[发明专利]一种高储氢量和低V含量的Ti－Cr－V固溶体合金

说明书

技术领域

本发明涉及到一种储氢量高、吸放氢动力学性能好以及低V含量的Ti-Cr-V固溶体合金，属于储氢能源材料技术领域。

背景技术

储氢材料的发展和应用促进了洁净能源-氢能的开发和利用，其中具有实用价值的储氢合金成为近年来尖端能源材料研究的热点。储氢合金的活化性能、动力学性能、循环稳定性以及储氢能力等都与合金自身的微结构密切相关，因此不同类型的储氢合金具有不同的吸放氢能力。V基合金就是具有较高储氢能力、动力学性能好、易活化、室温下可实现可逆吸放氢的一类储氢合金。

Ti-Cr-V合金是典型的V基储氢合金，其制备条件通常为真空熔炼并浇铸。在普通冷却速度下，在V含量大于15at.％(原子百分比，除非特殊说明，本发明的成分表达均为原子百分比)时形成BCC-V固溶体结构，而V含量小于10at.％时合金具有Cr₂Ti Laves相结构。具有较大储氢量的合金多介于V含量在30-50at.％之间，最大储氢量可达到3.7wt.％(重量百分比，按照习惯，所有储氢量均用重量百分比)。这类合金在室温下可以快速、可逆地吸放氢，被认为是最易达到实用化要求的一种储氢合金，但是金属纯V的价格过于昂贵(纯度为99.99％的V的价格约为12000元/kg)，因而限制了其应用。然而，低V的合金(V含量在10at.％以内)由于含有大量的Laves相，导致合金的吸放氢性能较差。对其进行高温热处理后，合金的主相变为V固溶体结构，最大储氢量可达2.8wt.％[Okada M，Kuriiwa T，Tamura T， Takamura H，Kamegawa A.Journal ofAlloys & Compounds，2002，330-332：511]。这种方式是借助了高温热处理来改变合金的原始相结构，从而改善了合金的吸放氢能力。

人们同时尝试了大量的合金化措施，如浙江大学研制出的(Ti_0.8Zr_0.2)(V_0.533Mn_0.107Cr_0.16Ni_0.2)₂合金具有大的吸放氢能力，其基础体系为Ti-Cr-V三元系[Pan H G，Zhu YF，Gao M X，Wang Q D.J. Electrochem Soc.A，2002，149：829]。这种合金组元选择以及组元间的成分替代具有一定的经验性，为了避免耗时费力的经验式探索，多元体系储氢合金材料成分设计问题需要得到解决。

合金成分的选择和合金制备工艺决定了合金的相结构及其吸放氢性能。对于可实用化的V基固溶体型储氢合金，大都含有多个组元，这样就存在如下不足：①多组元体系成分的优化选择十分复杂，目前主要依赖于大量实验；②具有高储氢性能的固溶体合金有较高的V含量，合金成本过高；③低V含量的合金必须通过高温退火的后处理才能形成固溶体结构，导致加工成本增加。

因此，针对V基固溶体合金的研究现状，本发明依据用于设计多组元合金成分的“团簇线判据”，首先进行成分设计，即添加少量其它组元对团簇结构进行合金化，然后利用铜模吸铸法的快速冷却工艺，使低V合金直接在铸态下形成固溶体结构，从而发展出具有高储氢能力和低V含量的Ti-Cr-V固溶体型合金。

发明内容

本发明的目的是要克服现有技术存在的：①成分选择上的随意性，②富V固溶体合金的较高成本；③低V合金必须增加后续高温热处理而导致的工艺复杂化这三点不足之处，提供一种利用“团簇线”判据的成分设计方法，采用真空电弧熔炼和铜模吸铸法的快速冷却工艺，制备出具有高储氢能力和低V含量的价格低廉的Ti-Cr-V固溶体型合金，特提出本发明的技术解决方案。