一种用于水解制氢的Mg-Ga-In三元镁合金的制备方法与流程

本发明涉及金属材料技术领域，特别涉及一种用于水解制氢的Mg-Ga-In三元镁合金。

背景技术：

新能源、信息、新材料是现代社会的三大支柱产业，是现代文明高速发展的基础。人口与经济不断增长，化石能源加速枯竭，环境污染日益严重，人类不得不寻求新的能源驱动未来生活。探索可持续绿色能源及环境友好型能源使用技术满足世界日益增长的需要已成为当下热门的研究课题和技术挑战。综合考虑运输便捷性、功能多样性、利用快捷性、安全可靠性和环境兼容性等因素时，氢能是理想的能源体，有望成为化石能源的替代品。自诞生以来，主要能源形势经历了从煤炭到石油再到天然气的逐步更替，近几年开始提倡使用氢能源。能源形势更替导致能源构成中C/H比逐步降低，有效减小CO₂等温室气体排放的同时显著提高了燃料的能量密度。

氢能作为未来能源具有三个显著优势：来源广、可循环、零排放。氢能循环使用过程中的唯一副产物H₂O对环境非常友好，零排放特性在提倡科学发展，人与自然和谐共处的特殊时期显得尤为重要。要真正应用氢能源，实现氢经济，必须解决三方面问题，即：高效经济的制氢技术、安全可靠的储氢技术和经济合理的用氢技术。实现氢经济的前提是获得高纯氢源。制备氢气的方式很多，大致有以下五种：燃气重组制氢、生物质制氢、电解水制氢、光解水制氢、金属水解制氢。

就目前而言，金属水解制氢得到了广泛关注。方式灵活、设备简单、能耗低、产物易回收，便携特性强等成为合金水解制氢的显著优势。近些年，以合金及其金属氢化物为介质的水解制氢方式优势显著，成为关注的热点。水解制氢合金大致分为镁合金、铝合金及锌合金三大类。总制氢效率，原料来源、成本换件兼容性等考虑，镁合金是理想的水解制氢体系。但是镁合金存在水解制氢动力学缓慢、水解温度过高等缺点，严重制约了该类合金水解制氢的实际应用。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种用于水解制氢的Mg-Ga-In三元镁合金，在于改善现有可溶解镁合金材料活性过低，水解制氢温度过高，动力学缓慢等问题，基于“微合金化”思路Mg-Ga-In三元合金，通过引入活性元素，调节基体镁相的电化学活性，或形成第二相，与基体形成原电池腐蚀，加速水解过程，改善水解特性，通过控制合金化元素的添加量控制固溶或第二相形成、第二相种类、大小、数量、分布等控制合金体系的水解制氢过程。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于水解制氢的Mg-Ga-In三元镁合金制备方法，包括以下步骤；

步骤一：

选取纯度≥99.8％的块体金属镁、镓、铟，按镁含量为90at.％，镓含量为2-10at.％，其余为铟，镁添加3～5％的烧损；

步骤二：

将称好的镁块放入烘干的石墨坩埚中，在覆盖剂的保护下，将镁块的温度加热至650～750℃，将块体镓与铟投入到金属镁液中，充分搅拌，保温10～40min，使之成为具有宏观均匀性质的Mg-Ga-In三元镁合金熔体；

步骤三：

将步骤二所得Mg-Ga-In三元镁合金熔体加入消泡剂并进行除渣工艺，将预先预热好的模具放在振荡磁场内并浇铸，机械振动频率为600Hz，外加磁场的磁感应强度为5-10T，得到铸件；

步骤四：

将步骤三所得Mg-Ga-In三元镁合金铸件快速冷却后进行热处理，并加工成工程所需Mg-Ga-In三元镁合金构件。

本发明的有益效果是：

本发明所提供的细化可溶解镁合金材料晶粒的方法，主要影响其形核过程，通过机械振动和外加磁场相结合，在镁合金固液界面起作用，使得晶粒细化，微观组织更加致密，气孔、裂纹明显减少，元素分布更加均匀，元素偏析基本消除，从而很大程度上提高了材料的屈服强度；晶粒的细化使得材料的溶解速率更易控制，元素偏析的消除也使得材料溶解更加均匀；浇铸过程中高频低幅振动使镁合金液面宏观上基本保持平稳状态，作用效果稳定，预期能耗较低。

附图说明

图1为本发明Mg-Ga二元合金及Mg-Ga-In三元合金微观组织形貌:

(a)Mg-10at％Ga(b)Mg-8at％Ga-4at％In(c)Mg-2at％Ga-8at％In。

图2为本发明Mg-Ga二元合金及Mg-Ga-In三元合金50℃下水解制氢曲线。

图3为本发明Mg-Ga二元合金及Mg-Ga-In三元合金极化曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作详细叙述。

