用于中央太阳能接收器的换热器管的金属-陶瓷涂层及其制备方法与流程

本文描述的实施例大体上涉及用于中央太阳能接收器的换热器管的涂层及其制备方法。

背景技术：

太阳能热技术通过使用反射镜(也称为"定日镜")聚集太阳辐射以将太阳辐射引导至中央塔接收器。在中央塔接收器(也称为"中央太阳能接收器")中，太阳能作为热被吸收且转换成电力。在中央塔接收器内是用于将热传递至热传递流体的换热器，热传递流体然后用于产生蒸汽来运转涡轮且提取功以产生电力。考虑到引导至中央太阳能接收器的能量的量，用于中央太阳能接收器的材料必须能够经得起700℃或更高的操作温度，且仍具有高吸收性。为了改善高温下材料的稳定性和材料的吸收性，涂层施加至中央太阳能接收器的构件，诸如换热器管。

用于太阳能接收器换热器的涂层可极大地影响太阳能设备的性能，因为涂层可极大地影响太阳能吸收的效率。然而，尽管这样的涂层可具有高吸收性，但涂层典型地不抗氧化。一旦暴露于高温，则换热器管的氧化导致干扰换热器的性能的氧化产物。例如，在换热器基底与涂层之间的界面处形成的氧化物层可降低系统的机械性能和热传递。例如，在后热处理之后将玻璃化的聚合物基涂层并未提供抗氧化性。典型地，玻璃化不会完全发生，留下具有低的抗氧化性的涂层。氧化可导致涂层中的裂纹，且随着时间过去，增大涂层与换热器材料的热膨胀的差异，导致涂层的剥落。

因此，仍需要用于换热器管的改进的涂层和制作此涂层的方法来增加太阳辐射的吸收，同时还减少换热器管的氧化。

技术实现要素：

本发明的方面和优点将在以下描述中部分地阐明，或可从描述中清楚，或可通过实施本发明学习到。

大体上提供了具有金属-陶瓷涂层的中央太阳能接收器换热器管，以及制备金属-陶瓷涂覆的中央太阳能接收器换热器的方法。在一个实施例中，中央太阳能接收器换热器包括限定表面的换热器管，其中换热器管包括：基础材料；以及沿换热器管的表面设置的金属-陶瓷涂层，其中金属-陶瓷涂层包括金属基质，其具有分散在金属基质中的至少一个陶瓷相。在一些实施例中，该至少一个陶瓷相包括非氧化物陶瓷材料，且非氧化物陶瓷材料包括sic、si3n4、ti3sic2、ti4sic3、ti2alc、ti3alc2、cr2alc或其组合。在一些实施例中，至少一个陶瓷相包括氧化物陶瓷材料，且氧化物陶瓷材料包括co3o4、tio2、sio2、fe2o3、fe3o4、mn2o3或其组合。

在一个实施例中，金属-陶瓷涂层包括分散在金属基质中的第一陶瓷相和第二陶瓷相，且第一陶瓷相包括非氧化物陶瓷材料，且第二陶瓷相包括氧化物陶瓷材料。在其他实施例中，金属-陶瓷涂层包括第一金属-陶瓷层和第二金属-陶瓷层。第一金属-陶瓷层包括第一金属基质和分散在第一金属基质中的非氧化物陶瓷材料，且第二金属-陶瓷层包括第二金属基质和分散在第二金属基质中的氧化物陶瓷材料。

在某些实施例中，换热器管的基础材料和/或金属基质包括镍基超级合金或钢。

在一些实施例中，中央太阳能接收器换热器管具有金属-陶瓷涂层，其具有大于或等于大约25w/mk的导热率，且在一些实施例中，太阳辐射的吸收系数是至少90%。

在某些实施例中，金属-陶瓷涂层构造在换热器管基础材料上以减少换热器管基础材料的氧化，且可沿换热器管基础材料的辐射部分设置。

在一些实施例中，金属-陶瓷涂层的陶瓷相具有金属-陶瓷涂层的大约0.2到大约0.8的体积分数。例如，在一些实施例中，第一金属-陶瓷层和/或第二金属-陶瓷层具有第一金属-陶瓷层的大约0.2到大约0.8的陶瓷材料的体积分数。

