Спечен метален прах с ниско съдържание на кислород: Подобряване на проводимостта и устойчивостта на корозия

Кислородните атоми в металните прахове правят оксидни слоеве, които спират електроните да се движат през краищата на частиците. Когато тези прахове се синтероват, всеки остатъчен кислород се забива по границите на зърната, създавайки стени, които не позволяват на електричеството да тече. Тестовете показват, че титановият прах с повече от 0,3% кислород може да има до 40% по-високо електрическо съпротивление от праховете с по-малко от 0,15% кислород. В системи, които се нуждаят от постоянен поток от ток, като електрохимични филтриращи системи, това повишаване на съпротивлението се превръща в огромен проблем.

Механизмът зад този ефект може да се види в микроструктурата на синтерованите части. Микроскопията с висока-резолюция показва, че титановият прах с ниско-кислород прави шийките между частиците по-чисти по време на синтероване, което прави металните пътеки, които не са блокирани. Тези пътища улесняват движението на електроните, което е много важно при PEM електролизата, където порестият метален филтър трябва да пренася електричество, като същевременно контролира потока на течността.

Нис{0}}кислородсинтерован метален прах има предимства, които надхвърлят първоначалното му представяне. Тестовете за ускорено стареене, които имитират пет години непрекъсната работа, показват, че филтрите, направени от титанов прах с ниско-кислород, запазват повече от 92% от първоначалната си проводимост. Това е по-високо от 78% задържане, наблюдавано при обикновените части на-базирана на прах. Това означава, че ще издържи по-дълго и ще се нуждае от по-малко поддръжка, което означава по-дълги интервали за ремонт.

Количествено доказателство за тази полза идва от спектроскопия на електрохимичния импеданс. Редовните измервания показват, че растежът на оксидния слой е много по-бавен при структури, които са били синтеровани с малко кислород. Това запазва електрическите пътища, които са били настроени по време на първоначалния производствен процес. На практика това означава, че мениджърите ще имат по-малко непланирани спирания и по-точни планове за подмяна на части.

Титанът е най-разпространеният материал, използван в-клас PEM приложения, но базираните на никел-или филтърни елементи от неръждаема стомана работят по-добре в някои ситуации. Никеловият прах с по-малко от 0,10% кислород има добра проводимост и не може да се повреди от алкални условия, така че може да се използва в различни видове електролизатори. Титанът и никелът с ниско-кислородно съдържание се синтероват по много различен начин и температурата трябва да се контролира внимателно, за да се получи точното количество уплътняване без прекалено голям растеж на зърната.

Праховете от неръждаема стомана са по-евтини в по-малко взискателни ситуации, където е достатъчна умерена устойчивост на корозия. Филтрите, направени от прах от неръждаема стомана клас 316L с контролирани нива на кислород (обикновено 0,08 до 0,12%), могат да се използват за разделяне на газове и течности в много индустриални условия. Съдържанието на хром естествено предпазва от корозия, а ниските нива на кислород гарантират, че синтерованата структура остава достатъчно проводима за използване в-приложения за разсейване на статично електричество.

Количеството кислород във въздуха по време на синтероването има пряк ефект върху това как частиците се слепват и създават три{0}}измерната мрежа от пори. Праховете с по-малко кислород имат по-добра активност на синтероване, което означава, че частиците се слепват по-добре при по-ниски температури или за по-кратко време на престой. Тъй като връзките са по-здрави, структурата на скелета има добре-дефинирани, свързани дупки вместо единични дупки. Тестовете на потока показват, че филтрите, направени от титанов прах с ниско-кислород, имат скорости на изтичане, които са с 15–25% по-високи от подобни конструкции, направени с обикновен прах, стига всички размери на частиците да са еднакви.

Когато нивата на кислород остават ниски, разпространението на диаметрите на гърлото на дупката също става по-равномерно. Рентгенови компютърни томографски снимки на секционни филтърни елементи показват, че видовете с по-малко кислород правят пори с по-малка крива на разпределение на размера. Тази еднородност означава, че прекъсванията на филтъра са по-резки и ефективността на разделяне е по-надеждна. Това е особено полезно при улавяне на частици в определени размери по време на производството на водород.

