摘要：氢能作为清洁能源，在化工、航空航天等领域应用广泛，但工业制氢常伴随杂质气体（如CO、CO₂）的混入，亟需高效、低成本的氢分离技术。金属膜分离法因纯度高、体积小备受关注，但传统材料如钯（Pd）价格昂贵，且钒（V）基合金虽成本低，却存在氢脆问题。如何兼顾高氢渗透性
导读
苏州大学研究团队成功开发出V-Ni-Fe氢分离合金，其氢渗透系数是纯钯的4.3倍，抗氢脆性能显著提升，为氢能高效分离提供新方案！
氢能作为清洁能源，在化工、航空航天等领域应用广泛，但工业制氢常伴随杂质气体（如CO、CO₂）的混入，亟需高效、低成本的氢分离技术。金属膜分离法因纯度高、体积小备受关注，但传统材料如钯（Pd）价格昂贵，且钒（V）基合金虽成本低，却存在氢脆问题。如何兼顾高氢渗透性、抗氢脆性和加工性能成为研究难点。苏州大学团队瞄准这一挑战，通过调控V-Ni-Fe合金的成分与微观组织，成功开发出综合性能优异的氢分离材料，为氢能产业升级提供关键技术支持。
【文章来源及内容】
苏州大学沙钢钢铁学院等团队在《特种铸造及有色合金》2025年第1期发表了题为《V-Ni-Fe氢分离合金微观组织与力学、氢传输性能》的研究。该研究系统分析了不同Fe含量（0~15%）对V85Ni15-xFex合金微观组织、力学性能及氢传输特性的影响。结果显示，V-Ni-Fe合金均为均匀的bcc固溶体，其中V85Ni15-xFex合金在400℃下的氢渗透系数高达纯钯的4.3倍，同时兼具优异塑性（最大变形量20%）和抗氢脆性能，为氢分离膜材料的规模化应用奠定基础。
【研究亮点】
目前，溶质元素对V合金的塑性影响规律的研究较少。选择V85Ni15-xFex（x=0，5，7.5，10，15）合金为对象，通过表征其微观组织、力学性能和氢传输性能，分析Ni和Fe元素对V合金力学和氢传输性能的影响，以期开发一种综合性能优异的V基氢分离合金。
【研究方法】
采用纯度均为99.95%（质量分数）的纯V、纯Ni和纯Fe，按照不同摩尔比配置150 g合金原料。使用自研的SPG-60B真空非自耗电弧炉在高纯氩气（体积分数为99.9995%）保护下熔炼合金铸锭。利用电火花线切割切取20 mm×5 mm×2 mm的长方形组织表征试样，用砂纸（80~3000号）打磨并抛光后，使用D/max-Rb旋转阳极X射线衍射仪测试试样的XRD图谱（衍射角2θ范围为30°~100°）；使用配有EDS系统的JXA-8230电子探针显微镜，对其进行背散射电子成像观察，分析其微观组织，并借助能谱（EDS）面扫描对其成分分布进行分析。使用HVD-1000AP维氏显微硬度仪在试样表面不同位置进行10次显微硬度测量，获得试样的平均硬度。在铸锭中切取ϕ10 mm×25 mm的圆柱型压缩试样，依次用砂纸打磨（80~1500号）试样表面后使用TSE105D电子万能试验机进行压缩试验，变形速率为10 mm/min。
从铸锭中切取ϕ22 mm×0.8 mm的薄片，通过研磨和抛光将厚度减至0.5 mm。使用高真空磁控溅射系统（ZC-1000）在薄片试样的两个表面上镀Pd，Pd层厚度约为200 nm。使用自研的Sieverts型PCT （Pressure-Composition-Temperature）设备测试试样在250~400 ℃内，氢气平衡压力为0.05~0.85 MPa的氢溶解性能。使用自行设计开发的氢渗透测试系统测试试样在不同温度（250~400 ℃）、不同上游氢气压力（pu）（0.15~0.8 MPa）的氢渗透流量（J）。试样的抗氢脆性能通过“缓冷测试”进行表征，首先使试样在温度为400 ℃、上游压力为0.7 MPa、下游压力为0.1 MPa的条件下稳定渗氢，然后以1 ℃/min的速度缓慢降温，直至合金膜破裂或温度降至室温。
【全文解读】
5种合金均由bcc-（V）相组成，无第二相。与纯V相比，V-Ni-Fe合金的衍射峰向右有不同程度的偏移，说明Ni和Fe的引入使合金的衍射角2θ增大，晶格常数减小。对比不同V-Ni-Fe合金，发现随Ni含量提高，衍射峰位置呈向右偏移的趋势，但V85Ni7.5Fe7.5合金的衍射峰位置与总体规律略有不同。V-Ni-Fe合金所有试样中均无第二相， V-Ni-Fe合金均由均匀的bcc-（V）相组成。
图1V-Ni-Fe合金的XRD图谱
图2V-Ni-Fe合金的扫描照片
