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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

作　者: 何高
导　师: 程晓敏
学　校: 武汉理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: Al-Cu-Mg-Zn共晶合金储热性能热循环稳定性陶瓷内衬复合钢管腐蚀机理
分类号: TG146.21
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

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)、46.14 W/(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a-A1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。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-17
  1.1 前言  10-11
  1.2 太阳能热发电高温储热材料  11-12
  1.3 铝基合金相变储热材料研究进展  12-15
    1.3.1 铝基合金相变储热材料的热物性研究  12-13
    1.3.2 铝基合金相变储热材料的液态腐蚀性及抗腐蚀措施  13-15
  1.4 本课题研究目标及研究内容  15
    1.4.1 研究目标  15
    1.4.2 研究内容  15
  1.5 本课题研究拟采取的研究方法和技术路线  15-17
第2章实验  17-32
  2.1 Al-Cu-Mg-Zn共晶合金的制备  17-20
    2.1.1 原材料及实验设备  17
    2.1.2 制备过程  17-20
  2.2 X射线荧光光谱分析  20-22
    2.2.1 X射线荧光光谱分析简介  20-21
    2.2.2 X射线荧光光谱分析测试  21-22
  2.3 Al-Cu-Mg-Zn共晶合金热循环实验  22-23
    2.3.1 热循环试样的制备  22
    2.3.2 热循环实验规范  22-23
  2.4 Al-Cu-Mg-Zn共晶合金热物性能测试  23-30
    2.4.1 密度测量  23
    2.4.2 比热容测定  23-25
    2.4.3 热导率测定  25-27
    2.4.4 热膨胀系数测定  27-28
    2.4.5 相变温度及相变潜热的测量  28-30
  2.5 XRD物相分析  30
  2.6 金相试样制备  30-32
第3章实验结果及分析讨论  32-47
  3.1 Al-Cu-Mg-Zn共晶合金热物理性能  32-39
    3.1.1 密度的测量结果及分析  32-33
    3.1.2 比热容的测量结果及分析  33-34
    3.1.3 热导率的测量结果及分析  34-37
    3.1.4 热膨胀系数的测量结果及分析  37-38
    3.1.5 小结  38-39
  3.2 Al-Cu-Mg-Zn共晶合金热循环稳定性  39-47
    3.2.1 显微组织及物相分析  39-43
    3.2.2 相变温度及相变潜热的变化  43-46
    3.2.3 小结  46-47
第4章陶瓷内衬复合钢管耐蚀性能研究  47-57
  4.1 陶瓷内衬复合钢管的制备原理及宏观构成  47-49
  4.2 陶瓷内衬复合钢管全浸蚀实验  49-51
    4.2.1 实验方案的确定  49
    4.2.2 试样的制备  49-50
    4.2.3 腐蚀速率的推导  50
    4.2.4 实验规范  50-51
  4.3 腐蚀动力学  51-53
  4.4 腐蚀机理探讨  53-56
  4.5 本章小结  56-57
第5章结论  57-59
致谢  59-60
参考文献  60-65
硕士研究生期间发表的论文  65

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