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c . s .倪l . y, ”腐蚀的电化学阻抗和建模研究三个商业不锈钢在熔融碳酸盐”,国际期刊的腐蚀, 卷。2014年, 文章的ID721208年, 13 页面, 2014年。 https://doi.org/10.1155/2014/721208
腐蚀的电化学阻抗和建模研究三个商业不锈钢在熔融碳酸盐
文摘
腐蚀引起的金属结构材料熔融碳酸盐是一个问题限制的寿命熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)在升高的温度下。氧化之间的反应:规模和碳酸锂电解液通常是一个缓慢的过程,非常重要的底层钢的钝化行为。三个商业合金的腐蚀行为(先驱,SS304 SS310)与不同铬含量熔融(0.62,0.38 k)2有限公司3在650°C进行电化学阻抗谱(EIS) 120小时调查lithiation过程。用SEM图像和广泛的氧化物的XRD分析,提出了等效电路来解释阻抗数据和解释三个合金的腐蚀行为在不同阶段对lithiation过程。
1。介绍
阴极溶解和金属腐蚀接触熔融碳酸盐是两个关键问题限制寿命的熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)。金属结构材料受到腐蚀分离器板和当前的收藏家。铝材料是非常耐腐蚀在熔融碳酸盐1- - - - - -3),可用于wet-sealing区域,但他们太电电阻用于当前收集的地区。耐腐蚀和氧化规模之间的平衡电阻率的材料工作温度的双极板650°C应了为了实现长寿命40000小时生产率高(4- - - - - -6]。Biedenkopf et al。4)报道,电导率是内在的限制,chromium-containing氧化物多层腐蚀的规模,和chromium-rich合金铬含量高于20 wt。%显示Cr-containing腐蚀程度极高的欧姆电阻,与高导电层混合尖晶石的形成与Cr含量少于20钢wt. %。此外,明镜et al。7,8研究了铁基合金的腐蚀和高合金共晶2有限公司3- k2有限公司3融化,指出铬合金的内容不应超过12 - 15 wt。%,以防止铬的损失通过可溶性铬酸钾的形成。
熔盐造成的腐蚀是一种电化学过程的性质,所以电化学技术可以应用于研究机制(9- - - - - -16]。电化学阻抗谱(EIS)技术,已经被证明是有效的调查反应机制和动力学在热腐蚀引起的熔融碳酸盐。纯镍的阻抗响应,费尔(fe - 24.4 - 0.12 al - b wt. %),是(Cu-15Al wt. %),镍钛(Ni-10 15 ti wt. %),尼克(Ni-50Co wt. %),并符合美国钢铁协会的310不锈钢(Fe-25Cr-20Ni wt. %)在不同浸泡时间后熔融碳酸盐在650°C是监测和相应的模型提出了指定的腐蚀机理9- - - - - -11,17,18]。电化学阻抗也用于评估不同铬含量的耐腐蚀合金对熔融碳酸盐给定浸后时期(12,13]。Frangini [14]相比310年代不锈钢的腐蚀动力学在熔融碳酸盐获得阻抗谱和线性极化和得出结论,扩散阻抗的存在条件和形成电阻表面电影加上lithiation过程可能导致不可靠的获得与线性极化阻力值。朱et al。15)发现的腐蚀速率估计两种电化学技术同意只在浸泡前形成的最初阶段的保护。在塔菲尔极化电流的显著的扰动程度给腐蚀速率的计算带来误差,而EIS研究尺度的属性是一个很好的工具,运用小扰动(< 10 mV)系统。
