一种用于氚储存的Zr-Fe系合金及其制备方法与流程

本发明涉及一种用于氚储存的Zr-Fe系合金及其制备方法，属于储氢合金技术领域。

背景技术：

氚是一种重要的战略资源，在能源、国防等领域均具有举足轻重的作用。由于热核聚变反应中会使用到大量的氚，因此该反应过程产生的尾气中将含有氚，而氚属于贵重原料，同时具有放射性，会污染环境，所以需要通过技术手段进行资源回收以达到无害化处理的目的。氚的稀缺性、放射性以及在能源和国防领域的关键作用，决定了实现涉氚系统中氚的快速、安全、可靠的储存、输运、供给的重要性。

氚的安全处理、储存以及运输需要所用的储氢材料室温下氢(氚)化物平衡压力尽可能低，以保障放射性氚的高效吸收，尽可能避免氚在转运过程中进入环境，造成氚的浪费；另一方面，需要储氢合金具有良好的循环寿命和较低的氚滞留量，避免氚在储氢材料中的不可逆滞留。由此，选择合适的储氚材料，对于可控核聚变堆的发展是极为重要的关键技术之一。

现有的涉氚系统中使用的储氚材料一般为单质铀，铀具有吸放氢(氚)动力学性能佳、室温离解平衡压低(10^-3Pa)等优势，但其作为一种核材料，又存在储氢容量偏低(140mL/g)，氢化易粉化，事故条件下易发生自燃，释氢(氚)温度高等缺点，不能完全满足可控聚变反应堆等涉氚工程技术领域中氚的安全储存、运输以及供给系统对储氚材料的技术要求。

现有的储氚材料由于无法兼顾高储氚容量、高稳定性、低平衡离解压力、良好的吸放氢动力学性能及较强固氦能力等特性，尚无法完全满足技术需求。

从功能上来讲，ZrCo、ZrVFe、ZrNi、Zr2Fe等合金材料都有可能作为氢同位素储存材料。ZrVFe合金虽然吸氢效果良好，但它极低的坪台压力(10^-8Pa)使脱氢温度大于700℃，不适合实际生产；ZrNi合金具有两个吸氢坪台，完全释氢需要在600℃以上，无法保证使用的安全性。综合考虑到实际商业生产中使用的客观条件和经济效果，Zr2Fe合金具有吸氢速率快、吸收彻底、不易粉化、释氢温度适宜等特点，同时Zr2Fe合金原料及生产成本也要低于其他合金材料，更适合在大规模工业生产中作为氢同位素气体储存材料。

然而Zr2Fe合金在使用过程中会发生氢致歧化反应，生成热力学稳定的ZrH2相和ZrFe2相，造成不可逆储氢容量的损失以及其自身循环使用寿命的下降。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于氚储存的Zr-Fe系合金。该合金具有良好的抗氢致歧化性能、优异的吸放氢动力学性能及室温氢化物分解平衡压力。

本发明的另一目的在于提供一种所述Zr-Fe系合金的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于氚储存的Zr-Fe系合金，合金的化学式为Zr2-xTixFe1-y-zNiyCoz，其中x、y、z分别表示Ti、Ni、Co替代Zr、Fe的原子比，x为0.01～0.05，y为0.01～0.05，z为0.01～0.03。

优选地，所述合金相组成为14/mcm-Zr2Fe型单相结构。

一种所述用于氚储存的Zr-Fe系合金的制备方法，包括以下步骤：

(1)按照化学式配料，在高纯氩气保护下采用真空非自耗电弧炉翻身熔炼3～5遍，制成铸锭；

(2)对熔炼好的铸锭重新加热至熔融状态，施加磁力搅拌并持续2～5min。

本发明的有益效果是：

本发明在Zr2Fe合金的基础上，分别用Ti元素替代Zr元素，用Ni、Co元素替代Fe元素，再通过磁搅拌以得到较为均匀的单相Zr2Fe型合金。其中，Ti元素的替代可在基本不改变合金吸氢性能的前提下减少吸氢相的歧化，此外，由于元素Ti相比元素Zr原子量小，Ti替代后的合金吸氢量有所增大。但是Ti元素的添加增大了氢化物的分解温度，因此采用元素Ni、Co替代元素Fe。由于相对较小的原子半径，元素Ni、Co的替代可有效降低合金的放氢温度，同时对于合金抗歧化性能也有一定增强。

