0 引言
航空發動機及導彈等武器裝備的氣(qi)流溫(wen)度(du)(du)是(shi)一個重(zhong)要(yao)參量(liang), 對準確評價其(qi)技術指標和可靠性有重(zhong)要(yao)意義。目(mu)前, 很多型號在(zai)研(yan)制(zhi)試驗中需(xu)要(yao)測(ce)量(liang)的氣(qi)流溫(wen)度(du)(du)已(yi)超(chao)過(guo)(guo)1800℃, 而且(qie)需(xu)要(yao)在(zai)氧化(hua)條件下進行測(ce)量(liang), 這已(yi)大大超(chao)過(guo)(guo)傳統標準分(fen)度(du)(du)的高溫(wen)熱(re)(re)電偶(ou)的測(ce)量(liang)上(shang)(shang)限, 傳統熱(re)(re)電偶(ou)已(yi)無(wu)(wu)法滿足測(ce)量(liang)要(yao)求。雖然鎢錸熱(re)(re)電偶(ou)測(ce)量(liang)上(shang)(shang)限能達(da)到2300℃, 但由于只能用于還原性、惰(duo)性或真空氣(qi)氛(fen)(fen)環境(jing)中, 而且(qie)其(qi)穩定性和重(zhong)復性較(jiao)差, 無(wu)(wu)法滿足需(xu)要(yao)。因此(ci), 迫切(qie)需(xu)要(yao)研(yan)制(zhi)適于1800℃以(yi)上(shang)(shang)并(bing)在(zai)氧化(hua)性氣(qi)氛(fen)(fen)中使用的熱(re)(re)電偶(ou)。
銥(yi)(yi)銠(lao)熱電(dian)偶材料在氧(yang)化性(xing)(xing)氣(qi)(qi)(qi)氛中可(ke)以(yi)使用(yong)(yong)(yong)到2000℃以(yi)上, 也可(ke)適用(yong)(yong)(yong)于真空、惰(duo)性(xing)(xing)氣(qi)(qi)(qi)氛, 而(er)且其(qi)電(dian)勢與溫(wen)(wen)度(du)(du)有很好的(de)(de)線性(xing)(xing)關系, 已在高(gao)(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)測(ce)量中得到了(le)應用(yong)(yong)(yong)。但由于常(chang)規銥(yi)(yi)銠(lao)-銥(yi)(yi)熱電(dian)偶的(de)(de)負極材料為(wei)純金屬(shu)銥(yi)(yi), 脆性(xing)(xing)較大, 機械(xie)性(xing)(xing)能差, 在測(ce)量氣(qi)(qi)(qi)流(liu)溫(wen)(wen)度(du)(du)時難(nan)以(yi)承受氣(qi)(qi)(qi)流(liu)沖(chong)擊, 因此限制了(le)其(qi)應用(yong)(yong)(yong)。而(er)銥(yi)(yi)銠(lao)合(he)金在高(gao)(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)下其(qi)機械(xie)性(xing)(xing)能較銥(yi)(yi)有明(ming)顯提高(gao)(gao)(gao)(gao), 因此本(ben)文提出采用(yong)(yong)(yong)雙銥(yi)(yi)銠(lao)合(he)金熱電(dian)偶測(ce)量高(gao)(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)氣(qi)(qi)(qi)流(liu)溫(wen)(wen)度(du)(du)的(de)(de)方法, 在高(gao)(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)強(qiang)度(du)(du)方面明(ming)顯優于銥(yi)(yi)銠(lao)-銥(yi)(yi)熱電(dian)偶, 盡(jin)管其(qi)熱電(dian)勢較小, 但通過(guo)采取高(gao)(gao)(gao)(gao)精度(du)(du)的(de)(de)電(dian)測(ce)設備實現精確測(ce)量, 能夠滿足高(gao)(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)氣(qi)(qi)(qi)流(liu)的(de)(de)測(ce)溫(wen)(wen)需求。
1 Ir-Rh合金的機械性能及熱電特性
1.1 Ir-Rh合金的耐熱性能
