用于储氢的Mg基合金制造技术

特别适用于储氢应用的一系列合金，这些合金具有：Mg；和Cu、Si、Ni以及Na合金中的至少一种。本发明专利技术的这些合金形成二元和三元体系。这些合金相对于其Cu和Ni含量基本上是亚共晶的，当存在这些元素中的一种或两种时，但当还存在Si元素时，这些合金相对于其Si含量是在从亚共晶到过共晶的范围内。如果将Na添加到该合金中，则术语亚共晶和过共晶不适用于Na。所披露的合金组合物提供了就其储氢和动力学特性而言的高性能合金。它们还能够使用常规的铸造技术来形成，这些常规的铸造技术比昂贵得多和复杂得多的替代球磨和快速凝固技术更便宜和更适于商业用途。这些单独的二元Mg‑E体系(其中E＝Cu、Ni或Si)中的每个形成由Mg金属和相应的MgxEy金属间相构成的共晶。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于储氢的Mg基合金
本专利技术涉及一种Mg基合金，该Mg基合金能够通过常规的熔融和铸造技术形成并且适合用作适用于储存和以固态形式运输氢的基于金属氢化物的材料。所披露的Mg基合金具有以下元素中的一种或多种的受控添加物：Cu、Na、Ni、和Si。基于对各元素所发挥作用的深入理解，可以调整合金以实现性能属性的有利组合，从而与其他成本相当和重量相当的储氢材料相比提供具有吸引力的储氢特性。
技术介绍
除作为用于各种工业加工应用中的重要工业气体之外，氢还被看作是基于碳的化石燃料的重要替代能源。因此，对用于氢的安全且合适的储存和运输设备的需求正在增加。用于储存和运输氢的现有技术需要：高压缩压力和重型钢气瓶以将氢以气体形式储存，或极低的低温温度和昂贵的绝热容器以将氢以液体形式储存。这两者均具有隐含的安全问题。经由与合适固体的化学反应储存氢使得气体被有效地封闭到固体中并且变得明显更安全的概念是非常有吸引力的，并且已经花费了很多精力来找到合适的储存材料。众所周知，Mg能够以7.6质量％的氢化镁(MgH2)形式储存氢。然而，纯Mg的吸收和解吸反应的动力学对于将其实际用作固态储氢材料来说太慢。已经使用不同的方法来改善Mg的吸收/解吸动力学，以及由此改善其用作储存材料的实际适用性。这些包括以下方法中的一种或多种：添加特定元素以提供催化益处(例如，Ni)；添加特定元素以提供有益的第二相(例如，Zr)；通过机械手段(例如，通过球磨)细化微结构；通过热手段(例如，通过快速凝固技术如熔融纺丝)细化微结构；以及，通过组成控制和热手段的组合(例如，通过高水平的合金添加剂与快速冷却速率的组合)来产生无定形玻璃相。用于储氢和运输系统的实际应用是多种多样的，并且将继续出现并随时间演变。不同的应用可能需要，或至少能够得益于储氢性能特性，例如，更长或更短的活化时间、更快或更慢的吸收速率、更快或更慢的解吸速率的不同组合。这可进一步与相对重量(例如储存的H2质量/储存合金和设备的质量)和相对成本(例如储存的H2质量/储存合金和设备的成本)的考虑相结合以将潜在应用转化成可行的商业现实。用于控制合金性能、重量和成本的方式之一是通过对合金组成进行有意调整。为了做到这一点，在优选的合金配制品中重要的是避免使用外来且昂贵的元素以及重的致密元素。还非常希望可以通过商业铸造技术而不是现有技术中经常提出的昂贵且复杂的形成技术(诸如球磨或气相沉积)经济地生产替代合金组合物。除了机械破碎凝固的铸造合金以将其转变成松散的可包装材料(诸如碎片或颗粒)之外，还希望此类简单生产的合金不需要进一步的后处理操作。一般来说，元素可以被分类为相对于另一元素种类是“共晶形成”、“包晶形成”或“偏晶形成”的。在本专利申请中，主要兴趣是与Mg是“共晶形成”(此概念在下面描述)的某些元素添加物。已知与Mg形成“二元”共晶的元素是：Al、Ag、Au、Ba、Bi、Ca、Ce、Cu、Eu、Ga、Gd、Ge、Hg、La、Ni、Pb、Sb、Si、Sm、Sn、Sr、Th、Tl、Y、Yb以及Zn。