等离子体密度调控CrN薄膜结构改性Ti6Al4V双极板

摘要

目的满足质子交换膜燃料电池双极板的使用要求。方法采用热丝增强等离子体磁控溅射技术,通过改变热丝放电电流调控溅射等离子体密度,在Ti6Al4V(TC4)合金表面制备了氮化铬(CrN)薄膜。结果随着热丝放电电流从0 A增加至32 A,真空腔内等离子体密度增强,‒50 V偏压下基体偏流密度从0.07 mA/cm^(2)增至0.7 mA/cm^(2)。CrN薄膜择优取向从低应变能的(111)转变成表面能更低的(200)择优取向。薄膜表面形貌由较疏松的四棱锥型转变成致密球形;无热丝时,CrN薄膜显示有铬的(110)衍射峰且铬原子数分数为52.16%,为富金属薄膜。热丝放电电流为16 A和32 A时,CrN薄膜中的铬原子数分数分别降至50.79%和49.82%,且无Cr的衍射峰,即逐渐转变为贫铬。采用热丝辅助磁控溅射,将使氮气离化率增大,活性增强,引起薄膜贫铬。模拟双极板工作环境下,与TC4腐蚀电流密度1.5×10^(‒8) A/cm^(2)相比,CrN薄膜的腐蚀电流密度由无热丝的3×10^(‒5) A/cm^(2)降至使用热丝的9×10^(‒9) A/cm^(2)。对电化学阻抗谱拟合等效电路表明,无热丝放电电流条件下制备的CrN薄膜等效电路中出现了基体与涂层间的电阻,说明疏松涂层为腐蚀液提供了通道,在基体和涂层间形成了腐蚀。16 A和32 A热丝放电电流条件下制备的CrN薄膜与表面无涂层的钛合金等效电路相同,说明致密涂层能有效阻碍腐蚀介质的渗入,具有最佳腐蚀抗性。无热丝放电电流时接触电阻为7.95 mΩ·cm^(2),热丝放电电流16 A时接触电阻增至15.65 mΩ·cm^(2),32 A时接触电阻大幅增加。结论在质子交换膜燃料电池双极板备选材料钛合金表面制备致密CrN薄膜,增强了基体的耐蚀性,但贫铬组分导致薄膜电阻增大。在钛合金电极板表面制备致密且略富金属或化学剂量比相当的CrN薄膜,将满足其作为燃料电池双极板的使用条件。