实施例1

一种用于水解制氢的Mg-Ga-In三元镁合金制备方法，包括以下步骤；

步骤一：

选取纯度≥99.8％的块体金属镁、镓、铟，按镁含量为90at.％，镓含量为10at.％。镁添加3～6wt.％的烧损，本实施例中，镁的添加量为6wt.％。

步骤二：

将称好的镁块放入烘干的石墨坩埚中，在覆盖剂的保护下，将镁块的温度加热至650～750℃。将块体镓与铟投入到金属镁液中，充分搅拌，保温10～40min，使之成为具有宏观均匀性质的熔体；

步骤三：

将步骤二所得熔体加入消泡剂并进行除渣工艺，将预先预热好的模具放在振荡磁场内并浇铸，机械振动频率为600Hz，外加磁场的磁感应强度为5-10T；

步骤四：

将步骤三所得铸件快速冷却后进行热处理，并加工成工程所需构件。最后得到的Mg-Ga二元镁合金。

实施例2

一种用于水解制氢的Mg-Ga-In三元镁合金制备方法，包括以下步骤；

步骤一：

选取纯度≥99.8％的块体金属镁、镓、铟，按镁含量为90at.％，镓含量为8at.％，其余为铟。镁添加3～6wt.％的烧损，本实施例中，镁的添加量为5wt.％。

步骤二：

将称好的镁块放入烘干的石墨坩埚中，在覆盖剂的保护下，将镁块的温度加热至650～750℃。将块体镓与铟投入到金属镁液中，充分搅拌，保温10～40min，使之成为具有宏观均匀性质的熔体；

步骤三：

将步骤二所得熔体加入消泡剂并进行除渣工艺，将预先预热好的模具放在振荡磁场内并浇铸，机械振动频率为600Hz，外加磁场的磁感应强度为5-10T；

步骤四：

将步骤三所得铸件快速冷却后进行热处理，并加工成工程所需构件。最后得到的Mg-Ga-In三元镁合金。

实施例3

一种用于水解制氢的Mg-Ga-In三元镁合金制备方法，包括以下步骤；

步骤一：

选取纯度≥99.8％的块体金属镁、镓、铟，按镁含量为90at.％，镓含量为6at.％，其余为铟。镁添加3～6wt.％的烧损，本实施例中，镁的添加量为4wt.％；

步骤二：

将称好的镁块放入烘干的石墨坩埚中，在覆盖剂的保护下，将镁块的温度加热至650～750℃。将块体镓与铟投入到金属镁液中，充分搅拌，保温10～40min，使之成为具有宏观均匀性质的熔体；

步骤三：

将步骤二所得熔体加入消泡剂并进行除渣工艺，将预先预热好的模具放在振荡磁场内并浇铸，机械振动频率为600Hz，外加磁场的磁感应强度为5-10T。；

步骤四：

将步骤三所得铸件快速冷却后进行热处理，并加工成工程所需构件。最后得到的Mg-Ga-In三元镁合金。

实施例4

一种用于水解制氢的Mg-Ga-In三元镁合金制备方法，包括以下步骤；

步骤一：

选取纯度≥99.8％的块体金属镁、镓、铟，按镁含量为90at.％，镓含量为2at.％，其余为铟。镁添加3～6wt.％的烧损，本实施例中，镁的添加量为3wt.％；

步骤二：

将称好的镁块放入烘干的石墨坩埚中，在覆盖剂的保护下，将镁块的温度加热至650～750℃。将块体镓与铟投入到金属镁液中，充分搅拌，保温10～40min，使之成为具有宏观均匀性质的熔体；

步骤三：

将步骤二所得熔体加入消泡剂并进行除渣工艺，将预先预热好的模具放在振荡磁场内并浇铸，机械振动频率为600Hz，外加磁场的磁感应强度为5-10T。；

步骤四：

将步骤三所得铸件快速冷却后进行热处理，并加工成工程所需构件。最后得到的Mg-Ga-In三元镁合金。

采用传统浇铸成型方法，材料的抗拉强度很难达到400MPa。采用本发明所提供的提高材料强度的方法，在保证材料原有的溶解性能的基础上，材料的抗拉强度普遍可达到400-600MPa。机械振动和外加磁场对材料强度的提高起到了关键性的作用。

图1为富镁合金微观组织形貌，根据图中可以看出，随着铟的加入合金中第二相越多、越均匀，得到的合金相组成越多越有利于水解，与基体形成原电池腐蚀，加速水解过程，改善水解特性。本发明提供的水解制氢富镁三元合金制备方法效果显著，在图2中我们可以看到通过铟元素的加入制氢量不断增加，而且制氢速率也有所提高，达到了最初的目的。如图3为富镁合金的极化曲线，比较自腐蚀电流密度，从大致的自腐蚀电流密度来看出没有加入铟的虽然有最明显的钝化区，但是也存在明显的活化峰，随着铟加入含量的增多，自腐蚀电流密度逐渐增大。