鋁基相變儲(chǔ)熱材料的界面腐蝕行為及腐蝕機(jī)理研究.pdf

1、本文從應(yīng)用于大規(guī)模太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的鋁基相變儲(chǔ)熱材料的實(shí)際服役狀況出發(fā)，設(shè)計(jì)了Cr20N180耐熱合金、Cr25N120不銹鋼與鋁基相變儲(chǔ)熱材料的腐蝕實(shí)驗(yàn)，通過(guò)試樣的腐蝕狀況分別繪制了兩種實(shí)驗(yàn)條件下的腐蝕動(dòng)力學(xué)曲線。通過(guò)金相分析、電子探針微區(qū)線掃描和點(diǎn)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(shì)、相組成等。同時(shí)從實(shí)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(chǔ)熱材料與容器的相容性問(wèn)題研究中必須考慮的

2、問(wèn)題。通過(guò)材料力學(xué)的方法和有限元模擬計(jì)算了熱循環(huán)條件下層間應(yīng)力的大小，并對(duì)層間應(yīng)力破壞過(guò)渡層，從而加劇鋁基相變儲(chǔ)熱材料對(duì)容器的腐蝕機(jī)理做了分析。主要研究?jī)?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(qiáng)的耐蝕性。因?yàn)?00℃時(shí)，鎳在鋁中的溶解度達(dá)到了10％。鎳基耐熱合金不適合做鋁基相變儲(chǔ)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(guò)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(jìn)一步發(fā)生的速率。鋁基相變儲(chǔ)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(cè)試表明，Al-Cu-Mg-Zn合金

4、在凝固過(guò)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(dǎo)致過(guò)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(shí)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(chǔ)熱材料的容器材料。甚至從更廣的范圍來(lái)看，如果不降低鋁基相變儲(chǔ)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(chǔ)熱材料對(duì)固態(tài)的金屬容器材料的腐蝕是通過(guò)溶解-反應(yīng)-擴(kuò)散的機(jī)制進(jìn)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(guò)相圖獲得。在反應(yīng)過(guò)程中，對(duì)于界面反應(yīng)所生成的化合物的類型，可以通過(guò)R.F.Zhang等人修正的Miedema模型較為精確地計(jì)算各種化合物的生成熱來(lái)判斷，根據(jù)生成熱的大小來(lái)預(yù)測(cè)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?yàn)檫@兩種化合物在各自的體系中生成熱是最低的。然后通過(guò)擴(kuò)散和化合物層進(jìn)一步生長(zhǎng)，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(huì)在熱循環(huán)過(guò)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(guò)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(chǔ)熱材料與容器的相容性問(wèn)題研究中必須考慮的問(wèn)題。通過(guò)材料力學(xué)的方法計(jì)