一種燃料電池雙極板用鈦帶材的加工工藝研究

供稿|張少輝，母果路，楊永福，李長(zhǎng)亮，盧金武

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鈦應(yīng)用于燃料電池雙極板具有諸多優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)雙極板用鈦帶冷軋工藝的研究，以及不同熱處理?xiàng)l件下的力學(xué)性能，特別是延伸率，杯突等數(shù)據(jù)的檢測(cè)，進(jìn)一步對(duì)其微觀組織進(jìn)行了驗(yàn)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(yáng)兩極之間建立電流通路[1?2]?，F(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(qiáng)度高、耐蝕性強(qiáng)等優(yōu)異特性具有很廣的應(yīng)用領(lǐng)域[3]。

目前已有研究表明：從重量、強(qiáng)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[4]。

實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)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(jī)上軋至0.25 mm 厚，軋后在氬氣作為保護(hù)氣氛的連續(xù)退火爐中，在680 °C 下以4 m/min 速度進(jìn)行中間退火，退火后再進(jìn)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(jìn)行熱處理實(shí)驗(yàn)，并制備金相組織照片。實(shí)驗(yàn)所用鈦帶主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)用鈦帶主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

鐵、氧元素在鈦材中作為雜質(zhì)元素，會(huì)產(chǎn)生晶格畸變，增高鈦材強(qiáng)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)。

軋制及道次變形量

工業(yè)純鈦的屈強(qiáng)比較高，在冷變形時(shí)有產(chǎn)生裂紋的傾向，彈性模量小，約為鐵的一半，冷成形時(shí)回彈大，成形困難，因此軋制時(shí)應(yīng)以遵循“多道次，小變形”的原則。同時(shí)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(dāng)降低軋制速度，以免軋制溫度過(guò)高而發(fā)生粘輥現(xiàn)象[5]，此外，降低軋制速度還有利于軋制過(guò)程中的板形控制。實(shí)驗(yàn)中兩個(gè)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(jì)，具體見(jiàn)表2。

表2 兩個(gè)軋程道次厚度及變形率

結(jié)果與分析

室溫力學(xué)性能對(duì)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(hù)氣氛中進(jìn)行。目前，鈦帶的連續(xù)退火普遍采用氬氣作為保護(hù)氣氛，本實(shí)驗(yàn)熱處理均在氬氣保護(hù)條件下，且爐內(nèi)氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.003%。表3 是不同熱處理溫度下鈦帶的力學(xué)性能數(shù)據(jù)。

表3 TA1 不同熱處理溫度的力學(xué)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(qiáng)度總體呈下降趨勢(shì)，而延伸率在750 °C 退火達(dá)到最好。杯突主要用來(lái)反映雙極板用鈦帶的沖壓性能，以上所測(cè)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(biāo)準(zhǔn)要求，低鐵、低氧的化學(xué)成分有助于實(shí)現(xiàn)相對(duì)較低的強(qiáng)度與較高延伸率的匹配，符合雙極板的沖壓成型要求。

微觀組織對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)大所致。

結(jié)束語(yǔ)

在雙極板用鈦帶制備實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)原料化學(xué)成分，軋制變形量，性能數(shù)據(jù)以及微觀組織進(jìn)行了歸納、分析，此類鈦帶原料化學(xué)成分應(yīng)選用低鐵、低氧類；成品軋制的最后幾個(gè)道次變形量應(yīng)不大于10%；氬氣保護(hù)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(shí)驗(yàn)探索能夠?yàn)殡p極板用鈦帶大批量生產(chǎn)提供一定的經(jīng)驗(yàn)借鑒和現(xiàn)實(shí)指引。