دانلود پروژه: تأثیر تنگستن بر خواص فولاد زنگ نزن کروفر نانو ساختار تولیدشده به روش آلیاژ سازی مکانیکی جهت استفاده در صفحات اتصال دهنده پیل­های سوختی اکسید جامد

فهرست مطالب

                                                                                                                                                                     عنوان  صفحه

فهرست مطالب …………………………………………………………………………………………………………………………………………. …هشت

فهرست شکل­ها ………………………………………………………………………………………………………………………………………… ……..ده

فهرست جداول …………………………………………………………………………………………………………………………………………. …سیزده

چکیده …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..  1

فصل اول: مقدمه ……………………………………………………………………………………………………………………………………………..  2

فصل دوم: مروری بر منابع …………………………………………………………………………………………………………………………………  4

2-1- پیل­های سوختی اکسید جامد و اجزای آن…………………………………………………………………………………………………… 4

2-1-1-الکترولیت ………………………………………………………………………………………………………………………………………….  6

2-1-2- آند …………………………………………………………………………………………………………………………………………………..  6

2-1-3-کاتد ………………………………………………………………………………………………………………………………………………….  6

2-1-4- صفحات اتصال دهنده …………………………………………………………………………………………………………………………  7

2-1-4-الف اتصال دهنده سراميكي ………………………………………………………………………………………………………………….  8

2-1-4-ب اتصال دهنده‌های فلزي ……………………………………………………………………………………………………………………  8

2-2-آلیاژ سازی مکانیکی ………………………………………………………………………………………………………………………………..  11

2-2-1- مزایا و معایب روش آلیاژ سازی مکانیکی ……………………………………………………………………………………………….  12

2-2-2- پرس تک‌محوره ………………………………………………………………………………………………………………………………..  12

2-2-3- تفجوشی …………………………………………………………………………………………………………………………………………..  13

2-2-4- روش جرقه-پلاسما (SPS) …………………………………………………………………………………………………………………..  13

2-3- بررسی رفتار اکسیداسیون آلیاژ Crofer22APU ………………………………………………………………………………………….  14

2-3- پوشش دادن صفحات اتصال دهنده (آلیاژ Crofer22APU) و بررسی مقاومت الکتریکی آن ……………………………..  17

2-4- پوشش دادن صفحات اتصال دهنده (آلیاژ AISI430) و بررسی مقاومت الکتریکی آن ……………………………………..  19

2-5- پوشش دادن صفحات اتصال دهنده (آلیاژ AISI441) و بررسی مقاومت الکتریکی …………………………………………..  22

2-6- تأثیر بخار آب بر رفتار اکسیداسیون و الکتریکی صفحات اتصال دهنده ……………………………………………………………  26

2-6-1- پوشش اسپینلی منگنز-کبالت ………………………………………………………………………………………………………………..  26

2-6-2- پوشش اکسید لانتانیوم …………………………………………………………………………………………………………………………  29

2-6-3- پوشش اکسید لانتانیوم با پوشش اسپینلی منگنز-کبالت ………………………………………………………………………………  36

2-7- پیشرفت ارتباط الکتریکی بین فلز و الکترودها ………………………………………………………………………………………………  38

2-8- جمع‌بندی و هدف از اجرای پژوهش ………………………………………………………………………………………………………….  39

فصل سوم: مواد و روش تحقیق …………………………………………………………………………………………………………………………..  40

هشت

3-1- آلیاژ سازی مکانیکی ……………………………………………………………………………………………………………………………….  40

3-2- پرس و سینتر کردن ………………………………………………………………………………………………………………………………….  41

3-3- سختی سنجی …………………………………………………………………………………………………………………………………………  42

3-4- فرایند پوشش دهی                                                                        ………………………………………………………………….  42

3-5- فرایند اکسیداسیون ………………………………………………………………………………………………………………………………….  43

3-6- مقاومت الکتریکی سطحی ……………………………………………………………………………………………………………………….  43

3-7- آلیاژ سازی مکانیکی مجدد همراه با عنصر تنگستن ……………………………………………………………………………………….  43

فصل چهارم: نتایج و بحث ………………………………………………………………………………………………………………………………….  44

4-1- تولید آلیاژ Crofer22APU به روش آلیاژ سازی مکانیکی ……………………………………………………………………………..  44

4-2- عملیات پرس و سینترینگ ………………………………………………………………………………………………………………………..  46

4-3- عملیات پوشش دهی ……………………………………………………………………………………………………………………………….  53

4-4- فرایند اکسیداسیون آلیاژ کروفر …………………………………………………………………………………………………………………  60

