Fe-Cr基耐熱合金的氧化及電導(dǎo)特性研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池(SOFCs)作為新型高效清潔的分布式發(fā)電和汽車輔助動力技術(shù)受到國內(nèi)外的高度關(guān)注。作為SOFCs四大關(guān)鍵部件之一的連接板主要起著在相鄰的電池之間傳輸電子和分隔燃料氣與氧化氣的作用。隨著SOFCs工作溫度的降低，耐熱合金將取代陶瓷材料作為連接板材料。金屬連接板的利用將大大降低SOFCs的制造成本，促進(jìn)固體氧化物燃料電池的商品化。Fe基合金因資源豐富，具有熱膨脹系數(shù)適合，高延展性，良好的加工性及低成本等優(yōu)點，成為中溫平板式

2、SOFC連接體材料研究的焦點。本文針對Fe基合金的抗氧化性及生成氧化膜的導(dǎo)電性問題進(jìn)行了研究，取得了如下的研究結(jié)論： 1．比較了兩種鉻含量分別為13wt％和16 wt％的SUS430商用Fe基合金，發(fā)現(xiàn)SUS430-16wt％Cr合金的抗氧化性能優(yōu)于SUS430-13wt％Cr合金，根據(jù)XRD結(jié)構(gòu)分析、熱力學(xué)計算及氧化特性曲線分析，解釋了兩種合金氧化的主要產(chǎn)物是Cr<,2>O<,3>和少量第二相Mn<,1+δ>Cr<,2-δ>O

3、<,4-λ>產(chǎn)生的原因；測試了兩種合金在750℃～850℃之間的氧化溫度特性，發(fā)現(xiàn)溫度的變化對氧化特性有明顯影響，合金在750℃-800℃的氧化增重速率明顯低于800℃-850℃的氧化增重速率，通過不同溫度的速率常數(shù)的測定，計算出合金在750℃到800℃范圍的激活能約為320kJ/mol；針對抗氧化性較好的SUS430-16 wt％Cr合金的面電阻測試表明，在800℃的工作溫度下，合金氧化過程中氧化膜的導(dǎo)電性不能滿足合金作為連接板的40

4、000小時的使用要求。 2．設(shè)計并研究了Fe-21CvRE(RE表示稀土元素)系列合金的氧化及電導(dǎo)特性。研究發(fā)現(xiàn)：含Cr量為21wt％的Fe-21Cr-RE系列合金抗氧化性能均優(yōu)于含Cr量為16wt％的SUS430商用合金，所研究合金氧化時均生成Cr<,2>O<,3>氧化膜，但添加RE的Fe-21Cr-RE合金的氧化速率明顯低于Fe-21Cr二元合金，而且生成的氧化膜比二元合金生成的氧化膜薄；稀土元素La，Ce，Gd通過釘扎在晶

5、界位置，阻礙了Cr離子的向外遷移，致使Cr的遷移速度小于O<,2>的遷移速度，從而使氧的向內(nèi)擴(kuò)散成為合金氧化動力學(xué)的主導(dǎo)因素，氧化鉻膜的晶粒生長受阻；添加稀土元素Gd的Fe-21Cr-Gd合金的抗氧化性略優(yōu)于添加La，Ce的合金，這是由于它們與氧的親和力不同所引起的；溫度小幅的降低也會顯著提高合金的氧化性能，表明隨著SOFC工作溫度的進(jìn)一步降低，有望使Fe-21Cr-Gd合金滿足連接板的抗氧化性使用要求，但面電阻有待進(jìn)一步降低。

6、 3．針對SUS430及新開發(fā)出的Fe-21Cr-RE合金電導(dǎo)性能難以滿足SOFC連接板長期運(yùn)行的問題，采用高導(dǎo)電氧化物原位生成的思路，依據(jù)理論分析設(shè)計了Fe-Cr-Gd-Mn-Co系列合金。研究發(fā)現(xiàn)：經(jīng)預(yù)氧化生成的氧化物電導(dǎo)性有所提高，但由于合金呈直線氧化特征，因此在本實驗過程中，采用預(yù)氧化原位高導(dǎo)電高抗氧化的氧化物生成技術(shù)的思路沒有生成預(yù)期的氧化物；通過氧化物標(biāo)準(zhǔn)生成焓和氧分壓的計算發(fā)現(xiàn)，合金的氧化遵循熱力學(xué)規(guī)律，在有金屬M(fèi)n存在的

7、條件下，合金優(yōu)先得到Mn-Cr氧化物，而不是Mn-Co氧化物。在沒有Mn存在的條件下，合金得到Cr的氧化物，而不是Co或Cr-Co氧化物。 4．本文還選用具有良好導(dǎo)電性的氧化物陶瓷材料和磁控濺射技術(shù)對Fe-21Cr-0.3Gd合金進(jìn)行表面處理。首先通過溶膠．凝膠法制備了MnCo<,2>O<,4>尖晶石和La<,0.5>Sr<,0.5>CoO<,3>鈣鈦礦氧化物單相粉末，電阻測試表明MnCo<,2>O<,4>尖晶石和La<,0.5

8、>Sr<,0.5>CoO<,3>鈣鈦礦氧化物試樣具有比摻雜La<,0.8>Sr<,0.2>CRO<,3>更優(yōu)良的導(dǎo)電性。800℃時，La<,0.8>Sr<,0.2>CrO<,3>的電阻率為0.1Ωcm，MnCo<,2>O<,4>電導(dǎo)率為0.017Ω.cm，而La<,0.5> Sr<,0.5> CoO<,3>的電阻率僅為0.004Ωcm；通過磁控濺射技術(shù)沉積到Fe-21Cr-0.3Gd基體上的氧化物靶材的非晶化程度高，但經(jīng)晶化處理后分別得

9、到了所需La<,0.5>Sr<,0.5>CoO<,3>和MnCo<,2>O<,4>涂層；面電阻測試表明，涂覆La<,0.5>Sr<,0.5>CoO<,3>后經(jīng)800℃預(yù)氧化處理100h的試樣800℃的面電阻為6mΩ．cm<'2>。而涂覆MnCo<,2>O<,4>后僅經(jīng)800℃預(yù)氧化處理50h面電阻就達(dá)到約100 mΩ．cm<'2>。對涂覆La<,0.5>Sr<,0.5>CoO<,3>后進(jìn)行氧化處理的試樣的界面分析發(fā)現(xiàn)，試樣氧化過程中發(fā)生