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金属相变储能材料具有储能密度大、热稳定性好、导热系数高、相变时过冷度小和相偏析少等优点,在中高温储能技术应用方面起着重要的作用。Al-Si二元共晶合金作为相变储能材料已在中高温储热方面获得广泛的开发和利用。在太阳能热发电领域,铝硅合金是一种较为理想的中高温相变储能材料。但在使用过程中,熔融的铝硅金属液会对金属容器以冲刷、形成金属间化学物等形式的腐蚀,使金属容器变薄强度下降而最终失效,严重阻碍了相变储能的应用。因此,了解铝硅合金对金属容器的腐蚀特性,对于预测容器的失效时间,为储能发电的稳定性和安全性提供保证,从而为金属相变储能的应用打下坚实的基础。
本文选用含硅量12.07％(质量分数)的铝硅合金作为相变储能材料。讨论与熔融铝硅合金腐蚀介质接触的金属材料,在长时间处于495～620℃高温反复循环条件下的抗腐蚀性。为了减缓腐蚀,自配了6种高温涂料,研究其抵抗熔融铝硅介质的侵蚀。具体内容如下:
选用310S不锈钢、20G高压锅炉钢、Y17进口低碳钢为容器及换热器材料,研究三种材料在495～620℃高温反复循环条件下的的抗熔融铝硅合金液腐蚀的特性。利用扫描电镜、能谱仪、X射线衍射等分析手段,对经近1080小时腐蚀后的样品表面及截面的形貌、成分、组织与结构等进行了分析研究。研究结果表明:1)3种材料的腐蚀速率随着腐蚀时间的延长,逐渐降低。通过对单位面积失重进行拟合,得出3种材料的动力学生长指数均接近2,说明腐蚀的发生受铁铝合金腐蚀层的扩散生长控制,遵循抛物线规律。即:扩散腐蚀层厚度随时间的延长逐渐趋于稳定。2)在经过1080小时的熔化-凝固循环腐蚀后,310S在三种材料中的抗腐蚀性最好,具有良好的抗铝硅熔融液腐蚀的能力。20G钢与Y17低碳钢相当。这是由于在不锈钢中含有合金元素如Cr、Ni,这些合金元素会偏聚在晶界上阻碍铝原子的扩散,使腐蚀层的生长速度减缓。
为了进一步减缓铝硅液对容器基体的腐蚀,在3种基体上分别涂敷了6种涂料,通过各种仪器检测涂层性能,检测结果显示:1)利用划格法测试各涂层与基体结合力,T1、T4涂层方案附着力达到0级。T2、T3、T5、T6涂层方案附着力达到1级,均达到较好的结合强度。通过热震实验测得,6种方案的抗热震性均较好。2)对6种涂层方案进行热导率的检测,各涂层方案热导率值与基体接近,涂层材料不影响实验装置的传热。3)对比各涂层方案的热导率值,结果分析表明,在涂料中加入SiO2降低了涂层的导热系数,TiB2和石墨提高了涂层的导热系数。
将制备的涂料涂层试样进行热循环实验,研究探讨了高温涂料防止容器材料受熔融铝硅介质腐蚀的特性。实验结果表明:1)在金属材料表面涂敷涂料涂层之后,涂层可以有效地抑制储能材料中的成分在金属材料中的扩散。2)通过对比涂敷涂层前后试样的截面扫描图,观察发现涂敷涂料后腐蚀层厚度明显减薄,通过计算腐蚀速率均有下降,说明在金属材料表面涂敷6种涂层之后,可以有效减缓熔融铝硅介质对金属材料的浸蚀,明显地提高了材料的耐腐蚀性能。3)在本文中研究的6种涂料配方,通过对比截面腐蚀层厚度及各时间段腐蚀速率得出:含有TiB2涂层的方案耐腐蚀性最好。
本文研究了涂料对铝硅合金热稳定性的影响。研究结果表明,共晶系铝硅合金在600℃左右是一种理想的金属相变储能材料,涂料成分对铝硅合金热稳定性影响不大。经过长达1080小时的熔化.凝固循环后,铝硅合金的熔化起始温度随热循环次数的增加而略有上升,相变起始温度从579℃升高到581.4℃；熔化潜热略有下降,潜热值从537J/g下降到488.6J/g,热性能基本保持稳定。在铝硅介质中放置涂有涂层的试样进行热循环1080小时后,通过DSC测试铝硅合金的潜热值,由T3～T6分别为486.7J/g、487.3J/g、487.9 J/g、488.2J/g。与未放置涂层试样循环1080小时后的潜热值相差不大。涂料成分对储热性能的影响是非常有限的。
本课题的研究对于推动铝硅相变材料在太阳能热发电领域的发展具有重要而现实的意义。研究结果表明,将铝硅合金作为储能介质,使用涂料涂层对金属材料表面进行防护,可以有效的抵抗熔融铝硅介质的长时间腐蚀,以提高设备的使用寿命,增加经济效益。