新型KSi儲(chǔ)氫合金的制備及性能研究結(jié)題摘要

由輕質(zhì)元素構(gòu)成的KSi合金是儲(chǔ)氫材料研究的熱點(diǎn)之一。KSi合金具有較高的儲(chǔ)氫容量，較低的吸/放氫溫度和良好的循環(huán)穩(wěn)定性，具有潛在的應(yīng)用前景。但合金存在合成困難和吸/放動(dòng)力學(xué)性能緩慢等問題，制約了其發(fā)展和應(yīng)用。本項(xiàng)目通過高壓燒結(jié)輔以低壓自提純法實(shí)現(xiàn)高純KSi合金的制備，突破了KSi合金難以高純度制備的難點(diǎn)；通過KH替代K實(shí)現(xiàn)KSiH3的中低溫合成；表征了KSi合金的儲(chǔ)氫性能，獲得KSi合金吸放氫的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)；通過催化摻雜和構(gòu)建復(fù)合體系初步改善了KSi合金的儲(chǔ)氫性能；提出了AB3型超點(diǎn)陣儲(chǔ)氫合金的亞單元體積控制機(jī)制，有望用于指導(dǎo)新型超點(diǎn)陣儲(chǔ)氫合金的開發(fā)。項(xiàng)目執(zhí)行期間共發(fā)表標(biāo)注本項(xiàng)目基金號(hào)的 SCI 收錄論文14 篇，申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利 3 項(xiàng)，獲得國(guó)家發(fā)明專利1項(xiàng)，培養(yǎng)碩士研究生3名，博士研究生1名。圓滿地完成了本項(xiàng)目規(guī)定的考核任務(wù)。 2100433B

由輕質(zhì)元素構(gòu)成的KSi合金是儲(chǔ)氫材料研究的熱點(diǎn)之一。KSi合金具有較高的儲(chǔ)氫容量，較低的吸/放氫溫度和良好的循環(huán)穩(wěn)定性，具有潛在的應(yīng)用前景。但合金存在合成困難和吸/放動(dòng)力學(xué)性能緩慢等問題，制約了其發(fā)展和應(yīng)用。針對(duì)這些問題，本項(xiàng)目擬采用高壓燒結(jié)輔以低壓自提純法制備高純KSi合金，并探索一種在中低溫合成KSi合金或其氫化物KSiH3的方法；系統(tǒng)地研究KSi合金的儲(chǔ)氫性能，獲得形貌和相結(jié)構(gòu)等微觀結(jié)構(gòu)與儲(chǔ)氫性能之間的關(guān)系；利用催化摻雜法來改善合金的動(dòng)力學(xué)性能，揭示摻雜劑或催化劑在摻雜后所形成的催化活性組元，研究催化活性組元對(duì)合金儲(chǔ)氫性能的影響，獲得性能改善的作用機(jī)制。本項(xiàng)目獲得的結(jié)果將推進(jìn)KSi儲(chǔ)氫合金的實(shí)用化進(jìn)程，也為其它輕質(zhì)儲(chǔ)氫合金的儲(chǔ)氫性能改善提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

隨著航空航天材料向低密度和高使用溫度的方向發(fā)展，鈦鋁合金成為替代鎳基高溫合金的理想材料，板材的應(yīng)用是其實(shí)用化的一個(gè)突破口。針對(duì)鈦鋁合金塑性差、韌性低、熱加工困難，本項(xiàng)目基于置氫增塑機(jī)理，提出將熱氫加工技術(shù)（THP：置氫-熱加工-真空除氫）應(yīng)用于鈦鋁合金板材軋制及成形過程中，以改善其塑韌性和加工性能，實(shí)現(xiàn)對(duì)其組織和性能的精確調(diào)控。主要研究：1）置氫鈦鋁合金高溫變形行為及開坯鍛造工藝研究；2)氫對(duì)鈦鋁合金板材軋制及成形性能的影響規(guī)律；3)氫對(duì)鈦鋁合金組織結(jié)構(gòu)演變（相變、動(dòng)態(tài)回復(fù)、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和孿晶等）的影響規(guī)律及其機(jī)理分析；4)制定鈦鋁合金板材軋制的最佳氫含量及最佳成形工藝方案；5)建立鈦鋁合金板材氫含量與組織結(jié)構(gòu)和性能的相關(guān)性模型，實(shí)現(xiàn)板材組織和性能的精確調(diào)控。本項(xiàng)目的研究將為提高鈦鋁合金的塑韌性、改善其加工性能、推進(jìn)其實(shí)用化進(jìn)程提供一條新途徑，為熱氫加工技術(shù)的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

Ti-Al合金密度低、高溫力學(xué)性能優(yōu)良，在航空航天工業(yè)中展現(xiàn)出令人矚目的發(fā)展前景。但其本征脆性、熱加工能力差嚴(yán)重限制了它的工程應(yīng)用，因此本項(xiàng)目基于置氫增塑機(jī)理，提出將熱氫加工技術(shù)應(yīng)用于鈦鋁合金板材軋制及成形過程中，以改善其塑韌性和加工性能。本項(xiàng)目研究了置氫Ti-Al合金的高溫變形行為，建立了置氫Ti-Al合金高溫變形本構(gòu)關(guān)系；提出了氫致擴(kuò)散層片分解機(jī)制和氫致相變層片分解機(jī)制，闡明了氫致動(dòng)態(tài)再結(jié)晶機(jī)制；研究了置氫Ti-Al合金鑄錠開坯鍛造工藝，獲得了晶粒均勻細(xì)小的板坯，闡明了板坯初始組織及退火熱處理之間的關(guān)系；研究了板材軋制性能與氫含量、軋制參數(shù)（軋制溫度、道次變形量和總變形量）之間的關(guān)系，揭示了板材熱軋過程中的氫致改性機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，置氫可以降低Ti-Al合金鍛造溫度約50℃，氫致峰值應(yīng)力平均下降率約為25%，合金熱加工窗口增大，并可獲得細(xì)小均勻的組織。置氫后Ti2AlNb合金板材熱成形塑性提高約一倍，載荷降低最大達(dá)50%，成形性能提升明顯。因此，本項(xiàng)目的研究為熱氫加工技術(shù)在Ti-Al合金熱加工領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)，為提高Ti-Al合金的塑韌性、改善其加工性能、推進(jìn)其實(shí)用化進(jìn)程提供一條新途徑，具有重要的理論和工程意義。