SUS430金属连接体表面改性及其阴、阳极气氛氧化行为研究

来源 :昆明理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:blue_lnan
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Fe-Cr合金因具备极好的膨胀系数、合适的氧化抗力、良好的导电导热性能、优异的综合机械性能及低成本等优点,成为最适合作为SOFC电堆中连接体的材料。然而,在长周期服役工作环境下,特别是阴、阳极两端不同的氧分压,常用的商用430合金呈现出氧化抗力不足,导致合金表面氧化膜层增厚、剥落以及面比电阻的增加等问题,严重制约了该合金材料开发应用。因此,本文针对Fe基合金存在的上述问题,选用SUS430合金作为研究对象,通过表面改性技术对其抗氧化以及面比电阻进行改性优化。首先,采用表面注入不同剂量稀土Y的方式对合金表面进行改性。探讨了SUS430样品和三种含有不同剂量改性样品分别在空气气氛和湿润的5vol%氢气+95vol%氮气气氛中800℃的氧化动力学行为和面比电阻变化规律,并分析了两种气氛中氧化机制以及稀土Y在合金氧化抗性和面比电阻中的作用机制,揭示了影响面比电阻主要作用因素,为面比电阻的下一步改性提供了理论依据。随后,结合稀土Y改性工作中存在的不足以及获得的理论依据,通过溶胶凝胶浸渍提拉法制备了导电性良好的MnxCo3-xO4尖晶石抗氧化涂层,并通过控制Mn/Co比x,分析了不同Mn/Co比x对MnxCo3-xO4(x=0.4,0.8,1.0,1.2)热膨胀系数以及相结构的影响规律,研讨了阴极和阳极气氛下涂层长周期氧化动力学以及面比电阻的变化规律。得到以下几点结论:(1)稀土Y本身具有较强的亲O特性,注入稀土Y的合金最初先在晶界处快速形成微量稀土氧化物,并在表面形成了厚度约50 nm的富Y缓冲层。而晶粒内存有的Y2O3微粒可促进沿晶界氧化物向晶粒内快速扩散,使得合金表面生成一层均匀的富铬氧化层,促进合金初始阶段氧化速率。同时沿晶界富Y的楔型氧化物对外氧化膜层形成钉扎作用,进而在缓冲层、氧化膜晶界钉扎共同作用下,提高了氧化膜的粘附性和抗剥落性。(2)通过氧化动力学以及面比电阻分析结果显示,阳极气氛中含有的水蒸气以及还原性气体与氧化膜发生还原反应,导致生成的氧化膜层更厚以及生成导电性更差的Mn O和Fe O相,使得阳极气氛下的氧化增重以及面比电阻均大于阴极气氛;同时发现,添加稀土Y后,导电性并没有得到很大程度的提升,这是由于氧化物本身较高的电阻率对面比电阻的影响远大于氧化膜层厚度对其的影响。因此,若想进一步改善合金的面比电阻,必须通过一种方法改变合金表面氧化膜的相组成,或者涂覆一种导电性较好的抗高温涂层材料。(3)采用溶胶凝胶浸渍提拉法在SUS430合金表面成功合成了相组成可控的MnxCo3-xO4(x=0.4,0.8,1.0,1.2)尖晶石涂层,且涂层具有晶粒细小、密度均匀等优点。同时发现随着Mn/Co比x的增大,MnxCo3-xO4结晶度和稳定性也越来越好。其中,Mn1.2Co1.8O4涂层的线性膨胀系数(11.98×10-6 K-1)与SUS430的线性膨胀系数(~12×10-6 K-1)最为接近,保证了涂层与基体的较好的粘附性。(4)通过氧化动力学以及面比电阻分析结果显示,MnxCo3-xO4尖晶石涂层可有效阻挡合金阳离子外迁以及外界氧离子的向内扩散,合金表面涂覆尖晶石涂层的氧化抗力以及导电性能显著提高。特别地,Mn1.2Co1.8O4尖晶石涂层在阴、阳极气氛下均表现出最优异的抗氧化性、导电性以及阻碍阳离子外迁作用。
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