本公开内容的方面还针对用于制备金属-陶瓷涂覆的中央太阳能接收器换热器的方法。在一些实施例中，该方法包括将金属-陶瓷涂层施加到换热器管的表面上的步骤，其中换热器管包括基础材料，且其中金属-陶瓷涂层包括金属基质，其具有分散在金属基质中的至少一个陶瓷相。在某些实施例中，施加金属-陶瓷涂层的步骤包括施加第一金属-陶瓷层和施加第二金属-陶瓷层，其中第一金属-陶瓷层包括非氧化物陶瓷材料，且第二金属-陶瓷层包括氧化物陶瓷材料。非氧化物陶瓷材料可包括sic、si3n4、ti3sic2、ti4sic3、ti2alc、ti3alc2、cr2alc或其组合，且氧化物陶瓷材料可包括co3o4、tio2、sio2、fe2o3、fe3o4、mn2o3或其组合。在一些实施例中，金属基质包括镍基超级合金或钢。

本公开内容的方面还针对用于太阳能热传递的系统。在某些实施例中，系统包括中央太阳能接收器，其包括一个或多个换热器管，其中该一个或多个换热器管包括材料和沿换热器管的表面设置的金属-陶瓷涂层，其中金属-陶瓷涂层包括金属基质，其具有分散在金属基质中的至少一个陶瓷相。

本发明的这些及其他特征、方面和优点将参照以下描述和所附权利要求变得更好理解。并入且构成该说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，且连同描述用于阐释本发明的原理。

附图说明

本发明的完整且开放的公开内容(包括针对本领域的普通技术人员的其最佳模式)在参照附图的说明书中阐明，在附图中：

图1为根据本公开内容的一个实施例的中央太阳能接收器的示例性换热器管的表面的示意性截面视图；

图2为根据本公开内容的一个实施例的中央太阳能接收器的多个换热器管的示意性截面视图；

图3为根据本公开内容的一个实施例的中央太阳能接收器的多个换热器管的示意性截面视图；

图4为包括根据本公开内容的一个实施例的中央太阳能接收器的换热器管的系统的示意图；以及

图5为根据本公开内容的一个实施例的制备中央太阳能接收器的涂覆的换热器管的方法的流程图。

具体实施方式

现在将对本发明的实施例详细地进行参照，其一个或多个示例在附图中示出。每个示例通过阐释本发明的方式提供，而不限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚的是，可在本发明中作出各种改型和变型，而不会脱离本发明的范围或精神。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可结合另一个实施例使用以产生更进一步的实施例。因此，期望使本发明覆盖落入所附权利要求和其等同物的范围内的此类改型和变型。

金属-陶瓷涂层大体上对于中央太阳能接收器中的换热器管提供，其不但呈现出高吸收性，而且还呈现出高导热率、高抗氧化性、高热膨胀系数和高断裂韧性。在某些实施例中，金属-陶瓷涂层可包括具有陶瓷相的金属基质。涂层可提供高操作温度(诸如大约500℃到大约750℃)下的抗氧化性。在一些实施例中，涂层可包括一种或多种非氧化物陶瓷材料。非氧化物陶瓷材料可提供高导热性，诸如在700℃下大于大约30w/mk。在一些实施例中，涂层可包括一种或多种氧化物陶瓷材料。氧化物陶瓷材料可提供高抗氧化性和太阳辐射吸收率，诸如大于大约90%。

在某些实施例中，金属-陶瓷涂层提供太阳光谱中的高吸收率、高热传递，且在高温下的空气中稳定。因此，金属-陶瓷涂层、特别是包括金属基质(其包括非氧化物和/或氧化物陶瓷材料的分散陶瓷相)的金属-陶瓷涂层的施加提供高吸收性，因此改善太阳能接收器效率，且提供高热传递且抗氧化，因此提供高温下的稳定性。

本文提供的金属-陶瓷涂层可适于与中央太阳能接收器一起使用，例如，用以涂覆中央太阳能接收器的换热器管。然而，本涂层还可用于各种其他应用中，特别是其中热传递、高温下的氧化保护和/或减轻重量有问题的应用中。例如，当前公开的涂层可用于诸如燃气涡轮、蒸汽涡轮和其他换热器的应用中。

