Вплив технологічних середовищ на механічні і фізичні властивості матеріалів для паливних комірок
Досліджено вплив технологічних середовищ твердооксидних паливних комірок (ТОПК) на механічні і фізичні властивості сплаву Crofer JDA і матеріалів на основі МАХ-фази типу Ti₃AlC₂. Встановлено, що матеріали Ti₃AlC₂ і Ti₃AlC₂–Nb з поруватістю 1% мають сумірну зі сплавом Crofer JDA електропровідність, о...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Фізико-хімічна механіка матеріалів |
|---|---|
| Datum: | 2015 |
| Hauptverfasser: | , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainian |
| Veröffentlicht: |
Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України
2015
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/134749 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Вплив технологічних середовищ на механічні і фізичні властивості матеріалів для паливних комірок / А.Д. Івасишин, О.П. Осташ, Т.О. Пріхна, В.Я. Подгурська, Т.В. Басюк // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2015. — Т. 51, № 2. — С. 7-14. — Бібліогр.: 23 назв. — укp. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-134749 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Івасишин, А.Д. Осташ, О.П. Пріхна, Т.О. Подгурська, В.Я. Басюк, Т.В. 2018-06-14T08:10:16Z 2018-06-14T08:10:16Z 2015 Вплив технологічних середовищ на механічні і фізичні властивості матеріалів для паливних комірок / А.Д. Івасишин, О.П. Осташ, Т.О. Пріхна, В.Я. Подгурська, Т.В. Басюк // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2015. — Т. 51, № 2. — С. 7-14. — Бібліогр.: 23 назв. — укp. 0430-6252 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/134749 539.4.015:669 Досліджено вплив технологічних середовищ твердооксидних паливних комірок (ТОПК) на механічні і фізичні властивості сплаву Crofer JDA і матеріалів на основі МАХ-фази типу Ti₃AlC₂. Встановлено, що матеріали Ti₃AlC₂ і Ti₃AlC₂–Nb з поруватістю 1% мають сумірну зі сплавом Crofer JDA електропровідність, однак, вищі міцність і жаростійкість та нижчу густину. Тому їх можна рекомендувати для виготовлення інтерконектів ТОПК. Исследовано влияние технологических сред твердооксидных топливных ячеек (ТОТЯ) на механические и физические свойства сплава Crofer JDA и материалов на основе МАХ-фазы типа Ti₃AlC₂. Установлено, что материалы Ti₃AlC₂ и Ti₃AlC₂–Nb с пористостью 1% имеют соизмеримую со сплавом Crofer JDA электропроводность, но более высокие прочность и жаростойкость и существенно низкую плотность. Поэтому их можно рекомендовать для изготовления интерконектов ТОТЯ. The influence of technological environments of solid oxide fuel cell (SOFC) on the mechanical and physical properties of Crofer JDA alloy and materials based on the Ti₃AlC₂ MAX-phase has been investigated. It is established that Ti₃AlC₂ and Ti₃AlC₂–Nb materials with 1% porosity are comparable to Crofer JDA electrical conductivity but possess higher strength and heat resistance and also lower density. Based on these results they can be recommended for solid-oxide fuel cells interconnects manufacturing. uk Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України Фізико-хімічна механіка матеріалів Вплив технологічних середовищ на механічні і фізичні властивості матеріалів для паливних комірок Влияние технологических сред на механические и физические свойства материалов для топливных ячеек The influence of technological media on mechanical and physical properties of materials for fuel cells Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Вплив технологічних середовищ на механічні і фізичні властивості матеріалів для паливних комірок |
| spellingShingle |
Вплив технологічних середовищ на механічні і фізичні властивості матеріалів для паливних комірок Івасишин, А.Д. Осташ, О.П. Пріхна, Т.О. Подгурська, В.Я. Басюк, Т.В. |
| title_short |
Вплив технологічних середовищ на механічні і фізичні властивості матеріалів для паливних комірок |
| title_full |
Вплив технологічних середовищ на механічні і фізичні властивості матеріалів для паливних комірок |
| title_fullStr |
Вплив технологічних середовищ на механічні і фізичні властивості матеріалів для паливних комірок |
| title_full_unstemmed |
Вплив технологічних середовищ на механічні і фізичні властивості матеріалів для паливних комірок |
| title_sort |
вплив технологічних середовищ на механічні і фізичні властивості матеріалів для паливних комірок |
| author |
Івасишин, А.Д. Осташ, О.П. Пріхна, Т.О. Подгурська, В.Я. Басюк, Т.В. |
| author_facet |
Івасишин, А.Д. Осташ, О.П. Пріхна, Т.О. Подгурська, В.Я. Басюк, Т.В. |
| publishDate |
2015 |
| language |
Ukrainian |
| container_title |
Фізико-хімічна механіка матеріалів |
| publisher |
Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Влияние технологических сред на механические и физические свойства материалов для топливных ячеек The influence of technological media on mechanical and physical properties of materials for fuel cells |
| description |
Досліджено вплив технологічних середовищ твердооксидних паливних комірок (ТОПК) на механічні і фізичні властивості сплаву Crofer JDA і матеріалів на основі МАХ-фази типу Ti₃AlC₂. Встановлено, що матеріали Ti₃AlC₂ і Ti₃AlC₂–Nb з поруватістю 1% мають сумірну зі сплавом Crofer JDA електропровідність, однак, вищі міцність і жаростійкість та нижчу густину. Тому їх можна рекомендувати для виготовлення інтерконектів ТОПК.
