Fe-Cr合金连接体NiMn_2O_4涂层的制备及性能研究

Fe-Cr铁素体合金是中低温固体氧化物燃料电池理想的连接体材料,但其在高温下缺乏良好的抗氧化性能,影响了电池的高效安全运行。采用传统溶胶-凝胶提拉技术在预氧化处理Fe-Cr合金连接体表面制备NiMn_2O_4保护涂层,并系统研究了涂层对合金连接体高温微观组织结构、抗氧化性能及导电性能的影响规律。研究结果表明,溶胶-凝胶提拉法能够在预氧化处理Fe-Cr合金连接体表面制备出均匀致密,与基体结合良好的NiMn_2O_4保护涂层。经800℃空气中168h高温氧化,涂覆NiMn_2O_4涂层后合金连接体的高温氧化速率仅为涂覆前的1/3,且涂覆涂层后合金连接体较涂覆前具有较低的长时间稳定的面比电阻(10mΩ·cm^2)。

稀土改性Fe-Cr合金连接体高温氧化行为研究

以一种稀土改性Fe-Cr铁素体合金为研究对象,分析了氧化温度和氧化时间对该合金高温氧化行为的影响。利用X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）技术研究了合金氧化物的相组成及微观形貌演化过程,通过增重法研究了合金的高温氧化动力学。结果表明,稀土改性Fe-Cr合金高温氧化过程中形成的氧化层物质主要为Mn Cr2O4和Cr2O3。合金在650~800℃工作温度范围内氧化程度较小,并且在800℃空气中氧化0~168 h的氧化速率常数仅为9.63×10-15g2·cm-4·s-1,它是中低温固体氧化物燃料电池合适的连接体备选材料。

固体氧化物燃料电池合金连接体尖晶石保护涂层研究进展

Fe-Cr基合金连接体是固体氧化物燃料电池组堆的重要组件,但其在600~800℃工作时易被氧化,致使导电性能下降且“Cr中毒”问题突出。目前,主要的解决方法是在Fe-Cr基合金连接体上的表面涂覆保护涂层以减小固体氧化物燃料电池组堆性能的降低。尖晶石涂层因其良好的抗氧化性能、导电性能及适宜的热膨胀系数,在合金连接体保护涂层中得到广泛应用。阐述了近年来不同尖晶石涂层体系的研究进展,介绍了尖晶石涂层的制备方法,并指出了该领域今后的发展方向。

中低温固体氧化物燃料电池合金连接体保护涂层研究进展

Fe-Cr铁素体合金是中低温固体氧化物燃料电池理想的连接体材料,但其在高温下缺乏良好的抗氧化性能,且会引起阴极"Cr中毒"现象,影响了电池的高效安全运行,目前解决上述问题的主要方法是对合金连接体进行表面改性,在连接体表面开发导电性保护涂层。介绍了中低温固体氧化物燃料电池Fe-Cr合金连接体表面涂层材料的主要作用和具体要求,着重阐述了目前连接体涂层材料的主要类型及其研究进展,并指出了目前该领域研究中存在的问题及今后的发展方向。

SOFC合金连接体材料的研究进展

对固体氧化物燃料电池(SOFC)用合金连接体材料的研究进展进行了介绍,分别对镍基、铬基和铁基合金合金连接体材料的研究发展情况给予评述,对每种连接体材料的特点和存在的问题进行了详细的论述,并指明了各种合金连接体材料的今后发展趋势.最后着重指出铁基合金及其表面改性是今后连接体材料发展的主要方向.

铬基合金连接体材料在固体氧化物燃料电池中的应用

主要介绍了固体氧化物燃料电池(SOFC)的铬(Cr)基合金连接体材料的发展现状。Cr基合金具有良好的抗氧化性、耐腐蚀性和导电性能等,是目前连接体材料中的研究热点之一。在SOFC阴极环境中,容易形成氧化层,同时由于Cr的扩散和挥发还可能导致阴极中毒,合金中掺杂稀土元素(Y、La、Ce和Zr)可以抑制Cr_2O_3层的生成。在阳极环境中,Cr基合金的表现优于阴极。与Al_2O_3、NiO、MgO和TiO_2等相比,Cr_2O_3基氧化层具有较好的综合性能,其耐高温(1100℃)、热膨胀系数(9.6×10^(-6)K^(-1))和YSZ电解质(10.8×10^(-6)K^(-1))相近、且具有较好的导电性。目前,Cr基合金的研究重点是氧化物弥散强化(ODS)合金,使用最多的是Cr5FelY_2O_3,其热膨胀系数为9×10^(-6)K^(-1)～10×10^(-6)K^(-1)(1000℃),抗氧化性能较好。

