IrRh40-IrRh10高溫熱電偶熱電性能及應用研究

劉丹英，張賀，呂國義

(中航工業(yè)北京長城計量測試技術研究所，北京100095)

0 引言

航空發(fā)動機及導彈等武器裝備的氣流溫度是一個重要參量，對準確評價其技術指標和可靠性有重要意義。目前，很多型號在研制試驗中需要測量的氣流溫度已超過1800℃，而且需要在氧化條件下進行測量，這已大大超過傳統(tǒng)標準分度的高溫熱電偶的測量上限，傳統(tǒng)熱電偶已無法滿足測量要求。雖然鎢錸熱電偶測量上限能達到2300℃，但由于只能用于還原性、惰性或真空氣氛環(huán)境中，而且其穩(wěn)定性和重復性較差，無法滿足需要。因此，迫切需要研制適于1800℃以上并在氧化性氣氛中使用的熱電偶。

銥銠熱電偶材料在氧化性氣氛中可以使用到2000℃以上，也可適用于真空、惰性氣氛，而且其電勢與溫度有很好的線性關系，已在高溫測量中得到了應用。但由于常規(guī)銥銠-銥熱電偶的負極材料為純金屬銥，脆性較大，機械性能差，在測量氣流溫度時難以承受氣流沖擊，因此限制了其應用。而銥銠合金在高溫下其機械性能較銥有明顯提高，因此本文提出采用雙銥銠合金熱電偶測量高溫氣流溫度的方法，在高溫強度方面明顯優(yōu)于銥銠-銥熱電偶，盡管其熱電勢較小，但通過采取高精度的電測設備實現(xiàn)精確測量，能夠滿足高溫氣流的測溫需求。

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

在元素周期表中，銥屬于鉑族元素。鉑族金屬中銥的耐熱性最差。銥在600 ～700 ℃開始氧化，形成氧化物，表現(xiàn)為重量增加現(xiàn)象，但在1000℃或更高溫度以上時，由于銥的氧化物揮發(fā)，反而出現(xiàn)重量減小現(xiàn)象，因此其高溫下的耐熱性能可由高溫揮發(fā)失重來衡量。表1 是不同含量銥銠合金在高溫下的失重情況，由表中數(shù)據(jù)可知，銠含量的增加使銥銠合金失重減小，大大改進了銥的耐熱性，因此銥銠合金的耐熱性較純銥好。

1.2 Ir-Rh 合金的熱電特性

銥銠合金中銠的含量對其熱電特性尤為重要，在這方面前人進行了很多研究。根據(jù)圖1 可知，含銠量40% ～60%的合金與銥配成的熱電偶熱電勢較大，靈敏度高，在很寬的溫度范圍內熱電特性線性較好。含銠量10%的銥銠合金對銥的熱電勢信號較小，但其線性也很好。

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

因此，在雙銥銠熱電偶材料選擇中，正極選擇含銠量40% ～60%比重較為合適，可以得到較大的電勢輸出。負極選用含銠量10%的銥銠合金。其原因主要有:①含銠量大于10%的銥銠合金比純金屬銥容易加工成絲，且韌性大大提高;②與含銠量40% ～60%的銥銠合金配對可得到更大的熱電勢;③考慮到銥相比銠價格便宜，且熔點更高，銥銠合金中盡可能降低銠含量，可適當降低成本，提高其使用溫度?；谏鲜隹紤]，本研究選用的銥銠熱電偶正極為IrRh40，負極為IrRh10。

2 IrRh40-IrRh10 熱電偶熱電性能試驗

2.1 熱電性能試驗方法

本文在500 ～2000 ℃范圍內對IrRh40-IrRh10 熱電偶的熱電特性進行了試驗和驗證。由于1500℃以上沒有標準熱電偶，所以在1500℃以下采用了臥式檢定爐，用標準鉑銠10-鉑熱電偶和鉑銠30-鉑銠6 熱電偶為標準器，參照JJG141-2013《工作用貴金屬熱電偶》進行校準。

