢溶解含量随着温度的升高逐渐减小。随着合金中Hf含量的逐渐增加,合金的氢溶解系数K逐渐增大,氢溶解性能增强,573K下,Nb30Ti17.5Hf17.5Co35合金的氢溶解系数为17.75mol H2m-3Pa-1/2,约为相同条件下Nb30Ti35Co35合金的1.3倍,是金属钯的4.5倍。对Nb30Ti35-xHfxCo35(x=0,10,17.5)合金吸氢后进行XRD测试,表明,Nb30Ti35Co35和Nb30Ti25Hf10Co35合金只有共晶体中的bcc-Nb相吸氢,并最终生成Nb H氢化合物,其共晶体中的B2-Ti Co、B2-(Ti,Hf)Co相不吸氢。但对于Nb30Ti17.5Hf17.5Co35合金,其共晶体中的bcc-Nb和orthorhombic-(Hf,Ti)Co相都具有较强的吸氢能力,最终形成Nb H和(Hf,Ti)Co H氢化物。综合Nb30Ti35-xHfxCo35(x=0,10,17.5)合金铸态微观组织和氢溶解性能,可确定,Nb30Ti25Hf10Co35合金是氢分离合金的首选材料。一方面,其具有较高的氢溶解性能,有利于改善氢渗透性;另一方面,合金共晶结构中的B2型化合物相具有韧性特性,有利于抗氢脆。利用Time-lag法获得了氢在Nb30Ti35Co35及Nb30Ti25Hf10Co35合金内的氢扩散系数,并计算获得合金的晶格扩散系数。表明,Hf替代Ti后,合金原子之间的距离被拉大,氢原子在各个间隙位置之间的移动变得困难,降低了合金膜片的氢扩散系数;随着温度的升高及合金中溶解的氢含量(H/M)增加,合金的表观扩散系数DH增大,673K时,随着Nb30Ti25Hf10Co35合金中氢含量由0.1242增加到0.24654,合金的氢扩散系数增大了3.2倍,达到12.76×10-10m2s-1,约为573K下该合金氢扩散系数的4.1倍。而当温度一定时,合金的晶体扩散系数D*H则基本保持不变。