Ti0.94Zr0.08Cr1.0Mn0.6?xFe0.4+x（x = 0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4）合金用于25 MPa氢压缩材料的探究

《Metals》：Investigation on Ti0.94Zr0.08Cr1.0Mn0.6?xFe0.4+x (x = 0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4) Alloys for 25 MPa Hydrogen Compression Materials

　　

针对加氢站应用，金属氢化物压缩机（MHHC）为机械压缩系统提供了安全高效的替代方案。研究人员系统探究了Ti0.94Zr0.08Cr1.0Mn0.6?xFe0.4+x（x = 0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4）合金作为面向25 MPa初级氢压缩的材料。所有合金均结晶为单一C14 Laves相，Fe取代引起可忽略的晶格变化，但因固溶强化导致颗粒尺寸线性增大。在?80至?50 °C测试温区内，储氢容量随Fe含量增加而下降，而有效脱附容量提升。压力-成分（PC）等温线呈现单平台特征，且Fe/Mn比升高时平台压升高。在x = 0–0.4范围内，脱附焓绝对值随Fe含量增加而减小。基于Van’t Hoff关系外推至30 °C吸氢与80 °C脱氢，压缩因子呈非单调变化，于x = 0.2达最大值1.99。该组分可实现近两倍增压，显示出在低品位热驱动加氢基础设施氢压缩中的应用前景。

研究背景方面，化石能源枯竭与碳减排压力推动氢能社会发展，氢燃料电池汽车（HFCV）向70 MPa车载储氢演进，加氢站（HRS）对氢压缩机提出高安全要求。传统机械压缩机存在振动、噪声、高能耗与维护成本问题，而金属氢化物氢压缩机（MHHC）利用储氢合金脱附平台压随温度指数上升的特性实现无运动部件增压，并可回收低品位余热。AB₂型TiCr₂基C14 Laves相因容量与平台压适配中间及末级压缩受关注。已有研究指出Cr/Fe/Mn/V取代可调控平台压与容量，但针对初级压缩（8→25 MPa）、在水浴温度低于100 °C实现目标脱附压这一具体区间，Mn/Fe比对Ti-Zr-Cr-Mn-Fe体系晶体结构、热力学与压缩性能的系统影响尚未明晰，故研究人员开展本工作。论文发表于《Metals》。

关键技术方法上，研究人员采用真空感应熔炼制备名义成分Ti_0.94Zr_0.08Cr_1.0Mn_0.6?xFe_0.4+x（x=0~0.4）铸锭，经破碎过200目筛得粉末；利用X射线衍射（XRD）、场发射透射电镜（FETEM）、场发射扫描电镜（FESEM）配能谱（EDX）表征相结构与形貌；使用Sievert型PCT仪在氩保护下装样约1.600 g，于?80~?50 °C、7.5 MPa高纯氢下完成活化、动力学与压力-成分-温度（PCT）测试；基于多温区平台压构建Van’t Hoff图，外推30 °C吸氢与80 °C脱附平衡压并计算压缩因子（脱/吸压比）。

研究结果部分，3.1显微结构表征中，XRD与TEM证实全组分维持单一C14 Laves相，Fe代Mn未引发相变，主峰位基本不移，晶格参数近乎不变；SEM-BSE显示同相内微区衬度差异源于成分波动而非第二相，EDS面扫表明元素微米级分布均匀；随x由0增至0.4，破碎粉中位粒径d₅₀由3.06 μm线性升至6.60 μm，归因为Fe原子半径更小诱发固溶强化、硬度和抗变形能力上升使粉碎粗化。3.2氢压缩性能中，3.2.1动力学显示?80 °C吸氢容量从x=0的2.51 wt.%降至x=0.4的1.77 wt.%，但有效脱附容量由0.54 wt.%升至1.50 wt.%，吸氢约200 s达饱和90%；3.2.2 PCI曲线呈单平台，Fe/Mn比升高平台压系统上移，无第二平台，平台倾斜度变化不大；Van’t Hoff分析得脱附焓绝对值由18.62 kJ/mol H₂降至13.08 kJ/mol H₂，熵约90 J/K/mol H₂略低于气固反应常值125 J/K/mol H₂；外推30 °C吸压11~33 MPa、80 °C脱压相应提升，压缩因子非单调，x=0.2取最大1.99，x=0.2与0.3接近，x=0.2在平台压、可逆容量与压缩比间平衡最佳。

讨论与结论翻译总结：研究人员判定C14 Laves相对宽范围Fe代Mn具容限，单斜微观成分波动不损宏观单相性；固溶强化主导粒径线性粗化这一此前少报现象；Fe增加降吸氢总量但升有效脱附量，平台压升、脱附焓绝对值降共同造就压缩因子峰值；x=0.2合金以近两倍单级增压、兼容水浴温区、可利用低品位余热为特征，适合加氢站初级MHHC。结论明确——适度Fe代Mn是定向调平台压的有效策略，Ti_0.94Zr_0.08Cr_1.0Mn_0.4Fe_0.6（x=0.2）为25 MPa级低品位热驱动氢压缩提供优选材料方案。