铁素体合金SUS 430表面Co-Mn尖晶石涂层的制备及性能研究

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受中低温固体氧化物燃料电池的工作环境所限,铁素体合金连接体材料受到诸如高温氧化、氧化层断裂脱落和阴极“铬中毒”等问题困扰,研究人员常常通过在连接体表面制备保护涂层来改善上述问题。本文采用电解共沉积在铁素体不锈钢SUS 430表面分别制备了Co-Mn2O3、Co-Mn3O4、Y掺杂的Co-Mn3O4(YCMO)涂层,在涂层制备工艺的参数优化、涂层性能研究和涂层的掺杂优化等三个方面进行了系统的实验和理论研究,主要结论如下:(1)实验对电解共沉积制备Co-Mn镀层的工艺参数进行了优化。当Mn氧化物选取Mn2O3时最佳工艺参数为镀液p H=5,Mn氧化物颗粒浓度ρ(Mn)=120g/l,Mn含量最高为0.5%;当选取Mn3O4时最佳工艺参数为p H=5,ρ(Mn)=160g/l,且Mn含量最高达10.98%。(2)经高温氧化烧结,镀层热转换成主要由MnCo2O4和Co3O4尖晶石组成的复合尖晶石涂层,在基体表面形成Cr2O3层和Co-Mn尖晶石层组成的双层结构。实验发现Cr2O3层会优先沿[110]晶向长大,而第一性原理计算发现在该晶向上Cr原子的扩散势垒仅1.03e V,故Cr2O3层不能有效抑制Cr的向外扩散。在高温氧化过程中,基体中的Cr、Mn、Fe会向外扩散,涂层的制备则有效抑制了Fe、Cr等元素的进一步扩散。(3)涂层中Mn含量的提高有利于提高涂层的高温抗氧化性能,涂层的氧化速率随氧化时间的增加而减小。经过相同时间的高温氧化后,Co-Mn3O4涂层的氧化速率常数较Co-Mn2O3涂层的氧化速率常数K值降低了56%。(4)涂层中Mn含量的提高会使得在氧化烧结期间形成一定量的Co Mn2O4尖晶石,且随着氧化时间的增加,Co Mn2O4尖晶石会进一步相变成为MnCo2O4,影响涂层的导电性。实验制备的涂层能够有效降低SUS 430基体的面比电阻(ASR)。与合金基体相比,Co-Mn2O3涂层能够降低约52%,Co-Mn3O4涂层能够降低约43%。(5)Co-Mn3O4涂层与Co-Mn2O3涂层相比,综合性能更优越,但导电性能略有不足。本文通过在涂层中掺杂Y,以此改善Co-Mn3O4涂层的导电性能。实验发现,Y的掺杂能够改善Cr氧化层的黏附性和致密性,使得基体中Fe、Mn的向外扩散受阻,从而使得Co Mn2O4的生成减少,有效提高涂层的高温导电性能,解决了Co-Mn3O4涂层高温导电性能不足的问题。
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