固体氧化物燃料电池(SOFC)合金连接体耐高温氧化导电防护涂层

降低固体氧化物燃料电池(SOFC)工作温度,可使用高电导、高热导、高强度的合金作为连接体。其中含Cr的铁素体不锈钢合金,具有与SOFC其他部件材料匹配的热膨胀系数,此外还有易于加工及成本低廉等优点,成为中低温板式SOFC连接体材料应用与研究的重点。但这类合金表面高温氧化所带来的界面电阻变化,及Cr挥发进而在阴极沉积所带来的诸多问题,成为影响板式SOFC长期稳定的关键因素,因此必须进行有效的表面处理。从SOFC合金连接体引起的电堆性能衰减机理出发,阐明了降低或防止阴极Cr中毒的几类方法,论述了合金连接体涂层的必要性。结合笔者开发设计的尖晶石粉末还原法在合金连接体表面制备纳米微结构Mn_(0.9)Y_(0.1)Co_2O_4(MYC)防护涂层方面的工作,综述了国内外SOFC合金连接体涂层材料及涂层制备方法的研究进展。对各类涂层材料及涂层制备方法优缺点进行比较的同时,重点介绍了电导率高、实用性较强的钙钛矿结构及尖晶石结构涂层材料。最后展望了合金连接体涂层的发展前景。

Fe-Cr二元合金微观组织演化的质量密度场耦合动力学Monte-Carlo模拟研究

本文建立了一种全新的将动力学Monte-Carlo粒子模拟与基于归一化Gauss函数基组的质量密度场空间粗粒化模型耦合的杂化模拟算法.采用该杂化模拟算法,系统对比研究了4种Cr原子含量分别为12.8%,20.0%,30.0%和40.0%的Fe-Cr合金中Cr相在温度为673 K下的时效析出动力学机制,及其时效不同阶段微观组织形貌的演变规律.研究得出Fe-Cr(12.8%)合金富Cr相时效组织形貌呈现孤立颗粒状空间分布形态,时效机制属于形核-长大(NG)机制;对于Fe-Cr(30.0%)和Fe-Cr(40.0%),富Cr相时效形貌在形核-生长及熟化阶段均呈现为三维蠕虫状空间分布特征,时效机制属于条幅分解(SD)机制;对于Fe-Cr(20.0%)合金,其富Cr相组织演化特征介于NG和SD机制之间.研究进一步发现Cr原子短程序参量可用来分析富Cr相形核-生长阶段Fe-Cr合金原子尺度结构的演变,但对于时效熟化阶段微观结构组织变化不敏感.基于空间粗粒化后Fe-Cr合金微观组织形貌,进一步分析了4种Cr原子含量下Fe-Cr合金相变动力学参数如富Cr相体积分数、平均粒径及相颗粒数密度随时效时间演变.本文建立的质量密度场耦合动力学Monte-Carlo模拟方法,为开发多尺度算法模拟合金时效动力学机制及微观组织形貌演变提供了新的思路和研究基础.

SUS430合金连接体在模拟SOFC阳极气氛下的氧化

研究了SUS430合金在模拟SOFC阳极气氛下高温氧化(750℃和850℃)500 h的氧化动力学及其表面氧化膜的形貌。利用SEM、EDS及XRD,分析了样品氧化膜的形貌、成分及晶体结构。在不同的氧化温度下,样品氧化动力学都具有阶段氧化特性;每一阶段都具有不同的Kp,都遵循Wagnar抛物线定律。在所有氧化膜中,Cr2O3为主要氧化产物,并都存在MnCr2O4尖晶石。当在850℃下氧化时,FeO也是主要的氧化产物,并有一定量的Fe分布于其中。