在(zai)元素(su)周期(qi)表(biao)(biao)中, 銥(yi)(yi)屬于鉑族元素(su)。鉑族金(jin)(jin)屬中銥(yi)(yi)的耐(nai)(nai)熱(re)性最(zui)差。銥(yi)(yi)在(zai)600~700℃開(kai)始(shi)氧(yang)化, 形(xing)成(cheng)氧(yang)化物(wu), 表(biao)(biao)現為重(zhong)量(liang)增(zeng)加(jia)現象, 但在(zai)1000℃或更高(gao)(gao)溫度以上時, 由于銥(yi)(yi)的氧(yang)化物(wu)揮(hui)(hui)發, 反(fan)而(er)出現重(zhong)量(liang)減(jian)小(xiao)現象, 因此其高(gao)(gao)溫下(xia)的耐(nai)(nai)熱(re)性能可由高(gao)(gao)溫揮(hui)(hui)發失(shi)重(zhong)來衡量(liang)。表(biao)(biao)1是不同含(han)量(liang)銥(yi)(yi)銠(lao)(lao)合金(jin)(jin)在(zai)高(gao)(gao)溫下(xia)的失(shi)重(zhong)情況, 由表(biao)(biao)中數據可知, 銠(lao)(lao)含(han)量(liang)的增(zeng)加(jia)使銥(yi)(yi)銠(lao)(lao)合金(jin)(jin)失(shi)重(zhong)減(jian)小(xiao), 大(da)(da)大(da)(da)改進了(le)銥(yi)(yi)的耐(nai)(nai)熱(re)性, 因此銥(yi)(yi)銠(lao)(lao)合金(jin)(jin)的耐(nai)(nai)熱(re)性較純(chun)銥(yi)(yi)好。
1.2 Ir-Rh合金的熱電特性
銥(yi)銠(lao)(lao)合(he)(he)金(jin)中銠(lao)(lao)的(de)(de)(de)含(han)量(liang)(liang)對其熱電(dian)(dian)特(te)性(xing)尤(you)為重要, 在這方面(mian)前人進行了很多研究。根據圖(tu)1可知, 含(han)銠(lao)(lao)量(liang)(liang)40%~60%的(de)(de)(de)合(he)(he)金(jin)與銥(yi)配成的(de)(de)(de)熱電(dian)(dian)偶熱電(dian)(dian)勢較大, 靈敏(min)度(du)高, 在很寬的(de)(de)(de)溫度(du)范圍內(nei)熱電(dian)(dian)特(te)性(xing)線性(xing)較好。含(han)銠(lao)(lao)量(liang)(liang)10%的(de)(de)(de)銥(yi)銠(lao)(lao)合(he)(he)金(jin)對銥(yi)的(de)(de)(de)熱電(dian)(dian)勢信(xin)號較小, 但其線性(xing)也很好。
表1 2000℃保溫1小時后銥銠合金的失重與銠含量的關系
圖1 不同含量和不同溫度下銥銠合金的熱電特性
圖2 高溫爐體剖面圖
經分析, 采用(yong)(yong)臥式爐校(xiao)(xiao)準(zhun)(zhun)時(shi)(shi), 其(qi)(qi)校(xiao)(xiao)準(zhun)(zhun)結果(guo)不(bu)確(que)定度(du)在(zai)(zai)1~2.3℃左(zuo)右;采用(yong)(yong)立式裝(zhuang)置校(xiao)(xiao)準(zhun)(zhun)時(shi)(shi), 校(xiao)(xiao)準(zhun)(zhun)結果(guo)不(bu)確(que)定度(du)在(zai)(zai)0.6%t以(yi)(yi)(yi)(yi)內(nei) (在(zai)(zai)校(xiao)(xiao)準(zhun)(zhun)溫度(du)范圍內(nei)為8~12℃) 。從(cong)表(biao)2可以(yi)(yi)(yi)(yi)看出, 兩(liang)種(zhong)方法在(zai)(zai)1400℃和(he)1500℃時(shi)(shi)結果(guo)差異在(zai)(zai)3℃以(yi)(yi)(yi)(yi)內(nei), 表(biao)明試驗結果(guo)是可靠的。另外從(cong)試驗結果(guo)可以(yi)(yi)(yi)(yi)看出, IrRh40-IrRh10熱(re)電(dian)(dian)(dian)偶(ou)在(zai)(zai)500~2000℃范圍內(nei), 熱(re)電(dian)(dian)(dian)勢(shi)在(zai)(zai)1.2~5.9 m V之(zhi)間, 微分電(dian)(dian)(dian)勢(shi)在(zai)(zai)2.9~3.4μV/℃之(zhi)間, 具有較(jiao)(jiao)好的線性, 特別是在(zai)(zai)1400℃以(yi)(yi)(yi)(yi)下時(shi)(shi), 線性非常好。