21299

21299

ايجاد و بررسي خواص پوشش‌هاي اسپينلي منگنزدار بر فولادهاي زنگ‌نزن فريتي

كارشناسي ارشد

شناسايي و انتخاب مواد مهندسي

1395-1398

1398/6/11

دكتر منصور سلطانيه - دكتر سعيد رستگاري

مواد و متالورژي

امروزه با توجه به كاهش ذخاير سوخت‌هاي فسيلي و بروز مشكلات زيست محيطي ناشي از آن‌ها، استفاده از پيل‌هاي سوختي و انرژي پاك بسيار مورد توجه قرار گرفته است. پيل‌ سوختي اكسيد جامد مزاياي بسياري نسبت به ساير انواع پيل‌هاي سوختي دارد. به دليل دماي كاري بالا، مشكلاتي از قبيل نرخ بالاي اكسيد شدن در اتصال‌دهنده‌ها، ترك‌هاي ناشي از عدم تطابق ضريب انبساط حرارتي لايه اكسيد و زيرلايه، مسموميت كاتدي و مقاومت الكتريكي ويژه سطحي بالا در لايه اكسيد وجود دارد. پوشش‌هاي اسپينلي منگنزدار با توجه به خواص منحصربه‌فرد خود در حل اين مشكلات موفق عمل كرده‌اند. هدف از اين پژوهش، ايجاد پوشش‌ اسپينلي مس-منگنز بر فولاد زنگ‌نزن فريتي AISI-430 مورد استفاده در اتصال‌دهنده‌هاي پيل‌ سوختي اكسيد جامد و ارزيابي كارامدي اين پوشش‌ها در شرايط كاري پيل است. براي نخستين بار، اين پوشش به روش رسوب‌دهي الكتروفورتيك هم‌زمان اكسيد‌هاي مس و منگنز و به دنبال آن عمليات حرارتي اكسيدي براي سنتز اسپينل انجام شد. مزيت اصلي اين روش، سادگي و هزينه كمتر نسبت به ساير روش‌ها است. از عوامل موثر در رسوب‌دهي الكتروفورتيك بر كيفيت و جرم پوشش خام، ولتاژ اعمالي 100-10 ولت، زمان فرايند 10-1 دقيقه، غلظت ذرات جامد 40-2 گرم بر ليتر و نسبت جرمي پراكنده‌ساز به پودر 1/4 -0 بررسي شد. 100 ولت، 10 دقيقه، 10 گرم بر ليتر و نسبت 1/16، به عنوان شرايط بهينه در بستر آلي اتانول و استون (1:1 حجمي) و با PVP به عنوان پراكنده‌ساز، انتخاب شد. عمليات حرارتي سنتز به صورت زمان ثابت و دما متغير، به مدت 5 ساعت در دماهاي 700، 750، 800، 850، 900 و 950 درجه سانتي‌گراد، و دما ثابت و زمان متغير، در دماهاي 800 و 850 درجه سانتي‌گراد و زمان‌هاي 3، 5 و 7 ساعت انجام شد. بررسي‌هاي فازي و ميكروسكوپي از سطح مقطع و سطح پوشش، نشان داد كه زمان‌ 3 ساعت در دماي 800 و 850 درجه سانتي‌گراد بهترين شرايط براي عمليات حرارتي سنتز اسپينل است. اين دو نمونه، به همراه نمونه بدون پوشش و يك پوشش خام، به منظور ارزيابي كارامدي پوشش، تحت 10 چرخه 10 ساعتي عمليات حرارتي اكسيدي در دماي 750 درجه سانتي‌گراد قرار گرفتند. هر 3 نمونه پوشش‌دهي شده علاوه بر بهبود رفتار اكسيد شدن، با موفقيت از خروج كروم و مسموميت كاتدي جلوگيري كردند. ثابت نرخ پارابوليك از g2.cm-4.s-113-10×5/93 براي نمونه بدون پوشش، به g2.cm-4.s-1 14-10×5/76 براي نمونه‌ پوشش‌دار عمليات حرارتي شده در دماي 850 درجه سانتي‌گراد، كاهش يافت.

1398/08/19

Formation and Investigation of the Properties of Manganese Containing Spinel Coatings on Ferritic Stainless Steels

9/1/2020 12:00:00 AM

Long thought to be inexhaustible, fossil fuels are being used at an unsustainable rate. This and their significant environmental degrading impacts, are attracting researcher’s attention to cleaner and more efficient ways of generating electrical power. Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) as one of such alternatives, have many advantages to other fuel cell types. However, SOFCs come with their own set of challenges caused by their high operational temperatures, among which one can point to high oxidation rate of interconnects, Spallation and cracks in oxide scale due to the mismatch of Thermal Expansion Coefficient (TEC), Cathodic Poisoning and high Area Specific Resistance (ASR) of oxide scale. Manganese-containing coatings, with their unique properties, have overcome these challenges successfully. In this project, we aim to coat AISI-430 ferritic stainless steel with Cu-Mn Spinel to be utilized as SOFCs interconnects and evaluate its performance in operational environments. Our novel contribution lies in how the coating is done unconventionally, applying Electrophoretic codeposition of CuO and MnO2 followed by an oxidating thermal treatment for spinel synthesis. Simplicity and lower fabrication cost are the main advantages of this procedure. Among Electrophoretic deposition parameters effecting quality and quantity of the green body, the following ranges were studied for each parameter: applied voltage 10-100 volts, deposition time 1-10 minutes, solid concentration 2-40 g.l-1 and dispersant to powder ratio 0- 1/4. 100 volts, 10 minutes, 10 g.l-1 and 1/16 were selected as the optimum values for these parameters in Ethanol and Acetone media (1:1 volume ratio) with PVP as dispersant. Thermal treatment for spinel synthesis was studied in two stages, constant time (5 hours) at 700, 750, 800, 850, 900 and 950°C, and constant temperature (800 and 850°C) for 3, 5 and 7 hours. Phase analysis and microscopic evaluation of coatings suggested that 3 hours of oxidating thermal treatment in 800 and 850°C was the best conditions for spinel synthesis. These two samples, in addition to an uncoated and a green coating, were undergone 10 cycles of 10 hours cyclic oxidation at 750°C for performance evaluation. All of coated samples showed significant improvement in oxidation behavior, and were effective barriers for Chromium migration and Cathodic Poisoning. Parabolic Rate Constant of oxidation was reduced from 5.93×10-13g2.cm-4.s-1 in uncoated sample, to 5.76×10-14g2.cm-4.s-1 in coated sample with 3 hours of oxidating thermal treatment in 850°C.