其中，仅关注这些中的三种：Cu、Ni和Si。(注意：Na与Mg是偏晶形成的，而不是共晶形成的。)当添加到另一元素(在我们的情况下诸如Mg)中的元素E与后者元素形成共晶时，该元素E被称为共晶形成元素。共晶是呈不同比例且具有不同结构的两种(或更多种)不同构成相的混合物。当共晶仅由两种元素和两个构成相组成时，它被称为二元共晶。共晶总是具有比组成共晶的两个(或更多个)单独组成相更低的熔点。共晶点是温度和合金组成的独特限定条件。如果将共晶形成元素E以小于获得该合金体系的共晶组成所需量的量添加到另一元素中，则其被称为亚共晶组成的合金。共晶组成在几乎所有的双元素合金体系的一般文献中均有充分记载。在元素E以亚共晶的量添加到熔融Mg中的情况下，这将在冷却时导致在形成双相共晶(Mg和MgxEy金属间化合物的混合物，其中x、y是由各个相的原子和晶体特征确定的值)之前首先形成Mg固溶相(即，初级Mg)。如果共晶形成元素E以高于获得共晶组成所需的组成添加，则它被称为过共晶组成的合金，并且在将元素E添加到Mg中的情况下，这将导致在形成双相共晶(如以上所指出)之前首先形成MgxEy金属间化合物(即，初级MgxEy金属间化合物)。亚共晶合金组成与过共晶合金组成之间的区别是重要的，因为待形成的第一相决定合金的主要结构骨架(即，成为晶体、晶粒或颗粒)，其中共晶随后填充在这种初级结构之间的间隙中。因此，由初级Mg固溶体的骨架组成的合金结构实质上与由初级MgxEy金属间化合物的骨架组成的结构在冶金学上是不同的。在本说明书中对于任何现有技术的引用不是、并且不应当被当成是这样一种承认或任何形式的建议，即该现有技术形成了在澳大利亚或任何其他司法管辖区域中的公知常识的一部分或可以合理地预期该现有技术由本领域普通技术人员确认、理解和视为相关的。
技术实现思路
本专利技术人已经发现了特别适用于储氢应用的一系列合金，这些合金具有：Mg；和Cu、Si、Ni以及Na合金中的至少一种。这些合金相对于其Cu和Ni含量基本上是亚共晶的，当存在这些元素中的一种或两种时，但当还存在Si元素时，这些合金相对于其Si含量是在亚共晶到过共晶的范围内。如果将Na添加到合金中，则术语亚共晶和过共晶不适用于Na。所披露的合金组合物提供了就其储氢和动力学特性而言的高性能合金。它们还能够使用常规的铸造技术来形成，这些常规的铸造技术比昂贵得多和复杂得多的替代球磨和快速凝固技术更便宜和更适于商业用途。单独的二元Mg-E体系(其中E＝Cu、Ni或Si)中的每个形成由Mg金属和相应的MgxEy金属间相组成的共晶(图1-3)。除了Mg金属吸收氢形成氢化物MgH2的能力之外，MgxEy金属间相中的每种也能够以不同程度吸收氢形成形式MgaEbHc或类似的相应氢化物。注意，另一个感兴趣的元素Na不与Mg形成共晶而是形成偏晶并且表现出混溶间隙，这意味着基本上纯元素Na与Mg共混合，其中仅少量的Na能够溶解。这使得Na以将在后面详细描述的几种可能和感兴趣的方式自由地与合金相互作用。在本专利技术的第一方面中，提供了一种Mg-Cu基合金，该Mg-Cu基合金能够通过商业铸造方法形成并且适用于储氢应用，并且基本上由以下项组成：i.一定量的Cu，使得该合金相对于Cu含量是亚共晶的，该Cu量是大于0并且小于32质量％的Cu；更优选具有在0.1质量％与9质量％之间的Cu含量；并且最优选在0.1质量％与5.5质量％之间的Cu；以及任选地，一定量的Ni，使得该合金相对于Ni含量是亚共晶的，该Ni量是0或大于0并且小于23.5质量％的Ni；ii.一定量的Na，该Na量是从0并且最高达2质量％的Na(20,000ppm，即百万分之20,000)，更优选在200与4,000ppm之间的水平；并且最优选在800与2000ppm之间的水平；iii.