熱電偶失效機(jī)理及其在熱處理爐測試中的應(yīng)用

摘要:從熱電偶的材料、使用環(huán)境和使用方法等方面對熱電偶的失效機(jī)理進(jìn)行了分析，針對熱處理爐溫場測試中的高精度要求，解釋了AMS2750<《高溫測量法》標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)要求，指出了--些熱處理爐溫場測試中需要注意的問題并給出相應(yīng)的建議.
0前言
　　隨著新材料和新工藝的不斷發(fā)展，對熱處理爐性能的要求也越來越高，這就要求對熱處理爐的控制精度和溫場分布進(jìn)行準(zhǔn)確測量和評價。航空企業(yè)近二十年來對熱處理爐進(jìn)行溫度均勻性測試的主要依據(jù)是HB5425-89<航空制件熱處理爐有效加熱區(qū)測定方法》，而對外貿(mào)轉(zhuǎn)包生產(chǎn)業(yè)務(wù)的企業(yè)，要依據(jù)美國標(biāo)準(zhǔn)AMS2750<高溫測量法》進(jìn)行測試。
　　在熱處理爐的測試中，溫度測量采用熱電偶溫度傳感器。正確選型和使用溫度傳感器對測試結(jié)果至關(guān)重要。HB5425-89對測試使用的熱電偶要求很不具體，而AMS2750對使用的熱電偶傳感器的類型、等級、使用溫度、使用次數(shù)等都作了明確要求，對保證測試的質(zhì)量有很大作用。由于熱電偶種類繁多，在使用過程中影響測量的因素也比較多，因此本文在總結(jié)熱電偶溫度傳感器的特點(diǎn)和機(jī)理的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同類型熱處理爐測試的要求，提出和解釋了一些在測試過程中需要注意的問題和解決方法,以保證測試的質(zhì)量。
1熱電偶失效機(jī)理
　　這里所指的“失效”,有兩層含義:一是指熱電偶在使用過程中性能下降，測量偏差增大,給測量結(jié)果帶來較大誤差;二是指熱電偶在使用過程中發(fā)生損壞或故障，不能正常工作。由于前者有更大的隱蔽性，難以在使用過程中發(fā)現(xiàn)，所以對測試的質(zhì)量有更大的影響。對熱電偶的失效機(jī)理進(jìn)行分析,可以避免在測試過程中由于熱電偶的失效引起的測試誤差。
1.1使用氣氛的影響
　　對熱處理爐來說，可以有氧化氣氛、中性氣氛、還原氣氛和真空環(huán)境。氧化氣氛--般是指在空氣條件.下，如箱式電阻爐。對充氣電阻爐，如果充入惰性氣體(如N2)則為中性氣氛，如果充入H2等還原性保護(hù)氣體則為還原性氣氛。
　　對于常用的K型熱電偶，由于在氧化氣氛下熱電極絲表面形成致密的Cr2O3保護(hù)膜，對其內(nèi)部合金具有很好的保護(hù)作用，所以適合在氧化氣氛下使用。在氧分壓較低的情況下,鎳鉻極中的鉻會發(fā)生選擇性氧化，使表面出現(xiàn)綠色的氧化層,導(dǎo)致熱電勢超差。在中性氣氛下，由于沒有鉻的氧化作用，可以延長熱電偶的使用壽命。但是，如果熱電偶絲的表面上已有氧化層時，仍會導(dǎo)致鉻的選擇性氧化。在還原性氣氛中，高溫下滲碳和鉻的選擇性氧化導(dǎo)致鉻濃度降低，是K型熱電偶劣化的主要原因，鎳鉻極表面因游離碳析出,而發(fā)生龜裂和表層脫落,內(nèi)部氧化也隨著迅速進(jìn)行,鉻:的濃度明顯降低，并使偶絲變脆,很快就會發(fā)生開路故障。對鎧裝熱電偶，由于密封的套管內(nèi)部含氧量不足,因此，在其他條件相同的情況下，比空氣條件下失效要快，套管內(nèi)有水蒸汽的情況尤其嚴(yán)重，因?yàn)樗羝芗铀冁囥t合金的氧化。
　　對于S型貴金屬熱電偶，在氧化氣氛和中性氣氛下能安全使用。在高溫真空條件下，裸露的S型熱電偶的鉑極易受銠蒸氣污染引起熱電動勢降低，引起測溫偏差。在還原氣氛下，H或者碳(碳化物)易在高溫下同鉑反應(yīng)，使熱電偶絲變脆而損壞，因此，不宜在還原氣氛下使用。
1.2偶絲材料受到污染或其本身的成分偏析的影響
　　對廉金屬熱電偶，為了保證其熱電特性往往要添加不同成分，而貴金屬熱電偶除了要求熱電特性符合分度表的要求外，往往對材料的純度還有要求，因此,貴金屬熱電偶有更好的穩(wěn)定性，但是也更容易受到外界雜質(zhì)的污染。如果保護(hù)套管材料或使用環(huán)境中的耐火材料中含有Se,P,S,As,Pb,AL,Zn,Cd,Sn等元素的化合物，這些化合物會被還原性氣體還原，同Pt生成化合物或低熔點(diǎn)合金，致使Pt迅速變脆或斷線。此外可污染Pt的金屬還有Ni,Fe,Cu,Co,Cr,Mn等、它們將影響貴金屬熱電偶的熱電勢。
　　用各種不銹鋼作為套管的鎧裝貴金屬熱電偶進(jìn)行失效機(jī)理分析表明，鎳、鉻、錳元素的污染主要來自于套管材料，而鐵、鋁、鎂的污染主要來自于鎧裝熱電偶填充的MgO絕緣材料。這種污染對傳感器性能有致命的影響，有數(shù)據(jù)表明某種小直徑的不銹鋼套管s型鎧裝偶在1305℃下保溫，20min內(nèi)溫度向下漂移了將近6℃.
