Термопара Советский патент 1992 года по МПК G01K7/02 

Изобретение относится к области измерения высоких температур с использованием термоэлектрических датчиков, в частности, к выбору материалов термопар, предназначенных дня эксплуатации в окислительных средах.

Известна термопара на основе неблагородных металлов, один термоэлектрод которой выполнен из сплава на основе железа, а другой термоэлектрод - из сплава на основе никеля 1. Ее недостатком является возможность эксплуатации не выше 1300°С.

Известна термопара на основе неблагородных металлов для работы в окислительных средах при температурах до 1400°С, отрицательный термоэлектрод которой выполнен из сплава на основе железа, содержащего в % мае,: хром 18-31, алюминий 3-8, по крайней мере один элемент из группы, включающей кобальт, титан, ниобий, - 0,05-2,2, а положительный термоэлектрод выполнен из сплава на основе хрома, содержащего по крайней мере один элемент из группы, включающей ванадий, титан, тантал, рений, в количестве0,05-2,2% мае. При этом один или оба электрода могут содержать дополнительно по крайней мере один элемент из группы, включающей иттрий, лантан, церий, бор. в количестве 0,005-2% мае. 2,

Недостатком известной термопары является низкая вибростойкость, ограничивающая возможность ее использования для измерения температур объектов, работающих в условиях высокочастотной вибрации. Этот недостаток, вероятно, связан с охруп- чиванием термоэлектродов в процессе эксплуатации.

Целью изобретения является повышение вибростойкости при работе в окислительных средах.

В предлагаемой термопаре поставленная цел ь достигается тем, что ее отрицательный термоэлектрод выполнен из сплава на основе железа, содержащего хром, алюминий, титан, ниобий и дополнительно окись иттрия при следующем соотношении компонентов, % мае.: хром 15-27: алюминий 3,5со

с

-ч о со ю о ел

8; титан 0,1-0,6, ниобий 0,1-0,8; окись иттрия 0,2-1,5; железо - остальное, а положительный термоэлектрод выполнен из сплава на основе никеля, содержащего хром в количестве 16-21 мас.% и по крайней мере один окисел из группы, содержащей УгОз, Zr02, HfC/2, в количестве 0,5-4 мас.%.

При содержании в отрицательном термоэлектроде хрома менее 15%, алюминия менее 3,5%, титана и ниобия менее 0,1% каждого и окиси иттрия менее 0,2% вибростойкость снижается, возможно, вследствие снижения структурной стабильности и повышения окисляемости: при содержании хрома более 27%, алюминия более 8%, титана более 0,6%, ниобия более 0,8% и окиси иттрия более 1,5% вибростойкость также снижается, вероятно, из-за появления новых фазовых составляющих.

При содержании в положительном термоэлектроде хрома менее 16% и тугоплавких окислов менее 0,5% вибростойкость снижается, возможно, из-за проявления ин- теркристаллитного окисления; при содержании хрома более 21% и тугоплавких окислов более 4% вибростойкость снижается, возможно, из-за ухудшения релаксационных свойств.

Предлагаемая термопара развивает ТЭДС 2,2-2,6 мВ при 100°С, 8,3-8,4 мВ при 500°С, 14,9-15,2 мВ при 1000°С, 18,2-18,5 мВ при 1400°С. По величине и стабильности ТЭДС и по температурному уровню эксплуатации предлагаемая термопара не уступает термопаре-прототипу, превосходя последнюю по вибростойкости.

Изобретение осуществляется следующим образом. Для приготовления отрицательных термоэлектродов в виде проволоки смесь порошков железа, хрома, железо- алюминиевой лигатуры (в весовом соотношении 55:45), титана, ниобия и окиси иттрия, взятую в расчетном весовом соотношении, подвергают механическому легированию в зттриторе в среде аргона. Полученный порошок засыпают в стальные капсулы, которые герметизируют под вакуумом и экструдируют на прутки при температуре 1100°С с вытяжкой 20:1. Прутки прокатывают в калибрах при 800-1000°С до диаметра 8 мм, после чего химически стравливают технологическую оболочку и проводят холодное волочение с промежуточными отжигами при 100°С после обжатий на 15- 20% до получения проволоки диаметром 1,2 мм.

