中高温太阳能真空集热管用封接合金及其制备和使用方法

摘要

本发明公开了属于太阳能光热利用技术领域的一种中高温太阳能真空集热管用封接合金及其制备和使用方法。所述封接合金通过备料、熔炼、浇注和热处理制备而成；制备成的封接合金经机械加工成所需尺寸和形状的工件，工件表面经除油、去脂清洗后，表面喷砂，再进行烧氢或真空除气处理，即可与玻璃进行封接。所述封接合金的工作性能优异，与玻璃匹配性能良好，工作温度范围宽，且其制备工艺简单、易操作，适用于中高温太阳能真空集热管或其它对热膨胀系数有特殊需求的领域。

权利要求

1.一种中高温太阳能真空集热管用封接合金，其特征在于：原料采用纯Fe纯度≥

99.5％，Ni纯度≥99.5％，Cr纯度≥99.4％，Mn纯度≥99.4％，V纯度大于99.5％，Ce纯度≥

99.0％，La纯度≥99.0％，封接合金组成成分配比：Fe-45wt.％Ni-4wt.％Cr-6wt.％Mn-2wt.％V-2wt.％Ce-1wt.％La；

该合金的制备方法为：

(1)按照合金配比，称取原材料，将原材料除油、去脂、洗涤洁净后，置于坩埚中烘烤除气1小时，得到预处理的原材料；

(2)采用真空中频感应炉对预处理的原材料进行熔炼，当熔炼温度达到1400-1500℃时，原材料开始熔化，当其完全熔化后，再继续精炼25分钟；

(3)将精炼后的原材料浇注到水冷模中使其快速凝固得到铸锭，浇注温度为1470-1520℃；

(4)铸锭在氮气、氩气气氛保护下进行热处理，热处理的工艺为：1200℃，保温1.5小时；

再降温至900℃，保温5小时；最后通过采用水淬急速冷却至室温，得到封接合金；

(5)将得到的封接合金切割成Φ4×25mm的小棒进行热膨胀性能测试测试；升温速率为

5℃/分钟，测试温度范围为室温到650℃。

说明书

中高温太阳能真空集热管用封接合金及其制备和使用方法

技术领域

[0001] 本发明属于太阳能光热利用技术领域，特别涉及中高温太阳能真空集热管用封接合金及其制备和使用方法。

背景技术

[0002] 中高温太阳能真空集热管是太阳能聚光集热发电的关键部件，其由表面制备吸热涂层的不锈钢内管、玻璃罩管以及两端补偿膨胀量差异的波纹管组成，不锈钢内管与玻璃罩管之间形成真空环形空间。真空环形空间的真空度对集热管集热效率影响极大。为满足集热管的真空要求，减少热损失，提高集热效率，玻璃罩管和不锈钢内管之间必须保证密封连接，且能适应太阳能集热管运行时的冷热循环工况(一般为25-550℃)。因此，需要在玻璃罩管和不锈钢内管之间引入与玻璃热膨胀系数相匹配的封接合金，避免集热管运行过程中金属/玻璃热膨胀系数不匹配而造成的破坏。

[0003] 目前常用的封接合金有4J29、Ni-Co(ZL90102845)等。但上述合金工作温度低(约25-450℃)，难以满足高温太阳能真空集热管的要求，因此，迫切需要一种工作温度高(25-
550℃)、热膨胀系数与玻璃匹配良好、易于焊接、易于制备的新型玻璃金属封接合金，以满足中高温太阳能热利用大尺寸真空管的需求。

发明内容

[0004] 本发明针对现有技术的缺点，提供了一种中高温太阳能真空集热管用封接合金及其制备和使用方法。

[0005] 为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

[0006] 一种中高温太阳能真空集热管用封接合金，所述封接合金由以下重量份数的组分组成：铁40-60份，镍25-45份，其他金属为0-25份，稀土金属为2-5份；

[0007] 所述的其他金属为B、V、Cr、Mn、Co、Cu、Mo、Nb和Y中的一种或一种以上；所述的稀土金属为La、Ce和Yb中的一种或一种以上。

[0008] 所述封接合金中，铁的重量份数优选为40-50份。

[0009] 所述封接合金组分的原材料依次为：纯金属铁、纯金属镍、其他金属或其合金、稀土金属或其合金。

[0010] 所述纯金属铁和纯金属镍的纯度在99.5％以上。

[0011] 所述封接合金工作温度范围为25-550℃，在工作温度范围内，其热膨胀系数与膨-6 -6胀系数为2.7×10 -5.5×10 1/K的玻璃相匹配。

[0012] 所述的一种中高温太阳能真空集热管用封接合金的制备方法，包括以下步骤：

[0013] (1)备料：按照封接合金各组分的重量，称取原材料；原材料经过洁净处理后，再进行烘烤除气，得到预处理的原材料；

[0014] (2)熔炼：采用真空电弧炉或真空中频感应炉对预处理的原材料进行熔炼，当其完全熔化后，再继续精炼10-30分钟；

[0015] (3)浇注：采用真空吸铸的方法浇注或将精炼后的原材料浇注于水冷模中，使其快速凝固得到铸锭；所述的浇注温度为1470-1520℃；

[0016] (4)热处理：将得到的铸锭在惰性气氛保护下进行热处理，热处理的工艺为：1100-1300℃，保温1-2小时，保证铸锭高温固溶体相区成分均匀；降温至850-950℃，保温3-6小时，保证铸锭全部转变为中温固溶体相，且成分均匀；最后冷却至室温，得到封接合金。

[0017] 所述烘烤除气的时间在1小时以上。

[0018] 所述急速冷却采取的方法为油淬或水淬。

[0019] 所述惰性气体为氮气或氩气。

[0020] 所述中高温太阳能真空集热管用封接合金的使用方法为：封接合金经机械加工为所需尺寸和形状的工件，工件表面经除油、去脂清洗后，表面喷砂，再进行烧氢或真空除气处理，即可与玻璃进行封接。

[0021] 本发明的有益效果为：制备的封接合金工作性能优异，与玻璃匹配性能良好；工作温度范围宽，比通常的封接合金的工作温度高100℃左右，且其制造工艺简单、易操作。本发明制备的封接合金可制备成多种形状的带和环，适用于中高温太阳能真空集热管或其它对热膨胀系数有特殊需求的领域。

附图说明

[0022] 图1为中高温太阳能真空集热管用封接合金的组成成分重量范围图(点a→b→c→d→e→f→a所围成的区域)；其中，M表示其他金属和稀土金属的重量范围，wt.％(M)＝wt.％(其它金属)+wt.％(稀土金属)。

[0023] 图2为Fe-35wt.％Ni-8wt.％Co-2wt.％Cu-2wt.％Y-3wt.％Ce封接合金的热膨胀性能曲线图。

[0024] 图3为Fe-25wt.％Ni-4wt.％Mn-11wt.％Co-5wt.％Ce封接合金的热膨胀性能曲线图。

[0025] 图4为Fe-30wt.％Ni-18wt.％Co-5wt.％Mo-2wt.％V-5wt.％Ce封接合金的热膨胀性能曲线图。

[0026] 图5为Fe-45wt.％Ni-4wt.％Cr-6wt.％Mn-2wt.％V-2wt.％Ce-1wt.％La封接合金的热膨胀性能曲线图。

[0027] 图6为Fe-45wt.％Ni-1wt.％Co-2wt.％La封接合金的热膨胀性能曲线图。

[0028] 图7为Fe-40wt.％Ni-1wt.％Co-2wt.％Ce封接合金的热膨胀性能曲线图。

[0029] 图8为Fe-25wt.％Ni-7.4wt.％Co-4.4wt.％B-3.2wt.％Ce封接合金的热膨胀性能曲线。

具体实施方式

[0030] 实施例1：

[0031] (1)原材料采用纯Fe(纯度≥99.5％)，Ni(纯度≥99.5％)，Co(纯度≥99.4％)，Cu(纯度≥99.4％)，Y(纯度大于99.5％)，Ce(纯度≥99.0％)。封接合金组成成分配比，以图1g点的比例配制，即表1中的实施例1所示的配比：Fe-35wt.％Ni-8wt.％Co-2wt.％Cu-2wt.％Y-3wt.％Ce。

[0032] (2)按照上述配比，称取原材料；将原材料除油、去脂、洗涤洁净后，置于坩埚中烘烤除气2小时，得到预处理的原材料；

[0033] (3)采用真空电弧炉对预处理的原材料进行熔炼；当熔炼温度达到1400-1500℃时，原材料开始熔化；当其完全熔化后，再继续精炼20分钟；

[0034] (4)采用真空吸铸的方法对精炼后的原材料进行浇注，使其快速凝固得到铸锭，浇注温度为1470-1520℃；

[0035] (5)铸锭在氮气、氩气气氛保护下进行热处理，热处理的工艺为：1200℃，保温1小时；再降温至900℃，保温4小时；最后通过采用油淬急速冷却至室温，得到封接合金。

[0036] (6)将得到的封接合金切割成Φ4×25mm的小棒进行热膨胀性能测试测试；升温速率为5℃/分钟，测试温度范围为室温到650℃，测试结果如图2所示。

[0037] 实施例2：

[0038] (1)原料采用纯Fe(纯度≥99.5％)，Ni(纯度≥99.5％)，Co(纯度≥99.4％)，Mn(纯度≥99.4％)，Ce(纯度≥99.0％)。封接合金组成成分配比，以图1a点的比例配制，即表1中的实施例2所示的配比：Fe-25wt.％Ni-4wt.％Mn-11wt.％Co-5wt.％Ce；

[0039] (2)按照上述配比，称取原材料；将原材料除油、去脂、洗涤洁净后，置于坩埚中烘烤除气1小时，得到预处理的原材料；

[0040] (3)采用真空中频感应炉对预处理的原材料进行熔炼；当熔炼温度达到1400-1500℃时，原材料开始熔化；当其完全熔化后，再继续精炼15分钟；

[0041] (4)将精炼后的原材料浇注到水冷模中使其快速凝固得到铸锭，浇注温度为1470-1520℃；

[0042] (5)铸锭在氮气、氩气气氛保护下进行热处理，热处理的工艺为：1100℃，保温2小时；再降温至850℃，保温5小时；最后通过采用油淬急速冷却至室温，得到封接合金。

[0043] (6)将得到的封接合金切割成Φ4×25mm的小棒进行热膨胀性能测试测试；升温速率为5℃/分钟，测试温度范围为室温到650℃，测试结果如图3所示。

[0044] 实施例3

[0045] (1)原料采用纯Fe(纯度≥99.5％)，Ni(纯度≥99.5％)，Co(纯度≥99.4％)，V(纯度大于99.5％)，Ce(纯度≥99.0％)。封接合金组成成分配比，以图1b点的比例配制，即表1中的实施例3所示的配比：Fe-30wt.％Ni-18wt.％Co-5wt.％Mo-2wt.％V-5wt.％Ce；

[0046] (2)按照上述配比，称取原材料；将原材料除油、去脂、洗涤洁净后，置于坩埚中烘烤除气1.5小时，得到预处理的原材料；

[0047] (3)采用真空中频感应炉对预处理的原材料进行熔炼；当熔炼温度达到1400-1500℃时，原材料开始熔化；当其完全熔化后，再继续精炼30分钟；

[0048] (4)将精炼后的原材料浇注到水冷模中使其快速凝固得到铸锭，浇注温度为1470-1520℃；

[0049] (5)铸锭在氮气、氩气气氛保护下进行热处理，热处理的工艺为：1300℃，保温1小时；再降温至950℃，保温3小时；最后通过采用水淬急速冷却至室温，得到封接合金。

[0050] (6)将得到的封接合金切割成Φ4×25mm的小棒进行热膨胀性能测试测试；升温速率为5℃/分钟，测试温度范围为室温到650℃，测试结果如图4所示。

[0051] 实施例4

[0052] (1)原料采用纯Fe(纯度≥99.5％)，Ni(纯度≥99.5％)，Cr(纯度≥99.4％)，Mn(纯度≥99.4％)，V(纯度大于99.5％)，Ce(纯度≥99.0％)，La(纯度≥99.0％)。封接合金组成成分配比，以图1c点的比例配制，即表1中的实施例4所示的配比：Fe-45wt.％Ni-4wt.％Cr-6wt.％Mn-2wt.％V-2wt.％Ce-1wt.％La；

[0053] (2)按照上述配比，称取原材料；将原材料除油、去脂、洗涤洁净后，置于坩埚中烘烤除气1小时，得到预处理的原材料；

[0054] (3)采用真空中频感应炉对预处理的原材料进行熔炼；当熔炼温度达到1400-1500℃时，原材料开始熔化；当其完全熔化后，再继续精炼25分钟；

[0055] (4)将精炼后的原材料浇注到水冷模中使其快速凝固得到铸锭，浇注温度为1470-1520℃；

[0056] (5)铸锭在氮气、氩气气氛保护下进行热处理，热处理的工艺为：1200℃，保温1.5小时；再降温至900℃，保温5小时；最后通过采用水淬急速冷却至室温，得到封接合金。

