本發(fā)明屬于聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電涉及的熔鹽腐蝕，特別涉及一種近等摩爾比的多主元金屬氧化物防腐涂層，其制備方法及其在熔鹽環(huán)境中的應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、在過(guò)去的十多年中，聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電（concentrated?solar?thermal?power?，csp）技術(shù)發(fā)展迅速，2010至2015年期間，其裝機(jī)容量年增長(zhǎng)率約為50%，全球總裝機(jī)容量已達(dá)約5吉瓦（gw），可為近400萬(wàn)戶家庭提供電力。隨著新一代熔鹽（mgcl2-kcl-nacl·nh2o）儲(chǔ)熱介質(zhì)的開(kāi)發(fā)，csp系統(tǒng)可在高達(dá)800°c的溫度下運(yùn)行，顯著提升了發(fā)電能力。然而，這種高溫運(yùn)行環(huán)境導(dǎo)致csp系統(tǒng)的熱儲(chǔ)罐、循環(huán)回路和熱交換器中的熔鹽腐蝕速度加快。這些組件通常使用310不銹鋼、inconel?800和哈氏合金（ha）c-276構(gòu)建。即便是耐腐蝕性最強(qiáng)的哈氏合金ha?c-276，其腐蝕速率也超過(guò)0.5mm/年。因此，迫切需要找到一種控制腐蝕速率的方法，以提高系統(tǒng)的可靠性，使之成為與化石燃料能源更具競(jìng)爭(zhēng)力的能源，并有潛力緩解能源存儲(chǔ)的挑戰(zhàn)。

2、多主元金屬陶瓷如高熵碳氧化物是一種相對(duì)較新的材料，擁有多種優(yōu)異性質(zhì)，包括良好的耐磨性、高硬度和出色的抗氧化/抗腐蝕性等。例如，(altivcr)ox已被證明能夠?qū)⒔饘倩w在鹽水溶液中的腐蝕速率降低到每年1?μm。然而，關(guān)于將多主元金屬氧化物用作耐蝕涂層的研究目前還很有限；迄今為止，還沒(méi)有關(guān)于多主元金屬氧化物在高溫應(yīng)用環(huán)境中的研究報(bào)告和專利。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的高溫應(yīng)用技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種新型的近等摩爾比的多主元金屬氧化物涂層，以(altizrnicr)ox薄膜涂層表示。該涂層有望集合單一氧化物組分的優(yōu)越性能，即鈍化性能、擴(kuò)散阻力、硬度、附著力以及形狀記憶效應(yīng)，緩解金屬在熔鹽環(huán)境中的腐蝕。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、本發(fā)明提供一種近等摩爾比的多主元金屬氧化物防腐涂層，其化學(xué)組成為(altizrnicr)ox，各元素原子百分含量如下：5-15?at%?al、5-15?at%?ti、8-12?at%?zr、5-15?at%?ni、5-15?at%?cr，其余為o和極少量c和n，且x=1-2。

4、進(jìn)一步地，所述涂層中，o的原子百分含量為40-55?at%，c和氮的原子百分含量為2-5at%。

5、作為對(duì)比，本發(fā)明具體實(shí)施方式中額外制作了2個(gè)濺射靶材，分別為tizrnicr和純al材質(zhì)，用以沉積非等摩爾比的多主元氧化物涂層作為對(duì)比例。

6、優(yōu)選地，所述氧化物防腐涂層中各元素原子百分含量如下：7-8?at%?al、6-7?at%ti、9-10?at%?zr、6-9?at%?ni、6-9?at%?cr、40-55?at%?o，且x=?1。涂層中碳和氮的原子百分含量為2-5?at%。

7、本發(fā)明還提供所述基于多主元金屬的氧化物防腐涂層的制備方法，包括以下步驟：

8、（1）靶材制備：將等摩爾比的al、ti、cr、zr、ni粉末混合，球磨后置于石墨模具中，使用火花等離子燒結(jié)技術(shù)進(jìn)行燒結(jié)，得到alticrzrni靶材；

9、作為對(duì)比，對(duì)比例中采用相同的方法，額外制備了2個(gè)濺射靶材，分別是tizrnicr（各25at%）和純al材質(zhì)，用以沉積非等摩爾比的多主元氧化物-富鋁多主元涂層。

10、優(yōu)選地，所述al、ti、cr、zr、ni粉末的用量均為20at%。

11、優(yōu)選地，所述球磨在高能球磨機(jī)中進(jìn)行，球磨時(shí)間為15-25小時(shí)，球磨轉(zhuǎn)速為100-300rpm。優(yōu)選球磨時(shí)間為20小時(shí)，球磨轉(zhuǎn)速200?rpm。

12、優(yōu)選地，燒結(jié)溫度為800-1000°c，壓強(qiáng)為40-60?mpa。優(yōu)選燒結(jié)溫度為900°c，壓強(qiáng)為50?mpa。