Для приготовления положительных термоэлектродов в виде проволоки химическим соосаждением из растворов азотнокислых солей с последующей сушкой, термическим

разложением и селективным водородным восстановлением получают порошки никеля с диспергированными в них частицами тугоплавких окислов; эти порошки смешивают с

порошком хрома прессуют цилиндрические заготовки, которые после зачехления в стальные технологические оболочки и герметизации под вакуумом экструдируют при 1100°С с вытяжкой 16:1 на прутки диаметром 9 мм; после химического стравливания оболочки прутки волочат вхолодную с промежуточными отжигами при 1100°С после обжатий на 10-15% до диаметра 1,2 мм. Тарировку термопар ведут по образцовой платино-платинородиевой термопаре с использованием потенциометра класса 0,05.

Вибростойкость термопар определяют при замере или температуры образцов, испытывающихся на газодинамическом стенде с температурой до 1400°С при частоте 200 Гц и перегрузках 6,4 д. В тех же условиях испытывают термопару-прототип с отрицательным термозлектродом из проволоки состава (в % по массе). 24,5% хрома, 6,3% алюминия, 0,3% кобальта, 0,4% церия, 0,4% титана, железо - остальное и положительным термозлектродом из проволоки состава: 0,6% тантала, 0,5% лантана, 0,1% рения,

хром - остальное

Приведенные в таблице результаты испытаний подтверждают эффективность предлагаемой термопары на основе неблагородных металлов, которая не уступает

термопаре-прототипу по температурному уровню эксплуатации и величине ТЭДС, обеспечивая при этом по крайней мере трехкратное повышение числа циклов до разрушения при вибрационных нагрузках.

Применение предлагаемой термопары может обеспечить значительный экономический эффект за счет экономии и изъятия из оборота металлов платиновой группы.

Формула изобретения

Термопара с отрицательным термоэлектродом из сплава на основе железа, содержащего хром, алюминий, титан и ниобий, отличающаяся тем, что, с целью повышения вибростойкости при работе в окислительных средах, отрицательный термоэлектрод дополнительно содержит окись иттрия при следующем соотношении компонентов, мас.%: хром15-27;

алюминий3,5-8,0;

титан0,1-0,6;

ниобий0,1-0,8;

окись иттрия0,2-1,5;

железоостальное,

а положительный термоэлектрод выполнен из сплава на основе никеля, содержащего хром в количестве 16-21 мае. % и по крайней

мере один окисел из группы, содержащей У20з, ZrOa, НЮ2 в количестве 0,5-4,0 мае. %.

Сущность изобретения отрицательный термоэлектрод термопары на основе железа содержит, мас.%: хром 15-27. алюминий 3,5-8, титан 0,1-0,6, ниобий 0,1-0,8, окись иттрия 0,1-1,5. Положительный термоэлектрод выполнен из сплава на основе никеля, который содержит хром 16-21 мас,% и по крайней мере один окисел из группы: Y20.3, Zr02 Hf02 0,5-4 мае. %.1 табл.

т

Химический состав термоэлектродов, в % по массе

отрицательный

Сг 0, Г ZrO, Hi

положительный

20 20 20 15 27

|,50,3

6,50,1)

1)0,5

80,1

3,50.6

0,3 0,5 0,6 0,8 0,1

0,6 0,6

м

1,5 0,2

ост. ||

20 19 18 21 16

1,1 1,3 2,k 1,2

0.5- 1,5

Термопара - прототип

Тарировка при температуре холодного спая О С.

ТЭДС, мВ

1000°С ШО°С

Г ZrO, Hi

1,3 2,k 1,2

1,5

8,9-10 3,2-Ю5 6.Ы05

2,7 МО

5

лО