CN103184399A - 太阳能光热发电高温防护涂层及其制备方法 - Google Patents

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何毅
刘国敏
张雷
刘明松
刘平心
郭廷伟
殷建平
田洪增
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Abstract

本发明涉及一种太阳能光热发电高温防护涂层及其制备方法，由粘结底层、梯度过渡层和陶瓷面层组成，所述的梯度过渡层由粘结底层材料和陶瓷面层材料按照比例梯度变化重叠堆积而成。采用本发明可以提高涂层抗高温氧化、抗热腐蚀性能，并有效地延长涂层使用寿命。

Description

太阳能光热发电高温防护涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能光热发电技术，尤其是一种用于太阳能光热发电储能系统中的高温防护涂层的技术。
背景技术
由于人类对能源需求的增长，常规能源的日益短缺，全球气候的变暖以及环境的压力，世界各国将战略目光转向可再生能源的开发。光热发电作为一种太阳能高温热利用技术，具有清洁、无污染、辐射功率巨大等优点，加之储能系统的应用，在阴雨天、夜晚等没有太阳光辐射的条件下，也能确保太阳能热发电系统连续、稳定地输出电能。当前，国际上太阳能热发电站，储能介质常采用熔盐，尤其是硝酸盐。为了提高电站的能源利用效率和发电总量，需要提高汽轮机进气口蒸汽的压力、温度及流量，这些要求使得太阳能热发电站的储能系统中熔盐质量增大，温度增高(500～600℃，甚至更高)。储能系统，尤其是双罐式储能系统中的高温储罐，储罐金属材料长期在该温度条件下服役，材料内部应力聚集，机械性能下降，加之熔盐环境的高温腐蚀，由此导致储罐应力腐蚀开裂，无法满足太阳能光热发电长效、安全、稳定的设计目标。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提出一种为太阳能光热发电储能系统提供一种长效、耐熔盐高温腐蚀的防护涂层。
本发明所采用的技术方案为：一种用于太阳能光热发电高温防护涂层，是由粘结底层、梯度过渡层和陶瓷面层组成，所述梯度过渡层由粘结底层材料和陶瓷面层材料按照比例梯度变化重叠堆积而成。
本发明提供的用于太阳能光热发电高温防护涂层，粘结底层材料为具有良好抗氧化性能的MCrAlY，其中M为Ni或Co，或Ni+Co，成分含量为Cr：15％～30％，Al：8％～15％，Y：0.1％～3％，M：余量。
本发明所述的陶瓷面层材料主要成分为纳米尺寸ZrO2，添加纳米尺寸Y2O3、CeO2、Al2O3或SiC，通过离心雾化干燥方式团聚成微米尺寸球形复合陶瓷材料。
本发明所述的梯度过渡层是由上述的MCrAlY和上述的复合陶瓷材料按特定的体积分数组合而成，沿着粘结底层至陶瓷面层方向，MCrAlY的成分含量(0＜vol％＜100)依次下降，复合陶瓷材料的成分含量(0＜vol％＜100)依次增大。梯度过渡层是由3～5层成分含量不同的涂层组合而成。
粘结底层MCrAlY涂层厚度为50um～150um；梯度过渡层中每个成分层厚度为50um～150um，过渡层总厚度150um～750um；陶瓷面层厚度为200um～400um。
同时，本发明还提供一种用于太阳能光热发电高温防护涂层制备方法，其包括如下步骤：
1)采用超音速火焰喷涂工艺或大气等离子喷涂工艺制备粘结底层；
2)采用大气等离子喷涂工艺在粘结底层基础上制备梯度过渡层；
3)采用大气等离子喷涂工艺在梯度过渡层基础上制备陶瓷面层，从而形成陶瓷材料成梯度分布的高温防护复合涂层。
上述涂层沉积前需对试样进行预处理，采用40～60目白刚玉喷砂处理，随即先后采用金属洗涤剂、去离子水、丙酮擦拭、去离子水清洗，热风烘干。
本发明的有益效果是：1、涂层使用寿命更长。与现有的常规陶瓷涂层相比，由于采用梯度过渡层结构和复合陶瓷材料，在高温熔盐环境中，防护涂层间物理性能(尤其是热膨胀性能)差异更小，抗热震性能更佳，陶瓷涂层剥落和开裂的趋势降低，从而延长涂层的使用寿命；2、在高温防护涂层中，复合陶瓷材料和MCrAlY材料具有沿涂层深度呈外层富陶瓷而内层富MCrAlY的梯度分布的特点；3、本发明可应用于碳钢、不锈钢、Ni基高温合金的防护；采用本发明可以提高涂层抗高温氧化、抗热腐蚀性能，并有效地延长涂层使用寿命。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的优选实施例的结构示意图；