13、優(yōu)選地，所述靶材尺寸為：直徑為3英寸，厚度為0.25英寸。

14、（2）預(yù)濺射：

15、將步驟（1）制備的alticrzrni靶材裝入磁控濺射設(shè)備中，室溫下將腔體真空度抽至5mtorr?開(kāi)始預(yù)濺射，以清除靶材表面雜質(zhì)和剝離氧化膜；

16、優(yōu)選地，所述基體材料選自不銹鋼、鎳合金、鈦合金、鋅合金中的至少一種。

17、優(yōu)選地，預(yù)濺射工藝參數(shù)為：ar為工作氣體，氣體流量20ccm，濺射功率為150w，濺射時(shí)間2-3min。

18、（3）涂層沉積：將基底材料裝入磁控濺射設(shè)備中，打開(kāi)濺射擋板，將氣體流量調(diào)至19.7?sccm?ar，4.80?sccm?o2，功率調(diào)至150w開(kāi)始濺射，沉積腔壓強(qiáng)為5mtorr。

19、優(yōu)選地，所述涂層厚度為1-5微米，優(yōu)選為2微米。

20、本發(fā)明還提供了所述近等摩爾比的多主元金屬氧化物防腐涂層在熔鹽環(huán)境中的應(yīng)用。

21、本發(fā)明提供的技術(shù)方案帶來(lái)的有益效果至少包括：

22、本發(fā)明提供了一種新型多主元金屬氧化物(altizrnicr)ox涂層，將該涂層應(yīng)用于基于不銹鋼的合金試樣表面，并在相關(guān)的聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)熔鹽環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，可有效控制結(jié)構(gòu)材料的高溫熔鹽腐蝕?；趯?shí)施例測(cè)試結(jié)果，這種涂層能夠有效降低腐蝕速率達(dá)50%以上，可以有效延長(zhǎng)csp系統(tǒng)及其他相關(guān)材料構(gòu)件的使用壽命。

23、所述多主元金屬氧化物涂層首次用于測(cè)試熔鹽腐蝕，為熔鹽腐蝕控制提供了一種新的材料體系。其成分新穎，制備工藝簡(jiǎn)單，通過(guò)磁控濺射沉積，即可制備成分、結(jié)構(gòu)、厚度可控、無(wú)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的涂層。

技術(shù)特征：

1.一種近等摩爾比的多主元金屬氧化物防腐涂層，其特征在于，所述涂層的化學(xué)組成為(altizrnicr)ox，各元素原子百分含量如下：5-15?at%?al、5-15?at%?ti、8-12?at%?zr、5-15?at%?ni、5-15?at%?cr，其余為o、極少量c和n，且x=1-2。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的涂層，其特征在于，所述涂層中，o的原子百分含量為40-55at%，c和n的原子百分含量為2-5at%。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的涂層，其特征在于，所述氧化物防腐涂層中各元素原子百分含量如下：7-8?at%?al、6-7?at%?ti、9-10?at%?zr、6-9?at%?ni、6-9?at%?cr、40-55?at%o，且x=?1；涂層中碳和氮的原子百分含量為2-5?at%。

4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述基于多主元金屬的氧化物防腐涂層的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，步驟（1）中，所述al、ti、cr、zr、ni粉末的用量均為20at%。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，步驟（1）中，所述球磨在高能球磨機(jī)中進(jìn)行，球磨時(shí)間為15-25小時(shí)，球磨轉(zhuǎn)速為100-300rpm；所述燒結(jié)溫度為800-1000°c，壓強(qiáng)為40-60?mpa。

7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，步驟（2）中，所述基體材料選自不銹鋼、鎳合金、鈦合金、鋅合金中的至少一種。

8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，步驟（2）中，預(yù)濺射工藝參數(shù)為：ar為工作氣體，氣體流量20ccm，濺射功率為150w，濺射時(shí)間2-3min。

9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，步驟（3）中，所述涂層厚度為1-5微米。

10.權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述近等摩爾比的多主元金屬氧化物防腐涂層在熔鹽環(huán)境中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種近等摩爾比的多主元金屬氧化物防腐涂層，其制備方法及應(yīng)用，屬于聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電涉及的熔鹽腐蝕技術(shù)領(lǐng)域。所述涂層的化學(xué)組成為(AlTiZrNiCr)O<subgt;x</subgt;，各元素原子百分含量如下：5?15?at%Al、5?15?at%Ti、8?12?at%Zr、5?15?at%Ni、5?15?at%Cr，其余為O、極少量C和氮，且x=1?2。將該涂層應(yīng)用于基于不銹鋼的合金試樣表面，并在相關(guān)的聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)熔鹽環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，可有效控制結(jié)構(gòu)材料的高溫熔鹽腐蝕?；趯?shí)施例測(cè)試結(jié)果，這種涂層能夠有效降低腐蝕速率達(dá)50%以上，可以有效延長(zhǎng)CSP系統(tǒng)及其他相關(guān)材料構(gòu)件的使用壽命。

技術(shù)研發(fā)人員：朱亞坤,王藝璇,王魯寧
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/11/4