多孔Cu-Ni-Al合金的高温压缩性能及显微结构分析(改正以后的).docVIP

多孔Cu-Ni-Al合金的高温压缩性能及显微结构分析 陈荐，梁慧，李微，杨嘉伟，李贤泽 摘要：采用RDL05电子蠕变疲劳试验机在不同温度（600,650,700℃）以及不同应变率（10-4,10-3,10-2/s）条件下对粉末烧结工艺制备的多孔Cu-35Ni-10Al进行高温压缩实验，获取多孔铜合金真应力-应变曲线。利用SEM对多孔Cu合金实验前和实验后的显微组织结构及能谱分析图进行分析。结果表明,多孔Cu合金的压缩强度、屈服强度随着工作温度的增加、应变加载速率的减小而减小；多孔Cu合金的压缩变形主要分为三个阶段：初始的线性变形；随着孔壁的塑性变形、弯曲或断裂达到一定程度，表现出屈服时应力增加较小应变持续增大的平台区，即屈服阶段；以及致密化阶段。 关键词：多孔Cu-35Ni-10Al合金，高温压缩，显微分析 1.前言 多孔铜基合金阳极材料具有良好的催化活性、较高的抗渗碳能力、较低成本及在熔融电解质Na2CO3-K2CO3中由更宽的稳定区，被认为是MCFC多孔镍基阳极的潜在替代材料[1]。一般认为，商用的MCFC电堆的寿命至少应为40000h，其中8000h是以80%的负载连续运行，整个电站的可用寿命应达到25年。阴极溶解、阳极蠕变、高温腐蚀和电解质损失是影响MCFC寿命的主要因素[2]。 在正常运行当中的MCFC往往是以联合的电池堆的形式工作的，单体电池间通过双极板等材料连接。由于是多个电池堆叠而成，并且受到外部密封不见的包裹，阳极材料在工况下是要受到压载荷的，研究多孔阳极材料在高温下的压缩性能是非常重要的。高温压缩试验是高温蠕变试验的基础，通过高温压缩试验可以确定不同温度下的材料的压缩屈服强度。同时也可以通过高温压缩实验获得在不同温度和不同应变速率下压缩应力-应变曲线，从而分析材料的压缩力学性能[3,4]。目前，国内外对Cu-Ni-Si合金的析出行为和热变形行为有一定的研究[5]，而关于Cu-Ni-Al合金的高温压缩性能则尚未系统报道。因此关于不同状态下铜合金高温压缩性能的研究，对铜合金的应用和发展具有重要的意义。 本文将分析多孔Cu-35Ni-10Al合金的压缩前后微观组织结构，研究不同的温度、应变加载速率情况下对其高温压缩性能的影响，从而分析Cu-Ni-Al合金在不同压缩变形的条件下表现出不同压缩变形行为的原由。 2.实验 2.1多孔合金的显微组织 采用粉末烧结工艺制备多孔Cu-35Ni-10Al合金试样，将样品的两面进行抛光，利用JSM-6360LV高低真空扫描电子显微镜获取合金样品的SEM显微组织结构和能谱分析图。图1为孔隙率32.3%的多孔Cu-35Ni-10Al合金100、1000倍的SEM显微组织结构图，从中可以看到，Cu-35Ni-10Al预合金粉末之间明显发生了粘结，并且相邻的粉末之间通过这种粘结使得烧结样品具有成型较好，强度高的特点。从图1能谱分析可知，合金的纯度很高，很少含有其他元素（如Fe）。合金主要有两相组成，灰色区域为富镍相，明亮色区域为富铜相。 b a (a) a点EDS (b) b点EDS 图1 多孔Cu-35Ni-10Al合金的SEM显微组织及能谱分析（孔隙率32.3%） 2.2 多孔Cu-Ni-Al合金压缩性能 由于熔融碳酸盐燃料电池在启动过程中阳极是随碳酸盐一起升温烧结的，正常的工作时温度区间为600-700℃，因此本文设定实验温度分别为600℃、650℃、700℃，加载速率分别为10-2、10-3、10-4/s。 将制备的合金初样通过线切割获得压缩试样，其高温压缩试样的直径为5mm，标距为7.5mm。采用RDL05电子蠕变疲劳试验机进行高温压缩实验获得多孔Cu-35Ni-10Al合金的真应力-应变曲线。不同温度、应变加载速率时合金的真应力—真应变曲线如图3所示，从图中可以看出多孔Cu-35Ni-10Al合金的真应力-应变曲线可以分为三个阶段：线性弹性区，屈服平台区和致密化区。由Gibson-Ashby 模型得到多孔材料应力-应变曲线由弹性区，平台区，致密化区三个阶段组成[6]。从图3中可以看出，多孔Cu-35Ni-10Al合金在较小压应变（0.025）时，其处于弹性变形阶段，此阶段主要表现为孔棱、孔壁发生弯曲，没有明显的应力集中现象。随着应力的逐渐增大，当应变达到0.05时，曲线开始由弹性变形阶段平滑的向屈服平台阶段过渡，没有明显的屈服点，在该阶段较薄的孔壁已经开始发生弯曲、坍塌，此种变形不可恢复，这个阶段在应力-应变曲线图上跨度很大，主要反映了孔结构被压垮屈服的过程。应变继续增加，越来越多的孔发生坍塌，合金的即时密度不断增加，当应变达到0.35时，除少量的特别厚实的孔壁没有完全闭合外，大多数孔棱、孔壁塑