[发明专利]一种三元层状陶瓷钛硅碳及其固溶体与铁素体不锈钢直接扩散连接方法

说明书

本发明涉及三元层状陶瓷钛硅碳及其固溶体与铁素体不锈钢直接扩散连接方法，步骤为：将三元层状陶瓷与铁素体不锈钢的待连接表面用金相砂纸逐级磨光，再用金刚石研磨膏抛光；将Ti₃SiC₂陶瓷与SUS430不锈钢的大表面相接触排列，并在样品侧面焊接测温铂丝，将焊接后的样品进行扩散连接；连接实验完成后，降温撤压，得到扩散连接接头。采用本发明所提供方法获得的接头界面结合好，连接温度低，具有良好的使用性能和力学性能，界面生成连续的反应层，没有明显的裂纹、气孔等焊接缺陷，能解决合金连接体Cr挥发问题，减少陶瓷连接体制备和加工费用，扩大了三元层状陶瓷Ti₃SiC₂及其固溶体材料的应用范围。

技术领域

本发明属于陶瓷连接与固体氧化物燃料电池连接体技术领域，具体涉及一种三元层状陶瓷钛硅碳及其固溶体与铁素体不锈钢直接扩散连接方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)属于第三代燃料电池，是一种在中、高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。连接体是板式固体氧化物燃料电池SOFC电堆的关键部件之一，其作用是电连接电池单体，分隔并分配阳极的燃气和阴极的氧化气。

钛硅化碳(Ti₃SiC₂)是一种新型的三元层状可加工陶瓷材料，是MAX相陶瓷家族中的一员，其中，M指的是过渡金属，A指主族金属，X指C或者N元素。Ti₃SiC₂综合了陶瓷和金属的诸多优点，如低密度、高模量、高强度、高导热率和良好的抗氧化性及易加工等特点。因而Ti₃SiC₂陶瓷在航空、航天、核工业和电子信息等高技术领域有广泛的应用前景，是一种新型结构功能一体化材料，尤其非常适合做固体氧化物燃料电池的连接体材料。特别的是，对Ti₃SiC₂进行掺杂优化的(Ti,M)₃SiC₂(M＝Nb，W，Ta,V)材料在SOFC服役环境下，氧化生成(Ti,M)O₂和非晶SiO₂均匀混合单层氧化膜，导电性和抗氧化性均比相同厚度Cr₂O₃的高。同时，(Ti,M)₃SiC₂具有优异的导电导热性，高强度和高抗蠕变性能和合适的热膨胀系数，是一种极具潜力的SOFC连接体用材料。但是，Ti₃SiC₂及其固溶体材料成品率低，加工和制造成本高，合成大尺寸或形状复杂的块体材料或构件还存在一定的困难，限制了Ti₃SiC₂的大规模应用。

含Cr的铁素体不锈钢由于价格低、具有优良的耐腐蚀性能、抗氧化性与氧化膜导电性、热膨胀系数与其他部件相近等优点，成为连接体材料应用与研究的重点。这类合金是靠表面形成导电性较好的致密Cr₂O₃层保护基体。但是在SOFC(600～800℃)长期运行中，在阴极侧Cr₂O₃易于形成Cr⁶⁺挥发物(Cr₂O₃，或者CrO₂(OH)₂)，会降低阴极材料的活性，导致阴极中毒，加快电堆失效进程。因此，解决合金连接体Cr挥发对阴极的毒害是维持SOFC电堆长期稳定工作的重要保障。

针对Cr挥发问题，目前国内外的解决方法主要有两种，一是开发新型低Cr合金，使合金氧化后表面生成双层结构氧化膜，外层是非Cr₂O₃层，内层是连续的Cr₂O₃层，外层致密的非Cr₂O₃层在一定程度上能起到阻挡Cr的化合物挥发的作用，但挥发问题仍然存在，连接体长期性能仍需要进一步改进。另外一种方案是在合金表面制备防护涂层，但是涂层长期稳定性有待考察。

发明内容