4-5- مقاومت الکتریکی سطحی آلیاژ کروفر ………………………………………………………………………………………………………  69

4-6- تولید آلیاژ Crofer22APU حاوی تنگستن به روش آلیاژ سازی مکانیکی …………………………………………………………  71

4-7- عملیات پرس و سینترینگ ………………………………………………………………………………………………………………………..  74

4-8- فرایند اکسیداسیون آلیاژ حاوی تنگستن ………………………………………………………………………………………………………  77

4-9- مقاومت الکتریکی سطحی آلیاژ حاوی تنگستن ……………………………………………………………………………………………  85

4-10- مقایسه مقاومت به اکسیداسیون آلیاژ حاوی 2/0 درصد تنگستن و بدون تنگستن ……………………………………………..  87

4-11- مقایسه مقاومت الکتریکی آلیاژ حاوی تنگستن و بدون تنگستن …………………………………………………………………….  88

فصل پنجم: نتیجه‌گیری و پیشنهاد­ها ……………………………………………………………………………………………………………………..  90

5-1- نتیجه‌گیری …………………………………………………………………………………………………………………………………………….  90

5-2- پیشنهادها ………………………………………………………………………………………………………………………………………………  91

مراجع ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………  92

 

 

 

 

 

 

 

نه

فهرست شکل‌ها

عنوان                                                                                                                                                                              صفحه

2-1. طرح صفحه‌ای پيل سوختي اكسيد جامد ………………………………………………………………………………………………………  5

2-2. طرح لوله‌ای پيل سوختي اكسيد جامد …………………………………………………………………………………………………………  5

2-3. شماتیک پيل سوختي اکسيد جامد: پيل الکتروشيميايي …………………………………………………………………………..  6

2-4. شماتیکی از دستگاه SPS  ………………………………………………………………………………………………………………………….  14

2-5. پراکندگی انرژی در مقیاس میکروسکوپی و جوش خوردن پودرها در قالب گرافیتی درروش SPS  ……………………..  14

2-6. رفتار اکسیداسیون نمونه­های Crofer22APU در دو محیط و دمای متفاوت  ………………………………………………………  15

2-7. تصویر SEM از مقطع عرضی آلیاژ Crofer22APU در 2 اتمسفر، بعد از h200 در ^°C 750 …………………………………  16

2-8. آنالیز خطی از سطح مقطع آلیاژ کروفر پوشش دار و بدون پوشش بعد از h9000 اکسیداسیون در هوا در ^°C 800…… 18

2-9. آنالیز EDS آلیاژ Crofer22APU با پوشش اسپینلی بعد از اکسیداسیون هم دما به مدت h1000 در دمای ^°C 800  …  19

2-10. نمودار افزایش وزن آلیاژ  AISI430 در دمای ^°C 800 در هوا به صورت عریان و با پوشش اسپینلی منگنز-کبالت ..  20

2-11. شماتیکی از روش بدست آوردن ASR  …………………………………………………………………………………………………….  21

2-12. مقادیر ASR اندازه‌گیری شده براي نمونه AISI430 پوش داده‌شده و بدون پوشش به عنوان تابعي از زمان  ………  22

2-13. تصویر SEM از مقطع عرضی آلیاژ 441AISI بدون پوشش در هوا در ^°C 800  ………………………………………………  23

2-14. تصویر SEM از مقطع عرضی آلیاژ 441AISI با پوشش اسپینلی در هوا در ^°C 800 ………………………………………….  23

2-15. مقادیر ASR اندازه‌گیری شده براي نمونه پوش داده‌شده 441AISI و بدون پوشش به عنوان تابعي از زمان ………  24

2-16. تعادل سوخت شیمیایی و اکتیویته کربن (هنگامی‌که فقط سوخت وجود داشته باشد) بر حسب دما ……………………….  25

2-17. تصویر SEM از آلیاژ Crofer22APU بعد از اکسیداسیون در دمای ^°C 800 به مدت h1000 …………………………….  25

2-18. تصویر SEM از سطح و مقطع آلیاژ Crofer22APU پوشش داده‌شده بعد از h100 در هوا در ^°C 800  ……………….  26

2-19. تصویر SEM از مقطع آلیاژ Crofer22APU پوشش داده‌شده بعد از h1000 در هوا در دمای ^°C 800 ………………..  27

2-20. تصویر SEM از سطح Crofer22APU پوشش داده‌شده بعد از h1000 در هوا در ^°C 800  ……………………………….  27

2-21. تصویر SEM و شماتیکی از مقطع Crofer22APU پوشش داده‌شده پس از h100 در هوا+3%H₂O  در ^°C 800……..28