lithiation过程的原因之一MCFC的电解质损失在操作期间(19,20.),更重要的是,这个过程会改变的属性尺度下的不锈钢薄膜熔融碳酸盐(21- - - - - -24]。不锈钢腐蚀的阴极室或浸泡腐蚀将持续时间更长时间比薄膜腐蚀,所以再测试需要研究整个过程。周围融化在dip-melt测试将提供足够的锂、钾与氧化反应。不同于一般短期或即时测试,这个报告是研究腐蚀过程的三个商业合金不同铬内容长时间通过阻抗技术在监测氧化的产物规模和lithiation过程。具体而言,三个商业不锈钢的腐蚀过程,先驱,SS304, SS310完全沉浸在熔融(0.62,0.38 k)2有限公司3在650°C使用EIS技术调查。这种技术提供了一种实时监测实验过程中没有令人不安的热力学系统;如此多的测量可以在不同的时间建立腐蚀机理。
2。实验
无水碳酸盐的权力,62%2有限公司3和38% K2有限公司3摩尔分数,称重和混合在一个氧化铝坩埚,被放置在一个圆柱形炉烤在350°C 24 h,以清除残留水分。然后炉加热到650°C的坡道3°C /分钟。平面矩形标本从散装合金和地面800砂纸。三个合金的成分表所示1。
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二电极系统用于阻抗测量,工作电极与参比电极和辅助电极。参考探测器连接到探测器的辅助电极。阻抗测量被认为是在缴纳和每个样品的阻抗应该最后阻抗除以两倍。详细的实验装置可以在找到2]。两个样本相同的不锈钢是嵌入在一个铝管和密封后与高温水泥Fe-Cr导线点焊在每个标本的边缘。每个电极的工作表面是10毫米×8毫米。对于每个合金,电化学测量复制两次使用相同的材料和工作条件来确定模型的有效性。
电化学阻抗测量多达120 h在开路电位进行0.01和1×10之间的空气5赫兹M398阻抗系统,由普林斯顿大学应用研究(PAR) 5210锁定放大器和票面263稳压器界面上的通过IEEE 488总线兼容计算机。快速傅里叶变换(FFT)技术用于频率从0.01到1.13赫兹提高测量速度和较低的扰动程度的细胞。输入正弦信号的振幅是10 mV。商业软件(ZSimpWin)开发的标准被用来满足阻抗光谱使用复杂的非线性最小二乘(主办)方法。
腐蚀样品进行x射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)加上一个能量色散x射线(EDX)微量分析系统。腐蚀产物的XRD模式在内层通过擦洗表面产品层砂纸。
3所示。结果
3.1。EIS测量
相应的波德相图,如图1,显示两个时间常数在最初的48小时内只有一个时间常数在高频72 h和120 h。高频循环的特征频率在1000赫兹通过整个过程。阻抗模开始减少,之后消失的时间常数0.1赫兹的频率,与在48小时内相对稳定的价值。
在整个腐蚀过程,预示块SS304包括只有一个时间常数的特征频率1000赫兹和一条线在低频范围内,如图2。值得注意的是低频的相位角的角度减少时,伯德图进行腐蚀。的模阻抗在低频几乎不随时间变化。
图3的波德图SS310熔融碳酸盐在不同的时间。当浸泡时间12个小时之前,两个时间常数,一个在1000赫兹,在0.5赫兹,可以确定。从12 h开始到最后的测试,一条线在低频率除了可以找到两个时间常数的阻抗谱。
3.2。规模形态和阶段分析
多层规模上形成先驱120 h后浸在熔融碳酸盐650°C。规模的厚度是80μm和一个暗层接触的缩进钢衬底如图4(一)。内层(图的放大图4 (b))表明,这一层比离开更多孔层,和一些明亮的W或钼氧化粒子的散射。Parezanovićet al。25)发现,莫喜欢呆在金属边与尖晶石氧化物固溶体和钨沉淀也位于matrix-scale接口在我们的案例中。谱线情节沿着规模表明,没有形成chromium-rich规模在整个范围和重要钾可以检测到多孔规模接近贱金属。从XRD结果图7(一),一个人可以看到,外层是LiFeO组成2和K2菲2O4而内层FeO说和FeCr组成的2O4。在共晶成分x(李2有限公司3)= 0.62,LiFeO的生产2除了K2菲2O4在规模/熔体界面是由于较低的稳定2有限公司3李和更高的活动,尽管K2菲2O4显示了更高的稳定性能量在650°C。李lithiation可能发生的运输通过LiFeO离子2规模,结合传入的铁3 +离子形成新的三元氧化物LiFeO2。然而,钾通过规模不太可能分散由于离子半径较大,因此,含钾氧化物通常是在规模/熔体界面如K2阴极射线示波器4(11]。根据相图Li-K-C-Fe [26),多孔K2菲2O4可以由于粘性混合碳酸盐的直接渗透到金属/规模接口和与新成立的铁反应吗2O3损耗后的李融化在这一领域,就像明镜周刊报道研究腐蚀金属氯化物(下面27]。
