一種高溫真空集熱管用復(fù)合梯度阻氫涂層及其制備方法
【專利摘要】一種高溫真空集熱管用復(fù)合梯度阻氫涂層及其制備方法，制備方法包括：采用低壓等離子噴涂設(shè)備進(jìn)行Ni-Cr-Al過渡層制備，具體工藝參數(shù)為：電流300-800A，電壓40-100V，H2流量5-100L/min，Ar流量5-100L/min，室壓1000-10000Pa，噴涂速度1-20mm/s，噴涂距離10-100mm。將清洗后的樣品放入石英玻璃管中，密封，抽真空，壓力<10Pa，通入氬氣，壓力為100000Pa，再抽真空，循環(huán)兩次；關(guān)閉氬氣，通氫氣，壓力為100000Pa，開始加熱，爐溫設(shè)置為500-1200°C；當(dāng)爐溫達(dá)到設(shè)置的溫度500-1200°C后，開始水浴加熱，水浴溫度為5-60°C；H2通過H2O后進(jìn)入反應(yīng)區(qū)，提供10-2410-16Pa的低氧分壓；在爐溫為500-1200°C，水浴溫度為0-60°C時恒溫1-20h，獲得厚度約為0.1~20μm的Al2O3和Cr2O3復(fù)合梯度阻氫涂層；該涂層由內(nèi)層為氧化鋁和外層為氧化鉻的雙層結(jié)構(gòu)組成。所述阻氫涂層與基體結(jié)合高、制備工藝簡單且成本低廉，阻氫性能提高100-120倍。
【專利說明】一種高溫真空集熱管用復(fù)合梯度阻氫涂層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種復(fù)合梯度阻氫涂層及其制備方法，特別是含有Al2O3和Cr2O3復(fù)合梯度阻氫涂層及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽能高溫真空集熱管由外壁具有光譜選擇性吸收涂層的不銹鋼中央管和外層玻璃套管組成，為保證良好的隔熱效果，兩個管子之間的環(huán)形空間被抽成真空。高溫真空集熱管在工作時，不銹鋼管內(nèi)載入耐高溫導(dǎo)熱油來與外界工作機(jī)進(jìn)行熱交換，工作溫度在30(T40(TC之間，由于導(dǎo)熱油的老化，長期工作中會分解出游離的氫。氫在高溫下很容易借助滲透作用穿過不銹鋼中央管進(jìn)入真空環(huán)形空間，氫的滲透率隨工作溫度的升高而增大。由于氫具有高的導(dǎo)熱率(是空氣的9倍，標(biāo)態(tài)下氫和空氣的熱導(dǎo)率分別為0.163ff/m.°〇和
0.0233ff/m.°C)，環(huán)形空間氫的滲入將極大地增加熱量的損失從而導(dǎo)致集熱管的效率大大降低。為了防止氫的滲入，保持環(huán)形區(qū)的真空，必須采取相應(yīng)的措施。
[0003]現(xiàn)在研究的高溫集熱管主要采用不銹鋼材料，不銹鋼表面阻氫涂層有很多種:根據(jù)成分不同主要有氧化物涂層，鈦基陶瓷涂層，硅化物涂層以及鋁化物涂層等。目前制備阻氫涂層的主要方法有:熱浸鍍，火焰噴涂，真空等離子噴涂，化學(xué)氣相沉積等，存在的主要問題是涂層材料熱膨脹系數(shù)與基體之間存在較大失配，在受到一定熱沖擊后涂層與基體之間產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，引起涂層和基體的分離，導(dǎo)致涂層阻氫效果降低。而且部分涂層的制備工藝和設(shè)備要求較高，而且生產(chǎn)成本較高，不利于實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。