Al-Cu-Mg-Zn共晶合金的储热性能及对陶瓷内衬钢管的腐蚀性研究

摘要

铝基合金相变储热材料热导率高、储能密度大、热循环稳定性好，在太阳能热发电高温储热中具有较好的应用前景。虽然国内外对许多铝基合金的热物性能进行了研究，但研究内容往往集中于对相变温度和相变潜热的测量或计算，除Al-Si和Al-Mg-Zn共晶合金外，目前对其它铝基合金，特别是多元铝基合金的热物性能参数的了解还很不全面。另外，铝基合金相变储热材料由于液态腐蚀性强而难以找到合适容器材料的问题还尚未得到很好的解决。这些都妨碍了铝基合金相变储热材料在太阳能热发电高温储热中的实际应用。
　　 本文从铝基合金相变储热材料在太阳能热发电高温储热系统中的实际应用情况出发，制备了Al-Cu-Mg-Zn共晶合金，并对其密度、比热容、热导率、热膨胀系数、相变温度及相变潜热等热物性能进行了系统的测试；通过热循环实验，研究了Al-Cu-Mg-Zn共晶合金的热循环稳定性，分析了相变温度和相变潜热随热循环次数变化的原因；最后通过全浸蚀腐蚀实验，研究了陶瓷内衬复合钢管在Al-Cu-Mg-Zn共晶合金液中的耐蚀性能，绘制了腐蚀动力学曲线，并探讨了腐蚀机理。
　　 Al-Cu-Mg-Zn共晶合金的密度为3.1258g/cm3，比热容随温度的升高而缓慢增加，在室温至450℃的温度范围内基本服从奈曼-柯谱(Neumann-kopp)定律。在铝、铜、镁、锌4种金属元素中，铜对Al-Cu-Mg-Zn共晶合金密度的贡献最大，而铝对其比热容的影响最大。
　　 在忽略密度随温度的变化情况下，Al-Cu-Mg-Zn共晶合金在100℃、200℃、300℃和400℃的热导率分别为36.52W/(m·K)、41.55W/(m·K)、46.14W/(m·K)和50.18W/(m·K)，随温度的升高呈现增大的趋势。尽管与纯铝相比，Al-Cu-Mg-Zn共晶合金的热导率要低很多，但相比于其它有机类和无机类储热材料，Al-Cu-Mg-Zn共晶合金的热导率仍然具有明显的优势。
　　 在室温至450℃温度范围内，Al-Cu-Mg-Zn共晶合金试样的相对伸长量随温度的增加几乎成线性增长，在450℃时达到1.012％，而平均线膨胀系数在121℃时达到最大值2.430×10-5℃-1，之后缓慢减小，在334℃时达到最小值2.325×10-5℃-1，之后又缓慢增大。
　　 在经历300次热循环后，Al-Cu-Mg-Zn共晶合金的主要组织仍然为α-Al固溶体，S相(Al2CuMg)和T相(Mg32(AlZn)49)，组织上表现出较好的稳定性。但随着热循环次数的增加，晶粒变得粗大，枝晶及共晶组织变得明显，同时在枝晶间和晶界上形成了分散性的显微疏松。随着热循环次数的增加，Al-Cu-Mg-Zn共晶合金的相变温度呈现缓慢升高的趋势而相变潜热呈现下降的趋势。300次热循环后Al-Cu-Mg-Zn共晶合金相变温度的增幅为1.16％，而相变潜热下降2.15％。从热循环后微观组织的变化情况及热物性能变化幅度上看，Al-Cu-Mg-Zn共晶合金的热循环稳定性良好，可以作为太阳能热发电高温储热材料使用。
　　 陶瓷内衬层中的α-Al2O3具有良好的耐铝合金液腐蚀的能力，但由于铁铝尖晶石(FeAl2O4)、各种孔隙以及表面铁粒的存在，大大降低了陶瓷内衬复合钢管的耐蚀能力。根据腐蚀机理，改进陶瓷内衬复合钢管的制备工艺，降低陶瓷内衬层中铁铝尖晶石(FeAl2O4)的含量，减少陶瓷内衬层中的孔隙和铁粒，是提高陶瓷内衬复合钢管耐铝合金液腐蚀能力的主要措施。