Skip to main content
SUPERVISOR
Kaivan Raissi,Fatallah Karimzadeh
کيوان رئيسي (استاد راهنما) فتح اله کريم زاده (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mohammad Rezvani
محمد رضواني

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 اين پژوهش به تأثير عنصر تنگستن بر خواص فولاد زنگ نزن کروفر توليدشده به روش آلياژسازي مکانيکي جهت استفاده در صفحات اتصال‌دهنده پيل هاي سوختي اکسيد جامد پرداخته‌شده است. اين آلياژ به روش آلياژسازي مکانيکي در مدت زمان 40 ساعت توليد شد و براي ايجاد نمونه بالک با تخلخل کمتر از 5 درصد، از پودر آلياژ توليدشده، روش استفاده شد. در اين روش براي پرس پودر آلياژ از تنش 50 مگا پاسکال و دماي 1100 درجه سانتي‌گراد در مدت زمان 10 دقيقه استفاده گرديد و به دنبال آن براي رسيدن به خواص مطلوب يک صفحه اتصال‌دهنده ي فلزي مورداستفاده در پيل هاي سوختي اکسيد جامد که شامل مقاومت الکتريکي پايين، مقاومت به اکسيداسيون بالا و انطباق ضريب انبساط حرارتي با ديگر اجزاي پيل بود، از پوشش اسپينل منگنز-کبالت استفاده شد. اين پوشش به روش رسوب‌دهي الکتريکي با دانسيته جريان 150 ميلي‌آمپر بر سانتيمتر مربع در مدت زمان 40 دقيقه بر روي آلياژ کروفر داده شد و به دنبال آن خواص اين آلياژ (پوشش‌دار و بدون پوشش) که شامل سختي، رفتار اکسيداسيون و مقاومت الکتريکي سطح آن بود، مورد بررسي قرار گرفت. رفتار اکسيداسيوني اين آلياژ، هم به صورت بدون پوشش و هم پوشش‌دار از صفر تا 100 ساعت اکسيداسيون به صورت سينوسي شکل بود و از قانون خاصي پيروي نکرد. مقاومت الکتريکي آلياژ بدون پوشش پس از 100 ساعت اکسيداسيون حدود m?.cm 2 3/0 بدست آمد و براي آلياژ پوشش‌دار، مقاومت الکتريکي کمتر از اين مقدار اندازه‌گيري شد. سپس عنصر تنگستن با درصد وزني 2/0 درصد به اين آلياژ اضافه گرديد و به مدت زمان 80 ساعت آلياژسازي مکانيکي شد و تمام مراحل اعم از پوشش دهي و بررسي خواص نمونه‌هاي پوشش‌دار و بدون پوشش همانند آلياژ کروفر مورد بررسي قرار گرفت. آلياژ حاوي عنصر تنگستن داراي سختي بيشتر (حدود 700 ويکرز، نسبت به سختي 100 ويکرز آلياژ کروفر) و مقاومت به اکسيداسيون به مراتب بهتري نسبت به آلياژ بدون تنگستن بود. مقاومت الکتريکي سطحي آلياژ بدون تنگستن و حاوي تنگستن پس از 100 ساعت اکسيداسيون در يک رنج اما مقاومت الکتريکي سطحي آلياژ حاوي تنگستن کمي بيشتر بود. آلياژ توليدشده به روش آلياژسازي مکانيکي در مقايسه با آلياژ تجاري توليدشده به روش ريخته‌گري، رفتار اکسيداسيون مشابهي را پس از 100 ساعت اکسيداسيون از خود نشان داده است اما نمونه ي توليدشده به روش آلياژسازي مکانيکي، مقاومت الکتريکي سطحي به مراتب کمتر از نمونه ي تجاري خود دارد. اضافه کردن تنگستن به آلياژ موردنظر تمام خواص آلياژ که براي کاربرد در صفحات اتصال‌دهنده در پيل‌هاي سوختي اکسيد جامد موردنياز است را بهبود بخشيد و اين در حالي است که اضافه کردن فلزي همچون تنگستن با دماي ذوب 3422 درجه سانتي‌گراد به آلياژ Crofer22APU به روش ريخته‌گري بسيار مشکل است. عنصر تنگستن به دليل اينکه تشکيل اکسيد اسپينلي منگنز – کبالت بر روي کروميا را تسريع بخشيد، تخليه کروم از آلياژ به دليل تبخير اکسيد کروم بر روي سطح آلياژ کاهش يافت. کلمات کليدي : پيل سوختي اکسيد جامد، صفحات اتصال‌دهنده، Crofer22APU، آلياژسازي مکانيکي، فلز تنگستن، سختي، اکسيداسيون، مقاومت الکتريکي سطحي

ارتقاء امنیت وب با وف بومی