2-22. تصویر SEM وشماتیکی از مقطع کروفر پوشش داده‌شده پس از h100 در هیدروژن+ 3%H₂O در ^°C 800 …………  28

2-23. سینتیک اکسیداسیون فولاد Crofer22APU در ^°C 800 در H₂/10%H₂O به مدت h100، بدون و با پوشش ……….  29

2-24. مقایسه تغییرات وزن و سرعت خوردگی آلیاژ Crofer22APU در ^°C 800 به مدت h100، بدون و با پوشش ……….  30

2-25. تصاویر SEM از سطح آلیاژ Crofer22APU پوشش دار در ^°C 800 در H₂/10%H₂O به مدت h100 ………………..  31

2-26. تصاویر SEM از  سطح و مقطع  Crofer22APU پوشش داده‌شده با اکسید لانتانیوم پس از h100 در ^°C 800 ………  31

2-27. تصویر SEM از مقطع عرضی کروفر پوشش داده‌شده با اکسید لانتانیوم پس از h1000 در ^°C 800 در هوا …………..  32

2-28. تصویر SEM و شماتیکی از مقطع کروفر پوشش دار با اکسید لانتانیوم پس از h100 در ^°C 800 در هوا+H₂O 3% .  32

2-29. تصویر SEM و شماتیکی از مقطع کروفر پوشش دار با اکسید لانتانیوم پس از h100 در ^°C 800 در H₂+H₂O 3% …  33

2-30. SIMS از عرض فولاد Crofer22APU بدون پوشش در ^°C 800 به مدت h100 در هوا و در H₂/10%H₂O ………..  34

ده

2-31. SIMSاز عرض فولاد Crofer22APU باپوشش اکسید لانتانیوم در ^°C800 به مدت h100در هوا ودرH₂/10%H₂O. 35

2-32. تصاویر SEM از  سطح و مقطع کروفر پوشش دار با اکسید لانتانیوم و منگنز-کبالت پس از h100 در ^°C 800در هوا 36

2-33. تصاویر SEM از  سطح و مقطع کروفر پوشش دار با اکسید لانتانیوم و منگنز-کبالت پس از h1000 در ^°C800………. 37

2-34. شماتیکی از مقطع کروفر پوشش دار با اکسید لانتانیوم و کبالت-منگنز پس از h100 در ^°C 800 در هوا+3%H₂O ..  37

2-35: تصویرSEM از کروفر با پوشش اکسید لانتانیوم و کبالت-منگنز پس از h100 در ^°C 800 در هیدروژن+3%H₂O …  38

4-1. الگوی پراش اشعه ایکس از پودر آلیاژ کروفر آلیاژ سازی مکانیکی شده به مدت h40 ……………………………………….  45

4-2. الگوی پراش اشعه ایکس از پودر آلیاژ کروفر آلیاژ سازی مکانیکی شده به مدت h40 و پودر آهن و کروم …………..  45

4-3. تغییر در پارامتر شبکه اجزای محلول جامد (محلول 2 جزئی) پس از آلیاژ سازی مکانیکی  ………………………………….  46

4-4. تصویر OM از پودر فولاد کروفر،  پرس شده با تنش MPa566، h1 سینتر شده در دمای ^°C 1150 ……………………….  47

4-5. تصویر OM از پودر فولاد کروفر 2 ساعت آنیل شده در ^°C 450 و پرس باMPa 700، h1 سینتر شده در ^°C 1200…… 48

4-6. الگوی XRD از پودر فولاد کروفر، 2 ساعت آنیل شده در ^°C 450 و پرس با MPa700، h1 سینتر شده در ^°C 1200 .  48

4-7. تصویر OM از پودر فولاد کروفر، 2 ساعت آنیل شده در ^°C 500 و پرس با MPa700، h1 سینتر شده در ^°C 1200….. 49

4-8. الگوی XRD از پودر فولاد کروفر، 2 ساعت آنیل شده در ^°C 500 و پرس با MPa700، h1 سینتر شده در ^°C 1200… 50

4-9. تصویر SEM از پودر فولاد کروفر، 2 ساعت آنیل شده در ^°C 500 و پرس با MPa700، h1 سینتر شده در ^°C 1200… 50

4-10. تصویر میکروسکوپی نوری از آلیاژ کروفر، SPS شده در ^°C 1100 در مدت زمان 10 دقیقه و با تنش MPa50 ……..  51

4-11. الگوی پراش اشعه ایکس از آلیاژ کروفر، SPS شده در ^°C 1100 در مدت زمان 10 دقیقه و با تنش MPa50 ……….  52

