[发明专利]采用特殊元素掺杂的Ta基氢透过合金及制备方法

说明书

本发明提供一种采用特殊元素掺杂的Ta基氢透过合金及制备方法，其化学通式为Ta_{100‑(x+y+z)}M_xN_yP_z，其中，M为Ti、Zr和Hf中的1种或者1种以上的元素；N为Ni或者Co中的1种或者1种以上的元素；P为Cr、Fe、Cu、Al、Y、Mo、Ru、Rh、W、Sn、Si、Mn、Zn和Mg这些特殊元素中的1种或者1种以上元素，10≤x≤30、10≤y≤30、5≤z≤20，x,y,z均为摩尔百分数。其制备方法包括：切割原材料，并清理原材料表面；计算原料成分，并进行原料称量，电弧熔炼成合金铸锭。本发明利用真空电弧熔炼法制备出了添加各种稀土元素的具有较好渗氢和抗氢脆性能的氢透过合金膜材料。

技术领域

本发明涉及合金材料技术领域，特别是涉及到一种采用特殊元素掺杂的Ta基氢透过合金及制备方法。

背景技术

氢能具有高效、清洁、可再生、储量丰富、来源广泛、能量密度高等优点，在半导体、精细化工、航空航天、燃料电池等诸多领域具有广阔的应用前景，是一种理想的二次能源，成为21世纪举足轻重的新能源体系，世界上很多国家都在积极开发氢能，将发展氢能经济作为长期目标。氢气的来源渠道十分多样，除了电解水制氢之外，提取工业副产品(如氯碱、合成氨、焦炉煤气等)中的氢气也是获取氢的有效途径之一；通常工业上尤其是尖端工业领域所用到的是经过分离提纯后的高纯氢气。氢气分离技术决定了获得的氢气是否符合工业化应用的标准，是高纯氢气制备技术中最关键的环节，引起众多研究者的兴趣，这也促进了氢分离技术的发展。与变压吸附、深冷分离两种常用氢分离技术相比，金属膜氢分离材料由于具有较高的渗透率和较高的扩散系数、良好的高温热稳定性和机械性能、优良的韧性和氢选择性而具有广阔的应用前景。

目前，钯及钯合金(如Pd-Ag合金)因对氢气具有高的选择渗透性、良好的热稳定性、机械稳定性和催化活性，在氢分离领域中得到了广泛的研究和应用。然而，钯资源十分稀缺、价格昂贵，亟待开发廉价、高渗氢性能的无钯或少钯的新型氢分离金属膜材料。研究发现，5B族金属(Nb、V、Ta)具有比钯更高的氢渗透系数，而成本却比钯合金低很多，是很有发展前景的氢分离膜材料，然而这些纯金属在渗氢过程中引起的氢脆非常严重，无法应用于实际生产中；合金化是解决氢脆危害的有效途径。

国内外学者近年来主要围绕Nb、V、Ta等5B族金属开发多元晶态合金体系，以期制备出既有良好的氢渗透性能，又能有效抵抗氢脆发生的多元氢透过合金膜材料。如Nb-Ni-Ti系合金具有双相结构，由初生相bcc-Nb(Ti,Ni)固溶体(Primary phase)和共晶相{Nb(Ti,Ni)+TiNi}(Eutectic phase)构成，具有较高的氢渗透系数和抗氢脆性能。bcc初生相Nb(Ti,Ni)固溶体在渗氢过程中主要起渗氢作用，但会发生氢脆；而共晶相{Nb(Ti,Ni)+TiNi}及其间的化合物相可以有效提高其抗氢脆性。有研究表明，加入特殊元素有助于改善氢透过合金的渗氢和抗氢脆性能，降低原料气中H₂S、CO等杂质气体的毒化作用，提高合金的使用寿命。目前，氢透过合金尚需要进一步提高其氢渗透和抗氢脆性能。为此我们发明了一种新的采用特殊元素掺杂的Ta基氢透过合金及制备方法，工艺简单、性能可靠。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种具有高氢渗透性、高抗氢脆性的、采用特殊元素掺杂的Ta基晶态氢透过合金；目的之二是提供该Ta基晶态氢透过合金的制备方法。

本发明的目的之一可通过如下技术措施来实现：