Skip to main content
SUPERVISOR
Kaivan Raissi,Fatallah Karimzadeh
کیوان رئیسی (استاد راهنما) فتح اله کریم زاده (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mohammad Rezvani
محمد رضوانی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391

TITLE

Effect of tungesten on properties of nano-structured crofer 22APU stainless steel produced by mechanical alloying for using as interconnect plates of solide oxide fuel cells
In this study, the effect of tungsten on properties of Crofer 22APU stainless steel produced by mechanical alloying for using as interconnect plates of solid oxide fuel cells have been investigated. This alloy was produced by mechanical alloying for 40 h and in order to create a dense (bulk) sample from produced alloy powder with porosity less than 5%, method was used. In this method, for pressing the alloy powder, a 50 MPa stress and temperature of 1100 ° C were used during 10 min, and then, to achieve the desired properties of a metal interconnect suitable for using in solid oxide fuel cells, including low electrical resistance, high oxidation resistance and thermal expansion coefficient matching with other components of the cell, manganese-cobalt spinel coating was applied. This coating was deposited on Crofer alloy substrate by electrodeposition using current density of 150 mA/cm 2 in 40 min and following that, the properties of the alloy (coated and uncoated) including hardness, oxidation behavior and electrical resistance of the surface was examined. The oxidation behavior of the alloy, for both uncoated and coated from zero to 100 h of oxidation was in sinusoidal shape and obeyed no specific law. The electrical resistance of alloy without the coating after 100 h of oxidation was about 0.3 m?.cm 2 and for coated one, was less than this amount. After that, 0.2 wt% tungsten was added to the alloy and the mechanical alloying was continued for 80 h; all steps, including coating and evaluation of properties of coated and uncoated samples were analyzed as Crofer alloy. The alloy contain tungsten element showed higher hardness (~700 Vickers compared to ~100 Vickers for Crofer) and oxidation resistance respect to Crofer alloy. Area specific resistance of alloy with and without tungsten after 100 h oxidation was in the same range, but the alloy containing tungsten had a little more electrical resistance. The alloy produced by mechanical alloying compared to commercial one produced by casting showed a similar oxidation behavior after 100 h oxidation, but the area specific resistance of the sample produced by mechanical alloying was significantly less than the commercial one. Adding tungsten to alloy, improved all properties of the alloy required for using as interconnect plates in solid oxide fuel cells, whiles adding elements such as tungsten with melting temperature of 3422 ° C to Crofer22APU alloy trough casting is very difficult. Because the tungsten accelerated the formation of manganese-cobalt spinel on chromia, the depletion of chromium from alloy due to evaporation of chromium oxide on surface of the alloy was decreased. Keywords : Solid Oxide Fuel Cell, Interconnect plates , Crofer22APU, Mechanical alloying, Tungsten metal, Hardness, Oxidation, Area Specific Resistance
در این پژوهش به تأثیر عنصر تنگستن بر خواص فولاد زنگ نزن کروفر تولیدشده به روش آلیاژسازی مکانیکی جهت استفاده در صفحات اتصال‌دهنده پیل های سوختی اکسید جامد پرداخته‌شده است. این آلیاژ به روش آلیاژسازی مکانیکی در مدت زمان 40 ساعت تولید شد و برای ایجاد نمونه بالک با تخلخل کمتر از 5 درصد، از پودر آلیاژ تولیدشده، روش استفاده شد. در این روش برای پرس پودر آلیاژ از تنش 50 مگا پاسکال و دمای 1100 درجه سانتی‌گراد در مدت زمان 10 دقیقه استفاده گردید و به دنبال آن برای رسیدن به خواص مطلوب یک صفحه اتصال‌دهنده ی فلزی مورداستفاده در پیل های سوختی اکسید جامد که شامل مقاومت الکتریکی پایین، مقاومت به اکسیداسیون بالا و انطباق ضریب انبساط حرارتی با دیگر اجزای پیل بود، از پوشش اسپینل منگنز-کبالت استفاده شد. این پوشش به روش رسوب‌دهی الکتریکی با دانسیته جریان 150 میلی‌آمپر بر سانتیمتر مربع در مدت زمان 40 دقیقه بر روی آلیاژ کروفر داده شد و به دنبال آن خواص این آلیاژ (پوشش‌دار و بدون پوشش) که شامل سختی، رفتار اکسیداسیون و مقاومت الکتریکی سطح آن بود، مورد بررسی قرار گرفت. رفتار اکسیداسیونی این آلیاژ، هم به صورت بدون پوشش و هم پوشش‌دار از صفر تا 100 ساعت اکسیداسیون به صورت سینوسی شکل بود و از قانون خاصی پیروی نکرد. مقاومت الکتریکی آلیاژ بدون پوشش پس از 100 ساعت اکسیداسیون حدود m?.cm 2 3/0 بدست آمد و برای آلیاژ پوشش‌دار، مقاومت الکتریکی کمتر از این مقدار اندازه‌گیری شد. سپس عنصر تنگستن با درصد وزنی 2/0 درصد به این آلیاژ اضافه گردید و به مدت زمان 80 ساعت آلیاژسازی مکانیکی شد و تمام مراحل اعم از پوشش دهی و بررسی خواص نمونه‌های پوشش‌دار و بدون پوشش همانند آلیاژ کروفر مورد بررسی قرار گرفت. آلیاژ حاوی عنصر تنگستن دارای سختی بیشتر (حدود 700 ویکرز، نسبت به سختی 100 ویکرز آلیاژ کروفر) و مقاومت به اکسیداسیون به مراتب بهتری نسبت به آلیاژ بدون تنگستن بود. مقاومت الکتریکی سطحی آلیاژ بدون تنگستن و حاوی تنگستن پس از 100 ساعت اکسیداسیون در یک رنج اما مقاومت الکتریکی سطحی آلیاژ حاوی تنگستن کمی بیشتر بود. آلیاژ تولیدشده به روش آلیاژسازی مکانیکی در مقایسه با آلیاژ تجاری تولیدشده به روش ریخته‌گری، رفتار اکسیداسیون مشابهی را پس از 100 ساعت اکسیداسیون از خود نشان داده است اما نمونه ی تولیدشده به روش آلیاژسازی مکانیکی، مقاومت الکتریکی سطحی به مراتب کمتر از نمونه ی تجاری خود دارد. اضافه کردن تنگستن به آلیاژ موردنظر تمام خواص آلیاژ که برای کاربرد در صفحات اتصال‌دهنده در پیل‌های سوختی اکسید جامد موردنیاز است را بهبود بخشید و این در حالی است که اضافه کردن فلزی همچون تنگستن با دمای ذوب 3422 درجه سانتی‌گراد به آلیاژ Crofer22APU به روش ریخته‌گری بسیار مشکل است. عنصر تنگستن به دلیل اینکه تشکیل اکسید اسپینلی منگنز – کبالت بر روی کرومیا را تسریع بخشید، تخلیه کروم از آلیاژ به دلیل تبخیر اکسید کروم بر روی سطح آلیاژ کاهش یافت. کلمات کلیدی : پیل سوختی اکسید جامد، صفحات اتصال‌دهنده، Crofer22APU، آلیاژسازی مکانیکی، فلز تنگستن، سختی، اکسیداسیون، مقاومت الکتریکی سطحی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی