美國能源部（DOE）（華盛頓）和國家可再生能源實驗室（NREL）（美國科羅拉多州Golden）的最新研究成果發現了一種潛在的鎳基涂料解決方案，可以減緩聚光太陽能（CSP）電廠的腐蝕速率。NREL表示，通過低成本的蓄熱，這些太陽能發電廠能夠實現更好的配電并提高整體電網可靠性。

    NREL的機械和熱工程科學副實驗室主任Johney Green說：“應用耐腐蝕涂層，有可能提高CSP應用經濟可行性，對此我們感到非常興奮。

    一、熔鹽的問題

    太陽能電廠運行時，CSP工廠需要通過550°C到750°C范圍內的熔鹽等高溫流體來儲存熱量并發電。含有氯化鈉（NaCl）、氯化鉀（KCl）和氯化鎂（MgCl2）的熔融鹽混合物通常用于傳熱流體和熱能存儲，它們可以承受高溫并將收集的太陽熱量保持數小時。

    但是，在高溫下，這些熔鹽會對普通的鐵-鎳（FeNi）合金產生腐蝕，腐蝕可能發生在如熱交換器、管道和CSP系統的儲存容器中使用的Incoloy 800H（UNS N08810）和AISI 310（UNS S31000）不銹鋼（SS）等部位。

    為了在商業上使用熔鹽混合物，腐蝕速率必須低于20微米/年，以便CSP工廠可以實現其密封材料的30年預計使用壽命。NREL表示，相比之下，在熔融氯化物中測試的裸露SS合金的腐蝕速度高達4500微米/年。

    二、鎳基解決方案

    為了解決這個問題，NREL工程師和研究人員Judith Gomez-Vidal開始將不同類型的鎳基涂層（通常用于減少氧化和腐蝕）應用到SS合金上。她的實驗中，先通過砂紙對800H和310合金進行拋光，直到表面變平，然后加工成直徑8mm，高度12mm的平板。在電化學腐蝕測試中使用的鎳基涂層統一為厚度1mm。

    由質量比為23.0％的Co、20.0％的Cr、8.5％的Al、0.6％的Y、4.5％的Ta和余量Ni構成的這種鎳涂層----NiCoCrAlYTa顯示出非常優秀的性能。它將腐蝕速率限制在190微米/年，雖然目前還沒有達到目標，但與未鍍膜的SS相比，腐蝕速度降低了96％。

    將該特定涂層在900℃的空氣中以0.5℃/ min的加熱/冷卻速率預氧化24小時，使用電子顯微鏡成像，對腐蝕表面的金屬表征，結果顯示，在暴露于熔融氯化物體系之前，該涂層表面形成均勻且致密的氧化鋁層，這也大大降低了對合金的腐蝕作用。

    戈麥斯維達爾說：”表面的保護非常有希望減少熔鹽中的腐蝕，特別是對于那些暴露于含氯蒸氣的表面。

    使用恒電位儀在氮氣氛中于700℃進行腐蝕評價。在電極附近使用氧化鋁中的K型熱電偶以記錄溫度，在腐蝕測試之前將電化學電池密封并用氮氣吹掃約24小時，在合金浸入熔融氯化物后連續記錄電位，并且通過施加陰極和陽極外部電位立即進行極化研究。在相同的條件下進行每個測試三次以上的試樣，以評價結果的一致性。

    戈麥斯維達爾說，涂層中的鉻和鋁在預氧化過程中優先被氧化。這個氧化層可以幫助提高涂層的耐腐蝕性。氧化鋁是一種保護性氧化物，其結構缺陷少，可以最大限度地減少或避免元素的擴散，所以腐蝕被控制或減輕。

    三、進一步降低費率

    即使效率提高了96％，190μm/年的腐蝕率仍然遠遠超過CSP工廠實現30年使用壽命所需的20μm/年或更少的目標。因此，研究團隊正計劃進行更多的研究。

    戈麥斯-維達爾表示，雖然已經降低了很多，但是CSP的腐蝕率仍然相當高。“這項努力突出了太陽能應用中測試材料耐久性的相關性試驗的重要性，我們需要通過更多的研究來達到所需的目標腐蝕水平，其中可能包括將熔鹽和周圍大氣的表面保護作用與化學控制相結合。

    進一步的測試將需要在熱循環下評估涂層，并引入含氧氣氛，以增加系統的氧化電位。NREL指出，如果在運行過程中出現裂紋，氧氣的添加可以更加清楚在氧氣存在下涂層的保護機制。

    同樣，戈麥斯 - 維達爾說，她在其他項目中發現，在樣品的熱循環過程中，Al2O3層能夠形成并且在存在空氣的情況下仍然附著在表面上，可以重新形成的保護性鱗片的形成。

    這項研究由美國能源部的SunShot計劃提供資金，旨在通過與公共和私人合作伙伴的研發努力，使太陽能成為低成本的電力來源。

    關于NREL

    NREL是美國能源部在可再生能源和能源效率方面研究和開發的主要國家實驗室。NREL是由可持續能源聯盟LLC（Lakewood，Colorado）非營利組織為DOE運營的。