Исследовано влияние технологических сред твердооксидных топливных
ячеек (ТОТЯ) на механические и физические свойства сплава Crofer JDA и материалов на основе МАХ-фазы типа Ti₃AlC₂. Установлено, что материалы Ti₃AlC₂ и Ti₃AlC₂–Nb с пористостью 1% имеют соизмеримую со сплавом Crofer JDA электропроводность, но более высокие прочность и жаростойкость и существенно низкую плотность. Поэтому их можно рекомендовать для изготовления интерконектов ТОТЯ.
The influence of technological environments of solid oxide fuel cell (SOFC)
on the mechanical and physical properties of Crofer JDA alloy and materials based on the
Ti₃AlC₂ MAX-phase has been investigated. It is established that Ti₃AlC₂ and Ti₃AlC₂–Nb
materials with 1% porosity are comparable to Crofer JDA electrical conductivity but possess
higher strength and heat resistance and also lower density. Based on these results they can be
recommended for solid-oxide fuel cells interconnects manufacturing.
|
| issn |
0430-6252 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/134749 |
| citation_txt |
Вплив технологічних середовищ на механічні і фізичні властивості матеріалів для паливних комірок / А.Д. Івасишин, О.П. Осташ, Т.О. Пріхна, В.Я. Подгурська, Т.В. Басюк // Фізико-хімічна механіка матеріалів. — 2015. — Т. 51, № 2. — С. 7-14. — Бібліогр.: 23 назв. — укp. |
| work_keys_str_mv |
AT ívasišinad vplivtehnologíčnihseredoviŝnamehaníčníífízičnívlastivostímateríalívdlâpalivnihkomírok AT ostašop vplivtehnologíčnihseredoviŝnamehaníčníífízičnívlastivostímateríalívdlâpalivnihkomírok AT príhnato vplivtehnologíčnihseredoviŝnamehaníčníífízičnívlastivostímateríalívdlâpalivnihkomírok AT podgursʹkavâ vplivtehnologíčnihseredoviŝnamehaníčníífízičnívlastivostímateríalívdlâpalivnihkomírok AT basûktv vplivtehnologíčnihseredoviŝnamehaníčníífízičnívlastivostímateríalívdlâpalivnihkomírok AT ívasišinad vliânietehnologičeskihsrednamehaničeskieifizičeskiesvoistvamaterialovdlâtoplivnyhâčeek AT ostašop vliânietehnologičeskihsrednamehaničeskieifizičeskiesvoistvamaterialovdlâtoplivnyhâčeek AT príhnato vliânietehnologičeskihsrednamehaničeskieifizičeskiesvoistvamaterialovdlâtoplivnyhâčeek AT podgursʹkavâ vliânietehnologičeskihsrednamehaničeskieifizičeskiesvoistvamaterialovdlâtoplivnyhâčeek AT basûktv vliânietehnologičeskihsrednamehaničeskieifizičeskiesvoistvamaterialovdlâtoplivnyhâčeek AT ívasišinad theinfluenceoftechnologicalmediaonmechanicalandphysicalpropertiesofmaterialsforfuelcells AT ostašop theinfluenceoftechnologicalmediaonmechanicalandphysicalpropertiesofmaterialsforfuelcells AT príhnato theinfluenceoftechnologicalmediaonmechanicalandphysicalpropertiesofmaterialsforfuelcells AT podgursʹkavâ theinfluenceoftechnologicalmediaonmechanicalandphysicalpropertiesofmaterialsforfuelcells AT basûktv theinfluenceoftechnologicalmediaonmechanicalandphysicalpropertiesofmaterialsforfuelcells |
| first_indexed |
2025-11-25T15:55:55Z |
| last_indexed |
2025-11-25T15:55:55Z |
| _version_ |
1850519727468707840 |
| fulltext |
7
Ô³çèêî-õ³ì³÷íà ìåõàí³êà ìàòåð³àë³â. – 2015. – ¹ 2. – Physicochemical Mechanics of Materials
УДК 539.4.015:669
ВПЛИВ ТЕХНОЛОГІЧНИХ СЕРЕДОВИЩ НА МЕХАНІЧНІ І ФІЗИЧНІ
ВЛАСТИВОСТІ МАТЕРІАЛІВ ДЛЯ ПАЛИВНИХ КОМІРОК
А. Д. ІВАСИШИН 1, О. П. ОСТАШ 1, Т. О. ПРІХНА 2,
В. Я. ПОДГУРСЬКА 1, Т. В. БАСЮК 2
1
Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України, Львів;
2 Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України, Київ
Досліджено вплив технологічних середовищ твердооксидних паливних комірок (ТОПК)
на механічні і фізичні властивості сплаву Crofer JDA і матеріалів на основі МАХ-фази
типу Ti3AlC2. Встановлено, що матеріали Ti3AlC2 і Ti3AlC2–Nb з поруватістю 1% ма-
ють сумірну зі сплавом Crofer JDA електропровідність, однак, вищі міцність і жаро-
стійкість та нижчу густину. Тому їх можна рекомендувати для виготовлення інтер-
конектів ТОПК.
