铝硅合金相变储热的CSP换热管渗铝钢环境疲劳-蠕变行为及其损伤机理研究

The Al-Si alloy is an ideal high temperature phase change heat storge material for Concentrating Solar Power （CSP）. However, the compatibilty of the molten Al-Si alloyand heat transfer tubes materials is the major problem to be solved for high efficient solar heat generator station. And the fatigue-corrosion-creep behavior of heat transfer tubes, when used as a core component in thermal storage system, play an important influence on the operation stability and service life in the development of CSP. In this regard, the present project selects the stainless steel with surface alumetizing plus laser shock processing as the research object, investigates the enironmental fatigue-creep behavior under the multi factors interaction of cycle force, molten Al-Si alloy and temperature. Combined with the material internal stress analysis, microstructure evolution and chemical characteristics, the stress-strain hysteresis, corrosion product and its size evolution, micro crack initiation and propagation process under cyclic loading will be clarified, the relations between microstructure and material properties will be analyzed, the mapping association between environment effect and crack propagation and life will be cleared, the environmental fatigue-creep mechanism will be discoved. Then, the model which reflects the multi microstructure characteristics, environment effect and loading factor will be established. The work will supply an experimental support for the applicaiton of aluminized steel in CSP heat transfer tubes. It also has important meaning to enrich the fatigue-creep system of metal with surface treatment.

铝硅合金是太阳能热发电（CSP）理想高温相变储热材料，但熔融铝硅合金与换热管材料的相容性是高效太阳能热发站亟待解决的主要问题，而储热系统核心部件换热管的疲劳-腐蚀-蠕变性能是制约CSP运行的稳定性及使用寿命的主要因素。本项目以表面渗铝复合激光冲击处理的不锈钢为研究对象，研究在循环应力、熔融铝硅合金、温度等多因素交互作用下的环境疲劳-蠕变行为；通过材料内部应力状态、微结构演变及化学特性分析，阐明应力应变滞后规律、腐蚀产物及尺寸演化规律以及裂纹萌生与扩展过程，明晰微结构演变与材料性能的响应关系，探明环境效应与裂纹扩展及寿命的映射关联，揭示渗铝钢环境疲劳-蠕变损伤机理；建立反映微结构特征、环境效应、载荷因素的环境疲劳-蠕变寿命模型。为渗铝钢在CSP热管上的应用提供理论基础，同时对丰富表面处理金属的环境疲劳-蠕变理论体系具有重要意义。

为了解决影响太阳能热发电储热系统核心部件换热管运行的稳定性及使用寿命的问题-熔融铝硅合金疲劳-蠕变性能，本项目研究了渗铝钢在循环应力、熔融铝硅合金、温度等多因素交互作用下的环境疲劳-蠕变行为；探讨了微结构演变与材料性能的响应关系，揭示了渗铝钢环境疲劳-蠕变微观机制。结果表明：①粉末包埋法制备的渗层主要由外层的Al2O3薄膜、Fe-Al化合物中间层和Fe(Al,Cr)固溶体扩散层组成。激光冲击强化后，渗铝钢没有新相产生，但表面发生明显的塑性变形，表面粗糙度和硬度增加，材料表现出较高的屈服强度、抗拉强度和断后延伸率。②外加载荷下，疲劳裂纹易在渗铝钢表面的Al2O3薄膜处形核，沿FeAl相晶界快速扩展，导致渗铝钢的循环周期低于不锈钢；与不锈钢相比，激光冲击三次渗铝钢的高温蠕变寿命可提高232%，这是因为激光冲击后位错密度增加会导致蠕变变形过程中空洞的尺寸和密度减小。③采用数值分析法计算了激光冲击渗铝钢的残余应力分布，发现计算值与实测值吻合良好。熔融Al-Si环境下渗铝钢高温疲劳-蠕变寿命远远高于不锈钢，这是因为激光冲击强化会导致表面位错密度、残余压应力提高，使得环境疲劳-蠕变空洞形核难度加大，提高了材料的抗高温疲劳-蠕变变形能力。④建立了渗铝钢环境疲劳-蠕变寿命预测模型，发现采用预测模型预测的疲劳-蠕变寿命与实测值吻合良好。通过本项目资助，发表论文5篇，授权国家发明专利3项，软件著作权1项，申请发明专利3项（其中美国专利和澳大利亚专利各1项）；成果转化项目2项；获得2019年湖南省科技进步三等奖1项，2020年中国可再生能源学会二等奖1项，获得2018年中国动力工程学会第七届青年学术年会优秀论文；获湖南省湖湘青年英才人才工程2人、湖南省年轻优秀科技人才托举工程1人。项目相关研究成果为渗铝钢在CSP换热管的应用提供理论基础 ，同时进一步丰富疲劳-蠕变断裂理论。