因此尋找一種與基體結(jié)合良好、制備工藝簡單、成本低廉的阻氫涂層材料具有重要的科學(xué)和實際意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]鑒于以上內(nèi)容，有必要提供一種與基體結(jié)合良好、制備工藝簡單、成本低廉的復(fù)合梯度阻氫涂層材料。本發(fā)明采用低壓等離子噴涂技術(shù)在不銹鋼表面噴涂一層N1-Cr-Al金屬過渡層，然后采用原位氧化技術(shù)在過渡層表面生成Al2O3和Cr2O3復(fù)合梯度阻氫涂層，該復(fù)合梯度涂層能有效降低H2在不銹鋼的滲透率，從而很好的達(dá)到阻氫滲透的目的。本發(fā)明所提出的制備中間N1-Cr-Al金屬過渡層結(jié)構(gòu)可有效的改善不銹鋼基體和復(fù)合梯度涂層之間的熱膨脹系數(shù)匹配問題，提高不銹鋼基體和復(fù)合梯度涂層的結(jié)合力，延長復(fù)合梯度涂層的使用壽命。
[0005]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的技術(shù)缺陷提供一種與基體結(jié)合良好、比較簡單的Al2O3和Cr2O3復(fù)合梯度阻氫涂層及其制備方法，即在馬氏體或者奧氏體不銹鋼基體上首先采用低壓等離子噴涂技術(shù)制備一層N1-Cr-Al過渡層，然后采用原位氧化技術(shù)在粘結(jié)層表面形成一層與粘結(jié)層結(jié)合良好的Al2O3和Cr2O3復(fù)合梯度阻氫涂層。
[0006]本發(fā)明的原理是利用元素對氧的親和力相差懸殊，控制合適的低氧分壓，實現(xiàn)元素的選擇性氧化，避免其他元素氧化物的形成，最終獲得具有富含Al2O3和Cr2O3復(fù)合梯度阻氫涂層。[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:
[0008]一種高溫真空集熱管用復(fù)合梯度阻氫涂層，該高溫真空集熱管用復(fù)合梯度阻氫涂層從下到上是由基體、過渡層和涂層所組成，所述基體為馬氏體不銹鋼或者奧氏體不銹鋼，所述過渡層為N1-Cr-Al合金，厚度為10-100 μ m ;所述涂層材料，涂層總厚度為0.1~20 μ m。
[0009]在本發(fā)明的所述高溫真空集熱管用復(fù)合梯度阻氫涂層中，所述涂層是由兩種結(jié)構(gòu)組成，內(nèi)層為氧化鋁，外層為氧化鉻，其中，氧化鋁即Al2O3的厚度為0.08-15 μ m，氧化鉻即Cr2O3的厚度為0.02-5 μ m ;涂層致密孔隙率低于5vol%，阻氫效率提高100-120倍。
[0010]其中，所述過渡層的N1-Cr-Al合金中的含量是:Cr含量為20wt%-30wt%，Al含量為 5wt%-10wt%，其余為 Ni。
[0011]本發(fā)明的內(nèi)容包括:一種Al2O3和Cr2O3復(fù)合梯度阻氫涂層，包括不銹鋼基體、N1-Cr-Al中間過渡層和Al2O3和Cr2O3復(fù)合梯度阻氫涂層。
[0012]本發(fā)明中的上述Al2O3和Cr2O3復(fù)合梯度阻氫涂層，其中該基體可以是馬氏體或者奧氏體不銹鋼。
[0013]本發(fā)明提供的上述Al2O3和Cr2O3復(fù)合梯度阻氫涂層，涂層總厚度在0.f 20 μ m之間。
[0014]本發(fā)明提供的上述Al2O3和Cr2O3復(fù)合梯度阻氫涂層，涂層中主要成分為Al2O3和Cr2O3,并含有少量的鋁鉻尖晶石化合物。
[0015]本發(fā)明阻氫中的氫包括氫及其同位素，特別是氫、氘和氚。
[0016]本發(fā)明還提供上述Al2O3和Cr2O3復(fù)合梯度阻氫涂層的制備方法，其步驟包括:
[0017](I)將馬氏體或者奧氏體不銹鋼樣品表面采用砂紙打磨，利用噴砂機(jī)進(jìn)行表面處理，然后放入丙酮溶液中進(jìn)行超聲清洗5-15分鐘，吹干；