1.3偶絲不均勻造成的影響
　　根據(jù)熱電偶的測溫原理，如果熱電偶單極材料成分不均勻，則沿?zé)犭娕挤较虻臏囟忍荻葘y量結(jié)果會有影響，并且這種影響與溫度梯度的分布有關(guān)。偶絲不均勻的來源有兩方面:--是生產(chǎn)加工過程導(dǎo)致的電極材料不均勻;二是使用過程中由于成分偏析、晶型變化或外界污染導(dǎo)致的不均勻。對于前者可以在工藝上進(jìn)行控制，也可以對成批偶絲抽樣測試，避免不均勻性對測量的影響。對于后者，由于其不均勻性與使.用的條件有關(guān)，不確定性很大,對測量結(jié)果的影響難以事先評估，是應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注的。
　　試驗(yàn)表明,熱電偶使用中造成的不均勻性與套管、氣氛以及溫度梯度等因素有關(guān)。比如，用瓷珠絕緣的裸絲熱電偶，由于瓷珠之間的縫隙，可以在偶絲上形.成與瓷珠等長度的周期性不均勻分布;又如對于測量真空爐的S型熱電偶，由于在輻射屏的內(nèi)外有較大的溫度梯度，使用一-段時間后會在該處形成不均勻區(qū)域。有時熱電偶的正常分度或校準(zhǔn)也會造成不均勻性,因此，這樣分度的熱電偶在使用時就會造成測溫誤差。比如對于K型的鎧裝熱電偶，在插入爐內(nèi)-一定深度下分度后，再將熱電偶拉出一定距離重新分度，兩次分度的結(jié)果就有差異，甚至達(dá)到了幾度。同樣的道理，在一定的插入深度下分度后，使用時插入深度或溫度梯度有變化，如果采用分度的修正值進(jìn)行修正，也將產(chǎn)生一定的測量誤差。
1.4偶絲材料晶型及晶粒大小的影響
　　熱電偶的熱電特性與偶絲材料的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)，晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化后會影響熱電偶的性能。對K型熱電偶，其正極的鎳和鉻原子在600℃以下是有序的，在600℃以上處于無序態(tài)。有序態(tài)形成的速率和范圍，隨時間、溫度的不同而不同，從0~600℃,因有序無序轉(zhuǎn)變而引起的測量誤差約為被測溫度的1.1%。因此退火或分度對K型熱電偶的穩(wěn)定性有較大影響。
　　偶絲材料的微觀結(jié)構(gòu)都是小晶粒組成的，晶粒之間的晶界具有很高的表面能，因此在晶界上更容易發(fā)生一些反應(yīng)，使材料成分發(fā)生偏析和污染。另外，產(chǎn)生應(yīng)變和經(jīng)受加工的晶粒容易再結(jié)晶，由于較大的晶粒的表面能下降，因此越大的晶粒更容易長大。由于在大晶粒的邊界處各種成分的選擇性氧化或偏析，偶絲變脆而容易折斷。對小直徑的熱電偶，有時晶粒尺寸與其直徑相當(dāng),這時偶絲就很容易斷裂。
1.5熱電偶傳感器使用中機(jī)械應(yīng)力的影響
　　對于鎧裝熱電偶，由于套管材料、MgO絕緣材料和偶絲材料之間熱膨脹系數(shù)不一致，因此在溫度升高時其膨脹量也不一致，熱電偶絲可能受到拉力的作用被伸長。雖然這種應(yīng)變不至于使偶絲產(chǎn)生塑性變形,但其產(chǎn)生的應(yīng)力可能會使熱電極在薄弱點(diǎn)或應(yīng)力集中點(diǎn)發(fā)生斷裂。這種情況在熱電偶長期急冷急熱的情況下更為嚴(yán)重。
　　接殼型熱電偶不同于絕緣型熱電偶之處，是偶絲焊入套管末端的焊珠上。這樣，接殼型熱電偶的偶絲固定在套管的端部，熱電極與套管之間熱膨脹的差異使偶絲產(chǎn)生應(yīng)力，因此接殼型熱電偶在該部位更容易出現(xiàn)故障。
2熱電偶在熱處理爐測試中應(yīng)注意的問題
　　為保證熱處理爐測試結(jié)果可靠，就需要針對使用的熱電偶傳感器，在選型、校準(zhǔn)和使用方法上十分注意，以保證傳感器在測試過程中能保持所要求的性能。
2.1熱電偶傳感器的校準(zhǔn)
