[发明专利]一种含铜钽钴高耐蚀不锈钢及其加工与热处理方法

说明书

一种含铜钽钴高耐蚀不锈钢及其加工与热处理方法，合金元素质量百分比为：C≤0.08，Ni＝11.0～15.0，Cr＝18.0～20.0，Mo＝3.0～4.0，Ta≤1.20，Cu＝0.2～0.8，Co＝0.1～0.5，Mn≤2.0，Si≤1.0，P≤0.035，S≤0.030，其中15.06×(C‑0.01)≤Ta≤15.06×C，余量为Fe。经热变形开坯和冷变形，TaC破碎、弥散，高温固溶处理后晶粒粗化。通氧条件下80℃含5×10^‑6F^‑的0.5mol/L的H₂SO₄电解液中腐蚀电流密度为1.08～1.35μA/cm²，与经表面涂层的不锈钢双极板材料相当。具有低硬度和高延伸特点，利于双极板流道的成型。

技术领域

本发明属于奥氏体不锈钢领域，涉及高耐蚀性奥氏体不锈钢的成分设计和加工、热处理的方法，可广泛用于能源、电力、化工领域和日常生活。

技术背景

燃料电池是一种将氢燃料和氧化剂之间的化学能通过电极反应直接转化成电能的装置。由于其效率高、污染小、建厂时间短、可靠性及维护性好，是继水力发电、火力发电、核电之后的第四代发电技术。在众多的燃料电池中，质子交换膜燃料电池是发展较晚的一种新型燃料电池，但其发展最为迅速。

在燃料电池中，起支撑、集流、分割氧化剂与还原剂作用并引导氧化剂和还原剂在电池内电极表面流动的导电隔板统称为双极板。在燃料电池组内部，双极板的功能和特点为分隔氧化剂与还原剂，因此双极板必须具有阻气功能，不能用多孔透气材料；具有集流作用，必须是电的良导体。双极板所处的环境同时存在氧化介质如氧气和还原介质如氢气，所以双极板材料必须能在这种条件下和其工作的电位范围内具有抗腐蚀能力。双极板应是热的良导体,以确保电池组的温度均匀分布及排热方案的实施。

双极板的两侧加工或置有使反应气体均匀分布的流道,即所谓的流场，流场应确保反应气体在整个电极各处分布均匀，双极板在燃料电池组内还起着支撑膜电极、保持电池堆结构稳定的作用,这就要求极板材料具有一定的强度，双极板材料应质轻、强度好、并且适于批量生产。

成本太高是目前难以商业化应用的主要因素，而且较低的质量比高功率和体积比功率也是其在汽车动力电源应用方面的一大障碍。一般地，成本中双极板的费用不仅占总成本，而且占据电池反应堆重量的。因此,寻求和设计价廉、轻质、板薄、具有良好的力学性能、高的表面和体积导电率、低透气性、耐腐蚀材料以及成本较低的制备技术是双极板发展的目标。

目前广泛采用的双极板有石墨板、金属板和复合双极板。

石墨双极板具有良好的耐腐性、导电性，而且表面的接触电阻小。因而在各种材料双极板中，石墨双极板的放电性能最好，常被用作开发其它新材料双极板的参照体系。但石墨的孔隙率大、机械强度低、脆性大、加工性能差，为了阻止工作气体渗过双极板和满足机械强度设计，石墨双极板的厚度应较厚，这就使得其体积和重量较大，从而限制了石墨双极板的实际应用。尤其是极具应用前景的汽车工业，要求必须具有较高的重量比能量，且能够经受汽车在高速运动过程中的振动。

金属材料不仅强韧性好，而且机械加工性能、导电性、导热性、致密性均较好，可以用来制作很薄的双极板。但是所有金属都有一个缺点，即抗腐蚀性能较差，这就使得需要用各种技术与手段来改善其性能。

在模拟燃料电池工作环境下对316L、317L、349和904L不锈钢的电化学行为进行对比，得出的耐腐蚀性能排序为：349>904L>317L>316L，表明铬含量越高，抗腐蚀性越强。未经表面处理的316L不锈钢在燃料电池环境中形成的钝化层会导致接触电阻增加，不能满足双极板材料的要求。因此，为增强不锈钢的抗腐蚀性能，有必要对其表面改性或涂镀保护层。

为解决不锈钢和钛板作为双极板材料在燃料电池运行过程中出现的腐蚀和表面钝化问题，采用热喷、丝网印刷、物理气相沉积、化学气相沉积、电镀、化学镀和溅射等方法，这样的表面处理既降低了接触电阻，又提高了双极板的耐腐蚀性能。