中高溫太陽能真空集熱管用封接合金及其制備和使用方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于太陽能光熱利用技術領域，特別涉及中高溫太陽能真空集熱管用封接 合金及其制備和使用方法。
【背景技術】
[0002] 中高溫太陽能真空集熱管是太陽能聚光集熱發電的關鍵部件，其由表面制備吸熱 涂層的不銹鋼內管、玻璃罩管以及兩端補償膨脹量差異的波紋管組成，不銹鋼內管與玻璃 罩管之間形成真空環形空間。真空環形空間的真空度對集熱管集熱效率影響極大。為滿足 集熱管的真空要求，減少熱損失，提高集熱效率，玻璃罩管和不銹鋼內管之間必須保證密封 連接，且能適應太陽能集熱管運行時的冷熱循環工況（一般為25-550°C)。因此，需要在玻 璃罩管和不銹鋼內管之間引入與玻璃熱膨脹系數相匹配的封接合金，避免集熱管運行過程 中金屬/玻璃熱膨脹系數不匹配而造成的破壞。
[0003] 目前常用的封接合金有4J29、Ni-Co (ZL90102845)等。但上述合金工作溫度低 (約25-450°C )，難以滿足高溫太陽能真空集熱管的要求，因此，迫切需要一種工作溫度高 (25-550°C )、熱膨脹系數與玻璃匹配良好、易于焊接、易于制備的新型玻璃金屬封接合金， 以滿足中高溫太陽能熱利用大尺寸真空管的需求。
【發明內容】
[0004] 本發明針對現有技術的缺點，提供了一種中高溫太陽能真空集熱管用封接合金及 其制備和使用方法。
[0005] 為了實現上述目的，本發明采取的技術方案如下：
[0006] -種中高溫太陽能真空集熱管用封接合金，所述封接合金由以下重量份數的組分 組成：鐵40-60份，鎳25-45份，其他金屬為0-25份，稀土金屬為2-5份；
[0007] 所述的其他金屬為B、V、Cr、Mn、Co、Cu、Mo、Nb和Y中的一種或一種以上；所述的 稀土金屬為La、Ce和Yb中的一種或一種以上。
[0008] 所述封接合金中，鐵的重量份數優選為40-50份。
[0009] 所述封接合金組分的原材料依次為：純金屬鐵、純金屬鎳、其他金屬或其合金、稀 土金屬或其合金。
[0010] 所述純金屬鐵和純金屬鎳的純度在99. 5%以上。
[0011] 所述封接合金工作溫度范圍為25-550°C，在工作溫度范圍內，其熱膨脹系數與膨 脹系數為2. 7 X 10 6-5. 5 X 10 61/K的玻璃相匹配。
[0012] 所述的一種中高溫太陽能真空集熱管用封接合金的制備方法，包括以下步驟：
[0013] (1)備料：按照封接合金各組分的重量，稱取原材料；原材料經過潔凈處理后，再 進行烘烤除氣，得到預處理的原材料；
[0014] (2)熔煉：采用真空電弧爐或真空中頻感應爐對預處理的原材料進行熔煉，當其 完全熔化后，再繼續精煉10-30分鐘；
[0015] (3)澆注：采用真空吸鑄的方法澆注或將精煉后的原材料澆注于水冷模中，使其 快速凝固得到鑄錠；所述的澆注溫度為1470-1520°C ;
[0016] (4)熱處理：將得到的鑄錠在惰性氣氛保護下進行熱處理，熱處理的工藝為： 1100-1300°C，保溫1-2小時，保證鑄錠高溫固溶體相區成分均勻；降溫至850-950°C，保溫 3-6小時，保證鑄錠全部轉變為中溫固溶體相，且成分均勻；最后冷卻至室溫，得到封接合 金。
[0017] 所述烘烤除氣的時間在1小時以上。
[0018] 所述急速冷卻采取的方法為油淬或水淬。
[0019] 所述惰性氣體為氮氣或氬氣。
[0020] 所述中高溫太陽能真空集熱管用封接合金的使用方法為：封接合金經機械加工為 所需尺寸和形狀的工件，工件表面經除油、去脂清洗后，表面噴砂，再進行燒氫或真空除氣 處理，即可與玻璃進行封接。
[0021] 本發明的有益效果為：制備的封接合金工作性能優異，與玻璃匹配性能良好；工 作溫度范圍寬，比通常的封接合金的工作溫度高l〇〇°C左右，且其制造工藝簡單、易操作。本 發明制備的封接合金可制備成多種形狀的帶和環，適用于中高溫太陽能真空集熱管或其它 對熱膨脹系數有特殊需求的領域。
【附圖說明】
[0022] 圖1為中高溫太陽能真空集熱管用封接合金的組成成分重量范圍圖（點 a - b - c - d - e - f - a所圍成的區域）；其中，M表示其他金屬和稀土金屬的重量范 圍，wt. % (M) = wt. % (其它金屬）+wt. % (稀土金屬）。
[0023] 圖 2 為 Fe_35wt. % Ni_8wt. % Co_2wt. % Cu_2wt. % Y_3wt. % Ce 封接合金的熱膨 脹性能曲線圖。
[0024] 圖 3 為 Fe_25wt. % Ni_4wt. % Mn-Ilwt. % Co_5wt. % Ce 封接合金的熱膨脹性能 曲線圖。
