[发明专利]抗氧化金属材料

说明书

发明领域

发明直接涉及其热膨胀系数接近于稳定化氧化锆的金属材料。更具体地说，本发明通过制成包含Cr-W-M-Fe系或Cr-W-M-B-Fe系的合金，此处M可以是由Y、Hf、Ce、La、Nd或Dy组成的合金元素组中的一种或两种以上元素，涉及在高温下表现出优良的抗氧化性并且热膨胀系数与稳定化氧化锆相当的抗氧化金属材料。该抗氧化金属材料适于用作基底与起抗氧化、耐腐蚀涂层作用的稳定化氧化锆之间的中间层，以及已发展成为第三代燃料电池的固体氧化物燃料电池的固态电解质。

发明背景

最近，能源保护与地球环境问题变得至关重要。因此各种高温运行的机器设备包括发电用的燃气轮机都趋向于要求在更高的温度和更高的压力下工作。由于上述当前工业要求，在苛刻工作条件下金属材料的损伤与劣化已成为一个严重的技术难题。

因此，飞机及地面发电机用燃气轮机的现有型号中，在转子叶片和定子叶片的高强高温合金上施加抗腐蚀涂层是一种普遍采用的做法。但是，对上述涂层，由于高温腐蚀造成的损伤及劣化等的相关问题仍未得到解决。

以热障涂层(thermal barrier coating)(TBC)为例，简要说明涂层的原理及基本结构。图1是个示意图，表示的是整个TBC结构中温度梯度形成的情况，这里A代表陶瓷层，B是中间层，C是一种合金，T_g表示高温燃气温度，T_a表示冷却空气温度，T₁、T₂、T₃、T₄、T₅及T₆分别表示表面及界面区温度，图2是应用于燃烧器的TBC的横截面图。

TBC的主要功能是通过在如图1所示有温度梯度的金属部件上施加具有低的热导率的陶瓷材料涂层以避免金属部件表面区域的温升。上述TBC应用于燃气轮机系统，特别是燃烧装置中，已有十年以上历史。近来，TBC也已常常用于冷却叶片，根据使用实际叶片所做的试验，已经确认TBC系统可表现出温度范围50至100℃的热障效果。

TBC通常包括一个陶瓷热喷涂层以及一个中间热喷涂层；前者主要由ZrO₂构成(一种含有如MgO,Y₂O₃或CaO的稳定化成分的固溶体)，其热导率0.005～0.006cal/cm.s.℃远小于Al₂O₃(0.04～0.08cal/cm.s.℃)或TiO₂(0.01～0.02cal/cm.s.℃)。而后者中间层则由Ni-Al合金、Ni-Cr合金或是M-Cr-Al-Y合金(此处M可为Fe、Ni、Co之类)构成，以便缓解其与合金(基体)材料的热膨胀差别，并提高抗腐蚀性。已进行过制备多层结构的研究，其中该中间层由金属和陶瓷材料构成一个混合层，或者构造具有完全梯度成分的层。

作为新型发电系统备受关注的燃料电池，有以磷酸水溶液为电解质的磷酸燃料电池(PAFC)、以碳酸锂或碳酸钾等为电解质的熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)，以及以氧化锆系陶瓷为电解质的固体氧化物燃料电池(SOFC)。上述各种燃料电池的基本能量转换都是基于通过电化学反应在电池中由化学能直接转换为电能。每种燃料电池都表现出其各自的特点。

当前所关注的问题如能源政策和地球环境问题迫切要求将燃料电池尽快投入实际应用；燃料电池作为一种分散型电源，可就近安装于所需地点，也可用作复合发电电源。基于对分散型电源的广泛需求，燃料电池可望产生的巨大潜力已得到确认。

以上述固体氧化物燃料电池为例。参照图3所示固体氧化物燃料电池的分解透视图来简要说明其原理和基本结构。

如图3所示，固体氧化物电池以由燃料电极(阳极)2和空气电极(阴极)3组成的单体电池4构成。而电极中间夹着钇稳定化氧化锆(YSZ)电解质片1的两面。另外，多个单体电池4通过隔离层5形成层状结构而得到可实际应用的电源。H₂和CO输送到隔离层5和燃料电极(阳极)2之间的通道空间6作为燃料源。其次，空气输送到隔离层5和空气电极(阴极)3之间的另一通道空间7。

参照图4说明固体氧化物燃料电池发电的原理。由于作为燃料的城市煤气的主要成分是甲烷，需要在改性器8中将其改变为主要含氢的气体。即通过改性器8，利用电池反应产生的水蒸汽和反应热将作为燃料的城市煤气反应变成氢和一氧化碳。一部分反应产物以甲烷形式送入燃料电极2。