[0018](2)采用低壓等離子噴涂技術(shù)在不銹鋼表面制備N1-Cr-Al中間過渡涂層；具體工藝參數(shù)為:電流300-800A，電壓40-100V，H2流量5-lOOL/min，Ar流量5-lOOL/min，室壓1000-10000Pa，噴涂速度 l_20mm/s，噴涂距離 50_150mm。
[0019](3)將采用低壓等離子噴涂制備的樣品超聲清洗后放入真空管式爐(實際上用的是石英玻璃管)中，密封，抽真空，壓力<10Pa，通入氬氣，壓力為lOOOOOPa，再抽真空，循環(huán)兩次；
[0020](4)關(guān)閉氬氣，通氫氣，壓力為lOOOOOPa，開始加熱，爐溫設(shè)置為500-1200° C;
[0021](5)當(dāng)爐溫達(dá)到設(shè)置的溫度500-1200° C后，開始水浴加熱，水浴溫度為5_60° C;H2通過H2O后進(jìn)入反應(yīng)區(qū)，提供約為10_24~10_16Pa的低氧分壓；
[0022](6)在爐溫為500-1200° C，水浴溫度為5-60° C時恒溫l_20h，獲得厚度約為
0.1~20 μ m的Al2O3和Cr2O3復(fù)合梯度阻氫涂層；
[0023](7)利用阻氫測試裝置測定Al2O3和Cr2O3復(fù)合梯度阻氫涂層在400-700° C的H2滲透率，獲得Al2O3和Cr2O3復(fù)合梯度阻氫涂層的阻氫性能。
[0024]在上述(3)中，采用低壓等離子噴涂制備的樣品超聲清洗的過程為將帶有N1-Cr-Al過渡層的基體放入丙酮溶液中進(jìn)行超聲清洗5-15分鐘，并吹干。
[0025] Al2O3和Cr2O3是很好的防氫滲透涂層材料，可以利用不銹鋼中含有的Cr元素在H2-H2O的氣氛下通過原位氧化的方法在管內(nèi)壁方便地獲得。因此通過控制低氧分壓，實現(xiàn)不銹鋼的原位選擇性氧化，在不銹鋼管內(nèi)壁獲得富Al2O3和Cr2O3的涂層是制備集熱管內(nèi)壁防氫滲透涂層的理想方法。富Al2O3和Cr2O3的涂層不僅具有防氫滲透特性，還能防止導(dǎo)熱油在金屬元素(Fe、Ni)的催化作用下發(fā)生裂解產(chǎn)生游離的氫，同時還具有提高不銹鋼的耐氧化、耐腐蝕性的作用。原位氧化法工藝過程簡單，生成的氧化鉻涂層與基底具有良好的結(jié)合強(qiáng)度，成本低廉，因此不僅可以應(yīng)用到太陽能高溫集熱器中去，也可以應(yīng)用到石化、核電站和高參數(shù)電站鍋爐管道中去。
[0026]本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)成果相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和突出性成果:在馬氏體或者奧氏體不銹鋼表面采用低壓等離子噴涂技術(shù)制備的N1-Cr-Al過渡層和原位氧化法形成的Al2O3和Cr2O3阻氫涂層具有厚度可控，致密性高，成分較為均勻，并且由于過渡層與基體材料熱膨脹系數(shù)接近而結(jié)合強(qiáng)度高，有利于提高不銹鋼管的防氫滲透能力和抗腐蝕性能，延長不銹鋼管的使用壽命。
[0027]下面參照附圖結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1為實施例1的原位氧化法制備的復(fù)合梯度Al2O3和Cr2O3阻氫涂層截面形貌圖；
【具體實施方式】
[0029]實施例1
[0030]1.將奧氏體316L不銹鋼樣品表面采用300#，600#和1200#SiC水磨砂紙打磨，噴
砂，放入丙酮溶液中進(jìn)行超聲清洗15分鐘，吹干；