雖然與標準(zhun)(zhun)分度(du)熱(re)電(dian)(dian)(dian)偶(ou)或銥銠-銥熱(re)電(dian)(dian)(dian)偶(ou)相比, 其(qi)(qi)輸(shu)出電(dian)(dian)(dian)勢(shi)較(jiao)(jiao)小, 但由于目前(qian)電(dian)(dian)(dian)測(ce)設(she)備性能不(bu)斷提(ti)高(gao), 選用(yong)(yong)高(gao)精度(du)的電(dian)(dian)(dian)測(ce)設(she)備, 是可以(yi)(yi)(yi)(yi)滿足測(ce)量要求的。
3 IrRh40-IrRh10熱電偶的應用實例
為滿足某型號發動機的高溫測量要求, 利用IrRh40-IrRh10熱電偶制作了氣流溫度傳感器。首先對IrRh40-IrRh10熱電偶偶絲進行退火消除應力, 然后采用磁控濺射方法對偶絲表面進行Zr O2鍍(du)膜處(chu)理, 以避免熱電偶(ou)在測量還原氣氛的(de)高溫(wen)燃氣時(shi)產(chan)生催化(hua)(hua)效應。經(jing)上述處(chu)理后(hou)將偶(ou)絲(si)裝(zhuang)入雙孔氧化(hua)(hua)鎂(mei)絕(jue)緣管(guan)并一(yi)起裝(zhuang)入保護殼(ke)(ke)中, 偶(ou)絲(si)與絕(jue)緣瓷管(guan)之(zhi)間、絕(jue)緣瓷管(guan)與保護殼(ke)(ke)之(zhi)間均(jun)填充(chong)高溫(wen)粘結(jie)劑。
為與傳統的(de)銥(yi)銠-銥(yi)熱(re)(re)電偶進(jin)(jin)行比(bi)較(jiao), 選(xuan)用了(le)Ir40Rh-Ir熱(re)(re)電偶材料利用同(tong)樣的(de)工(gong)藝制作了(le)氣流溫(wen)(wen)(wen)度(du)傳感(gan)(gan)器(qi), 在高(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)熱(re)(re)校準風(feng)洞上(shang)進(jin)(jin)行吹風(feng)試驗, 結果該熱(re)(re)電偶在試驗中(zhong)負極(ji)斷裂損(sun)壞(huai), 而IrRh40-IrRh10高(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)傳感(gan)(gan)器(qi)未出(chu)現異常, 表(biao)明IrRh40-IrRh10適合于高(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)氣流的(de)溫(wen)(wen)(wen)度(du)測(ce)量(liang)。基于以上(shang)研究, 中(zhong)航工(gong)業計量(liang)所申請了(le)“一種(zhong)增韌(ren)型的(de)高(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)銥(yi)銠熱(re)(re)電偶”專利, 在高(gao)(gao)(gao)溫(wen)(wen)(wen)氣流溫(wen)(wen)(wen)度(du)測(ce)量(liang)中(zhong)有(you)較(jiao)好的(de)應用前景。
4 結論
研(yan)究表(biao)明, IrRh40-IrRh10熱電偶與銥銠-銥熱電偶相比(bi), 具(ju)有較好的高(gao)溫(wen)(wen)機械性(xing)能, 適合于高(gao)溫(wen)(wen)氣流等惡劣環(huan)境下溫(wen)(wen)度(du)測量(liang)(liang)。試(shi)驗(yan)表(biao)明, 在500~2000℃范圍內, 熱電勢在1.2~5.9m V之(zhi)間, 微分電勢在2.9~3.4μV/℃之(zhi)間, 具(ju)有較好的線性(xing), 利用高(gao)精度(du)電測儀器可以實現高(gao)溫(wen)(wen)氣流溫(wen)(wen)度(du)的精密測量(liang)(liang), 在武(wu)器裝備研(yan)制試(shi)驗(yan)和科學(xue)研(yan)究中具(ju)有較好的應用前景。