[發明專利]一種三元層狀陶瓷鈦硅碳及其固溶體與鐵素體不銹鋼直接擴散連接方法

有效

• 申請號: 202010966967.0
• 申請日: 2020-09-15
• 公開（公告）號: CN114426435B
• 公開（公告）日: 2023-03-14
• 發明（設計）人: 鄭莉莉;李希超;時婧;程強;徐斌;孫明月;張洪信;戴作強;張鐵柱;霍煒;趙紅
• 申請（專利權）人: 青島大學;中國科學院金屬研究所;中國海洋大學
• 主分類號: C04B37/02
• 分類號: C04B37/02;H01M8/12
• 代理公司: 青島中天匯智知識產權代理有限公司 37241
• 代理人: 袁曉玲

本發明涉及三元層狀陶瓷鈦硅碳及其固溶體與鐵素體不銹鋼直接擴散連接方法，步驟為：將三元層狀陶瓷與鐵素體不銹鋼的待連接表面用金相砂紙逐級磨光，再用金剛石研磨膏拋光；將Ti₃SiC₂陶瓷與SUS430不銹鋼的大表面相接觸排列，并在樣品側面焊接測溫鉑絲，將焊接后的樣品進行擴散連接；連接實驗完成后，降溫撤壓，得到擴散連接接頭。采用本發明所提供方法獲得的接頭界面結合好，連接溫度低，具有良好的使用性能和力學性能，界面生成連續的反應層，沒有明顯的裂紋、氣孔等焊接缺陷，能解決合金連接體Cr揮發問題，減少陶瓷連接體制備和加工費用，擴大了三元層狀陶瓷Ti₃SiC₂及其固溶體材料的應用范圍。

技術領域

本發明屬于陶瓷連接與固體氧化物燃料電池連接體技術領域，具體涉及一種三元層狀陶瓷鈦硅碳及其固溶體與鐵素體不銹鋼直接擴散連接方法。

背景技術

固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)屬于第三代燃料電池，是一種在中、高溫下直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能高效、環境友好地轉化成電能的全固態化學發電裝置。連接體是板式固體氧化物燃料電池SOFC電堆的關鍵部件之一，其作用是電連接電池單體，分隔并分配陽極的燃氣和陰極的氧化氣。

鈦硅化碳(Ti₃SiC₂)是一種新型的三元層狀可加工陶瓷材料，是MAX相陶瓷家族中的一員，其中，M指的是過渡金屬，A指主族金屬，X指C或者N元素。Ti₃SiC₂綜合了陶瓷和金屬的諸多優點，如低密度、高模量、高強度、高導熱率和良好的抗氧化性及易加工等特點。因而Ti₃SiC₂陶瓷在航空、航天、核工業和電子信息等高技術領域有廣泛的應用前景，是一種新型結構功能一體化材料，尤其非常適合做固體氧化物燃料電池的連接體材料。特別的是，對Ti₃SiC₂進行摻雜優化的(Ti,M)₃SiC₂(M＝Nb，W，Ta,V)材料在SOFC服役環境下，氧化生成(Ti,M)O₂和非晶SiO₂均勻混合單層氧化膜，導電性和抗氧化性均比相同厚度Cr₂O₃的高。同時，(Ti,M)₃SiC₂具有優異的導電導熱性，高強度和高抗蠕變性能和合適的熱膨脹系數，是一種極具潛力的SOFC連接體用材料。但是，Ti₃SiC₂及其固溶體材料成品率低，加工和制造成本高，合成大尺寸或形狀復雜的塊體材料或構件還存在一定的困難，限制了Ti₃SiC₂的大規模應用。

含Cr的鐵素體不銹鋼由于價格低、具有優良的耐腐蝕性能、抗氧化性與氧化膜導電性、熱膨脹系數與其他部件相近等優點，成為連接體材料應用與研究的重點。這類合金是靠表面形成導電性較好的致密Cr₂O₃層保護基體。但是在SOFC(600～800℃)長期運行中，在陰極側Cr₂O₃易于形成Cr⁶⁺揮發物(Cr₂O₃，或者CrO₂(OH)₂)，會降低陰極材料的活性，導致陰極中毒，加快電堆失效進程。因此，解決合金連接體Cr揮發對陰極的毒害是維持SOFC電堆長期穩定工作的重要保障。

針對Cr揮發問題，目前國內外的解決方法主要有兩種，一是開發新型低Cr合金，使合金氧化后表面生成雙層結構氧化膜，外層是非Cr₂O₃層，內層是連續的Cr₂O₃層，外層致密的非Cr₂O₃層在一定程度上能起到阻擋Cr的化合物揮發的作用，但揮發問題仍然存在，連接體長期性能仍需要進一步改進。另外一種方案是在合金表面制備防護涂層，但是涂層長期穩定性有待考察。

發明內容