一種燃料電池雙極板用鈦帶材的加工工藝研究

張少輝,母果路,楊永福,李長亮,盧金武

　　內容導讀

　　鈦應用于燃料電池雙極板具有諸多優點。通過對雙極板用鈦帶冷軋工藝的研究，以及不同熱處理條件下的力學性能，特別是延伸率，杯突等數據的檢測，進一步對其微觀組織進行了驗證分析，成功制備出一種滿足要求的厚0.12 mm、寬240 mm的TA1帶材，獲得了一種較為成熟制備雙極板用鈦帶材的生產工藝。

　　雙極板又稱集流板，是目前燃料電池的重要部件之一。其主要作用是提供氣體流道，防止電池氣室中的氫氣與氧氣串通，并在串聯的陰陽兩極之間建立電流通路。現流行的雙極板材料主要有金屬、石墨及復合材料3種，其中金屬雙極板材料主要有不銹鋼、鋁、鈦及鈦合金幾種，鈦金屬因其具有密度小、比強度高、耐蝕性強等優異特性具有很廣的應用領域。

　　目前已有研究表明：從重量、強度及涂層后的電阻率、耐蝕性等綜合性能比較，相比不銹鋼和鋁，鈦更適合作為燃料電池雙極板的基體材料。

　　1、實驗材料與方法

　　實驗采用普通TA1冷軋鈦帶，規格：0.55 mm×260 mm，采用兩軋程軋制。第一軋程在二十輥冷軋機上軋至0.25 mm厚，軋后在氬氣作為保護氣氛的連續退火爐中，在680°C下以4 m/min速度進行中間退火，退火后再進行第二軋程，軋至0.12 mm厚，切邊后成品寬度為240 mm。然后取樣，分別在700、725、750、780°C溫度下，以4 m/min進行熱處理實驗，并制備金相組織照片。實驗所用鈦帶主要化學成分見表1。

　　表1實驗用鈦帶主要化學成分（質量分數）%

　　鐵、氧元素在鈦材中作為雜質元素，會產生晶格畸變，增高鈦材強度，使鈦材軋制抗力較大，因此極薄鈦材的軋制選取低鐵、低氧的母卷鈦材生產。

　　2、軋制及道次變形量

　　工業純鈦的屈強比較高，在冷變形時有產生裂紋的傾向，彈性模量小，約為鐵的一半，冷成形時回彈大，成形困難，因此軋制時應以遵循“多道次，小變形”的原則。同時由于鈦的導熱率低，相比不銹鋼，在軋制冷卻液濃度不變的情況下，應適當降低軋制速度，以免軋制溫度過高而發生粘輥現象，此外，降低軋制速度還有利于軋制過程中的板形控制。實驗中兩個軋程基本都采用了初始道次較大變形量，成品道次小變形的壓下設計，具體見表2。

　　表2兩個軋程道次厚度及變形率

　　3、結果與分析

　　3.1室溫力學性能對比

　　鈦在高溫條件下性質比較活潑，特別容易氧化，因此，鈦的退火一般是在真空或惰性氣體保護氣氛中進行。目前，鈦帶的連續退火普遍采用氬氣作為保護氣氛，本實驗熱處理均在氬氣保護條件下，且爐內氧質量分數低于0.003%。表3是不同熱處理溫度下鈦帶的力學性能數據。

　　表3 TA1不同熱處理溫度的力學性能

　　從表3可以看到：隨著退火溫度的升高，鈦帶的橫、縱向抗拉和屈服強度總體呈下降趨勢，而延伸率在750°C退火達到最好。杯突主要用來反映雙極板用鈦帶的沖壓性能，以上所測不同退火溫度下的杯突值均滿足客戶技術要求。

　　鈦帶板形表面質量總體良好，厚度0.115~0.120 mm，滿足GB/T3622—2012《鈦及鈦合金帶、箔材》標準要求，低鐵、低氧的化學成分有助于實現相對較低的強度與較高延伸率的匹配，符合雙極板的沖壓成型要求。

　　3.2微觀組織對比

　　圖1是橫向試樣分別在700、725、750和780°C溫度下以4 m/min退火后的金相組織照片。

圖1不同熱處理溫度下試樣橫向金相組織：（a）700°C；（b）725°C；（c）750°C；（d）780°C

　　從金相照片可以看出：從700~750°C退火的微觀組織主要是由等軸晶和拉長等軸晶組成，隨著退火溫度不斷升高，晶粒尺寸逐漸增大，而且均含有孿晶。而780°C退火組織中晶粒急劇變大，同樣含有孿晶，晶粒形狀也變得極不規則，這主要是退火溫度升高，晶粒迅速長大所致。

　　4、結束語

　　在雙極板用鈦帶制備實驗的基礎上，對原料化學成分，軋制變形量，性能數據以及微觀組織進行了歸納、分析，此類鈦帶原料化學成分應選用低鐵、低氧類；成品軋制的最后幾個道次變形量應不大于10%；氬氣保護氣氛下750°C、4 m/min連續退火可獲得良好的綜合性能和金相組織。本文的實驗探索能夠為雙極板用鈦帶大批量生產提供一定的經驗借鑒和現實指引。