图中：1、粘结底层；2、梯度过渡层；3、陶瓷面层。
具体实施方式
实施例1
基体材料为碳素钢Q235，0.13％C，0.3％Si，0.4％Mn，0.045％S，0.04％P，Fe余量，试样尺寸为25mm×25mm×3mm，采用Diamond Jet超音速喷涂系统沉积MCrAlY粘结底层。MCrAlY材料成分如下(质量百分比)，Co：23％，Cr：17％，Al：12％，Y：0.5％，Ni：余量。沉积前对试样进行预处理，采用40～60目白刚玉喷砂处理，随即先后采用金属洗涤剂、去离子水、丙酮擦拭、去离子水清洗，热风烘干。超音速火焰喷涂时，C3H8压力0.59MPa(85Psi)，流量0.19m3/h，氧气压力1.0Mpa(150Psi)，流量47m3/h，送粉速度为50g/min，喷涂距离为300mm，MCrAlY涂层厚度为100um。
采用经过通过离心雾化干燥方式团聚而成的微米尺寸球形ZrO2-2.5wt％Y2O3-25wt％CeO2粉末作为陶瓷面层材料。采用等离子喷涂方式在MCrAlY底层上依次沉积75vol％MCrAlY+25vol％复合陶瓷、50vol％MCrAlY+50vol％复合陶瓷、25vol％MCrAlY+75vol％复合陶瓷涂层，由此形成梯度过渡涂层。等离子喷涂时，电流550A，电压60V，主气(Ar)流速48l/min，次气(H2)流速7l/min，传输气体(Ar)流速5l/min，粉末传输速率25g/min，喷涂距离100mm，每个过渡层厚度为100um，梯度过渡层总厚度300um。
陶瓷面层采用ZrO2-2.5wt％Y2O3-25wt％CeO2团聚粉末，等离子喷涂工艺参数与梯度过渡层制备工艺相同，陶瓷涂层厚度为200um，从而形成具有沿涂层深度呈外层富陶瓷而内层富MCrAlY的梯度分布的复合防护涂层。
实施例2
基体材料为GH30高温合金，0.1％C，0.4％Mn，0.23％Ti，0.12％Al，21％Cr，Ni余量。试样尺寸为25mm×25mm×3mm，采用GH80等离子喷涂系统沉积MCrAlY粘结底层。MCrAlY材料成分如下(质量百分比)，Cr：25％，Al：8％，Y：0.5％，Ni：余量。沉积前对试样进行预处理，采用40～60目白刚玉喷砂处理，随即先后采用金属洗涤剂、去离子水、丙酮擦拭、去离子水清洗，热风烘干。等离子喷涂时，电流500A，电压55V，主气(Ar)流速46l/min，次气(H2)流速5l/min，传输气体(Ar)流速3l/min，粉末传输速率30g/min，喷涂距离120mm，MCrAlY粘结底层厚度为100um。
采用经过通过离心雾化干燥方式团聚而成的微米尺寸球形ZrO2-10wt％SiC-15wt％Al2O3粉末作为陶瓷面层材料。采用等离子喷涂方式在MCrAlY底层上依次沉积80vol％MCrAlY+20vol％复合陶瓷、60vol％MCrAlY+40vol％复合陶瓷、40vol％MCrAlY+60vol％复合陶瓷涂层、20vol％MCrAlY+80vol％复合陶瓷涂层，由此形成梯度过渡涂层。等离子喷涂时，电流550A，电压60V，主气(Ar)流速48l/min，次气(H2)流速7l/min，传输气体(Ar)流速5l/min，粉末传输速率25g/min，喷涂距离100mm，每个过渡层厚度为100um，梯度过渡层总厚度400um。
陶瓷面层采用ZrO2-10wt％SiC-15wt％Al2O3团聚粉末，等离子喷涂工艺参数与梯度过渡层制备工艺相同，陶瓷涂层厚度为300um。
实施例表明，本发明通过采用梯度过渡层加复合陶瓷材料的方法，制备具有沿涂层深度呈外层富陶瓷而内层富MCrAlY的梯度分布的复合防护涂层。与现有的常规陶瓷涂层相比，在高温熔盐环境中，本发明的防护涂层间物理性能(尤其是热膨胀性能)差异更小，抗热震性能更佳，陶瓷涂层剥落和开裂的趋势降低，从而延长涂层的使用寿命。该防护涂层及其制备方法可应用于太阳能光热发电储能系统中碳钢、不锈钢、Ni基高温合金的防护。

