合金在熔融卤化盐高温相变储热介质中的腐蚀机理研究

【摘要】为保证太阳能热发电装置在夜晚、乌云遮挡等太阳辐射不充分时的持续性和稳定性,储热系统是非常重要的。无机盐作为高温蓄热材料,熔点变化范围大,选材范围广,相变潜热值高,具有广阔的应用前景。然而,在使用工况下,高温熔融盐对其容器材料具有较强的腐蚀性。针对熔融卤化盐高温相变储热介质,选取Fe基、Cr基、Ni基各一种代表性合金和Fe-wt.24.4%Al金属间化合物合金作为储热腔体材料,通过合金在熔融NaCl、二元以及三元共晶盐NaF-60KF和NaF-22CaF2-13MgF2中的腐蚀实验,绘制了其腐蚀动力学曲线；利用SEM、EPMA、EDS、XRD等方法分析了腐蚀后试样横截面特征、元素分布特点及试样表面的腐蚀产物,讨论了腐蚀机理。结果表明：a.腐蚀介质为熔融NaCl时,实验用三种合金均满足线性腐蚀规律；合金腐蚀过程中生成的Cr203并未起到保护膜的作用,反而与熔融NaCl反应,加速了合金的腐蚀速度；晶界为熔融NaCl渗入合金基体提供通道,为元素的扩散及反应提供有利条件。Ni基合金和Fe基合金试样表面均形成了较厚的腐蚀层,为Cr203提供附着基体,降低了Cr元素扩散驱动力,提高了合金耐蚀性。另外,Fe基合金表面形成了尖晶石结构的腐蚀产物,进一步抑制了腐蚀过程,耐蚀性最好。腐蚀机理可以用高温氯化物的活化氧化理论解释,即高温氯化物与氧化物反应得到C12,氯气或者氯离子穿过氧化膜到达氧化膜／金属基体界面,与金属反应生成挥发性的氯化物,氯化物连续向外扩散会发的过程中又会被氧化,新生成的氧化物在氧化膜上生长破坏了氧化膜的完整性,未完全反应的氯气也会重新扩散到氧化膜／金属基体界面,直至耗尽。实验优选的Fe-75wt%Ni合金具有较好的耐蚀性,但其力学性能有待进一步提高。b.腐蚀介质为熔融NaF-60KF和NaF-22CaF2-13MgF2时,合金的耐蚀性基本保持一致,Ni基合金耐蚀性最好；Fe基和Cr基合金试样表现出均匀腐蚀特征；其中,Fe基和Cr基合金试样表现出晶间腐蚀的特征；合金耐蚀性随Ni含量的增加而增加,Cr与氟化盐高温下反应是导致Fe、Cr、Ni基试样质量损失率增加的主要原因。Fe-wt.24.4%Al合金在氟化盐中耐蚀性最差,基体中Al与氟化盐反应脱溶于熔融盐中,并且长期腐蚀后,合金内部形成了腐蚀通道,在通道尽头因热应力作用产生裂纹,成为腐蚀进一步加深的诱导因素,含A1成分将不利于氟化盐储热介质容器材料耐蚀性的提高。
【作者】成波；
【导师】路阳；
【作者基本信息】兰州理工大学，材料加工工程，2014，硕士
【关键词】太阳能集热发电；相变储热；熔融卤化盐；高温合金；腐蚀；

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