Ключові слова: твердооксидна паливна комірка, інтерконект, МАХ-фаза, висока
температура, водень, електропровідність, міцність, жаростійкість.
Твердооксидна паливна комірка (ТОПК), робота якої полягає у прямому пе-
ретворенні енергії хімічної реакції в електричну, є високоефективним і екологіч-
но чистим джерелом енергії. Коефіцієнт її корисної дії становить 40…55% [1]. За
конструкційними особливостями ТОПК поділяють на трубчасті і плоскі. Останні
перспективніші, оскільки продуктивніші і простіші у виготовленні [2]. Вони скла-
даються з набору елементарних паливних комірок (пластин із шарами анода,
твердого електроліту і катода), з’єднаних між собою інтерконектами (рис. 1).
Інтерконект має багатофункціональне призначення. Як каркас, в якому вмон-
товано елементарну паливну комірку, його використовують для подачі високо-
температурного газового середовища до анода (відновлювального) і катода (окис-
нювального), а також для відведення струму. Тому матеріали для його виготов-
лення повинні мати [3, 4]: високі електро- (нижчий, ніж 0,1 Ω⋅cm2 поверхневий
питомий опір) і теплопровідність (понад 5 W m–1⋅K–1); задовільну мікроструктур-
ну, хімічну і фазову стабільність за температур до 800°С; стійкість до негативно-
го впливу високотемпературного відновнювального і окиснювального середовищ
упродовж всього терміну роботи (понад 40000 h); коефіцієнт термічного розши-
рення, сумірний з матеріалами анода, електроліту і катода (біля 10,5⋅10–6 K–1);
задовільну міцність і опір повзучості за температур до 800°С; низьку густину
(для аерокосмічного і автомобілебудівного призначення); добру оброблюваність
та низьку вартість.
На сьогодні серед найуживаніших матеріалів інтерконектів ТОПК є хромис-
ті феритні сталі типу Crofer з вмістом (wt.%): 0,03 C; 20…24 Сr; 0,3…0,8 Mn;
0,1…0,6 Si; до 0,2 Ti; до 0,2 La; до 0,1 Al, які мають високі значення електро- і
теплопровідності, задовільну жаростійкість і близький до електроліту коефіцієнт
термічного розширення [5]. Основний їх недолік – схильність до утворення лет-
ких сполук CrO3 і CrO2(OH)2 [6], які зумовлюють “забруднення катода”, а отже,
знижують продуктивність ТОПК. Щоб запобігти цьому і знизити швидкість окси-
доутворення, ці сплави додатково легують марганцем, який утворює поверх ок-
Контактна особа: О. П. ОСТАШ, e-mail: ostash@ipm.lviv.ua
8
сидної плівки Cr2O3 шпінель типу (MnCr)2O4 [7], а також наносять на поверхню
інтерконекта, яка контактує з катодом і перебуває в окиснювальному середовищі,
електропровідні покриви. Найпоширеніші – покриви на основі оксидів рідкіснозе-
мельних елементів типу La2O3, Nd2O3 і Y2O3 [5, 8], перовскитів типу LaMnCoO3,
LaSrCoO3, LaSrMnCoO3, YСoMnO3 [9], шпінелі типу MnCr2O4, MnCo2O4, CoCr2O4,
NiCr2O4 [8], а також комплексні покриви [10]. Ще одним їх недоліком з точки зо-
ру аерокосмічного і автомобілебудівного використання, є висока густина, що зу-
мовлює значну масу ТОПК.
Рис. 1. Схематичне зображення
елементів ТОПК:
1 – інтерконект; 2 – катод;
3 – електроліт; 4 – анод;
5 – анод-підкладка.