[0057] (6)将得到的封接合金切割成Φ4×25mm的小棒进行热膨胀性能测试测试；升温速率为5℃/分钟，测试温度范围为室温到650℃，测试结果如图5所示。

[0058] 实施例5：

[0059] (1)原料采用纯Fe(纯度≥99.5％)，Ni(纯度≥99.5％)，Co(纯度≥99.4％)，Cu(纯度≥99.4％)，La(纯度≥99.0％)。封接合金组成成分配比，以图1d点的比例配制，即表1中的实施例5所示的配比：Fe-45wt.％Ni-1wt.％Co-2wt.％La；

[0060] (2)按照上述配比，称取原材料；将原材料除油、去脂、洗涤洁净后，置于坩埚中烘烤除气2小时，得到预处理的原材料；

[0061] (3)采用真空中频感应炉对预处理的原材料进行熔炼；当熔炼温度达到1400-1500℃时，原材料开始熔化；当其完全熔化后，再继续精炼10分钟；

[0062] (4)采用真空吸铸的方法对精炼后的原材料进行浇注，使其快速凝固得到铸锭，浇注温度为1470-1520℃；

[0063] (5)铸锭在氮气、氩气气氛保护下进行热处理，热处理的工艺为：1200℃，保温1.5小时；再降温至900℃，保温5小时；最后通过采用水淬急速冷却至室温，得到封接合金。

[0064] (6)将得到的封接合金切割成Φ4×25mm的小棒进行热膨胀性能测试测试；升温速率为5℃/分钟，测试温度范围为室温到650℃，测试结果如图6所示。

[0065] 实施例6

[0066] (1)原料采用纯Fe(纯度≥99.5％)，Ni(纯度≥99.5％)，Co(纯度≥99.4％)，Ce(纯度≥99.0％)。封接合金组成成分配比，以图1e点的比例配制，即表1中的实施例6所示的配比：Fe-40wt.％Ni-1wt.％Co-2wt.％Ce；

[0067] (2)按照上述配比，称取原材料；将原材料除油、去脂、洗涤洁净后，置于坩埚中烘烤除气2小时，得到预处理的原材料；

[0068] (3)采用真空中频感应炉对预处理的原材料进行熔炼；当熔炼温度达到1400-1500℃时，原材料开始熔化；当其完全熔化后，再继续精炼30分钟；

[0069] (4)将精炼后的原材料浇注到水冷模中使其快速凝固得到铸锭，浇注温度为1470-1520℃；

[0070] (5)铸锭在氮气、氩气气氛保护下进行热处理，热处理的工艺为：1300℃，保温1小时；再降温至850℃，保温6小时；最后通过采用油淬急速冷却至室温，得到封接合金。

[0071] (6)将得到的封接合金切割成Φ4×25mm的小棒进行热膨胀性能测试测试；升温速率为5℃/分钟，测试温度范围为室温到650℃，测试结果如图7所示。

[0072] 实施例7

[0073] (1)原料采用纯Fe(纯度≥99.5％)，Ni(纯度≥99.5％)，Co(纯度≥99.4％)，B(纯度≥99.4％)，Ce(纯度≥99.0％)。封接合金组成成分配比，以图1f点的比例配制，即表1中的实施例7所示的配比：Fe-25wt.％Ni-7.4wt.％Co-4.4wt.％B-3.2wt.％Ce；

[0074] (2)按照上述配比，称取原材料；将原材料除油、去脂、洗涤洁净后，置于坩埚中烘烤除气1小时，得到预处理的原材料；

[0075] (3)采用真空中频感应炉对预处理的原材料进行熔炼；当熔炼温度达到1400-1500℃时，原材料开始熔化；当其完全熔化后，再继续精炼10分钟；

[0076] (4)采用真空吸铸的方法对精炼后的原材料进行浇注，使其快速凝固得到铸锭，浇注温度为1470-1520℃；

[0077] (5)铸锭在氮气、氩气气氛保护下进行热处理，热处理的工艺为：1300℃，保温1小时；再降温至950℃，保温3小时；最后通过采用油淬急速冷却至室温，得到封接合金。

[0078] (6)将得到的封接合金切割成Φ4×25mm的小棒进行热膨胀性能测试测试；升温速率为5℃/分钟，测试温度范围为室温到650℃，测试结果如图8所示。

[0079]

[0080] 表1实施例1-7封接合金组成成分配比

[0081] 所得封接合金的热膨胀性能测试结果如图2-8所示。从图中可知，所得封接合金材料的工作温度高，在较宽的温度范围内(25-550℃)热膨胀系数可以与膨胀系数为2.7×10-6-5.5×10-61/K的玻璃相匹配。