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日立金屬ZMG232G10鐵素體不銹鋼連接體的研究進(jìn)展
發(fā)布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.jshcn.cn
更新時間：2015-07-09
為實現(xiàn)SOFC商業(yè)化，必須降低各元件的生產(chǎn)成本。近年來對鐵素體不銹鋼在SOFC連接體中的應(yīng)用問題進(jìn)行了研究。以日立金屬公司開發(fā)的ZMG232G10連接體與不銹鋼件就抗氧化性進(jìn)行性能比較，試驗采用10mm厚的試樣。
?????? 日立金屬公司于1997年開發(fā)出工作溫度為1000℃的SOFC連接體用金屬材料Fe-22Cr鐵素體系合金ZMG?232。選定鐵素體材料作為SOFC連接體是由于鐵素體材料較奧氏體的熱膨脹系數(shù)低，其熱膨脹系數(shù)更接近于SOFC元件材料。該公司之后通過采取一系列工藝改進(jìn)措施，如降低雜質(zhì)氧化物含量等，于2005年又開發(fā)出ZMG232L。
ZMG232L在工作環(huán)境中可形成致密的Cr2O3氧化層，因此在其擁有固有的良好導(dǎo)電性的同時，還具有突出的抗氧化性。雖然連接體的抗氧化性還可以通過形成Al2O3氧化層得到，但Al2O3在ZMG232L工作溫度下無導(dǎo)電性，因此在高溫下電阻較小的Cr2O3氧化層合金適宜于SOFC連接體金屬材料。
隨著SOFC研發(fā)工作的不斷深入，對連接體金屬材料提出了更高的要求——進(jìn)一步提高抗氧化性和降低金屬材料產(chǎn)生的Cr蒸發(fā)量以減輕對發(fā)電元件性能的影響。日立金屬公司以ZMG232L為基礎(chǔ)，通過添加合金元素和優(yōu)化成分，實現(xiàn)了由尖晶石層和氧化鉻層組成的具有導(dǎo)電性的氧化膜薄膜化、致密化的合金設(shè)計，開發(fā)了抗氧化性、導(dǎo)電性提高約2倍的新合金ZMG232G10。
以下對ZMG232G10的氧化層結(jié)構(gòu)和合金設(shè)計作簡要介紹。
當(dāng)ZMG232L在氧化氣氛中進(jìn)行熱處理后，工件表面形成雙層結(jié)構(gòu)的氧化層，表層是（Mn,Cr）3O4氧化層，內(nèi)層（基體）是Cr2O3氧化層。抗氧化能力取決于Cr2O3氧化層，但其含有的Cr元素的蒸發(fā)會導(dǎo)致發(fā)電元件性能惡化，雖然（Mn,Cr）3O4氧化層對Cr蒸發(fā)會產(chǎn)生一定的抑制作用，但（Mn,Cr）3O4的氧化速度過快使得保護(hù)效果有限。
針對上述問題，在合金設(shè)計上采取了如下措施。
1）提高抗氧化性：減少M(fèi)n含量，降低（Mn,Cr）3O4的氧化速度；
2）抑制Cr的蒸發(fā)：添加Cu，Cu擴(kuò)散到（Mn,Cr）3O4氧化層中，使（Mn,Cr）3O4氧化層致密化。
由于采取了上述的成分設(shè)計措施，使ZMG232G10比ZMG232L具有更好的抗氧化性，減少了Cr的蒸發(fā)量。
4、ZMG232G10與不銹鋼件的比較
為實現(xiàn)SOFC商業(yè)化，必須降低各元件的生產(chǎn)成本。近年來對鐵素體不銹鋼在SOFC連接體中的應(yīng)用問題進(jìn)行了研究。以日立金屬公司開發(fā)的ZMG232G10連接體與不銹鋼件就抗氧化性進(jìn)行性能比較，試驗采用10mm厚的試樣。由于板厚越薄，合金的抗氧化性越差，所以將不銹鋼用作SOFC連接體材料時，需要注意其厚度設(shè)計。而采用ZMG232G10作SOFC連接體材料時，可以使用比普通不銹鋼更薄的材料。
氧化增量隨時間變化越小，表示抗氧化性越好，如ZMG232G10抗氧化性明顯優(yōu)于SUS430。通常情況下，生成氧化層的合金氧化增量隨時間的增長按拋物線規(guī)則增加，但SUS430氧化增量在氧化處理初期隨時間的增長急劇增加。在氧化時間為2500h之前，SUS444氧化增量變化趨勢與ZMG232G10基本一致，但超出之后，SUS444氧化增量迅速減少，這是由于其具有抗氧化性的氧化層發(fā)生剝落的結(jié)果。上述對比說明，與ZMG232G10相比，SUS430、SUS444的抗氧化性都較差。
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