Fig. 1. Schematic view of solid-oxide fuel
cells (SOFC) units:
1 – interconnect; 2 – cathode;
3 – electrolyte; 4 – anode; 5 – anode-support.
Крім вказаних, сьогодні як перспективний для виготовлення інтерконектів
розглядають новий клас матеріалів на основі МАХ-фаз [11–16] – складних кар-
бідних та нітридних сполук перехідних металів, які описують загальною форму-
лою Mn+1AХn, де n = 1÷3, М – перехідні метали; А – елементи А-груп (переважно
ІІІА та IVА) та Х – вуглець або азот. Їм властиві високі електро- та теплопровід-
ність, близький до керамік коефіцієнт термічного розширення, підвищена жорст-
кість у поєднанні з низькою густиною і краща тривкість до пошкодженості, які
зберігаються за високих температур, а також високі термотривкість та стійкість
до окиснення [12–16]. Однак поведінка матеріалів на основі МАХ-фази у техно-
логічних середовищах ТОПК вивчена недостатньо.
Мета роботи – дослідити вплив технологічних середовищ ТОПК на механіч-
ні і фізичні властивості матеріалів на основі МАХ-фази порівняно з відомими
феритними сталями.
Матеріали і методика випробувань. Використовували сплав Crofer JDA,
який містить (wt.%) 0,005 C; 22 Cr; 0,5 Mn; 0,1 Si; 0,08 Ті; 0,1 Al; решта – Fe,
виготовлений у Дослідному Центрі Юліха FZJ (Forschungszentrum Jülich) у Ні-
меччині, а також матеріали на основі МАХ-фази Ti3AlC2 [16], виготовлені в Інс-
титуті надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України.
Структурний аналіз виявив, що сплав Crofer JDA складається з феритних
зерен розміром 50…200 µm і дисперсних включень карбонітриду титану (рис.2а).
Матеріал на основі фази Ti3AlC2, отриманий спіканням суміші порошків TiC,
TiH2 і Al у вакуумі (варіант № 1), містить 95 wt.% Ti3AlC2 і 5 wt.% TiC (рис. 2e).
Він має порувату будову (поруватість 22%) [14], де переважають зерна фази
Ti3AlC2 (рис. 2b, e). Після гарячого пресування (варіант № 2) зерна істотно подріб-
нилися і зменшилися розміри пор (рис. 2c). Поруватість знизилась до 1%, а фазо-
вий склад став таким (wt.%): 89 Ti3AlC2; 6 TiC; 5 Al2O3. Додаткове легування ніо-
бієм (3,5 wt.%) (варіант № 3) сприяє ще більшому подрібненню структурних
елементів і зменшенню розмірів пор (рис. 2d). Фазовий склад цього матеріалу та-
кий (wt.%): 56 Ti3AlC2; 41 TiC; 2,6 Al2O3. Локальний спектральний аналіз засвід-
чив, що ніобій рівномірно розподілений в об’ємі матеріалу і в рівній кількості
присутній у всіх його фазах.
Під час дослідження міцності матеріалів використовували гладкі призматич-
ні зразки розмірами 2,5×5×40 mm, які навантажували за схемою триточкового
9
згину при 20 і 600°С у повітрі і високочистому газоподібному водні (99,99 vol.%).
Характеристику міцності σbend визначали як напруження, що відповідає кінцю лі-
нійної ділянки діаграми згину.
Рис. 2. Структура матеріалів: a – Crofer JDA; b – d – на основі МАХ-фази, варіанти № 1, 2
і 3 відповідно, а також рентгенограма варіанта № 1 (e): ○ – Ti3AlC2; □ – Al2O3; ■ – TiC.
Fig. 2. Structure of materials: a – Crofer JDA; b – d – based on the MAX-phases, variants № 1,
2 and 3, respectively and X-ray diffractogram of variant № 1 (e): ○ – Ti3AlC2; □ – Al2O3; ■ – TiC.
Жаростійкість матеріалів визначали за такою методикою. Зразки розмірами
5×5×8 mm заздалегідь зважували на аналітичній вазі ВЛА-200г-М і заміряли лі-
нійні розміри мікрометром МК-25. Далі їх поміщали у піч електроопору, в якій
забезпечується вільний доступ повітря, і нагрівали до 600°С. Після кожного ета-
пу витримування впродовж 250 h зразки охолоджували до кімнатної температури
разом з піччю, зважували і заміряли. Загальна тривалість випробування 1000 h.
Жаростійкість сплавів оцінювали за приростом маси на одиницю площі поверхні
зразка ∆mi/Si на кожному етапі випробування (і – номер етапу; ∆mi, Si – приріст
маси і площа поверхні зразка на і-му етапі). Приріст маси визначали за форму-
лою ∆mi = mi – mi–1, де mi – маса зразка на і-му етапі випробування, а mi–1 – на по-
передньому.