　　前面提到，熱電偶在分度時，可能會造成偶絲的不均勻和高溫下的晶型轉(zhuǎn)變，從而得到不可靠的修正值，因此對于K型或B型等易耗型熱電偶，要特別注意。AMS2750D規(guī)定，K型和E型熱電偶在500F(260C)以上溫度使用時，禁止重復(fù)校準(zhǔn)，而且在最高校準(zhǔn)溫度以.上和最低校準(zhǔn)溫度以下,不允許外推校準(zhǔn)修正值，就是出于這樣的考慮。
　　對于成卷的偶絲，材料的特性基本相同，因此可以采用抽樣校準(zhǔn)的方法來得到同一卷材料制成的熱電偶的修正值。這種方法引起的誤差，甚至要小于由于對新制成的熱電偶校準(zhǔn)引起的熱電特性漂移。AMS2750D推薦了這種方法，并且明確了抽樣方法和修正值的確定方法。
2.2選用穩(wěn)定性好的熱電偶
　　與K型熱電偶相比，N型熱電偶均呈現(xiàn)了良好的長期穩(wěn)定性。主要是因?yàn)?①在N型熱電偶的正極中增加Cr,Si含量，使鎳鉻合金的氧化模式由內(nèi)氧化轉(zhuǎn)變成外氧化，致使氧化反應(yīng)僅在表面進(jìn)行;②在負(fù)極中增添溶質(zhì)元素Mg與Si,盡管si含量增大要降低熱電動勢，但可使金屬與氧化物間的鈍化膜更加致密。.Mg與Si擇優(yōu)氧化形成擴(kuò)散勢壘，阻止綠蝕”現(xiàn)象向內(nèi)部擴(kuò)散，可以進(jìn)一步抑制氧化發(fā)生。因此，N型熱電偶的高溫穩(wěn)定性與使用壽命較目前常用的K型熱電偶明顯提高。
　　目前，N型熱電偶在國外得到了廣泛的應(yīng)用，而國內(nèi)應(yīng)用較少。但在測量要求較高的場合，還是應(yīng)優(yōu)先選用N型熱電偶。
2.3關(guān)于易耗型熱電偶重用的問題
　　為了降低成本，在測試時希望能重復(fù)使用熱電偶,但為了保證測量結(jié)果可靠，重復(fù)使用是有條件的。AMS2750D規(guī)定:
1)當(dāng)使用溫度超過500'F(260℃)時，K型和E型熱電偶重復(fù)使用，插入的深度要等于或大于前次插入深度。
2)絕緣層不完整和偶絲熱損壞的熱電偶禁止再使用。如果把有問題的部分(K型和E型偶暴露在500F(260C)，上的部分)剪掉，熱端重新焊接,并且重新校準(zhǔn)、修理后也可以再使用。
3)規(guī)定了易耗型熱電偶的最大使用次數(shù)。對K型熱電偶，超過980'C時，只能使用一次。在650~980℃下使用時，每使用一-次折合成650℃下兩次使用，累計折合使用次數(shù)不超過30次。
2.4真空爐和氣氛保護(hù)爐的測試
　　真空爐和氣氛保護(hù)爐，由于要與外界大氣環(huán)境隔絕，增加了熱電偶引線的難度。包括熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線的回路中所有的連接器，插孔、插座等接插件的熱電特性要與使用的熱電偶一致。
　　為避免氣氛的影響，最好使用鎧裝熱電偶。近幾.年隨著高溫爐的不斷發(fā)展，對鎧裝貴金屬熱電偶的需求越來越多。為降低成本，很多鎧裝貴金屬熱電偶的套管都使用高溫合金鋼材料，但這樣會導(dǎo)致貴金屬偶絲迅速失效。為保證傳感器性能穩(wěn)定，應(yīng)該使用貴金屬合金作套管材料，選用高純度的絕緣材料，并且在加工時要注意清潔和干燥，避免引入雜質(zhì)。雖然這樣制作的傳感器價格昂貴,但如果很多材料回收加工，在有些情況下也是可以接受的。
3結(jié)束語
　　熱處理爐測試是測量精度要求很高的一項(xiàng)工作，但與實(shí)驗(yàn)室計量工作不同的是，其工作場合在工業(yè)現(xiàn)場，使用條件和環(huán)境條件都很惡劣。要想得到準(zhǔn)確可靠的測量結(jié)果，對測試用的熱電偶傳感器和測試方法應(yīng)嚴(yán)格規(guī)范，而目前依據(jù)的測試標(biāo)準(zhǔn)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際工作的要求。從熱電偶的失效基理入手，參照國外相關(guān)資料，并根據(jù)實(shí)際測試要求，制訂相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是迫在眉睫的一項(xiàng)工作。