在1500℃以上采用立式高溫熱電偶校準裝置，以光電高溫計為標準器進行校準。參照ASTM 的E452-02(2007)《Standard Test Method for Calibration of Refractory Metal Thermocouples Using a Radiation Thermometer》的測試方法，該方法適合一些特殊類型高溫熱電偶的校準。為了保證校準結果可靠，在實際試驗時從1400℃開始，并與臥式檢定爐的結果在1400℃和1500℃進行了比較驗證。

圖2 高溫爐體剖面圖

立式高溫熱電偶校準裝置由中航工業(yè)計量所研制建立，主要包括高溫爐體、真空系統(tǒng)、充氣系統(tǒng)、水冷裝置、溫度自動控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等幾個部分。高溫爐體的結構如圖2所示。熱電偶從上端懸置于保護管內，測量端位于爐體中部的均勻溫區(qū)，在保護管的側面開有一個小型黑體腔，通過爐體側面的石英窗口用標準光電高溫計測量爐體中心區(qū)的溫度。通過數(shù)據(jù)采集器采集被測熱電偶的電勢值，與標準光電高溫計的標準溫度值進行比較，得到熱電偶的示值誤差。

2.2 熱電性能試驗結果

根據(jù)上述方法得到IrRh40-IrRh10 熱電偶的熱電勢輸出結果，如表2所示。

表2 IrRh40-IrRh10 熱電偶的熱電勢輸出

經分析，采用臥式爐校準時，其校準結果不確定度在1 ～2.3 ℃左右;采用立式裝置校準時，校準結果不確定度在0.6% t 以內(在校準溫度范圍內為8 ～12 ℃)。從表2 可以看出，兩種方法在1400℃和1500℃時結果差異在3℃以內，表明試驗結果是可靠的。另外從試驗結果可以看出，IrRh40-IrRh10 熱電偶在500 ～2000 ℃范圍內，熱電勢在1.2 ～5.9 mV 之間，微分電勢在2.9 ～3.4μV/℃之間，具有較好的線性，特別是在1400℃以下時，線性非常好。雖然與標準分度熱電偶或銥銠-銥熱電偶相比，其輸出電勢較小，但由于目前電測設備性能不斷提高，選用高精度的電測設備，是可以滿足測量要求的。

3 IrRh40-IrRh10 熱電偶的應用實例

為滿足某型號發(fā)動機的高溫測量要求，利用Ir-Rh40-IrRh10 熱電偶制作了氣流溫度傳感器。首先對Ir-Rh40-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ZrO2鍍膜處理，以避免熱電偶在測量還原氣氛的高溫燃氣時產生催化效應。經上述處理后將偶絲裝入雙孔氧化鎂絕緣管并一起裝入保護殼中，偶絲與絕緣瓷管之間、絕緣瓷管與保護殼之間均填充高溫粘結劑。

為與傳統(tǒng)的銥銠-銥熱電偶進行比較，選用了Ir40Rh-Ir 熱電偶材料利用同樣的工藝制作了氣流溫度傳感器，在高溫熱校準風洞上進行吹風試驗，結果該熱電偶在試驗中負極斷裂損壞，而IrRh40-IrRh10 高溫傳感器未出現(xiàn)異常，表明IrRh40-IrRh10 適合于高溫氣流的溫度測量。基于以上研究，中航工業(yè)計量所申請了“一種增韌型的高溫銥銠熱電偶”專利，在高溫氣流溫度測量中有較好的應用前景。

4 結論

研究表明，IrRh40-IrRh10 熱電偶與銥銠-銥熱電偶相比，具有較好的高溫機械性能，適合于高溫氣流等惡劣環(huán)境下溫度測量。試驗表明，在500 ～2000℃范圍內，熱電勢在1.2 ～5.9mV 之間，微分電勢在2.9 ～3.4μV/℃之間，具有較好的線性，利用高精度電測儀器可以實現(xiàn)高溫氣流溫度的精密測量，在武器裝備研制試驗和科學研究中具有較好的應用前景。

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