如本文使用的那样，"换热器管"或"多个换热器管"大体上是指用于中央太阳能接收器中以将太阳能传递至热传递流体的一个或多个圆柱形管。管大体上具有伸长的圆柱形本体，但可为其他适合的形状，诸如具有矩形截面或以其他方式。管可由金属制成，诸如钢或超级合金(例如，镍基超级合金、钴基超级合金或铁基超级合金)或经得起高温的其他适合材料。如本文使用的那样，"换热器管基底"或"换热器管基础材料"大体上是指制造换热器管的材料，诸如金属或其他适合材料。如本文使用的那样，"换热器管的外表面"大体上是指一个或多个换热器管的最外表面。最外表面是在无当前金属-陶瓷涂层的情况下将暴露于环境的表面。即，不论换热器管是否包括一个或多个材料层，最外层的外表面都将大体上认作是"换热器管的外表面"。

如下文将进一步描述，一个或多个换热器管可至少部分地涂覆有当前公开的金属-陶瓷涂层。例如，公开的金属-陶瓷涂层可将一个或多个换热器管涂覆至各种程度，而不脱离本公开内容的意图。如本文使用的那样，"辐射表面"或"换热器管的辐射表面"大体上是指换热器管的面向引入的太阳辐射(即，进入中央太阳能接收器的太阳辐射)的表面。换热器管的辐射表面可为换热器管的外表面的至少一部分，或可为换热器管的整个外表面。在本公开内容的某些实施例中，本文公开的金属-陶瓷涂层涂覆换热器管的辐射表面的至少一部分，而在本公开内容的其他实施例中，金属-陶瓷涂层完全涂覆换热器管的辐射表面。

在一些实施例中，金属-陶瓷涂层可施加至换热器的外表面，使得金属-陶瓷涂层具有粗糙外部。相比于换热器管的几何表面，粗糙外部可将换热器管的真实表面增大达大约105%或更大，诸如大约110%到大约130%。

如本文使用的那样，"金属-陶瓷涂层"是指包括金属和陶瓷两者的复合物。在一些实施例中，复合物包括具有分散在基质各处的陶瓷相的金属基质，其可更确切地称为"金属基质-陶瓷化合物"或"金属基质-陶瓷涂层"。陶瓷相可均匀地分散在金属基质各处，或可分散在金属基质的离散区段中。例如，陶瓷相可分散在金属基质的外区段中，或可分散在金属基质的内区段中。陶瓷相的分散中的变化是可能的，而不脱离本公开内容的意图。在此实施例中，陶瓷相可为金属基质内的不连续相或金属基质内的连续相。

如本文使用的那样，"第一金属-陶瓷层"和"第二金属-陶瓷层"大体上是指包括金属和陶瓷两者的复合物的层。在一些实施例中，可存在第一金属-陶瓷层和第二金属-陶瓷层两者。在这样的实施例中，第一金属-陶瓷层大体上定位在换热器管与第二金属-陶瓷层之间。第一金属-陶瓷层可直接地定位在换热器管的外表面附近，使得金属-陶瓷层物理地接触换热器管，这减小了换热器管的外表面到外部环境的暴露。

金属-陶瓷涂层中的"金属"(诸如"金属基质")可包括任何适合的金属，且可为金属合金。例如，在某些实施例中，金属可为金属合金，诸如镍(ni)基超级合金、钴(co)基超级合金、铁(fe)基超级合金或高合金钢。金属-陶瓷涂层中使用的金属可与换热器管基础材料的金属或复合物相同或相似。

如本文使用的那样，"非氧化物陶瓷材料"是指没有氧化物组分的陶瓷材料。相比之下，"氧化物陶瓷材料"是指包括氧化物组分的陶瓷材料。在一些实施例中，金属-陶瓷涂层可包括一种或多种非氧化物陶瓷材料，而在一些实施例中，金属-陶瓷涂层可包括一种或多种氧化物陶瓷材料。更进一步，在一些实施例中，金属-陶瓷涂层可包括至少一种非氧化物陶瓷材料和至少一种氧化物陶瓷材料。

