Nb-Ti-Ni体系合金的结构及其氢渗透性能
刘菲1, 2，王仲民1，黄贺伟1，邓健秋1，周怀营1
【摘 要】摘要：以Ni30Ti31Nb39为成分基点，通过合金成分的规律性调整(5%，原子数分数)，研究系列Nb-Ti-Ni体系合金的相结构与氢渗透性能。研究结果表明：制备的Nb-Ti-Ni合金有两相和三相共2种相结构；两相合金由bcc-Nb(Ni,Ti)固溶体和(bcc-Nb(Ni,Ti)+β2-NiTi)共晶相构成；三相合金除上述两相外，还有少量NiTi2相；两相结构合金的氢渗透性能优于三相结构合金性能，合金中Nb含量越多，bcc-Nb(Ni,Ti)固溶体相含量越大，合金的氢扩散系数(D)增大；Ni和Ti含量增大，则降低了固溶体相的比例，不利于合金氢扩散性能提高；Nb-Ti-Ni体系合金的氢扩散系数为10?9数量级，Nb49Ni25Ti26合金的氢扩散系数最大(5.260 5×10?9 m2/s)。 【期刊名称】中南大学学报（自然科学版） 【年(卷),期】2012(043)009 【总页数】7
【关键词】Nb-Ti-Ni；氢扩散系数；bcc-Nb(Ni,Ti)固溶体；共晶相
高纯氢气在半导体工业、石化行业、航空、航天和燃料电池等诸多领域具有广阔的应用前景。膜分离技术是获取高纯氢源的最有效途径。钯及钯合金(如Pd-Ag合金)具有良好的氢纯化特性，目前，在氢分离应用中较多采用[1?3]。但钯源稀有和成本高等缺点限制了该类膜的广泛应用，因此，不含钯或少钯的新型合金氢分离材料成为当前研究的热点，其中VB族元素合金体系分离膜材料的研究引人关注。Tokano等[4]在Nb-Zr-Ni三元体系的研究中发现，具有良好氢渗透性能的合金(如Nb39Ti31Ni30，Nb10Zr45Ni45等)均具有双相结构，
其中初生的 bcc-(NbTi)相承担氢渗透作用，(NiTi+NbTi)共晶相作为支撑相，起抗氢脆作用，由此提出一种氢分离合金膜结构设计的新理念，即“双相构成，功能互补”。基于此考虑，在氢合金膜的研究中，有可能通过成分的调整来控制双相的比例，从而达到对合金膜性能合理剪裁的目的。通过电化学的方法测定氢在合金中的扩散系数，已成为一种合理表征合金的氢扩散能力的重要方法，该方法能够直观反映氢原子运动过程中合金内部电子的运动特点，可以动态考察扩散过程中电子的运动规律，具有比气态测试方法简便易操作、数据精确、微观探究更细致等优点[5?10]。在前期研究中[11]，制备了具有“双相构成，功能互补”效应的Nb-Ti-Ni体系氢分离合金，发现合金成分、相组成和合金膜片厚度对氢渗透性能影响大。基于此考虑，以Ni30Ti31Nb39合金为基本成分点，制备一系列成分规律变化的Nb-Ti-Ni体系合金，利用 Devanathan-Stachurski双电解池法对合金膜片的氢渗透性能进行测试，进而探讨合金成分、相组成与性能之间的关联性作用规律，从而为研制具有实际应用价值的无钯合金膜材料提供基础数据和技术支持。
1 实验方法
1.1 Nb-Ti-Ni体系合金的制备及结构表征
本研究以Ni30Ti31Nb39合金成分为中心基点，在其周围均匀选取具有一定特点(如Nb含量递减、Ni含量递增等)的合金成分。具体选定的研究成分区域如图1所示，并依次命名为 N1～N13，其中每一个成分变化梯度为5%(原子数分数)。实验用合金样品采用高真空感应熔炼方法，在KW-II型非自耗真空熔炼炉(北京物科光电技术有限公司)上制得。原材料纯度(质量分数)为Nb(99.9%)，Ti(99.8%)和Ni(99.8%)。试验样品根据图1所示各合金成分比例称样配料(分
别命名为N1～N13)，置于熔炼炉内进行感应熔炼，熔样在炉内翻转3～4次，以使其组织和成分均匀。熔炼获得的熔块(纽扣状)充氩气封装在石英管内，置于马弗炉中进行均匀化热处理(1 000 ℃，96 h)，自然冷却至室温。将合金锭进行机械线切割、打磨和抛光等工序处理后得到合金试样(直径为12 mm，厚度为0.6 mm)。对合金试样再进行洁净、敏化、活化处理，并采用化学镀的方法在试样表面沉积 Pd膜，制得测试试样[12]。利用JSM?5600LV型电子扫描电镜(日本电子会社)观察合金样品的微观组织形貌，观察前样品表面用 4%的硝酸酒精溶液进行腐蚀处理。利用D8 ADVANCE X线衍射仪(Cu Kα，德国布鲁克公司)对样品的相结构进行分析。 1.2 试样的渗氢性能测试
合金膜片的氢扩散系数的测定采用 Devanathan-Stachurski[13?14]双电解池法，见图2。配合使用LK2005型电化学工作站(天津兰力科分析仪器公司)及CMBP-1 型恒电位仪(江苏江分仪器公司)。根据得到的渗氢电流与时间的关系曲线，进行数据拟合，得到lg(Iz?Io)?t图 ，通过求出该直线的斜率k=从而得出合金的氢渗透系数(D)。其中，L为合金膜片厚度(mm)。
2 结果与讨论
2.1 Nb-Ti-Ni体系合金的结构分析
2.1.1 Nb-Ti-Ni体系两相结构合金的结构分析
编号为 N1～N8和 N12的 Nb-Ti-Ni合金样品的XRD谱线见图3。由图3可看出：N1～N8和N12合金样品的相构成相同，均由Nb(Ni,Ti)固溶体相和NiTi相两相构成，随着合金成分中Nb含量增加(N5样品的Nb含量最多)，固溶体相Nb(Ni,Ti)的衍射峰的强度增强；随着合金中Ni和Ti 含量增加，NiTi
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