(一)
(b)
(c)
规模对SS304(图5(一个))是40μ米厚,包含三层:20μ米最外层和内层的层由较暗的区域在中间。最外层甚至在整个厚度范围和显示了中间层什一税一个清晰的边界。最里面的一层有一个坚固的金属表面向一边,明亮的粒子分散。天平的表面形态在最外层SS304剥落如图8(a)。最外层由紧凑的晶体放大图如图所示8(b)的金属元素从EDX大多是铁和轻微的Cr。LiFeO的表面形态2似乎相当密集,但横断面图像在整个规模表明裂缝的存在。的复合氧化物在中间层是67% cr - 26% fe - 7%镍原子百分比。借助于XRD图模式7 (b),一个人可以判断,外层是专门LiFeO组成2,中间层LiFeO组成的混合物2和LiCrO2和Cr(铁、镍)2O4和镍粒子,最里面的一层主要是由铁、镍铬2O4。
(一)
(b)
(c)
一个10μ米双层规模而310合金表面腐蚀120 h后,如图6。黑暗连续薄层由一层明亮的克服包含明亮的粒子表面和孔隙在中间。XRD模式(图之间的比较5 (c))的内层和外层表明LiFeO外层2LiCrO内层2因为LiFeO的高峰2眩晕多擦洗标本时用砂纸去除顶层。谱数据,尤其是明亮粒子表面上含有3.5。% Mn被认为是锰溶解LiFeO2(8]。
(一)
(b)
(c)
3.3。阻抗模型
阻抗谱的先驱在初始阶段显示明显porous-scale焊条的特性。因此,阻抗模型为先驱的腐蚀在这个阶段可能是电路描述的图9(一个),在那里代表了电解液电阻,和分别代表了双层电容和氧化物电容,和分别代表了电荷转移电阻和氧化抵抗代表了diffusion-induced华宝阻力。考虑色散效应,常相位角元件(CPE)问是用来描述参数和在拟合过程。阻抗谱在72和120 h的先驱是适合diffusion-controlled反应,这可能与等效电路模拟图9 (b),在那里是diffusion-induced阻力。
(一)
(b)
(c)
华宝阻力可以表达的(1)。考虑 在哪里diffusion-induced阻力和模量扩散阻抗系数,范围在0和1之间,与氧化剂扩散的方向有关。当等于0.5,氧化剂的扩散方向平行于他们在熔盐浓度梯度,因此,直线的斜率在奈奎斯特图低频率等于1。当,氧化剂的扩散方向偏离他们的浓度梯度,这种情况用“切向扩散,”和直线的斜率在奈奎斯特图低频率小于团结。当n 阻碍了,扩散过程的障碍,直线的斜率在奈奎斯特图低频率小于团结。
根据参数表2的值,倾向于增加的值随时间波动之前华宝阻抗在低频的外观。这可能是由于氧化层的产物之间的以旧换新,使氧化厚,解散过程中妥协的密实度。K的外观2菲2O4原因突然出现低频循环和小的值由于多孔的氧化和破坏范围的完整性。的值小于0.5,表示无限半身的扩散受到切向扩散过程的影响。此外,的衰落和表明,合金遭受了加速腐蚀。
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的阻抗光谱SS304在所有测试的时间显示只有一个时间常数,接近一个先驱的高频部分,并由一行在低频率和一个循环,它可以模拟图的等效电路9 (b)。这意味着表面的氧化物可能会渗透到熔融碳酸盐。与先驱,SS304增加持续通过浸泡试验,从1.77到3.17Ω厘米2,如表所示3。的值模拟数据的SS304变化极大地从0.73到0.47,这意味着扩散过程从一个有限的转移扩散长度由于氧化物增长无限切向扩散。完成lithiation过程后的铁2O3,多孔LiFeO2规模是无法抑制的扩散带电粒子通过外部规模。的值进行了普遍增加保持相当稳定后从4到8 h。稳定增长的可能是由于导电尖晶石屏蔽层并不有助于区分哪一个但块金属之间的运输的离子粒子和外部规模。
