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(nèi)容導(dǎo)讀

　　鈦應(yīng)用于燃料電池雙極板具有諸多優(yōu)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(shù)據(jù)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(chǎn)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(lián)的陰陽兩極之間建立電流通路。現(xiàn)流行的雙極板材料主要有金屬、石墨及復(fù)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(yōu)異特性具有很廣的應(yīng)用領(lǐng)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(guī)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(xù)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(zhì)量分數(shù)）%

　　鐵、氧元素在鈦材中作為雜質(zhì)元素，會產(chǎn)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(chǎn)。

　　2、軋制及道次變形量

　　工業(yè)純鈦的屈強比較高，在冷變形時有產(chǎn)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(yīng)以遵循“多道次，小變形”的原則。同時由于鈦的導(dǎo)熱率低，相比不銹鋼，在軋制冷卻液濃度不變的情況下，應(yīng)適當降低軋制速度，以免軋制溫度過高而發(fā)生粘輥現(xiàn)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(shè)計，具體見表2。

　　表2兩個軋程道次厚度及變形率

　　3、結(jié)果與分析

　　3.1室溫力學性能對比

　　鈦在高溫條件下性質(zhì)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(xù)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(nèi)氧質(zhì)量分數(shù)低于0.003%。表3是不同熱處理溫度下鈦帶的力學性能數(shù)據(jù)。

　　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(shù)要求。

　　鈦帶板形表面質(zhì)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(xiàn)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(guī)則，這主要是退火溫度升高，晶粒迅速長大所致。

　　4、結(jié)束語

　　在雙極板用鈦帶制備實驗的基礎(chǔ)上，對原料化學成分，軋制變形量，性能數(shù)據(jù)以及微觀組織進行了歸納、分析，此類鈦帶原料化學成分應(yīng)選用低鐵、低氧類；成品軋制的最后幾個道次變形量應(yīng)不大于10%；氬氣保護氣氛下750°C、4 m/min連續(xù)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(chǎn)提供一定的經(jīng)驗借鑒和現(xiàn)實指引。