例如，非氧化物陶瓷材料包括碳化硅(sic)、氮化硅(si3n4)、钛碳化硅(例如，ti3sic2、ti4sic3)、碳化钛铝(例如，ti2alc、ti3alc2)、碳化铬铝(cr2alc)，以及其组合。

例如，氧化物陶瓷材料包括氧化钴(例如，co3o4)、二氧化钛(tio2)、氧化硅(sio2)、氧化铁(例如，fe2o3、fe3o4)、氧化锰(例如，mn2o3)，以及其组合。

金属-陶瓷涂层优选地具有高导热率，诸如大于大约10w/mk，或大于大约15w/mk或大约20w/mk，诸如大于大约25w/mk。优选地，在化合物的大约500℃到大约750℃之间的温度下的金属-陶瓷涂层的氧化率比没有金属-陶瓷涂层的对应换热器管材料的氧化率低至少30%。即，在特定实施例中，相比于没有金属-陶瓷涂层的换热器管材料，金属-陶瓷涂层提供氧化率的30%降低。此外，在某些实施例中，金属-陶瓷涂层提供高吸收系数，诸如至少大约80%(例如，大约85%到大约99%)。发明人发现，金属-陶瓷涂层具有至少90%的吸收系数。

图1为根据本公开内容的一个实施例的中央太阳能接收器(例如，如图4中所示)的换热器管10的示意性截面视图。在图1中所示的实施例中，换热器管10包括换热器管基础材料12，在其表面12a上具有涂层11。所示实施例的涂层11包括第一金属-陶瓷层14和第二金属-陶瓷层16。如图1中所示，在该实施例中，第一金属-陶瓷层14包括第一金属基质18和第一陶瓷相20。还如图1中所示，在该实施例中，第二金属-陶瓷层16包括第二金属基质22和第二陶瓷相24。第一金属基质18和第二金属基质22可由相同材料制成，或可由不同材料制成。类似地，第一陶瓷相20和第二陶瓷相24可由相同材料制成，或可由不同材料制成。在某些实施例中，第一陶瓷相20可包括非氧化物材料，而第二陶瓷相24可包括氧化物材料。在其他实施例中，第二陶瓷相24可包括非氧化物材料，而第一陶瓷相20可包括氧化物材料。更进一步，本公开内容的其他实施例可包括两个陶瓷相20,24，其包括非氧化物陶瓷材料和氧化物陶瓷材料的组合。

如图1中所示，对于涂层的金属-陶瓷层14,16中的每个，陶瓷相20,24中的每个分散在相应的金属基质18,22中。在某些实施例中，相应金属-陶瓷层和/或整个金属-陶瓷涂层的陶瓷相的体积分数从大约0.2到大约0.8，诸如大约0.2、大约0.3、大约0.4、大约0.5、大约0.6、大约0.7或大约0.8。

金属-陶瓷涂层11(例如，金属-陶瓷层)可通过任何适合的方法设置在换热器管上，诸如冷气体喷涂(gdcs)、火焰喷涂(例如，大气等离子喷涂(aps))、高速氧燃料(hvof)、线电弧喷涂、片钎焊、激光熔覆或其组合。

如图1中所示，第一金属-陶瓷层14沿换热器管基础材料12的外表面12a设置。在一些实施例中，涂层11沿换热器管基础材料12设置，使得层14,16中的至少一个"不透气体"以避免换热器管12的基础材料的氧化。即，金属-陶瓷涂层11沿换热器管12的基础材料的外表面12a设置以防止气体(诸如氧)进入换热器管基础材料与金属-陶瓷涂层11(例如，层14)之间的界面。此构造可减少换热器管12的基础材料的氧化，且因此改善热传递和效率。此构造还可减少涂层11的剥落的出现。

在图1中所示的实施例中，换热器管12涂覆有两个金属-陶瓷层，即第一金属-陶瓷层14和第二金属-陶瓷层16。在其他实施例中，涂层11可包括三个、四个、五个或更多个金属-陶瓷层，其中每层包括金属和陶瓷的各种构造。此外，金属-陶瓷涂层11可连同其他材料层使用来进一步改善热传递和稳定性。