总计小于0.5质量％的附带杂质；以及iv.合金物质的余量，该余量是Mg，该合金具有初级(初始形成的)结晶的Mg相和随后结晶的Mg-Cu基共晶。在本专利技术的第二方面中，提供了一种Mg-Si基合金，该Mg-Cu基合金能够通过商业铸造方法形成并且适用于储氢应用，并且基本上由以下项组成：i.(a)一定量的Si，使本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Mg‑Cu合金，该Mg‑Cu合金能够通过商业铸造方法形成并且适用于储氢应用，并且基本上由以下项组成：i.一定量的Cu，使得该合金相对于Cu含量是亚共晶的，该Cu量是大于0并且小于32质量％的Cu；以及任选地，一定量的Ni，使得该合金相对于Ni含量是亚共晶的，该Ni量是大于0并且小于23.5质量％的Ni；ii.一定量的Na，该Na量是从0并且最高达2质量％的Na(20,000ppm，即百万分之20,000)；iii.总计小于0.5质量％的附带杂质；以及iv.该合金物质的余量，该余量是Mg，该合金具有初级(初始形成的)结晶的Mg相和随后结晶的Mg‑Cu基共晶。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.07.23 AU 20159029391.一种Mg-Cu合金，该Mg-Cu合金能够通过商业铸造方法形成并且适用于储氢应用，并且基本上由以下项组成：i.一定量的Cu，使得该合金相对于Cu含量是亚共晶的，该Cu量是大于0并且小于32质量％的Cu；以及任选地，一定量的Ni，使得该合金相对于Ni含量是亚共晶的，该Ni量是大于0并且小于23.5质量％的Ni；ii.一定量的Na，该Na量是从0并且最高达2质量％的Na(20,000ppm，即百万分之20,000)；iii.总计小于0.5质量％的附带杂质；以及iv.该合金物质的余量，该余量是Mg，该合金具有初级(初始形成的)结晶的Mg相和随后结晶的Mg-Cu基共晶。2.如权利要求1所述的Mg-Cu基合金，其中该Cu含量在1质量％与9质量％之间。3.如权利要求1所述的Mg-Cu基合金，其中该Cu含量在2质量％与6质量％之间。4.如权利要求1-3所述的Mg-Cu基合金，其中该Na含量在200与4,000ppm之间。5.如权利要求1-3所述的Mg-Cu基合金，其中该Na含量在800与2,000ppm之间。6.一种Mg-Si合金，该Mg-Si合金能够通过商业铸造方法形成并且适用于储氢应用，并且基本上由以下项组成：i.(a)一定量的Si，使得该Mg-Si合金相对于Si含量是亚共晶的，该Si量是大于0并且小于1.34质量％的Si；或(b)一定量的Si，使得该合金相对于Si含量是过共晶的，该Si量是大于1.34质量％并且小于36.6质量％的Si；ii.任选地，以下项中的至少一项：一定量的Ni，使得该合金相对于Ni含量是亚共晶的，该Ni量是大于0并且小于23.5质量％的Ni；和一定量的Cu，使得该合金相对于Cu含量是亚共晶的，该Cu量是大于0并且小于32质量％的Cu；iii.一定量的Na，该Na量是从0并且最高达2质量％的Na(20,000ppm)；iv.总计小于0.5质量％的附带杂质；以及v.该物质的余量，该余量是Mg，该合金具有初级结晶的Mg相和随后结晶的Mg-Si基共晶。7.如权利要求6所述的Mg-Si基合金，其中该Na含量在200与4,000ppm之间。8.如权利要求6所述的Mg-Si基合金，其中该Na含量在800与2,000ppm之间。9.如权利要求6所述的合金，该合金基本上由以下项组成：一定量的Si，使得该合金相对于Si含量是过共晶的；以及任选地，以下项中的至少一项：一定量的Ni，使得该合金相对于Ni含量是亚共晶的，该Ni量是大于0并且小于23.5质量％的Ni；和一定量的Cu，使得该合金相对于Cu含量是亚共晶的，该Cu量是大于0并且小于32质量％的Cu；该合金具有初级结晶的Mg2Si金属间相和随后结晶的Mg-Si基共晶。