441不锈钢与YSZ陶瓷空气反应钎焊接头抗热震性能研究

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固体氧化物燃料电池(SOFC)作为一种绿色环保、高效率的功率转换单元已在诸多领域取得了实际应用。铁素体不锈钢(441)是SOFC支撑体与连接体的常用材料,氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)陶瓷被广泛运用作为SOFC的电解质材料。当SOFC应用于交通工具电源或小型热电联产系统时,不锈钢与陶瓷连接体系除了必须具备长期服役稳定性外,还因为频繁遭受短时间内温度的急剧变化,而需要具备优秀的抗热震性能。本课题利用空气反应钎焊(RAB)方法对441不锈钢与YSZ陶瓷进行连接,通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)以及抗剪强度测试等手段探究高温热震对接头的影响机制,并通过制备保护层与使用复合钎料的方法对接头抗热震性能进行有效提升。首先,利用Ag-CuO钎料对441不锈钢与YSZ陶瓷实现了空气反应钎焊连接,利用SEM/EDS与XRD对接头界面结构与物相组成进行分析。接头界面中,不锈钢一侧出现了较厚的脆性连续氧化物层。为探究热震对接头的影响机制,使接头连续经历800℃高温热震,发现连续氧化物层厚度不断增加,并在热应力作用下产生孔洞、裂纹缺陷。同时,(Fe,Cr,Cu)氧化物向YSZ一侧扩散,破坏界面结合。利用抗剪强度测试对热震影响作用进行定量表征,发现高温热震对接头的危害作用远高于高温氧化。在经历20次高温热震后,接头抗剪强度降低62.3%。总结上述结果,阐述了热震对RAB接头的具体影响机制。在此基础上,探究了CuO含量、钎焊温度及保温时间对接头界面结构、力学性能与抗热震性能的影响规律,并确定最佳RAB参数为:Ag-8mol.%CuO、1050℃/30min,所得接头室温抗剪切强度为32.9MPa,热震寿命为26次。仅优化工艺参数对RAB接头抗热震性能提升效果有限。在进行空气反应钎焊前,采用真空镀铝方法在不锈钢表面预制保护层。利用SEM/EDS与XRD等手段对预制保护层441不锈钢/YSZ陶瓷RAB接头的组织结构与物相组成进行表征。真空镀铝方法在不锈钢表面形成了(Fe,Al,Cr)反应层,该反应层在RAB过程中形成了由Al2O3与CuAl2O4组成的均匀致密保护层,有效抑制了连续氧化物层的生成。研究了真空镀铝温度与时间对保护层组织结构、保护效果的影响规律,并确定最优真空镀铝参数为:800℃/60min。利用在此参数下预制保护层的441不锈钢进行RAB连接,所得接头界面结构为:Fe-Cr/Al2O3/CuAl2O4/Ag+CuO/CuO/YSZ,接头抗剪强度为37.1MPa。经历20次高温热震后,接头结合依然可靠,并且未出现连续氧化物层,抗剪强度仅降低1.2%。接头的热震寿命达到200次以上。在441不锈钢表面预制保护层对RAB接头抗热震性能的改善效果显著。Ag-CuO钎料与不锈钢、陶瓷母材间存在热失配问题,在高温热震的温度变化过程中将在接头快速累积热应力,对接头产生不利影响。添加CTE值较低的ZrSiO4增强相构建复合钎料体系实现441不锈钢与YSZ陶瓷的连接以缓解热失配问题。首先采用SEM,XRD等分析测试手段,对接头微观组织进行了表征,并揭示了复合钎料RAB接头的界面成形机制。在ZrSiO4添加量为4wt.%,1100℃/30min下得到的接头CTE降低6.5%,抗剪强度提升20.5%。经历20次高温热震后,抗剪强度仍达到43.8MPa,较未添加增强相时提升19.2%,较未添加增强相也未预制保护层时提升252.8%。接头的热震寿命达到300次以上,说明复合钎料体系进一步提升了RAB接头的抗热震性能。
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