Питому електропровідність матеріа-
лів встановлювали у повітрі при 20°С за
чотириточковою схемою, яка полягала у
вимірюванні падіння потенціалу між
двома точками зразка за заданої сили по-
стійного струму [17].
Результати та їх обговорення. До-
слідження міцності під статичним наван-
таженням виявило, що у сплаві Crofer JDA
при 20°С водень практично не впливає на
значення σbend (рис. 3, крива 2 проти
кривої 1). У повітрі і водні воно знахо-
диться в межах 410…440 MPa. З підви-
щенням температури випробувань до
600°С матеріал істотно знеміцнюється
(рис. 3), причому більше у повітрі (кри-
ва 3) і менше у водні (крива 4): 275 MРa у
Рис. 3. Діаграми міцності під згином
сплаву Crofer JDA при 20 (криві 1 і 2)
та 600°С (криві 3 і 4) у повітрі (криві 1, 3)
та водні (криві 2, 4).
Fig. 3. Stress-strain diagrams under bending
loading of Crofer JDA alloy at 20 (1 and 2)
and at 600°С (3 and 4) in air (1, 3)
and in hydrogen (2, 4).
10
повітрі проти 350 MPa у водні. Такі результати, очевидно, зумовлені
окрихчувальною дією кисню, тоді як водень у сталях з малим вмістом вуглецю і
великим хрому слабо впливає на їх механічні характеристики [18].
Деформування у досліджуваних середовищах не призводить до руйнування
сплаву Crofer JDA, що свідчить про його високу пластичність (повзучість).
Для варіанта № 1 матеріалу на основі МАХ-фази значення σbend, отримане у
повітрі, зменшується з 260 MPa при 20°С до 195 MPa при 600°С (рис. 4а, криві 1 і
2 відповідно). У водні при 600°С воно знижується до 170 MPa (крива 3), що по-
в’язано з високою (22%) поруватістю цього матеріалу. Сплав варіанта № 2 з по-
руватістю 1% має вищу міцність і менш чутливий до впливу температури і сере-
довища (рис. 4а, криві 4–6). При 20°С у повітрі значення σbend становить 535 MPa,
а з підвищенням температури до 600°С незначно знижується і становить 490 і
500 MPa у повітрі і водні відповідно. Інша закономірність виявлена для варіанта
№ 3: при 20°С у повітрі σbend = 480 MPa (рис. 4b, крива 7), що нижче порівняно з
міцністю сплаву без ніобію (рис. 4a, крива 4). Проте в цьому матеріалі з підви-
щенням температури до 600°С міцність зростає як у повітрі, так і водні (рис. 4b,
криві 8 і 9 відповідно). Очевидно, в таких матеріалах, як і в традиційних титано-
вих сплавах, ніобій позитивно впливає на жароміцність в області температур іс-
нування α-фази титану [19].
Рис. 4. Діаграми міцності під згином матеріалів на основі фази Ti3AlC2: варіанти № 1
(криві 1–3), 2 (криві 4–6) і 3 (криві 7–9) при 20°С у повітрі (криві 1, 4, 7),
а також при 600°С у повітрі (криві 2, 5, 8) і водні (криві 3, 6, 9).
Fig. 4. Stress-strain diagrams under bending loading of materials based on Ti3AlC2 phase:
variant № 1 (curves 1–3), 2 (curves 4–6) and 3 (curves 7–9) at 20°C in air (curves 1, 4, 7),
at 600°С in air (curves 2, 5, 8) and in hydrogen (curves 3, 6, 9).
Аналіз мікрофрактограм виявив, що матеріали на основі фази Ti3AlC2 руйну-
ються переважно за крихким відкольним механізмом (рис. 5). Зокрема, матеріал
варіанта № 1 – вздовж ланцюгів пор за міжзеренним механізмом (рис. 5a), а варі-
антів № 2 і 3 – в основному, за мішаним через- і міжзеренним (рис. 5b, c), що і зу-
мовлює їх вищу міцність. Підвищення температури до 600°С у повітрі і водні
сприяє активації додаткових площин ковзання у матеріалі варіанта № 2: фасетки
відколу при 20°С гладкі (рис. 5d), а при високій температурі мають рельєфну бу-
дову (рис. 5e). При цьому їх розмір при 600°С збільшується, що зумовлює полег-
шене руйнування матеріалу і зниження його міцності. У матеріалі варіанта № 3,
навпаки, з підвищенням температури розміри елементів зламу зменшуються
11
(рис. 5g) порівняно з кімнатною температурою (рис. 5f). Тріщина росте вздовж
меж субзерен, зумовлюючи рельєфнішу поверхню зламу і енергозатратніше руй-
нування, ніж при 20°С, через що міцність матеріалу при 600°С зростає.