По-малкото кислород не само подобрява електрическата проводимост, но също така подобрява топлинните свойства. Тестовете за коефициент на топлинна дифузия показват, че частите, направени от метален прах, спечен с ниско-кислород, предават топлина с около 30% по-добре от частите, направени от опции с високо-кислород. Тази по-добра топлопроводимост помага да се поддържа температурата дори във филтърните елементи, спирайки горещи точки, които биха могли да ускорят корозията или структурното разрушаване в определени зони.

Проучване на температурните разлики във виртуален електролизатор показва, че екраните, направени от титанов прах с ниско съдържание на{0}}кислород, поддържат температурата на цялата си повърхност в рамките на ±3 градуса. Когато всичко е същото, стандартните прахови-филтри показват температурни промени с повече от 8 градуса. Този по-добър контрол на топлината води до по-стабилна електрическа работа и по-малко топлинно напрежение върху части от системата, които са в близост.

Количеството кислород в материала влияе върху това как той се свива по време на етапа на синтероване. По-лесно е да се предскаже и изравнява уплътняването на прахове с ниско-кислород, което води до по-строги толеранси в размерите на крайните части. Данните от машината за координатно измерване от производствени серии показват, че филтрите, направени от титанов прах с ниско-кислород, запазват размерите си в рамките на ±0,15 mm, докато стандартният прах запазва размерите си в рамките на ±0,28 mm при същите условия на обработка.

Това ниво на точност на измерванията намалява необходимостта от вторично рязане и позволява частите да бъдат директно сглобени в купчини електролизери без много работа по монтиране. Подобряването на допуските за прилягане води до по-добро уплътняване и по-малък байпасен поток в завършените системи, което директно подобрява общата ефективност на електролизера. Това има ефект върху икономиката, който надхвърля ефективността на производството.

За да поддържате постоянно ниски нива на кислород, трябва да използвате сложни методи, за да направите прах. Титанов прах с процентно съдържание на кислород постоянно под 0,10% се получава чрез индукционно топене във вакуум, последвано от пулверизиране на газ в атмосфери на аргон с ултра-висока чистота. Процесът на атомизация прави кръгли частици с малко повърхностно окисляване. Тези частици запазват свойствата си с ниско съдържание на-кислород дори след като се обработват и съхраняват.

Методите за работа с прах поддържат тези перфектни условия чрез използване на плътно затворени контейнери и съхраняването им в инертна атмосфера. Излагането на въздух може да повиши съдържанието на кислород на повърхността с 0,03 до 0,05% само за няколко часа, което отнема предимствата на производството на премиум прах. Водещите производители на синтеровани метални филтри следват стриктни процедури, като прехвърляне на материали в жабките и непрекъснато продухване на процеса с азот по време на етапите на изливане на праха и компресиране.

Усъвършенстваните дизайни на филтри използват градиентни структури на порите, които са направени чрез смесване на прахове по интелигентен начин. Фините прахове с ниско съдържание на кислород (5–15 микрометра) създават поддържащи слоеве, които са плътни, докато по-грубите фракции (40–80 микрометра) създават области, през които преминава много кислород. Крайните свойства на градиента се определят от съотношението на размера на частиците и количеството на смесване. Това позволява на инженерите да подобрят както ефективността на филтъра, така и капацитета на потока.

Технологията на прах с ниско съдържание на кислород е особено полезна за този слоест метод, тъй като подобрява активността на синтероване, което прави възможно слоевете с различни размери на частиците да се слепват силно. Когато фини и груби частици се срещат в стандартни прахове, междинните слоеве могат да бъдат слаби. Версиите с ниско-кислород се отърват от тази слабост чрез подобряване на дифузионното свързване, правейки монолитни структури с плавни промени в свойствата.