本发明提供的合金为低平衡压的储氢合金，其具有室温平衡压力坪台低于1Pa、吸放氢(氚)速率快、循环寿命优良、抗氢致歧化以及储氢(氚)容量大等优点。对于低平衡压条件下氢及其同位素的安全处理，储存、运输以及回收等工况，具有非常显著的应用优势。此外，本发明的制备方法操作简单、易于实现、效率高，而且相比较为常用的ZrCo及ZrNi合金成本低。

附图说明

图1为Zr2-xTixFe1-y-zNiyCoz合金的SEM组织形貌。

图2为Zr2-xTixFe1-y-zNiyCoz合金的XRD结构图谱。

图3为Zr2-xTixFe1-y-zNiyCoz合金的室温吸氢动力学曲线。

图4为Zr2Fe及Zr2-xTixFe1-y-zNivCoz合金在400℃吸氢及保温过程动力学曲线。

图5为Zr2-xTixFe1-y-zNiyCoz合金在400℃、0.5MPa氢压下保温24h后的XRD结构图谱。

其中，合金(a)x＝0.03，y＝0.02，z＝0.01；合金(b)x＝0.03，y＝0.03，z＝0.02；合金(c)x＝0.05，y＝0.02，z＝0.01；合金(d)x＝0.05，y＝0.03，z＝0.02。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，但本发明的实施方式不仅限于此。

实施例1

本实施例的氚储存用Zr-Fe系合金的化学组分为Zr1.97Ti0.03Fe0.97Ni0.02Co0.01，以商品金属元素海绵锆、棒状铁、海绵钛、块状镍、块状钴为起始材料，元素纯度均高于99％，对各原料清洁干燥后按照名义成分Zr1.97Ti0.03Fe0.97Ni0.02Co0.01配料，在高纯氩气(99.999％)保护下采用真空非自耗电弧炉翻身熔4遍，制成重量约40g的铸锭。对熔炼好的铸锭重新加热至熔融状态，施加磁力搅拌并持续2min以改善合金的均匀性。对熔炼后的合金金相制样及机械制粉，分别进行SEM组织及XRD结构分析，分析结果如图1、2中(a)图所示，合金由I4/mcm-Zr2Fe型单相组成。取2g粒度范围在40-100目的合金粉，采用Sieverts方法对合金室温吸氢动力学及高温氢致歧化性能测试，测试前需对合金进行活化处理，处理条件为：500℃抽真空(真空度10^-3Pa)，3h。图3(a)为合金室温吸氢动力学曲线，图4(a)为合金400℃氢致抗歧化动力学曲线，图5(a)为合金在400℃、0.5MPa氢压下保温24h后的XRD结构。