Рис. 5. Мікрофрактограми зразків матеріалу
варіантів № 1 (a), 2 (b, d, e) і 3 (c, f, g) у повітрі
при 20°С (а–d, f) і водні при 600°С (e, g).
Fig. 5. Microfractographs of the specimens of material
variant № 1 (a), 2 (b, d, e) and 3 (c, f, g)
in air at 20°С (а–d, f) and in hydrogen at 600°С (e, g).
Отримані результати засвідчили, що у сплаві Crofer JDA упродовж перших
250 h величина ∆mi/S дещо зростає, за наступні 250 h знижується до 0,02 mg/cm2
(рис. 6, крива 1). Під час подальшого витримування до 1000 h знову зростає. Така
закономірність, очевидно, зумовлена зміною механізму окиснення. Спочатку
пришвидшено формується оксидна плівка, яка складається з внутрішнього шару
Cr2O3 і зовнішнього MnCr2O4 [6], оскільки швидкість дифузії Mn через внутріш-
ню оксидну плівку Cr2O3 майже вдвічі вища, ніж Cr і Fe [20]. Зовнішній шар, з
одного боку, гальмує дифузію хрому з матеріалу, а з іншого – кисню в матеріал.
У подальшому кінетика окиснення матеріалу залежить від швидкості дифузії
хрому [6].
Рис. 6. Кінетика окиснення при 600°С у
повітрі сплавів Crofer JDA (1)
і на основі МАХ-фази (2–5):
2 – варіант № 1; 3 – № 2;
4 – № 3 і 5 – № 2 після попереднього
окиснення при 1200°С упродовж 2 h.
Fig. 6. Oxidation kinetics of Crofer JDA alloys (1) and MAX-phase (2–5) at 600°С in air:
2 – variant № 1; 3 – № 2; 4 – № 3 and 5 – № 2 after preliminary oxidation at 1200°C during 2 h.
У матеріалі на основі МАХ-фази варіанта №1 (з поруватістю 22%) кисень,
проникаючи крізь пори, контактує з ним як зовні (рис. 7a), так і в об’ємі зразка
(рис. 7b). Внаслідок цього приріст маси на одиницю площі стрімко зростає і до-
сягає 24 mg/cm2 після витримування 437 h (рис. 6, лінія 2). Для варіанта № 2, по-
12
дібно до сплавів Crofer, величина ∆mi/S теж зростає упродовж перших 250 h і різ-
ко знижується за наступних 250 h (рис. 6, крива 3). Проте тут окиснення інтен-
сивніше, оскільки з середовищем взаємодіє і зовнішня поверхня зразка, і частко-
во поверхні пор (рис. 7c), через що величина ∆mi/S зростає, досягаючи максимуму
при 250 h, коли приповерхневі пори “заліковуються” оксидною плівкою. Тому за
подальшого витримування до 1000 h значення ∆mi/S залишається близьким до
нуля, що свідчить про високу жаростійкість цього матеріалу. Подібне залікову-
вання дефектів у матеріалі цього класу зафіксували також інші дослідники, зок-
рема, продемонстровано [21] “заліковування” тріщини оксидною плівкою, яка
складається з частинок Al2O3 і TiO2.
Рис. 7. Структура пор у матеріалах варіантів № 1 (a, b),
2 (c) і 3 (d) біля поверхні (a, c, d) і в об’ємі (b) після
витримування при 600°С у повітрі упродовж 1000 h.
Fig. 7. Structure of pores of materials variant № 1 (a, b),
2 (c) and 3 (d) modification near the surface (a, c, d)
and in the bulk of material (b) after exposure at 600°С
in air for 1000 h.
Додаткове легування ніобієм (варіант № 3) посприяло різкому (майже на по-
рядок) зниженню значення ∆mi/S вже на початковому етапі окиснення (рис. 6,
крива 4 проти кривої 3). Після витримування 500 h воно знизилось до 0,013 mg/cm2
і в подальшому мало змінювалось до кінця випробувань, що зумовлено утворен-
ням щільної поверхневої оксидної плівки (рис. 7d). Відомо, що залежно від вміс-
ту ніобію жаростійкість титанових сплавів змінюється за параболічним законом
[22, 23]. Коли його вміст незначний і в оксидній плівці він знаходиться у твердо-
му розчині TiO2, вона підвищується [23], а зі збільшенням його вмісту, коли до-
датково утворюються оксиди TiNb2O7 і AlNbO4, знижується. Ніобій сповільнює
масоперенос в окалині і його захисна дія ефективніша, ніж блокувальна плівки
Al2O3 [23]. Очевидно, саме цей механізм сприяє підвищенню жаростійкості спла-
ву Ti3AlC2–Nb.
