基于3D打印技术的甲烷水蒸气重整研究

天然气(主要成分为甲烷)重整是天然气高效清洁利用的重要途径,重整获得富含氢气的重整气,可供固体氧化物燃料电池进行高效发电。甲烷水蒸气重整需要反应器以及负载其上的重整催化剂,基于3D打印技术的多孔结构具有良好的耐高温、抗氧化和结构稳定性等特点,负载Ni基催化剂用于甲烷催化重整可有效提升反应器稳定性,但相关研究较少。采用浸渍法将Ni-CeO_(2)/γ-Al_(2)O_(3)催化剂负载于3D打印制备的多孔结构和金属泡沫反应器,通过催化剂形貌、分布规律、相结构以及热稳定性的表征,研究了重整反应温度、浆料配比、反应器结构等因素对甲烷水蒸气重整效果的影响。结果显示,催化剂的最佳配比是PVA含量为3.5%(若无特殊说明,均为质量分数),Ni含量为19%,CeO_(2)和γ-Al_(2)O_(3)的含量分别为16%和2.5%。重整测试结果表明,负载催化剂前,重整反应温度低于700℃时,Inconel625和泡沫Ni多孔反应器重整得到的氢气浓度均低于13%(体积分数),而重整反应温度高于800℃时,Inconel625和泡沫Fe多孔反应器重整效果接近,但Inconel625稳定性优于泡沫Fe;负载催化剂后,NCA-I(Inconel625)样品始终表现出低于NCA-N(泡沫Ni)和NCA-F(泡沫Fe)的重整性能,这主要是因为NCA-I含有较多的Cr元素,高温下Cr氧化生成Cr2O3氧化膜,阻碍了反应气和Ni的接触,但测试后NCA-I样品表现出优异的稳定性,无明显脆化和断裂现象,可有效提升重整反应器的稳定性。

等离子喷涂-物理气相沉积防护涂层及其失效机理研究进展

防护涂层在航空发动机和燃气涡轮发动机免受水氧腐蚀和盐雾侵蚀、耐高温、抗冲刷和服役寿命方面发挥着重要的作用。等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)技术以其大功率、喷射范围广、能够使粉末原料以气相甚至离子化和非视线沉积特性等特点被广泛应用在热/环境障涂层制备领域,形成的涂层具有沉积效率高、孔隙率较高、热导率低、应变容限高等特点。首先,对PS-PVD热障涂层的表面形貌、柱状晶特点和等离子射流特性进行了探讨。然后,讨论了PS-PVD YSZ热障涂层表面镀铝改性对涂层抗CMAS侵蚀、减少孔隙和裂纹、TGO的生成和提高热循环寿命方面的重要作用,结果表明表面镀铝能显著减少涂层表面孔隙、凹坑、微裂纹和熔融盐对于热障涂层的不利影响。其次,简要概述了近年来SiCf/SiC CMCs代替镍基高温合金在航空发动机基体上抗高温高压和快速失效方面发挥的重要作用。SiCf/SiC CMCs与T/EBCs的结合,有效延长了航空发动机的使用寿命,是我国航空事业的又一次重大突破。此外,重点介绍了PS-PVD非视线沉积特性和涂层阴影效应在涂层沉积方面这一特色,总结了TGO、残余应力、热膨胀失配、微裂纹和粗糙度是涂层失效的主要影响因素。最后,对PS-PVD技术未来在制备热/环境障涂层方面的前景进行了展望。

碱式电解水非贵金属阴极材料研究进展

碱式电解水是最成熟的电解水制氢技术,由于采用非贵金属催化剂,因此成本较低,已被广泛应用。但非贵金属催化剂的采用,导致其电解效率和工作电流密度偏低,限制了其发展和应用。因此本文主要综述了通过氮化、磷化、硫化以及合金化,有效提高元素催化活性,从而获得高性能催化材料的方法。而应用密度泛函理论可对催化材料进行设计,更加高效便捷的获得高活性催化材料。最后,对碱式电解水非贵金属阴极材料的未来发展方向做出了总结。

SOFC金属连接体Mn-Co尖晶石防护涂层掺杂改性研究进展

固体氧化物燃料电池(SOFC)具有能量转换效率高、燃料适用范围广等优点,具有广阔的应用前景。由于SOFC工作温度较高(600-800℃),金属连接体长期服役过程中会发生严重的氧化和元素挥发,导致电池性能衰退,降低其使用寿命,故而需要对金属连接体进行防护。在现有的防护涂层材料中,Mn-Co尖晶石涂层能有效抑制金属连接体的氧化和Cr挥发,被广泛用于金属连接体防护,但其高温电导率需要进一步提升。掺杂改性是一种有效提高Mn-Co尖晶石电导率和防护性能的方法。围绕Mn-Co尖晶石掺杂元素和改性方法,详细介绍了SOFC金属连接体Mn-Co尖晶石防护涂层的研究进展。