测试结果表明：合金室温吸氢量为1.84wt.％，400℃保温24h合金吸氢量为1.22wt.％，氢化物为纯Zr2FeH5相，即合金具有良好的高温抗氢致歧化性能。

实施例2

本实施例的氚储存用Zr-Fe系合金的化学组分为Zr1.97Ti0.03Fe0.95Ni0.03Co0.02，以商品金属元素海绵锆、棒状铁、海绵钛、块状镍、块状钴为起始材料，元素纯度均高于99％，对各原料清洁干燥后按照名义成分Zr1.97Ti0.03Fe0.95Ni0.03Co0.02配料，在高纯氩气(99.999％)保护下采用真空非自耗电弧炉翻身熔炼4遍，制成重量约40g的铸锭。对熔炼好的铸锭重新加热至熔融状态，施加磁力搅拌并持续2min以改善合金的均匀性。对熔炼后的合金金相制样及机械制粉后进行SEM组织及XRD结构分析，分析结果如图1、2中(b)图所示，合金由I4/mcm-Zr2Fe型单相组成。取2g粒度范围在40-100目的合金粉，采用Sieverts方法对合金室温吸氢动力学及高温氢致歧化性能测试，测试前合金的活化条件同实施例1。图3(b)为该合金室温吸氢动力学曲线，图4(b)为合金400℃氢致抗歧化动力学曲线，图5(b)为合金在400℃、0.5MPa氢压下保温24h后的XRD结构。

测试结果表明：合金室温吸氢量为1.85wt.％，400℃保温24h合金吸氢量为1.23wt.％，氢化物为纯Zr2FeH5相，即合金具有良好的高温抗氢致歧化性能。

实施例3

本实施例的氚储存用Zr-Fe系合金的化学组分为Zr1.95Ti0.05Fe0.97Ni0.02Co0.01，以商品金属元素海绵锆、棒状铁、海绵钛、块状镍、块状钴为起始材料，元素纯度均高于99％，对各原料清洁干燥后按照名义成分Zr1.95Ti0.05Fe0.97Ni0.02Co0.01配料，在高纯氩气(99.999％)保护下采用真空非自耗电弧炉翻身熔炼4遍，制成重量约40g的铸锭。对熔炼好的铸锭重新加热至熔融状态，施加磁力搅拌并持续2min以改善合金的均匀性。对熔炼后的合金金相制样及机械制粉后进行SEM组织及XRD结构分析，分析结果如图1、2中(c)图所示，合金由I4/mcm-Zr2Fe型单相组成。取2g粒度范围在40-100目的合金粉，采用Sieverts方法对合金室温吸氢动力学及高温氢致歧化性能测试，测试前合金的活化条件同实施例1。图3(c)为该合金室温吸氢动力学曲线，图4(c)为合金400℃氢致抗歧化动力学曲线，图5(c)为合金在400℃、0.5MPa氢压下保温24h后的XRD结构。

测试结果表明：合金室温吸氢量为1.86wt.％，400℃保温24h合金吸氢量为1.24wt.％，氢化物为纯Zr2FeH5相，即合金具有良好的高温抗氢致歧化性能。

实施例4

本实施例的氚储存用Zr-Fe系合金的化学组分为Zr1.95Ti0.05Fe0.95Ni0.03Co0.02，以商品金属元素海绵锆、棒状铁、海绵钛、块状镍、块状钴为起始材料，元素纯度均高于99％，对各原料清洁干燥后按照名义成分Zr1.95Ti0.05Fe0.95Ni0.03Co0.02配料，在高纯氩气(99.999％)保护下采用真空非自耗电弧炉翻身熔炼4遍，制成重量约40g的铸锭。对熔炼好的铸锭重新加热至熔融状态，施加磁力搅拌并持续2min以改善合金的均匀性。对熔炼后的合金金相制样及机械制粉后进行SEM组织及XRD结构分析，分析结果如图1、2中(d)图所示，合金由I4/mcm-Zr2Fe型单相组成。取2g粒度范围在40-100目的合金粉，采用Sieverts方法对合金室温吸氢动力学及高温氢致歧化性能测试，测试前合金的活化条件同实施例1。图3(d)为该合金室温吸氢动力学曲线，图4(d)为合金400℃氢致抗歧化动力学曲线，图5(d)为合金在400℃、0.5MPa氢压下保温24h后的XRD结构。

测试结果表明：合金室温吸氢量为1.85wt.％，400℃保温24h合金吸氢量为1.24wt.％，氢化物为纯Zr2FeH5相，即合金具有良好的高温抗氢致歧化性能。