铁素体耐磨板连接体的研究进展 | 法钢特种钢材(上海)有限公司-凯发体育官网

  日立金属公司于1997年开发出工作温度为1000℃的sofc连接体用金属材料fe-22cr铁素体系合金zmg232。选定铁素体材料作为sofc连接体是由于铁素体材料较奥氏体的热膨胀系数低,其热膨胀系数更接近于sofc元件材料。该公司之后通过采取一系列工艺改进措施,如降低杂质氧化物含量等,于2005年又开发出zmg232l耐磨板。

  zmg232l耐磨板在工作环境中可形成致密的cr2o3氧化层,因此在其拥有固有的良好导电性的同时,还具有突出的抗氧化性。虽然连接体的抗氧化性还可以通过形成al2o3氧化层得到,但al2o3在zmg232l耐磨板工作温度下无导电性,因此在高温下电阻较小的cr2o3氧化层合金适宜于sofc连接体金属材料。

  随着sofc研发工作的不断深入,对连接体金属材料提出了更高的要求——进一步提高抗氧化性和降低金属材料产生的cr蒸发量以减轻对发电元件性能的影响。日立金属公司以zmg232l凯发体育官网-凯发体育入口为基础,通过添加合金元素和优化成分,实现了由尖晶石层和氧化铬层组成的具有导电性的氧化膜薄膜化、致密化的合金设计,开发了抗氧化性、导电性提高约2倍的新合金zmg232g10耐磨板。

  以下对zmg232g10耐磨板的氧化层结构和合金设计作简要介绍。

  当zmg232l耐磨板在氧化气氛中进行热处理后,工件表面形成双层结构的氧化层,表层是(mn,cr)3o4氧化层,内层(基体)是cr2o3氧化层。抗氧化能力取决于cr2o3氧化层,但其含有的cr元素的蒸发会导致发电元件性能恶化,虽然(mn,cr)3o4氧化层对cr蒸发会产生一定的抑制作用,但(mn,cr)3o4的氧化速度过快使得保护效果有限。

  针对上述问题,在合金设计上采取了如下措施。

  1)提高抗氧化性:减少mn含量,降低(mn,cr)3o4的氧化速度;
  2)抑制cr的蒸发:添加cu,cu扩散到(mn,cr)3o4氧化层中,使(mn,cr)3o4氧化层致密化。

  由于采取了上述的成分设计措施,使zmg232g10耐磨板比zmg232l耐磨板具有更好的抗氧化性,减少了cr的蒸发量。

  zmg232g10耐磨板与其他耐磨板件的比较

  为实现sofc商业化,必须降低各元件的生产成本。近年来对铁素体耐磨板在sofc连接体中的应用问题进行了研究。以日立金属公司开发的zmg232g10耐磨板连接体与其他耐磨板件就抗氧化性进行性能比较,试验采用10mm厚的试样。由于板厚越薄,合金的抗氧化性越差,所以将耐磨板用作sofc连接体材料时,需要注意其厚度设计。而采用zmg232g10作sofc连接体材料时,可以使用比普通耐磨板更薄的材料。

  氧化增量随时间变化越小,表示抗氧化性越好,如zmg232g10耐磨板抗氧化性明显优于sus430。通常情况下,生成氧化层的合金氧化增量随时间的增长按抛物线规则增加,但sus430氧化增量在氧化处理初期随时间的增长急剧增加。在氧化时间为2500h之前,sus444氧化增量变化趋势与zmg232g10基本一致,但超出之后,sus444氧化增量迅速减少,这是由于其具有抗氧化性的氧化层发生剥落的结果。上述对比说明,与zmg232g10耐磨板相比,sus430、sus444的抗氧化性都较差。