Таким чином, у всіх досліджених матеріалах, якщо t ≤ 500 h, протікає попе-
реднє окиснення, після чого значення ∆mi/S стабілізується. Для скорочення цього
періоду заздалегідь окиснювали матеріал варіанта № 2 при 1200°С упродовж 2 h.
Далі при 600°С на всіх етапах випробування зміна величини ∆mi/S не перевищу-
вала 0,05 mg/cm2 (рис. 6, крива 5).
Встановили, що у вихідному стані всі досліджувані матеріали мають близькі
значення електропровідності (1,65…2,7·106 S/m), які є достатньо високими, щоб
забезпечити надійну роботу ТОПК. Порівнюючи отримані результати, виявили
(рис. 8), що матеріали на основі МАХ-фази Ti3AlC2 варіантів № 2 і 3 мають вищу
міцність у досліджуваних середовищах, ніж сплав Crofer JDA, і слабо чутливі до
впливу високої температури і водню (гістограми 1–3). Вони суттєво переважають
його також за опором окиснюванню після витримування при 600°С упродовж
1000 h (гістограми 4). Для ТОПК, зокрема аерокосмічного і автомобілебудівного
13
призначення, важливо зменшити масу конструкцій. Для цього в першу чергу ви-
користовують матеріали малої густини. За цією характеристикою досліджені ма-
теріали системи Ti–Al–C в 1,7 рази переважають сплав Crofer JDA (гістограми 5).
Рис. 8. Порівняння механічних
і фізичних характеристик матеріа-
лів: міцність у повітрі при 20 (1)
і 600°С (2) та у водні при 600°С (3);
приріст маси на одиницю площі
після витримування при 600°С
упродовж 1000 h (4); густина (5).
Fig. 8. Comparision of the mechanical and physical properties of interconnect materials:
strength in air at 20 (1) and 600°С (2) and in hydrogen at 600°С (3);
weight gain per unit area after exposure at 600°С for 1000 h (4); density (5).
Отже, за отриманими фізико-механічними характеристиками матеріали на
основі МАХ-фази Ti3AlC2 можна розглядати як перспективні для виготовлення
інтерконектів ТОПК різного призначення.
ВИСНОВКИ
Встановлено, що матеріал на основі МАХ-фази Ti3AlC2, отриманий спікан-
ням суміші порошків TiC, TiH2 і Al у вакуумі з подальшим гарячим пресуванням,
додатково легований ніобієм, має вищу у 1,2 рази при 20°С і в 1,5–2,0 рази при
600°С міцність і мало чутливий до впливу високої (600°С) температури і водню,
на порядок нижчий приріст маси після витримування при 600°С упродовж 1000 h,
в 1,7 рази меншу густину і сумірну електропровідність, ніж традиційно викорис-
товуваний сплав Crofer JDA, що дає підстави рекомендувати його для виготов-
лення інтерконектів ТОПК.
РЕЗЮМЕ. Исследовано влияние технологических сред твердооксидных топливных
ячеек (ТОТЯ) на механические и физические свойства сплава Crofer JDA и материалов на
основе МАХ-фазы типа Ti3AlC2. Установлено, что материалы Ti3AlC2 и Ti3AlC2–Nb с по-
ристостью 1% имеют соизмеримую со сплавом Crofer JDA электропроводность, но более
высокие прочность и жаростойкость и существенно низкую плотность. Поэтому их мож-
но рекомендовать для изготовления интерконектов ТОТЯ.
SUMMARY. The influence of technological environments of solid oxide fuel cell (SOFC)
on the mechanical and physical properties of Crofer JDA alloy and materials based on the
Ti3AlC2 MAX-phase has been investigated. It is established that Ti3AlC2 and Ti3AlC2–Nb
materials with 1% porosity are comparable to Crofer JDA electrical conductivity but possess
higher strength and heat resistance and also lower density. Based on these results they can be
recommended for solid-oxide fuel cells interconnects manufacturing.
1. Fuel Cell Handbook. (Seventh Edition). By EG&G Technical Services, Inc., U.S. Depart-
ment of Energy Office of Fossil Energy National Energy Technology Laboratory, West
Virginia, November 2004. – 428 p.
2. Larminie J. and Dicks A. Fuel Cell Systems Explained. – By John Wiley & Sons, Ltd.
Chichester, West Sussex, England, 2003. – 418p.
3. Wincewicz K. C. and Cooper J. S. Taxonomies of SOFC material and manufacturing
alternatives // J. Power Sources. – 2005. – 140. – P. 280–296.