[0025] 圖 4 為 Fe_30wt. % Ni_18wt. % Co_5wt. % Mo_2wt. % V_5wt. % Ce 封接合金的熱 膨脹性能曲線圖。
[0026] 圖 5 為 Fe_45wt. % Ni_4wt. % Cr_6wt. % Mn_2wt. % V_2wt. % Ce-lwt. % La 封接 合金的熱膨脹性能曲線圖。
[0027] 圖6為Fe_45wt. % Ni-Iwt. % Co_2wt. % La封接合金的熱膨脹性能曲線圖。
[0028] 圖7為Fe_40wt. % Ni-Iwt. % Co_2wt. % Ce封接合金的熱膨脹性能曲線圖。
[0029] 圖 8 為 Fe-25wt. % Ni-7. 4wt. % Co-4. 4wt. % B-3. 2wt. % Ce 封接合金的熱膨脹 性能曲線。
【具體實施方式】
[0030] 實施例1 :
[0031] (1)原材料采用純Fe (純度彡99. 5 % )，Ni (純度彡99. 5 % )，Co (純度彡99. 4 % )， Cu (純度多99. 4% )，Y(純度大于99. 5% )，Ce (純度多99. 0% )。封接合金組成成分配比， 以圖Ig點的比例配制，即表1中的實施例1所示的配比：Fe-35wt. % Ni-8wt. % C〇-2wt. % Cu-2wt. % Y-3wt. % Ce〇
[0032] (2)按照上述配比，稱取原材料；將原材料除油、去脂、洗滌潔凈后，置于坩堝中烘 烤除氣2小時，得到預處理的原材料；
[0033] (3)采用真空電弧爐對預處理的原材料進行熔煉；當熔煉溫度達到1400-1500°C 時，原材料開始熔化；當其完全熔化后，再繼續精煉20分鐘；
[0034] (4)采用真空吸鑄的方法對精煉后的原材料進行澆注，使其快速凝固得到鑄錠，澆 注溫度為1470-1520°C ;
[0035] (5)鑄錠在氮氣、氬氣氣氛保護下進行熱處理，熱處理的工藝為：1200°C，保溫1小 時；再降溫至900°C，保溫4小時；最后通過采用油淬急速冷卻至室溫，得到封接合金。
[0036] (6)將得到的封接合金切割成Φ4Χ25πιπι的小棒進行熱膨脹性能測試測試；升溫 速率為5°C /分鐘，測試溫度范圍為室溫到650Γ，測試結果如圖2所示。
[0037] 實施例2 :
[0038] (1)原料采用純Fe (純度彡99. 5% )，Ni (純度彡99. 5% )，Co (純度彡99. 4% )， Mn(純度彡99. 4% )，Ce(純度彡99. 0% )。封接合金組成成分配比，以圖Ia點的比例配 制，即表 1 中的實施例 2 所不的配比：Fe_25wt. % Ni_4wt. % Mn-llwt. % Co_5wt. % Ce ;
[0039] (2)按照上述配比，稱取原材料；將原材料除油、去脂、洗滌潔凈后，置于坩堝中烘 烤除氣1小時，得到預處理的原材料；
[0040] (3)采用真空中頻感應爐對預處理的原材料進行熔煉；當熔煉溫度達到 1400-1500°C時，原材料開始熔化；當其完全熔化后，再繼續精煉15分鐘；
[0041] (4)將精煉后的原材料澆注到水冷模中使其快速凝固得到鑄錠，澆注溫度為 1470-1520 〇C ；
[0042] (5)鑄錠在氮氣、氬氣氣氛保護下進行熱處理，熱處理的工藝為：1100°C，保溫2小 時；再降溫至850°C，保溫5小時；最后通過采用油淬急速冷卻至室溫，得到封接合金。
[0043] (6)將得到的封接合金切割成Φ4Χ25πιπι的小棒進行熱膨脹性能測試測試；升溫 速率為5°C /分鐘，測試溫度范圍為室溫到650Γ，測試結果如圖3所示。
[0044] 實施例3
[0045] (1)原料采用純Fe (純度彡99. 5% )，Ni (純度彡99. 5% )，Co (純度彡99. 4% )， V (純度大于99. 5 % )，Ce (純度彡99. 0 % )。封接合金組成成分配比，以圖Ib點的比例配制， 即表 1 中的實施例 3 所不的配比：Fe_30wt. % Ni_18wt. % Co_5wt. % Mo_2wt. % V_5wt. % Ce ；
[0046] (2)按照上述配比，稱取原材料；將原材料除油、去脂、洗滌潔凈后，置于坩堝中烘 烤除氣1. 5小時，得到預處理的原材料；
[0047] (3)采用真空中頻感應爐對預處理的原材料進行熔煉；當熔煉溫度達到 1400-1500°C時，原材料開始熔化；當其完全熔化后，再繼續精煉30分鐘；
[0048] (4)將精煉后的原材料澆注到水冷模中使其快速凝固得到鑄錠，澆注溫度為 1470-1520 〇C ；
[0049] (5)鑄錠在氮氣、氬氣氣氛保護下進行熱處理，熱處理的工藝為：1300°C，保溫1小 時；再降溫至950°C，保溫3小時；最后通過采用水淬急速冷卻至室溫，得到封