4-12. آنالیز EDS از پودر آلیاژ Crofer22APU فشرده و پرس شده به روش SPS (آنالیز پنجره‌ای) ……………………………..  53

4-13. آزمون EDS از آلیاژ کروفر پوشش داده‌شده با دانسیته جریان 150 میلی‌آمپر بر سانتیمتر مربع به مدت 20 دقیقه …….  54

4-14. آزمون  EDS از آلیاژ کروفر پوشش داده‌شده با دانسیته جریان 200 میلی‌آمپر بر سانتیمتر مربع به مدت 20 دقیقه ……  55

4-15. آزمون EDS از آلیاژ کروفر پوشش داده‌شده با دانسیته جریان 250 میلی‌آمپر بر سانتیمتر مربع به مدت 20 دقیقه …….  55

4-16. تصویر SEM از سطح و مقطع عرضی آلیاژ کروفر پوشش داده‌شده با دانسیته جریان mA/cm²150 در 20 دقیقه ……  56

4-17. تصویر SEM از سطح و مقطع عرضی آلیاژ کروفر پوشش داده‌شده با دانسیته جریان mA/cm²200 در20 دقیقه …….  57

4-18. تصویر SEM از سطح و مقطع عرضی آلیاژ کروفر پوشش داده‌شده با دانسیته جریان mA/cm²250 در 20 دقیقه ……  58

4-19. تصاویر SEM از مقطع آلیاژ کروفر پوشش داده‌شده به روش رسوب‌دهی الکتریکی با دانسیته جریان mA/cm²150.. 60

4-20. الگوی پراش اشعه ایکس آلیاژ کروفر، با پوشش اسپینلی منگنز-کبالت، قبل از اکسیداسیون ………………………………  60

4-21. تغییرات وزن به سطح نسبت به زمان اکسیداسیون برای آلیاژ کروفر پوشش دار و بدون پوشش ……………………………  61

4-22. مربع تغییرات وزن به سطح نسبت به زمان اکسیداسیون برای آلیاژ کروفر پوشش دار و بدون پوشش …………………….  61

4-23. تصاویر SEM از سطح آلیاژ کروفر بدون پوشش بعد از اکسیداسیون در دمای ^°C 800 ……………………………………..  63

4-24. الگوی پراش اشعه ایکس از اکسیداسیون آلیاژ کروفر بدون پوشش در دمای ^°C 800  ………………………………………  64

4-25. تصاویر SEM از سطح پوشش آلیاژ کروفر در دمای ^°C 800  ……………………………………………………………………….  66

4-26. الگوی پراش اشعه ایکس از آلیاژ کروفر با پوشش منگنز-کبالت و اکسیداسیون در هوا و در دمای ^°C 800  ………..  67

4-27. دیاگرام فازی منگنز-کبالت  ……………………………………………………………………………………………………………………  68

یازده

4-28. تصویر SEM از سطح مقطع آلیاژ کروفر، بدون پوشش و  با پوشش پس از h100 اکسیداسیون در هوا  در ^°C 800 ..  68

4-29. آنالیز خطی از زیر لایه تا سطح آلیاژ کروفر، بدون پوشش و با پوشش پس از h100اکسیداسیون در هوا در ^°C 800    69

4-30. مقاومت الکتریکی سطحی (ASR) آلیاژ کروفر پوشش دار و بدون پوشش پس از آزمون اکسیداسیون ………………..  70

4-31. الگوی پراش اشعه ایکس از پودر آلیاژ سازی شده به همراه  تنگستن به مقدار 1 درصد …………………………………….  72

4-32. الگوی پراش اشعه ایکس از پودر تنگستن ………………………………………………………………………………………………….  73

4-33. الگوی پراش اشعه ایکس از پودر آهن و پودر آهن-تنگستن به مدت h40 ……………………………………………………..  73

4-34. الگوی پراش اشعه ایکس از آلیاژ Crofer22APU حاوی 2/0 درصد تنگستن پس از h80 آلیاژ سازی …………………  74

4-35. تصویر OM از کروفر حاوی 2/0 درصد تنگستن، SPS شده در ^°C 1100 در مدت 10 دقیقه و با تنش MPa50 …….  74

4-36. الگوی پراش اشعه ایکس از پودر و بالک آلیاژ کروفر حاوی 2/0 درصد تنگستن …………………………………………….  75

4-37. آنالیز EDS از پودر آلیاژ Crofer22APU حاوی تنگستن، فشرده و پرس شده به روش  SPS (آنالیز پنجره‌ای) ………  76