4. Metallic interconnects for SOFC: characterization of their corrosion resistance in hydrogen/
water atmosphere and at the operating temperatures of differently coated metallic alloys
/ P. Piccardo, S. Chevalier, R. Molins et al. // Surf. Coat. Technol. – 2006. – 201. – P. 4471–4475.
14
5. Metallic interconnects for SOFC: Characterisation of corrosion resistance and conductivity
evaluation at operating temperature of differently coated alloys / S. Fontana, R. Amendola,
S. Chevalier et al. // J. Power Sources. – 2007. – 171. – P. 652–662.
6. Magdefrau N. J. Evaluation of solid oxide fuel cell interconnect coatings: reaction layer
microstructure, chemistry and formation mechanisms. Doctoral dissertation. – University of
Connecticut, Mansfield, USA, 2013. – P. 106.
7. Evaluation on some metallic alloys for SOFC interconnect / C. L. Chu, J. Y. Wand, J. Lee et
al. // Mater. Sci. Forum. – 2007. – 544–545. – P. 989–992.
8. A review of recent progress in coatings, surface modifications and alloy developments for
solid oxide fuel cell ferritic stainless steel interconnects / N. Shaigan, W. Qu, D.G. Ivey,
W. Chen // J. Power Sources. – 2010. – 195. – P. 1529–1542.
9. Evaluation of interconnect alloys and cathode contact coatings for SOFC stacks / N. Dekker,
B. Rietveld, J. Laatsch and F. Tietz // Proc. 6th European SOFC Forum. – Lucerne (Switser-
land), 28 June–2 July 2004. – P. 319–328.
10. Investigation of La2O3 and/or (Co,Mn)3O4 deposits on Crofer22APU for the SOFC intercon-
nect application / A. Balland, P. Gannon, M. Deibert et al. // Surf. Coat. Technol. – 2009.
– 203. – P. 3291–3296.
11. Investigation on the properties of Nb and Al doped Ti3SiC2 as a new interconnect material
for IT-SOFC / L. L. Zheng, J. J. Li, M. S. Li, and Y. C. Zhou // Int. J. Hydrogen Energy.
– 2012. – № 37. – P. 1084–1088.
12. Electrical conductivity, thermopower, and Hall effect of Ti3AlC2, Ti4AlN3, and Ti3SiC2 / M.
W. Barsoum, H.-I. Yoo, I. K. Polushina et al. // Phys. Rev. – 2000. – 62, № 15. – P. 1094–1098.
13. Radovic M. and Barsoum M. W. MAX phases: bridging the gap between metals and cera-
mics // Amer. Ceram. Soc. Bull. – 2013. – 92, № 3. – P. 20–27.
14. Mechanical characteristics and high temperature stability of oxidized Ti3AlC2 nanolaminat
/ T. Prikhna, O. Ostash, T. Basyuk, A. Ivasyshin et al. // Proc. Int. Conf. on Oxide Mater. for
Electronic Engng. (OMEE-2014). – Lviv (Ukrain), 26–30 May 2014. – P. 81–82.
15. Study of thermal stability and mechanical characteristics of MAX-phases of Ti–Al–C(N)
system and their solid solutions / T. Prikhna, T. Cabioc’h, W. Gawalek et al. // Advan. Sci.
Technol. – 2014. – 89. – P. 123–128.
16. Патент України №94545. Жаростійкий матеріал для паливних комірок / О. П. Осташ,
Т. О. Пріхна, А. Д. Івасишин та ін. – Опубл. 25.11.14; Бюл. № 22.
17. Van der Pauw L. J. A method of measuring specific resistivity and hall effect of discs
of arbitrary shape // Philips Research Reports. – 1958. – 13. – P. 1–9.
18. High-temperature characteristics of stainless steels. Handbook (series №9004). – American
Iron and Steel Institute, 2012. – P. 47.
19. Колачев Б. А., Ливанов В. А., Буханова А. А. Механические свойства титана и его спла-
вов. – М.: Металлургия, 1974. – 544 с.
20. Diffusion of cations in chromia layers grown on iron-base alloys / R. E. Lobnig, H. P. Schmidt,
K. Hennesen, and H. J. Grabke // Oxidation of Metal. – 1992. – 37, № 1/2. – P. 81–93.
21. Oxidation-induced crack healing in Ti3AlC2 ceramics / G. M. Song, Y. T. Pei, W. G. Sloof
et al. // Scripta Mater. – 2008. – 58. – P. 13–16.
22. Войтович Р. Ф., Головко Э. И. Высокотемпературное окисление титана и его спла-
вов. – К.: Наук. думка, 1984. – 256 с.
23. Effect of Nb on the high temperature oxidation of Ti–(0–50 at.%)Al / H. Jiang, M. Hirohasi,
Y. Lu, H. Imanari // Scripta Mater. – 2002. – 46. – P. 639–643.
Одержано 28.10.2014
|