固体氧化物燃料电池合金连接体表面改性研究进展

铁素体不锈钢是目前用作固体氧化物燃料电池(SOFC)连接体最理想的合金材料。但问题在于铁素体不锈钢在SOFC工作环境下易被氧化,尤其是在阴极侧Cr向外扩散,易导致阴极Cr中毒问题。为了克服以上弊端,国内外很多学者对合金表面改性做了大量研究,本文综述了近些年在该领域的研究成果。

球墨铸铁表面电弧增材制造Fe-Cr合金结合区组织和性能

目的在球墨铸铁基体上电弧增材制造Fe-Cr合金,研究结合区组织和性能,以期获得具有良好冶金结合、满足冲裁模具性能要求的双金属构件。方法采用GMAW工艺增材制造,用金相显微镜和扫描电子显微镜表征结合区的显微组织,并分析其形成机制。结果Fe-Cr合金与球墨铸铁结合区无明显裂纹和气孔,其凝固组织为柱状晶和等轴晶,冷却后转变为马氏体和残余奥氏体,但其分布不均匀,在界面处有一富奥氏体层。结合区内球墨铸铁受热影响发生奥氏体化和部分熔化,熔化发生在临近结合界面的石墨球周围,其冷却后形成一层马氏体和一层莱氏体的双层壳型组织结构,未熔化部位的组织为马氏体和铁素体,珠光体球墨铸铁比铁素体球墨铸铁形成的马氏体多。结合区内硬度分布不均匀,球墨铸铁的硬度从基材到结合界面逐渐升高,最高达630HV,Fe-Cr合金平均硬度为510HV。结论电弧增材制造Fe-Cr合金与球墨铸铁基体冶金结合良好,Fe-Cr合金组织为马氏体和残余奥氏体,有较高的硬度,能满足冲裁模具的性能要求。

电沉积Fe-Cr合金研究

三价铬盐的二甲基酰胺 (DMF)水溶液体系电沉积 Fe- Cr合金 ,可获得含 Cr12 %～ 6 5 % (质量分数 )的光亮合金镀层。研究了阴极电流密度、镀液 p H值、三价铬盐浓度对镀层成分的影响及合金镀层耐腐蚀性能。

喷丸对Fe-Cr合金的高温水蒸气氧化行为影响

研究了表面处理喷丸对Cr含量为9mass％和19mass％的Fe-Cr合金在通过600℃-770℃温度区间高温水蒸气氧化行为的影响．结果表明，喷丸工艺可降低Fe-Cr合金在高温水蒸气中的氧化速率，提高其抗高温水蒸氧化能力．对9mass％Cr含量的Fe-Cr合金，喷丸并没有改变氧化层结构，仍为Fe氧化物；对19mass％Cr含量的Fe-Cr合金，喷丸促进了Cr向外扩散，形成了Cr氧化物．

Fe-Cr合金在TiO陶瓷上的润湿及其机理

Fe Cr合金对一氧化钛的润湿性能较差 ,在熔点温度下各成分的Fe Cr合金在一氧化钛上的润湿角都在 90°左右。当铬含量≤ 5 0 %时 ,Fe与TiO间存在界面反应 ,生成Fe2 Ti和Ti3 O2 。但界面反应的产生 ,并不能有效改善其润湿性。随着润湿温度的升高 ,合金的润湿性略有改善。在Fe Cr合金中添加少量的表面活性物质Si,可改善Fe Cr合金在一氧化钛上的润湿性。因为在润湿过程中Si在界面的富集 ,不仅降低了界面能和液相表面张力 ,有效改善了合金的润湿性 ,而且阻止了Fe与TiO间的界面反应 ,使反应型润湿转变为非反应型润湿。添加合金元素Si1.5 %以上 ,可使润湿角降至 2 5°左右。

固体氧化物燃料电池连接体材料研究进展

固体氧化物燃料电池(SOFC)是高效、洁净、全固态的电化学装置,是发展比较快的能源技术之一。本文总结了SOFC关键组件连接体材料的研究进展,详细论述了近年发展起来的金属连接体材料的研究状况,总结了目前研究比较广泛的Ni基、Fe基、Cr基连接体合金的性能特点和存在的主要问题,最后介绍了经过表面处理的Fe-Cr基合金应作为SOFC金属连接体材料的研究重点。