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阻抗谱前12 h显示两个时间常数和LiFeO2形成规模,所以图的等效电路9(一个)适用于这种情况。24小时后的阻抗谱的一条线在低频范围内显示diffusion-controlled反应因为氧化尺度的局部失败和图的电路9 (c)可以使用适合在这种情况下的阻抗数据。Frangini和Loreti14,16)使用类似的阻抗谱的等效电路来模拟腐蚀SS310熔融碳酸盐。从表可以看出4的价值,比这大得多的,氧化物的形成的基合金熔盐分离,和电荷转移过程由运输带电粒子通过抑制氧化。铬的形成规模可以用来解释大前8小时和lithiation发生可能导致的突然减少阻力和外观华宝阻抗从12个小时。扩散元素出现后,它的值与浸泡时间变化很大,所以的价值的改变,表明增长和鳞片在腐蚀过程中解体。然而,总是大于0.5,这表明扩散过程是受规模和lithiation过程的结果导致无限扩散(16]。不像SS304值从0.73下降到0.47,SS310的值高于0.77和浸泡时间略有下降,表明规模的lithiation SS310持续更长时间。
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3.4。验证模型的复制
因为腐蚀层的生长是一个成核和生长过程,小的表面成分的差异会导致不同的腐蚀产物和各种动力学表面钝化和天平的微观结构。Keijzer et al。28]报道了三个不同的开路电位变化在第一个24小时的浸泡,这表明Cr-containing钢的腐蚀随小扰动的初始阶段。电化学阻抗测量的120小时三合金是重复的,被称为复制和建模参数在图表示10。一个可以看到值三个合金不同的前40小时的浸泡,但他们最后收敛于彼此的浸泡试验。虽然之间有10小时的延迟的外观diffusion-related元素两种复制的先驱和SS304建模仍然在120 -小时测量。的值三个合金随时间,但两个测量相同的合金之间的差异减少末端的浸没式测试。突然减少85 h的先驱可能突然称谓的保护范围。的先驱的值小于0.5,但那些SS304从年初的0.7减少到小于0.5在120小时。后的完整lithiation外部铁2O3电影,值小于0.5。在刚开始的时候出现的,值SS310样本都接近0.9,但显示了一个复制值小于0.5 60小时后,形成鲜明对比值列于表4。低值表明,扩散的解理lithiation过程可以忽略不计;这可能是由于密度克劳莉娅电影表面上金属/规模,所显示的更大这个样品在10到40 h和大值40到100 h。也有可能SS310价值将减少值低于0.5浸超过120小时,复制在48小时。
(一)
(b)
(c)
4所示。讨论
不锈钢的腐蚀是非常复杂的,因为大量的组件包括钢铁和,因为它可以形成多个腐蚀层混合组成。然而,金属元素的氧化可以减少合金的阴极和阳极反应:阴极,氧气分子在熔融碳酸盐的溶解性很小,因此,在减少,这将减少或通过反应(2)和(3),分别,然后减少氧离子的电子提供的阳极反应的反应(4)或(5)[21,29日] 盛行的反应取决于酸度的融化,,在我们的案例中,反应(2)和(4)是在熔融碳酸盐氧的主要反应路线30.,31日]。
阳极的金属元素M将氧化反应 金属离子和氧离子结合形成氧化物,可与李反应2有限公司3或者K2有限公司3生产三元氧化物。
当Fe-Cr合金沉浸在熔融碳酸盐,氧化速度比铁、铬和铬氧化物溶解速度远远超过氧化铁为碳酸盐在阴极气体(28]。因此,铬氧化物溶解时,一层氧化铁仍在金属表面,然后它是lithiated形成锂铁氧体,其溶解度决定在熔融(李重量为78 ppm0.62K0.38)有限公司3在650°C (32]。不幸的是,它太多孔,防止底层金属元素的腐蚀。三种合金的腐蚀过程差异从一个另一个由于铬含量的差异及其与碳酸盐反应方式。合金表面上的规模可能LiFeO混合物2和LiCrO2根据Cr的内容。