10.如权利要求9所述的Mg-Si基合金，其中该Si含量在1.34质量％与7质量％之间。11.如权利要求9所述的Mg-Si基合金，其中该Si含量在1.34质量％与5质量％之间。12.如权利要求9所述的Mg-Si基合金，其中该Na含量在200与4,000ppm之间。13.如权利要求9所述的Mg-Si基合金，其中该Na含量在800与2,000ppm之间。14.如权利要求6所述的合金，该合金基本上由以下项组成：一定量的Si，使得该合金相对于Si含量是亚共晶的，该Si量是大于0并且小于1.34质量％的Si；以及任选地，以下项中的至少一项：一定量的Ni，使得该合金相对于Ni含量是亚共晶的，该Ni量是大于0并且小于23.5质量％的Ni；和一定量的Cu，使得该合金相对于Cu含量是亚共晶的，该Cu量是大于0并且小于32质量％的Cu。15.如权利要求14所述的合金，其中该Na含量在200与4,000ppm之间。16.如权利要求14所述的Mg-Si基合金，其中该Na含量在800与2,000ppm之间。17.如权利要求1所述的合金，该合金基本上由以下项组成：一定量的Ni，使得该合金相对于Ni含量是亚共晶的，该Ni量是大于0并且小于23.5质量％的Ni；该合金具有初级结晶的Mg相和随后结晶的Mg-Cu基共晶、Mg-Ni基共晶和Mg-Cu-Ni基共晶中的一种或多种的混合物。18.如权利要求17所述的Mg-Cu-Ni基合金，其中该Cu含量在0.1质量％与9质量％之间。19.如权利要求17所述的Mg-Cu-Ni基合金，其中该Cu含量在0.1质量％与5.5质量％之间。20.如权利要求17-19所述的Mg-Cu-Ni基合金，其中该Ni含量在0.1质量％与9质量％之间。21.如权利要求17-19所述的Mg-Cu-Ni基合金，其中该Ni含量在0.1质量％与5.5质量％之间。22.如权利要求17-19所述的Mg-Cu-Ni基合金，其中该Na含量在200与4,000ppm之间。23.如权利要求17-19所述的Mg-Cu-Ni基合金，其中该Na含量在800与2,000ppm之间。24.如权利要求14所述的合金，该合金基本上由以下项组成：一定量的Cu，使得该合金相对于Cu含量是亚共晶的，该Cu量是大于0并且小于32质量％的Cu；该合金具有初级结晶的Mg相和随后结晶的Mg-Cu基共晶、Mg-Si基共晶和Mg-Cu-Si基共晶中的一种或多种的混合物。25.如权利要求24所述的Mg-Cu-Si基合金，其中该Cu含量在0.1质量％与7质量％之间。26.如权利要求24所述的Mg-Cu-Si基合金，其中该Cu含量在0.1质量％与4.5质量％之间。27.如权利要求24-26所述的Mg-Cu-Si基合金，其中该Si含量在0.1质量％与1.34质量％之间。28.如权利要求24-26所述的Mg-Cu-Si基合金，其中该Si含量在0.2质量％与1.34质量％之间。29.如权利要求24-26所述的Mg-Cu-Si基合金，其中该Na含量在200与4,000ppm之间。30.如权利要求24-28所述的Mg-Cu-Si基合金，其中该Na含量在800与2,000ppm之间。31.如权利要求9所述的合金，该合金基本上由以下项组成：一定量的Cu，使得该合金相对于Cu含量是亚共晶的，该Cu量是大于0并且小于32质量％的Cu；以及任选地，一定量的Ni，使得该合金相对于Ni含量是亚共晶的，该Ni量是大于0并且小于23.5质量％的Ni；该合金具有初级结晶的Mg2S...

【专利技术属性】
技术研发人员：安德鲁·查尔斯·杜吉德，野北和宏，陈欣芙，约翰·安鲁德·泰勒，
申请(专利权)人：海德瑞克斯亚股份有限公司，
类型：发明
国别省市：澳大利亚,AU