成形方向及添加支撑对电子束选区熔化成形TC4合金组织与拉伸性能的影响

以TC4合金粉末为原料,利用电子束选区熔化技术成形TC4合金拉伸试样,研究了轴向和径向2种成形方向以及添加支撑对合金显微组织和拉伸性能的影响。结果表明:无支撑径向成形合金存在等轴β晶及晶内针状α'相,形成魏氏集束组织和网篮组织,添加支撑后由粗大β柱状晶及两侧网篮组织组成;无支撑和添加支撑轴向成形合金上部分组织由初生α相和α'相组成,而下部分为等轴组织。添加支撑的径向成形合金的拉伸性能明显优于无支撑径向成形合金,其平均抗拉强度为1173.52 MPa,屈服强度为1155.69 MPa,断后伸长率达到15.57%,而添加支撑的轴向成形合金的拉伸性能与无支撑轴向成形合金相当,且均比径向成形合金差。

成型尺寸对电子束选区熔化成型TC4合金性能与组织的影响

采用电子束选区熔化制造技术制备不同成型尺寸的Ti-6Al-4V(TC4)钛合金试样,通过金相显微镜、扫描电镜、万能试验机和X射线衍射仪等研究设备,探究了不同成型尺寸对电子束选区熔化成型TC4钛合金试样的显微组织与力学性能的影响。结果表明:在R05、R06和R07这3种不同成型尺寸的试样中,成型尺寸越大,则拉伸强度和屈服强度越大,同时弹性模量和延伸率越小,即塑性越差;试样R05、R06和R07均发生韧窝断裂,但试样R05断口塑性较差,更接近脆性断裂;试样R07上下段分别形成双态组织和等轴组织,且距离打印基板位置越远,试样的层间结合率和粉末熔化率越低,即打印情况越差;对于成型尺寸最大的试样R05,由于其每层扫描时间长、热传递效果好,故其β柱状晶内形成了细针状马氏体和魏氏组织,而成型尺寸较小的R06试样则由于较高加工温度中的冷却,形成了网篮组织和片状α相组织。

热等静压对SEBM成形TC4钛合金性能的影响分析

由于选区熔化成形的TC4钛合金致密程度不高,因此针对电子束选区熔化技术(SEBM)成形的TC4钛合金,随炉进行热等静压试验,研究分析热等静压处理后合金的微观组织和力学性能。结果表明,经过热等静压处理后的TC4钛合金试件通过排水法测试出的相对密度达到了99%以上,几乎完全致密。对拉伸试样并进行室温拉伸试验,热等静压处理后的试件呈现出抗拉强度下降,塑性提高的趋势,抗拉强度为640.49 MPa,低于SEBM成形件的760 MPa,断裂伸长率达到19.95%。试样断口呈现被拉长的杯锥状及数量少、形状大且深的韧窝。热等静压过处理后的试件呈现出网篮组织,整体均匀细致,在β晶界内密集的片状α相互交错分布,且伴随着等轴α相。

模型处理对SEBM法制备TC4合金成型性能影响

模型处理是影响电子束选区熔化(SEBM)成型件性能和精度的关键因素之一。以TC4钛合金为研究对象,利用电子束选区熔化快速成型技术制备横、竖两种不同摆放方式打印的R7拉伸试件,并对拉伸试件进行室温拉伸试验。结果表明:横向摆放的打印试件的力学性能,比竖向摆放的打印试件的更优;对拉伸断口进行宏观断口分析发现,横向摆放的打印试件断口处没有明显的塑性变形且断裂位置几乎在中间,而竖向打印的试件断口有明显的被拉长且断裂位置在试件上方;对试件沿长度方向剖开,分别选取试件上下两段进行金相组织观察分析发现,横向打印试件上下端金相组织差异不大,但竖向打印上端呈现出α相及转变相,并且存在分层和气孔缺陷。由于横向摆放位置的打印试件与加工电子枪扫描方向一致,且受热均匀,因此具有较好的组织特性。

回火形变对亚温淬火中碳低合金钢组织和性能的影响

中碳低合金钢在低温下的冲击韧性差,使其应用受到一定的限制。为增强中碳低合金的韧性,通过回火形变工艺构筑超细纤维的仿生组织,实现材料的强韧化。结果表明:经过回火形变后的42CrMo钢组织中包含细长纤维晶粒、<101>//RD的强织构及纳米碳化物,这种“类竹子”的仿生组织可显著提高材料的屈服强度和抗拉强度,抗拉强度达1.4 GPa以上;由于仿生纤维组织裂纹分层与分叉的增韧作用,这种新型材料具有更低的韧脆转变温度,在-80℃条件下的冲击韧性高达107 J,综合力学性能显著高于调质处理的42CrMo钢。该研究对高性能金属材料的设计和制造,具有一定的指导意义。

电子束选区熔化制备TC4合金热处理后组织性能研究

利用Arcam A2X型真空3D打印机,通过电子束选区熔化技术(EBSM),采用去内部应力退火、再结晶完全退火、固溶、时效4种热处理工艺对EBSM成形件进行热处理,研究不同热处理工艺对其成形性能与显微组织的影响。结果表明,经过4种热处理工艺的EBSM打印试件力学性能都得到了不同程度的提升,其中再结晶退火处理后,试样的抗拉强度提升最大,时效处理提升材料的塑性最明显;4种热处理工艺处理试样的断口均呈韧性断裂。