先驱的铬含量低,无内氧化铬层,虽然外LiFeO2应该防止氧化与熔融碳酸盐灾难性的反应。内氧离子的快速扩散和向外扩散并没有限制,没有铁——或者Cr-dominant整个规模,规模可以区分离开略Fe -或Cr-enriched层由于不同铁和铬离子的扩散速度,连续多孔氧化层的存在也同意EIS数据和模型。给予足够的时间,FeCr FeO说2O4或铁3O4能够沉淀的氧气压力下足够低厚LiFeO吗2层,但仅限于一个2μm地区bulk-metal表面。根据截面图像,内层更多孔外层,规模是透水熔融碳酸盐和腐蚀过程现在是在熔融碳酸盐离子的扩散。从模拟的参数和在这个阶段,腐蚀过程是内层的加快以及增厚。K2菲2O4是高度多孔,在形成过程中,公司2通过反应(产生6)提高分层从衬底的规模 因为SS304包含19.3 wt。% Cr, chromium-rich氧化层(67% Cr - 26% fe - 7%镍原子百分比)能够持续LiFeO下2层的薄的过渡层。这个不纯的氧化铬层能够在一定程度上阻碍的氧离子的扩散和向外的金属离子,如所示。随着时间延长,扩散从衬底铬不足以支持氧化物的生长,因此铬含量降低了120 h后逐渐向内腐蚀。(镍、铁)铬的复合2O4,LiCrO2,LiFeO2,取代了chromium-rich Ni-rich金属粒子层破坏chromium-rich氧化物层的屏蔽效果,因此华宝阻抗出现在48 h。先前的调查Fe-based腐蚀的镍和铬的合金具有相似内容熔融碳酸盐(8)透露,LiFeO的形成2由向外扩散控制铁离子和(镍、铁)的形成2阴极射线示波器4通过向内扩散或运输氧离子,这解释了波浪矩阵和尖晶石氧化物之间的接口。在氧离子的扩散路径的地方都被异构像镍粒子或LiCrO夹杂物2聚合矩阵进行缓慢的氧化,如图5 (b)。尖晶石的阻塞效应导致不平衡的扩散路径和合成缩进规模结构。
有足够的铬SS310形成丰富的铬氧化物沉淀后立即外LiFeO的形成2层,合金快速合成局部腐蚀。从12 h以后,一个连续的氧化铬,LiCrO2层形成的扩散离子被连续的内层,所以无限扩散反应可以从模拟参数。竹内et al。17)报道,当铬含量多达25 wt。% Fe-Cr合金,LiCrO的复合2和LiFeO2倾向于消失。安et al。33)报道,腐蚀速率的减少SS310远远大于在SS316在腐蚀过程的初始阶段,由于SS310 Cr含量就越高。在延长浸泡时间,K的形成2阴极射线示波器4是可能的,导致内心的Cr损失规模,尽管我们没有观察到这个在我们的研究中。从我们的研究中,我们发现明显薄规模SS310 SS304相比120 h后很可能由于纯净LiCrO2层,这可能是由于密集克劳莉娅层在初始阶段。
5。结论
EIS被应用到监控三个不锈钢的腐蚀熔融碳酸盐在650°C扩展的时期。适当的等效电路提出了解释的腐蚀机理分析的阻抗数据结合叠层XRD和显微图像模式。由于高铬含量,SS310是唯一合金形成纯LiCrO紧凑2防止铁离子和氧物种的扩散。尽管铬层似乎防止运输的材料开始,阻挡层,包含大量LiFeO2解体后,尖晶石层对SS304成立于矩阵的一面。铬,不足先驱无法从任何chromium-rich层在整个测试。双层范围内形成,表面上看,一个包含LiFeO外层2和K2FeO说2和多孔内层包含FeO说和铁3O4/ FeCr2O4。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
承认
这项工作是由中国国家自然科学基金支持下合约号,51371183和50971129。
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