铝基相变储热材料的界面腐蚀行为及腐蚀机理研究

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1、摘要本文从应用于大规模太阳能热发电系统的铝基相变储热材料的实际服役状况出发，设计了Cr20Ni80耐热合金、Cr25Ni20不锈钢与铝基相变储热材料的腐蚀实验，通过试样的腐蚀状况分别绘制了两种实验条件下的腐蚀动力学曲线。通过金相分析、电子探针微区线扫描和点扫描、X射线衍射等手段分析了反应界面的微观组织、元素浓度变化趋势、相组成等。同时从实际工作状况出发，阐述了由热应力而引起的层间热应力是铝基合金相变储热材料与容器的相容性问题研究中必须考虑的问题。通过材料力学的方法和有限元模拟计算了热循环条件下层间应力的大小，并对层间应力破坏过渡层

2、，从而加剧铝基相变储热材料对容器的腐蚀机理做了分析。Cr20Ni80合金在700℃的A1．7％Si合金中的腐蚀速率是O．167mm／h，由于铝的活泼性，镍基耐热合金Cr20Ni80未能表现出强的耐蚀性。因为700℃时，镍在铝中的溶解度达到了10％。镍基耐热合金不适合做铝基相变储热材料的容器材料。Cr20Ni80合金在～．Cu．Mg．Zn合金中热循环条件下的腐蚀速率较低，A1．Cu．Mg．Zn系列合金的腐蚀性决定于合金体系中灿的含量。合金的反应过渡层由NiAl和Ni2A13两种相组成，Cu，Mg，Zn元素未参与反应。反应生成的界面层

3、并不能明显降低腐蚀进一步发生的速率。铝基相变储热材料的腐蚀性取决于其中铝元素的含量。与A1．7％Si合金相比，含铝量较低的趾．Cu．Mg．Zn合金其腐蚀性较低。但是膨胀系数的测试表明，A1．Cu．Mg．Zn合金在凝固过程中的急剧收缩在合金接触界面产生了非常大的层间热应力，是导致过渡层分离而脱落的主要原因。与Cr20Ni80合金相比，Cr25Ni20不锈钢具有良好的耐熔融铝液的腐蚀性。但是，由于铝的活泼性，700℃时Cr25Ni20不锈钢中的几种主要元素与铝硅都参与了反应，生成了较为复杂的化合物。综合考虑，镍基耐热合金不适合做铝基相

4、变储热材料的容器材料。甚至从更广的范围来看，如果不降低铝基相变储热材料的相变温度，即服役温度或降低合金体系中铝的含量以降低合金体系的腐蚀性，任何一种金属材料都是不合适的。熔融的铝基相变储热材料对固态的金属容器材料的腐蚀是通过溶解．反应．扩散的机制进行的。在溶解阶段，各种元素的溶解规律遵循Nemst—Shchukarev方程，相应温度下的溶解度可以通过相图获得。在反应过程中，对于界面反应所生成的化合物的类型，可以通过R．EZhang等人修正的Miedema模型较为精确地计算各种化合物的生成热来判断，根据生成热的大小来预测界面反应所生

5、成的化合物的类型，生成热的大小反映了两种元素反应的难易程度。在反应的最初阶段优先生成FeAl3和NiAl3，因为这两种化合物在各自的体系中生成热是最低的。然后通过扩散和化合物层进一步生长，直至平衡状态的建立。铝基合金与管材膨胀系数的不同会在热循环过程中产生热应力，即异种材料的层间温度应力。在材料冷却的过程中，由热应力而引起的层问温度应力是铝基合金相变储热材料与容器的相容性问题研究中必须考虑的问题。通过材料力学的方法计算得知：管道壁厚相同，随着直径的增加，铝基合金受到的轴向应力越小，管壁受到的轴向应力越大，应力差越大。内径相同，随着

6、管壁厚的增加，铝基合金受到的轴向应力越小，壁厚受到的轴向应力越大，应力差越大。但这种计算具有局限性。有限元模拟得出的结果更符合实际情况。在热循环过程中，层间应力会破坏过渡层，从而加剧铝基相变储热材料对容器的腐蚀。层间应力的计算具有理论和实际意义。关键词：铝；相变材料；储热；腐蚀机理：热应力II武汉理工大学硕士学位论文AbstractInthispaper,corrosiontestsofAl一basedphasechangethermalstoragematerialsappliedtolargescalesolarpowerst

7、ationweredesigned，whichincludeCr20Ni80alloy,Cr25Ni20stainlesssteelwithA1·-Si--Cu·-Mg--Znalloy．Thecorrosionkineticswasdrawnbasedonthecorrosiontests．Theinterfacemicrostructure，elementconcentrationtrendsandphaseweregotbymeansofmetallographicanalysis，electronprobemicro—ar

8、ealinescanningandpointscanning．TheinterlaminarstresscausedbythermalstressonstudyofthecompatibilitybetweenlayersofA1一basedPCM