4-38. الگوی پراش اشعه ایکس از پودر و بالک آلیاژ کروفر حاوی 1 درصد تنگستن ………………………………………………..  77

4-39. تغییرات وزن به سطح نسبت به زمان اکسیداسیون برای کروفر حاوی 2/0 درصد تنگستن پوشش دار و بدون پوشش .  77

4-40. مربع تغییرات وزن به سطح نسبت به زمان اکسیداسیون کروفر حاوی 2/0 درصد تنگستن پوشش دار و بدون پوشش .  78

4-41. تصاویر SEM از سطح آلیاژ کروفر حاوی2/0 درصد تنگستن، بدون پوشش بعد از اکسیداسیون در دمای ^°C 800  ..  79

4-42. الگوی پراش اشعه ایکس از آلیاژ کروفر حاوی 2/0 درصد تنگستن بدون پوشش و اکسیداسیون در دمای ^°C 800 ..  80

4-43. تصاویر SEM از سطح آلیاژ کروفر حاوی2/0 درصد تنگستن، با پوشش بعد از اکسیداسیون در دمای ^°C 800   …….  82

4-44. الگوی پراش اشعه ایکس از آلیاژ کروفر حاوی تنگستن پوشش دار و اکسیداسیون در دمای ^°C 800   …………………  83

4-45. تصویر SEM مقطع کروفرحاوی تنگستن، بدون پوشش و با پوشش پس از h100 اکسیداسیون در هوا  در ^°C 800 …  84

4-46. EDS زیر لایه تا سطح کروفرحاوی تنگستن، بدون پوشش و با پوشش پس از h100 اکسیداسیون در هوا در ^°C 800. 85

4-47. ASR آلیاژ کروفر حاوی 2/0 درصد تنگستن به صورت پوشش دار و بدون پوشش، پس از آزمون اکسیداسیون ……  86

4-48. مربع تغییرات وزن به سطح –  زمان اکسیداسیون برای آلیاژ حاوی تنگستن و بدون تنگستن با پوشش و بدون پوشش.. 88

4-49. ASR آلیاژ حاوی 2/0 درصد تنگستن و بدون تنگستن با پوشش و بدون پوشش در زمان‌های مختلف اکسیداسیون… 89

 

 

 

 

 

دوازده

فهرست جداول

عنوان ………………………………………………………………………………………………………………………………………………………  صفحه

2-1. ترکیب شیمیایی آلیاژ  Crofer22APU(مقادیر بر حسب در صد وزنی می‌باشند) ………………………………………………..  10

2-2. ضریب انبساط حرارتی و مقاومت الکتریکی بعضی از اکسیدهای معمول تشکیل‌شده بر روی آلیاژ ………………………..  11

2-3. ثابت‌های اکسیداسیون آلیاژ Crofer22APU در دو محیط متفاوت  …………………………………………………………………  16

2-4. ترکیب شیمیایی فولاد زنگ نزن فریتی AISI430 (مقادیر بر حسب در صد وزنی می‌باشند) …………………………………  20

2-5. ترکیب شیمیایی فولاد زنگ نزن فریتی441 AISI (مقادیر بر حسب در صد وزنی می‌باشند) …………………………………  23

2-6. آنالیز فازی از فولاد Crofer22APU بدون پوشش و با پوشش در ^°C 800 در H₂/10%H₂O به مدت h100…………… 34

3-1. مشخصات پودرهای مورداستفاده ………………………………………………………………………………………………………………  41

3-2. مواد و مقدار موردنیاز برای ایجاد حمام پوشش دهی …………………………………………………………………………………….  42

4-1. درصد تخلخل و سختی پودر آلیاژ کروفر پرس و سینتر شده ……………………………………………………………………………  52

4-2. درصد وزنی عناصر موجود در آلیاژ Crofer22APU  بدست آمده توسط کوانتومتری ………………………………………..  52

4-3. درصد اتمی عناصر منگنز و کبالت بدست آمده از آنالیزEDS در پوشش­های اعمال‌شده با دانسیته جریان­های مختلف 54

4-4. درصد تخلخل پوشش با توجه به تغییرات دانسیته جریان پوشش دهی ……………………………………………………………….  59

4-5. نقطه ذوب، نقطه‌جوش و ساختار کریستالی عناصر موجود در آلیاژ کروفر …………………………………………………………  72

4-6. درصد وزنی عناصر بدست آمده توسط کوانتومتری، موجود در آلیاژ Crofer22APU حاوی تنگستن ……………………  76

4-7. سختی آلیاژ کروفر بدون تنگستن و حاوی 2/0 درصد تنگستن بر حسب ویکرز …………………………………………………..  76