发现随Fe含量增加，V-Ni-Fe合金合金的硬度整体呈先上升后下降的趋势，但其中V85Ni7.5Fe7.5合金的硬度略低于V-Ni-Fe合金系硬度的总体变化趋势。V-Ni-Fe合金在弹性变形阶段的应力基本相同，但屈服强度有较大差异，V85Ni5Fe10的屈服强度最高，约为600 MPa；V85Fe15的屈服强度最低，约为363 MPa。对比塑性变形部分发现V85Ni15具有最佳的塑性，最大变形量约为26%。V-Ni-Fe合金中除V85Ni7.5Fe7.5外，其他合金屈服强度随Fe含量增加而先上升后下降，最大变形量呈先下降后上升趋势。V85Ni7.5Fe7.5合金在硬度、屈服强度、塑性等力学方面均表现出与总体规律不同的特性，该特性可能与V85Ni7.5Fe7.5合金的晶格常数偏离合金系组织演化规律有关，特别是高达20%的最大变形量使其具有较好的塑性加工潜力。
图3V-Ni-Fe合金的维氏硬度
图4V-Ni-Fe合金室温压缩中的应力-应变曲线
图5室温压缩中V-Ni-Fe合金的屈服强度与最大变形量
Ni元素与Fe元素的引入，降低了V的氢溶解。随Fe元素摩尔分数的提高，合金的氢溶解逐渐降低。除V85Ni7.5Fe7.5合金外的4种合金溶解度变化幅度较为接近，V85Ni7.5Fe7.5合金的氢溶解则与该规律略有偏离。利用氢分离合金韧脆转变的常用判据（r≤0.2）对5种V-Ni-Fe合金进行分析，发现V85Ni15的氢溶解度与“韧脆转变判据”偏差较大，可能会表现出明显的氢脆倾向。
图6V-Ni-Fe合金与纯V在400 ℃的氢溶解
通过不同条件下的氢渗透测试，发现随Ni摩尔比升高，V-Ni-Fe合金氢渗透系数（Φ）逐渐增大。除V85Ni15以外4种合金的氢渗透系数（Φ）随温度（T）升高而略有下降。V85Ni15合金的氢渗透系数（Φ）在该温度范围内基本不受温度（T）影响。V85Ni7.5Fe7.5合金400 ℃的氢渗透系数（Φ）约为6.9×10-8 mol H2/（m·s·Pa0.5），约为纯Pd的4.3倍。
图7V-Ni-Fe合金的氢渗透系数
表征氢渗透合金通常采用“恒压缓冷测试”，通过缓慢降低合金的氢渗透温度至室温，使合金的氢溶解逐渐提高，当其氢脆倾向高于阈值时，合金膜将在上、下游压差的作用下破坏失效，表现为氢渗透流量急剧升高。V- Fe摩尔比较高的3种合金在缓冷测试中未发生氢脆行为，表现出较好的抗氢脆性能。V85Ni15和V85Ni10Fe5两种合金则分别在188 ℃和148 ℃发生氢脆失效。Fe含量越高，氢脆温度越低，说明Fe的引入有效提高了V合金的抗氢脆性能。
图8V-Ni-Fe合金在缓冷测试中氢渗透流量变化曲线
【主要结论】
（1）V85Ni15-xFex（x=0，5，7.5，10，15）合金为均匀的bcc-（V）单相固溶体合金，Ni和Fe元素均使V的晶格收缩。
（2）随Fe含量升高，V-Ni-Fe合金的硬度和屈服强度呈先上升后下降的趋势，但V85Ni7.5Fe7.5合金异于总体趋势，表现出较低的硬度和屈服强度。V-Ni-Fe合金系的塑性演化规律与屈服强度演化规律相反，呈先下降后上升的趋势，除V85Ni15和V85Fe15二元合金外，VNi7.5Fe7.5合金表现出最佳的塑性，最大变形量可达20%。
（3）随Fe含量升高，V-Ni-Fe合金的氢溶解逐渐下降，抗氢脆性能逐渐提高。在缓冷测试中，Fe含量较高的3种合金未发生氢脆，抗氢脆性能较好。
（4）V-Ni-Fe合金的氢渗透系数随Ni摩尔比的升高而升高。在250 ~400 ℃内，V85Ni15合金的氢渗透系数变化不大，其他4种合金的氢渗透系数随温度升高而略有下降。
【引用格式】
杨旭，梁骁，王景琪，等. V-Ni-Fe氢分离合金微观组织与力学、氢传输性能［J］. 特种铸造及有色合金，2025，45（1）：85-89.
YANG X，LIANG X，WANG J Q，et al. Microstructure， mechanical and hydrogen transfer properties of V-Ni-Fe hydrogen separation alloys［J］. Special Casting & Nonferrous Alloys，2025，45（1）：85-89.
扩展阅读：欢迎登陆www.special-cast.com，阅读、下载、引用《特种铸造及有色合金》期刊上发表的论文。
来源：特铸杂志
