鋁基相變儲熱材料的界面腐蝕行為及腐蝕機理研究.pdf

1、本文從應(yīng)用于大規(guī)模太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的鋁基相變儲熱材料的實際服役狀況出發(fā)，設(shè)計了Cr20N180耐熱合金、Cr25N120不銹鋼與鋁基相變儲熱材料的腐蝕實驗，通過試樣的腐蝕狀況分別繪制了兩種實驗條件下的腐蝕動力學曲線。通過金相分析、電子探針微區(qū)線掃描和點掃描、X射線衍射等手段分析了反應(yīng)界面的微觀組織、元素濃度變化趨勢、相組成等。同時從實際工作狀況出發(fā)，闡述了由熱應(yīng)力而引起的層間熱應(yīng)力是鋁基合金相變儲熱材料與容器的相容性問題研究中必須考慮的

2、問題。通過材料力學的方法和有限元模擬計算了熱循環(huán)條件下層間應(yīng)力的大小，并對層間應(yīng)力破壞過渡層，從而加劇鋁基相變儲熱材料對容器的腐蝕機理做了分析。主要研究內(nèi)容如下：
　　 ⑴Cr20Ni80合金在700℃的Al-7％S1合金中的腐蝕速率是0.167mm/h，由于鋁的活潑性，鎳基耐熱合金Cr20Ni80未能表現(xiàn)出強的耐蝕性。因為700℃時，鎳在鋁中的溶解度達到了10％。鎳基耐熱合金不適合做鋁基相變儲熱材料的容器材料。Cr20Ni80

3、合金在Al-Cu-Mg-Zn合金中熱循環(huán)條件下的腐蝕速率較低，Al-Cu-Mg-Zn系列合金的腐蝕性決定于合金體系中Al的含量。合金的反應(yīng)過渡層由NiAl和N12Al3兩種相組成，Cu，Mg，Zn元素未參與反應(yīng)。反應(yīng)生成的界面層并不能明顯降低腐蝕進一步發(fā)生的速率。鋁基相變儲熱材料的腐蝕性取決于其中鋁元素的含量。與Al-7％Si合金相比，含鋁量較低的Al-Cu-Mg-Zn合金其腐蝕性較低。但是膨脹系數(shù)的測試表明，Al-Cu-Mg-Zn合金

4、在凝固過程中的急劇收縮在合金接觸界面產(chǎn)生了非常大的層間熱應(yīng)力，是導致過渡層分離而脫落的主要原因。與Cr20Ni80合金相比，Cr25Ni20不銹鋼具有良好的耐熔融鋁液的腐蝕性。但是，由于鋁的活潑性，700℃時Cr25Ni20不銹鋼中的幾種主要元素與鋁硅都參與了反應(yīng)，生成了較為復(fù)雜的化合物。綜合考慮，鎳基耐熱合金不適合做鋁基相變儲熱材料的容器材料。甚至從更廣的范圍來看，如果不降低鋁基相變儲熱材料的相變溫度，即服役溫度或降低合金體系中鋁的含

5、量以降低合金體系的腐蝕性，任何一種金屬材料都是不合適的。
　　 ⑵熔融的鋁基相變儲熱材料對固態(tài)的金屬容器材料的腐蝕是通過溶解-反應(yīng)-擴散的機制進行的。在溶解階段，各種元素的溶解規(guī)律遵循Nemst-Shchukarev方程，相應(yīng)溫度下的溶解度可以通過相圖獲得。在反應(yīng)過程中，對于界面反應(yīng)所生成的化合物的類型，可以通過R.F.Zhang等人修正的Miedema模型較為精確地計算各種化合物的生成熱來判斷，根據(jù)生成熱的大小來預(yù)測界面反應(yīng)所

6、生成的化合物的類型，生成熱的大小反映了兩種元素反應(yīng)的難易程度。在反應(yīng)的最初階段優(yōu)先生成FeAl3和NiAl3，因為這兩種化合物在各自的體系中生成熱是最低的。然后通過擴散和化合物層進一步生長，直至平衡狀態(tài)的建立。
　　 ⑶鋁基合金與管材膨脹系數(shù)的不同會在熱循環(huán)過程中產(chǎn)生熱應(yīng)力，即異種材料的層間溫度應(yīng)力。在材料冷卻的過程中，由熱應(yīng)力而引起的層間溫度應(yīng)力是鋁基合金相變儲熱材料與容器的相容性問題研究中必須考慮的問題。通過材料力學的方法計