[0031]2.采用低壓等離子噴涂技術(shù)在不銹鋼表面制備N1-Cr-Al中間過渡涂層(Cr含量為25wt%，Al含量為5wt%，其余為Ni);具體工藝參數(shù)為:電流500A，電壓65V，H2流量IOL/min, Ar流量50L/min,室壓4000Pa,噴涂速度4mm/s,噴涂距離100mm。
[0032]3.將采用低壓等離子噴涂制備的樣品超聲清洗后放入真空爐中，密封，抽真空，壓力<10Pa，通入氬氣，壓力為lOOOOOPa，再抽真空，循環(huán)兩次；
[0033]4.關(guān)閉氬氣，通氫氣，壓力為lOOOOOPa，開始加熱，爐溫設(shè)置為877° C ；
[0034]5.當(dāng)爐溫達(dá)到設(shè)置的溫度877° C后，開始水浴加熱，水浴溫度為35° C ;H2通過H2O后進(jìn)入反應(yīng)區(qū)，提供約為KT18Pa的低氧分壓；
[0035]6.在爐溫為877° C，水浴溫度為35° C時恒溫6h，獲得富含Al2O3和Cr2O3的阻氫涂層。制得的阻氫涂層結(jié)構(gòu)如圖1所示，該高溫真空集熱管用復(fù)合梯度阻氫涂層從下到上是由基體1、過渡層2和涂層所組成，所述涂層是由兩種結(jié)構(gòu)組成，內(nèi)層為氧化鋁3，外層為氧化鉻4。涂層致密，厚度約為10.7 μ m。
[0036]7.利用阻氫測試裝置測得復(fù)合梯度Al2O3和Cr2O3阻氫涂層在400° C_700° C的阻氫效果提高了約100倍。
[0037]實施例2
[0038]1.將奧氏體316L不銹鋼樣品表面采用300#，600#和1200#SiC水磨砂紙打磨，噴
砂，放入丙酮溶液中進(jìn)行超聲清洗15分鐘，吹干； [0039]2.采用低壓等離子噴涂技術(shù)在不銹鋼表面制備N1-Cr-Al中間過渡涂層(Cr含量為25wt%，Al含量為5wt%，其余為Ni);具體工藝參數(shù)為:電流550A，電壓65V，H2流量20L/min, Ar流量60L/min,室壓4000Pa,噴涂速度4mm/s,噴涂距離100mm。
[0040]3.將采用低壓等離子噴涂制備的樣品超聲清洗后放入真空爐中，密封，抽真空，壓力<10Pa，通入氬氣，壓力為lOOOOOPa，再抽真空，循環(huán)兩次；
[0041]4.關(guān)閉氬氣，通氫氣，壓力為lOOOOOPa，開始加熱，爐溫設(shè)置為827° C ；
[0042]5.當(dāng)爐溫達(dá)到設(shè)置的溫度827° C后，開始水浴加熱，水浴溫度為25° C ;H2通過H2O后進(jìn)入反應(yīng)區(qū)，提供約為10_2°Pa的低氧分壓；
[0043]6.在爐溫為827° C，水浴溫度為25° C時恒溫6h，獲得富含Al2O3和Cr2O3的阻氫涂層。
[0044]7.利用阻氫測試裝置測得復(fù)合梯度Al2O3和Cr2O3阻氫涂層在600° C_700° C的阻氫效果提高了約120倍。
[0045]實施例3
[0046]1.將奧氏體316L不銹鋼樣品表面采用300#，600#和1200#SiC水磨砂紙打磨，噴
砂，放入丙酮溶液中進(jìn)行超聲清洗15分鐘，吹干；
[0047]2.采用低壓等離子噴涂技術(shù)在不銹鋼表面制備N1-Cr-Al中間過渡涂層(Cr含量為25wt%，Al含量為5wt%，其余為Ni);具體工藝參數(shù)為:電流700A，電壓60V，H2流量15L/min, Ar流量80L/min,室壓4000Pa,噴涂速度4mm/s,噴涂距離100mm。
[0048]3.將采用低壓等離子噴涂技術(shù)制備的樣品超聲清洗后放入真空爐中，密封，抽真空，壓力<10Pa，通入氬氣，壓力為lOOOOOPa，再抽真空，循環(huán)兩次；
