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          航空用貴金屬套管鎧裝熱電偶研究

          發布時間:2021-02-01     瀏覽次數:
          一、前言
                 1957年一種類似于電纜的熱電偶,將偶絲、絕緣材料和金屬套管三者經旋鍛或拉拔而制成可繞的組合體,稱之為鎧裝熱電偶。與裝配式熱電偶相比,鎧裝熱電偶體積小、重量輕、可繞性好,而且機械強度高,耐沖擊、振動、地震等,適用于高溫、高壓、沖擊、振動等環境。根據鎧裝體內部偶絲芯線材料,主要有貴金屬鎧裝熱電偶和廉金屬鎧裝熱電偶兩類。
                 1999年,我國制訂了《JB/T8901貴金屬鎧裝熱電偶電纜》標準,以GH3030、GH3039等高溫合金作為外套管材料,使用上限溫度為1100℃,精度等級除Ⅰ、Ⅱ級外,專門增加了P(普通)級,允差為0.5%t,且對其穩定性未做要求。在高溫下,廉金屬外套管中部分元素向貴金屬熱電極擴散,改變貴金屬偶絲的成分,導致熱電勢漂移,引起測量誤差[1],精度難以保持,穩定性不理想,使用溫度上限與廉金屬鎧裝熱電偶相比優勢不明顯。高溫合金系列外套管的貴金屬鎧裝熱電偶的推廣應用受到限制。
          針對航空領域高可靠使用要求,采用鉑銠合金作為外套管材料,研制了雙支式貴金屬套管鎧裝熱電偶,在選材、工藝以及精度、長期穩定性等方面開展研究和驗證。
          二、材料選擇
                 貴金屬套管鎧裝熱電偶由貴金屬外套管、貴金屬熱電偶絲、絕緣材料三部分組成。在鎧裝熱電偶設計時除了套管材料的高溫強度,通常還要考慮三種材料的物理匹配性,避免使用過程中三種材料的膨脹系數差異過大,受熱產生內應力,引起測量誤差。由于外套管及熱電極均為鉑銠材料,不存在化學兼容性問題[1]。鉑及鉑合金是理想的套管材料。純鉑在高溫下強度較低,易受自身重量或高溫沖擊、振動而致損壞,在鉑中添加銠元素可以提高材料的高溫強度和抗溫度沖擊能力。通常含銠量低的鉑銠合金在大氣中可使用到1500℃,Rh質量分數大于20%的鉑銠合金在大氣中可使用到1700℃[2]。從表1各種偶絲、保護套管材料、絕緣材料的膨脹率與溫度關系[3]中可以看出,PtRh20與Pt、PtRh13以及MgO的熱膨脹匹配性較好。為保證熱電偶工作溫度、高溫強度、材料匹配等要求,同時兼顧拉拔減徑的工藝要求,選用PtRh20合金作為外套管材料,高純電熔MgO作為絕緣材料,PtRh13-Pt(R型)偶絲作為熱電極,偶絲精度、不均勻電動勢滿足GB/T1598中Ⅱ級精度要求。

          三、工藝控制
                 為確保貴金屬套管鎧裝熱電偶精度及穩定性,套管及偶絲均經過嚴格清洗;采用控制燒結溫度,以獲得合適的氧化鎂絕緣柱硬度,避免因過硬,在拉制過程中壓傷貴金屬偶絲;因硬度過低,組裝時造成絕緣柱缺損。根據PtRh20合金的抗拉強度與加工率、退火溫度與抗拉強度的關系[4],以及表2外套管、偶絲的延伸率等,設計并優化制備工藝。
          四、性能驗證
          1、尺寸
                 貴金屬套管鎧裝熱電偶尺寸、橫截面形貌分別見表3和圖1。通過嚴格控制原材料尺寸及制造工藝,貴金屬套管鎧裝熱電偶的壁厚、絕緣層厚度、偶絲尺寸較為均勻,分布合理。
          2、分度
                 對3支貴金屬套管鎧裝熱電偶的熱電勢精度進行測量,裝爐時通過焊接前熱接點位置的標注,確保標準偶熱接點與鎧裝熱偶內部熱接點處于同一徑向截面上,減少測量端位置不準確對校準結果帶來的影響[5],檢定結果見表4。偏差均小于±0.25%t的Ⅱ級精度允差要求。
          3、長期穩定性
                 將貴金屬套管鎧裝熱電偶樣品在1100℃±50℃進行250h穩定性試驗,并分別在100h、200h、250h對1084.62℃溫度點對熱電勢檢測,檢測結果見表5。試驗前后熱電勢最大變化為1.31℃。其穩定性優于GB/T30429-2013工業熱電偶[6]對裝配式貴金屬熱電偶熱電勢變化不大于1.5℃或0.0025tmax的穩定性要求。

          4、壓實密度

          其中,
          W16—浸泡前重量(mg)
          W27—浸泡后重量(mg)
          W38—去粉后重量(mg)
          D23—吸收液密度=870mg/cm3
          D24—氧化鎂密度=3580mg/cm3
                 經檢測,貴金屬套管鎧裝熱電偶氧化鎂壓實密度為2889mg/cm3,大于氧化鎂理論壓實密度的80%,高于協議規定的2506mg/cm3的要求。
          5、高溫絕緣電阻
                 將貴金屬套管鎧裝熱電偶插入熱電偶檢定爐中,插入深度300mm,爐溫升至1000℃±20℃,恒溫10分鐘,試驗電壓250V,結果見表6。

          試驗結果滿足協議要求。
                 根據參考文獻,絕緣電阻為0.1MΩ,將引入0.04%的熱電勢誤差[8]。貴金屬套管鎧裝熱電偶在1000℃,高溫絕緣電阻均大于0.10MΩ,引入的熱電勢誤差小于0.04%,與精度要求的0.25%t相比,高溫絕緣電阻帶來的誤差可以忽略。
          6、1500℃熱電勢檢定

          1500℃熱電勢檢定結果見表7,試驗表明可滿足2級精度要求。
          五、結論
                 采用PtRh20合金外套管的鎧裝熱電偶克服了高溫合金外管貴金屬熱電偶穩定性差,使用溫度受限等不足。重慶材料研究院研制的貴金屬套管鎧裝熱電偶材料匹配性好,精度達到±0.25%t;在1100℃、250h穩定性試驗后,熱電勢漂移小于1.5℃;套管內絕緣材料壓實密度、高溫絕緣電阻性能良好,可滿足航空領域高性能要求。
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