图2为根据本公开内容的一个实施例的中央太阳能接收器的多个25换热器管26,28,30的示意性截面视图。图2中所示的实施例包括多个换热器管(元件26,28和30)。在图2中所示的实施例中，每个换热器管(分别是元件26,28和30)的外表面(分别是元件26a,28a和30a)的仅一部分涂覆有金属-陶瓷涂层32。每个换热器管26,28,30还包括内表面(分别是元件26b,28b和30b)，其与用于中央太阳能接收器的热传递流体接触。在该实施例中，每个换热器管26,28和30的外表面26a,28a和30a的辐射部分涂覆有金属-陶瓷涂层32。金属-陶瓷涂层32可包括一个或多个金属-陶瓷层(例如，如图1中所示)，且可包括非氧化物和氧化物陶瓷材料的多种组合。优选地，金属-陶瓷涂层32包括分散在一种或多种金属基质中的至少一种非氧化物陶瓷材料和至少一种氧化物陶瓷材料。

图3为根据本公开内容的一个实施例的中央太阳能接收器的多个35换热器管(元件34,36和38)的示意性截面视图。图3中所示的实施例包括多个35换热器管34,36和38。在图3中所示的实施例中，每个换热器管(分别是元件34,36和38)的外表面(分别是元件34a,36a和38a)涂覆有金属-陶瓷涂层40。每个换热器管34,36和38还包括内表面(分别是元件34b,36b和38b)，其与用于中央太阳能接收器的热传递流体接触。在该实施例中，每个换热器管34,36和38的外表面34a,36a和38a的辐射部分以及管的未面向引入的太阳辐射的部分涂覆有金属-陶瓷涂层40。金属-陶瓷涂层40可包括一个或多个金属-陶瓷层，且可包括非氧化物和氧化物陶瓷材料的多种组合。优选地，金属-陶瓷涂层40包括分散在一种或多种金属基质中的至少一种非氧化物陶瓷材料和至少一种氧化物陶瓷材料。

图4为包括根据本公开内容的一个实施例的涂覆有金属-陶瓷涂层的中央太阳能接收器的换热器管的系统100的示意图。图4中所示的太阳能热系统100包括中央太阳能接收器120，其包括热传递流体流过其中的一个或多个换热器管160。在图4中所示的实施例中，该一个或多个换热器管160涂覆有如本文公开的金属-陶瓷涂层140。图4还示出了在一个或多个定日镜180上反射至中央太阳能接收器120的太阳能的方向，其中能量加热在换热器管160中流动的热传递流体。尽管图4中未示出，但加热的热传递流体然后用于通过如本领域中已知的多种不同方法来产生电力。

图5为制备根据本公开内容的一个实施例的中央太阳能接收器的涂覆的换热器管的方法的流程图。如图5中所示，在该实施例中，方法200包括将第一金属-陶瓷层施加到换热器管240的表面上，以及将第二金属-陶瓷层施加至第一金属-陶瓷层260。金属-陶瓷层可通过任何适合的方法施加，诸如冷气体喷涂、hvof、aps、线电弧喷涂、片钎焊、激光熔覆或其组合。该方法可包括在金属-陶瓷层的每次施加之间对换热器管的其他处理以进一步改善热传递和稳定性。

其他实施例可包括金属-陶瓷层的三次、四次、五次或更多次施加，其中每个层包括金属和陶瓷的各种组合。金属-陶瓷层可施加至换热器管的外表面的至少一部分，且由每个金属-陶瓷层的换热器管的覆盖程度可变化且可取决于金属-陶瓷层的成分。金属-陶瓷层可包括一种或多种非氧化物和氧化物陶瓷材料。优选地，包括金属-陶瓷层的金属-陶瓷涂层包括分散在一种或多种金属基质中的至少一种非氧化物陶瓷材料和至少一种氧化物陶瓷材料。

尽管以上描述集中于将当前公开的金属-陶瓷涂层施加至用于中央太阳能接收器的换热器管，但本涂层还可用于各种其他应用，特别是热传递、高温下的氧化保护和/或重量减轻有问题的应用。例如，当前公开的涂层可用于诸如燃气涡轮、蒸汽涡轮和其他换热器的应用中。

该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何并入的方法。本发明可申请专利的范围由权利要求限定，且可包括本领域的技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例包括不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构元件，则意在使这些其他示例处于权利要求的范围内。