[0049]4.關(guān)閉氬氣，通氫氣，壓力為lOOOOOPa，開始加熱，爐溫設(shè)置為700° C ；
[0050]5.當(dāng)爐溫達(dá)到設(shè)置的溫度700° C后，開始水浴加熱，水浴溫度為0° C5H2通過H2O后進(jìn)入反應(yīng)區(qū)，提供約為KT22Pa的低氧分壓；
[0051]6.在爐溫為700° C，水浴溫度為5° C時恒溫6h，獲得富含的Al2O3和Cr2O3的阻氫涂層。
[0052]7.利用自制的阻氫測試裝置測得復(fù)合梯度Al2O3和Cr2O3阻氫涂層在600° C-700。C的阻氫效果提高了約110倍。
[0053]本發(fā)明主要針對復(fù)合梯度Al2O3和Cr2O3阻氫涂層材料所進(jìn)行的改進(jìn)，以上所述僅為本發(fā)明較佳實施例而已，非因此即局限本發(fā)明的專利范圍，故舉凡用本發(fā)明說明書及圖式內(nèi)容所為的簡易變化及等效變換，均應(yīng)包含于本發(fā)明的專利范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種高溫真空集熱管用復(fù)合梯度阻氫涂層，該高溫真空集熱管用復(fù)合梯度阻氫涂層從下到上是由基體、過渡層和涂層所組成，其特征在于， 所述基體為馬氏體不銹鋼或者奧氏體不銹鋼，所述過渡層為N1-Cr-Al合金，厚度為10-100 μ m ;所述涂層材料，涂層總厚度為0.1-20 μ m。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述高溫真空集熱管用復(fù)合梯度阻氫涂層，其特征在于，所述涂層是由兩種結(jié)構(gòu)組成，內(nèi)層為氧化鋁，外層為氧化鉻，其中，氧化鋁即Al2O3的厚度為0.08-15 μ m,氧化鉻即Cr2O3的厚度為0.02-5 μ m ;涂層致密孔隙率低于5vol%，阻氫效率提高 100-120 倍。
3.制備權(quán)利要求1所述高溫真空集熱管用復(fù)合梯度阻氫涂層的方法，其步驟包括: (1)將馬氏體不銹鋼或者奧氏體不銹鋼樣品表面清洗干凈，并吹干； (2)采用低壓等離子噴涂方法在馬氏體不銹鋼或者奧氏體不銹鋼表面上制備N1-Cr-Al中間過渡涂層，涂層厚度為10-100 μ m;具體工藝參數(shù)為:電流300-800A，電壓40-100V，H2流量 5-100L/min，Ar 流量 5-100L/min，室壓 lOOO-lOOOOPa，噴涂速度 l-20mm/s,噴涂距離10-200mm ； (3)將采用步驟(2)制備的樣品超聲清洗后放入真空管式爐中，當(dāng)爐溫達(dá)到設(shè)置的溫度500-1200。C后，開始水浴加熱，水浴溫度為5-60° C ;獲得厚度約為0.1-2Oμm的Al2O3和Cr2O3復(fù)合梯度阻氫涂層。
4.權(quán)利要求3所述制備高溫真空集熱管用復(fù)合梯度阻氫涂層的方法，其特征在于，在所述的步驟(1)中，馬氏體不銹鋼或者奧氏體不銹鋼樣品表面清洗過程是將馬氏體或者奧氏體不銹鋼樣品表面采用砂紙打磨，利用噴砂機(jī)進(jìn)行表面處理，然后放入丙酮溶液中進(jìn)行超聲清洗5-15分鐘。
【文檔編號】B32B15/18GK103895282SQ201210574549
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2012年12月26日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月26日
【發(fā)明者】于慶河, 郝雷, 劉曉鵬, 蔣利軍, 王笑靜, 杜淼, 米菁 申請人:北京有色金屬研究總院