B元素对Fe-Cr-C系耐磨堆焊合金组织和耐磨性的影响

采用直径为1．6mm的细径药芯焊丝，利用CO2气体保护焊堆焊的方法制备了含有1．0％～3．0％C（质量分数），15％-20％Cr，0％～2．0％B的高铬堆焊合金．研究了B。C含量对堆焊合金的硬度及耐磨性的影响．结果表明，堆焊合金的硬度从57．1HRC增加到65．2HRC，硬度提高14．2％；堆焊层合金的相对耐磨性从3．5倍提高到18．0倍．借助光学显微镜、扫描电镜和x射线衍射等微观分析方法，研究了堆焊合金的显微组织及碳化物分布形貌．结果表明，堆焊合金的显微组织主要由铁素体＋奥氏体＋（Fe，Cr）7C3组成，加入B4C可显著改善堆焊合金层基体组织，使碳化物（Fe，Cr）7C3数量增加且呈弥散分布．

还原性气氛中HCl和H_2S导致Fe-Cr合金在700℃的加速失效

研究了Fe-8Cr,Fe-12Cr和Fe-18Cr合金在700℃含氯和两种硫含量还原性气氛中的腐蚀行为.气氛中H_2S含量增加导致合金发生加速腐蚀,尤其造成Fe-18Cr合金表面氧化铬膜退化.合金的加速腐蚀与膜中生成的硫化物和氯化物密切相关.合金的腐蚀速率随其Cr含量的升高而降低.通过计算气氛中平衡时的氯势、氧势、硫势预测了合金与气氛可能发生的反应,并解释了腐蚀机制.

SiC/Fe-Cr合金界面反应的研究

使用ＸＲＤ、ＥＭＰＡ和 ＳＥＭ等对 ９００～１１５０℃高温处理后的ＳｉＣ／Ｆｅ－２０Ｃｒ合金界面反应区的显微结构和反应动力学进行了研究．界面反应区分为ＳｉＣ反应区和金属反应区两部分：ＳｉＣ反应区由组成为Ｆｅ３Ｓｉ、Ｃｒ３Ｓｉ和Ｃｒ７Ｃ３的白亮基体和其间随机分布的细小石墨颗粒构成；金后反应区则是一个由（Ｃｒ；Ｆｅ）７Ｃ３构成的均匀组织。ＳｉＣ／Ｆｅ－２０Ｃｒ合金界面反应为扩散控制，反应动力学方程为 Ｋ＝１．９×１０－４ｅｘｐ（－２３５×１０３／ＲＴ）ｍ２·ｓ－１．金属反应区介于ＳｉＣ反应区和合金之间，阻挡合金中的Ｆｅ原子通过它向ＳｉＣ反应区中扩散，抑制界面反应，这种作用随合金中Ｃｒ含量的增加而加强．

高温退火Fe-Cr基减振合金的阻尼性能与晶界析出相

对 14 73K退火的 Fe- Cr- 2 Al- Si,Fe- Cr- Al,Fe- Cr- Si以及 Fe- Cr- Al- Si(L)等 Fe- Cr基减振合金的阻尼性能和晶界析出相进行了研究。结果表明 ,这些合金中所析出的晶界相均由 Cr和 Fe两种元素构成 ,并且合金的阻尼性能与这种晶界相析出量的多少以及晶界相中 Cr含量的高低存在对应关系。Fe- Cr- 2 Al- Si合金中晶界相的析出量最少且Cr含量最低 ,这种合金的阻尼性能最好 ;Fe- Cr- Al- Si(L)合金中晶界相的析出量最多且 Cr含量最高 ,该合金的阻尼性能最差 ;Fe- Cr- Al和 Fe- Cr- Si两种合金的晶界析出相中的 Cr含量十分接近 ,但前者晶界相的析出量明显低于后者 。

Fe-Cr合金在650℃熔融(Li-K)_2CO_3中的腐蚀行为

研究了纯铁，Fe－5Cr，Fe-10Cr,Fe-20Cr及Fe-25Cr（质量分数，％，下同）合金在650℃熔融（0．6Li-0．38K）2CO3（摩尔分数）中和空气气氛下的腐蚀行为,结果表明，纯铁，Fe－5Cr及Fe－10Cr合金均遭受较快腐蚀。