航空用貴金屬套管鎧裝熱電偶

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(jīng)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(jī)械強(qiáng)度高，耐沖擊、振動(dòng)、地震等，適用于高溫、高壓、沖擊、振動(dòng)等環(huán)境。根據(jù)鎧裝體內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)，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(jí)除Ⅰ、Ⅱ級(jí)外，專門增加了P（普通）級(jí)，允差為0.5%t，且對(duì)其穩(wěn)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(kuò)散，改變貴金屬偶絲的成分，導(dǎo)致熱電勢(shì)漂移，引起測(cè)量誤差[1]，精度難以保持，穩(wěn)定性不理想，使用溫度上限與廉金屬鎧裝熱電偶相比優(yōu)勢(shì)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(yīng)用受到限制。
針對(duì)航空領(lǐng)域高可靠使用要求，采用鉑銠合金作為外套管材料，參考了雙支式貴金屬套管鎧裝熱電偶，在選材、工藝以及精度、長(zhǎng)期穩(wěn)定性等方面開展研究和驗(yàn)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。在鎧裝熱電偶除了套管材料的高溫強(qiáng)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(shù)差異過大，受熱產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，引起測(cè)量誤差。由于外套管及熱電極均為鉑銠材料，不存在化學(xué)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(qiáng)度較低，易受自身重量或高溫沖擊、振動(dòng)而致?lián)p壞，在鉑中添加銠元素可以提高材料的高溫強(qiáng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(hù)套管材料、絕緣材料的膨脹率與溫度關(guān)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(qiáng)度、材料匹配等要求，同時(shí)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(dòng)勢(shì)滿足GB/T1598中Ⅱ級(jí)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(wěn)定性，套管及偶絲均經(jīng)過嚴(yán)格清洗；采用控制燒結(jié)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(shí)造成絕緣柱缺損。根據(jù)PtRh20合金的抗拉強(qiáng)度與加工率、退火溫度與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系[4]，以及表2外套管、偶絲的延伸率等，優(yōu)化制備工藝。
四、性能驗(yàn)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(yán)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(duì)3支貴金屬套管鎧裝熱電偶的熱電勢(shì)精度進(jìn)行測(cè)量，裝爐時(shí)通過焊接前熱接點(diǎn)位置的標(biāo)注，確保標(biāo)準(zhǔn)偶熱接點(diǎn)與鎧裝熱偶內(nèi)部熱接點(diǎn)處于同一徑向截面上，減少測(cè)量端位置不正確對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果帶來的影響[5]，檢定結(jié)果見表4。偏差均小于±0.25%t的Ⅱ級(jí)精度允差要求。
3、長(zhǎng)期穩(wěn)定性
       將貴金屬套管鎧裝熱電偶樣品在1100℃±50℃進(jìn)行250h穩(wěn)定性試驗(yàn)，并分別在100h、200h、250h對(duì)1084.62℃溫度點(diǎn)對(duì)熱電勢(shì)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表5。試驗(yàn)前后熱電勢(shì)最大變化為1.31℃。其穩(wěn)定性優(yōu)于GB/T30429-2013工業(yè)熱電偶[6]對(duì)裝配式貴金屬熱電偶熱電勢(shì)變化不大于1.5℃或0.0025tmax的穩(wěn)定性要求。

4、壓實(shí)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(jīng)檢測(cè)，貴金屬套管鎧裝熱電偶氧化鎂壓實(shí)密度為2889mg/cm3，大于氧化鎂理論壓實(shí)密度的80%，高于協(xié)議規(guī)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(yàn)電壓250V，結(jié)果見表6。

試驗(yàn)結(jié)果滿足協(xié)議要求。
       根據(jù)參考文獻(xiàn)，絕緣電阻為0.1MΩ，將引入0.04%的熱電勢(shì)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(shì)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(shì)檢定

1500℃熱電勢(shì)檢定結(jié)果見表7，試驗(yàn)表明可滿足2級(jí)精度要求。
五、結(jié)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(wěn)定性差，使用溫度受限等不足。重慶材料研究院的貴金屬套管鎧裝熱電偶材料匹配性好，精度達(dá)到±0.25%t；在1100℃、250h穩(wěn)定性試驗(yàn)后，熱電勢(shì)漂移小于1.5℃；套管內(nèi)絕緣材料壓實(shí)密度、高溫絕緣電阻性能良好，可滿足航空領(lǐng)域高性能要求。