Claims (7)

1.一种太阳能光热发电高温防护涂层，由粘结底层、梯度过渡层和陶瓷面层组成，其特征在于：所述的梯度过渡层由粘结底层材料和陶瓷面层材料按照比例梯度变化重叠堆积而成。
2.如权利要求1所述的太阳能光热发电高温防护涂层，其特征在于：所述的粘结底层材料为MCrAlY，其中M为Ni和/或Co，McrAlY的成分含量为Cr：15％～30％，Al：8％～15％，Y：0.1％～3％，M为余量，所述的含量百分比为质量百分比。
3.如权利要求1所述的太阳能光热发电高温防护涂层，其特征在于：所述的陶瓷面层材料主要成分为纳米尺寸ZrO2，添加纳米尺寸Y2O3、CeO2、Al2O3或SiC，通过离心雾化干燥方式团聚成微米尺寸球形复合陶瓷材料。
4.如权利要求1所述的太阳能光热发电高温防护涂层，其特征在于：所述的梯度过渡层是由权利要求2所述的MCrAlY和权利要求3所述的复合陶瓷材料按体积分数组合而成，沿着粘结底层至陶瓷面层方向，MCrAlY的成分含量为体积百分比在0～100内依次下降，复合陶瓷材料的成分含量为体积百分比在0～100依次增大；梯度过渡层是由3～5层成分含量不同的涂层组合而成。
5.如权利要求1所述的太阳能光热发电高温防护涂层，其特征在于：所述的粘结底层MCrAlY涂层厚度为50um～150um；梯度过渡层中每个成分层厚度为50um～150um，过渡层总厚度150um～750um；陶瓷面层厚度为200um～400um。
6.一种太阳能光热发电高温防护涂层的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)采用超音速火焰喷涂工艺或大气等离子喷涂工艺制备粘结底层；
2)采用大气等离子喷涂工艺在粘结底层基础上制备梯度过渡层；
3)采用大气等离子喷涂工艺在梯度过渡层基础上制备陶瓷面层，从而形成陶瓷材料成梯度分布的高温防护复合涂层。
7.如权利要求6所述的太阳能光热发电高温防护涂层的制备方法，其特征在于：所述的涂层沉积前需对试样进行预处理，采用16目白刚玉喷砂处理，随即先后采用金属洗涤剂、去离子水、丙酮擦拭、去离子水清洗，热风烘干。
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