IrRh40-IrRh10高温热电偶热电性能及应用研究

刘丹英，张贺，吕国义

(中航工业北京长城计量测试技术研究所，北京100095)

0 引言

航空发动机及导弹等武器装备的气流温度是一个重要参量，对准确评价其技术指标和可靠性有重要意义。目前，很多型号在研制试验中需要测量的气流温度已超过1800℃，而且需要在氧化条件下进行测量，这已大大超过传统标准分度的高温热电偶的测量上限，传统热电偶已无法满足测量要求。虽然钨铼热电偶测量上限能达到2300℃，但由于只能用于还原性、惰性或真空气氛环境中，而且其稳定性和重复性较差，无法满足需要。因此，迫切需要研制适于1800℃以上并在氧化性气氛中使用的热电偶。

铱铑热电偶材料在氧化性气氛中可以使用到2000℃以上，也可适用于真空、惰性气氛，而且其电势与温度有很好的线性关系，已在高温测量中得到了应用。但由于常规铱铑-铱热电偶的负极材料为纯金属铱，脆性较大，机械性能差，在测量气流温度时难以承受气流冲击，因此限制了其应用。而铱铑合金在高温下其机械性能较铱有明显提高，因此本文提出采用双铱铑合金热电偶测量高温气流温度的方法，在高温强度方面明显优于铱铑-铱热电偶，尽管其热电势较小，但通过采取高精度的电测设备实现精确测量，能够满足高温气流的测温需求。

1 Ir-Rh 合金的机械性能及热电特性

1.1 Ir-Rh 合金的耐热性能

在元素周期表中，铱属于铂族元素。铂族金属中铱的耐热性最差。铱在600 ～700 ℃开始氧化，形成氧化物，表现为重量增加现象，但在1000℃或更高温度以上时，由于铱的氧化物挥发，反而出现重量减小现象，因此其高温下的耐热性能可由高温挥发失重来衡量。表1 是不同含量铱铑合金在高温下的失重情况，由表中数据可知，铑含量的增加使铱铑合金失重减小，大大改进了铱的耐热性，因此铱铑合金的耐热性较纯铱好。

1.2 Ir-Rh 合金的热电特性

铱铑合金中铑的含量对其热电特性尤为重要，在这方面前人进行了很多研究。根据图1 可知，含铑量40% ～60%的合金与铱配成的热电偶热电势较大，灵敏度高，在很宽的温度范围内热电特性线性较好。含铑量10%的铱铑合金对铱的热电势信号较小，但其线性也很好。

表1 2000℃保温1 小时后铱铑合金的失重与铑含量的关系

图1 不同含量和不同温度下铱铑合金的热电特性

因此，在双铱铑热电偶材料选择中，正极选择含铑量40% ～60%比重较为合适，可以得到较大的电势输出。负极选用含铑量10%的铱铑合金。其原因主要有:①含铑量大于10%的铱铑合金比纯金属铱容易加工成丝，且韧性大大提高;②与含铑量40% ～60%的铱铑合金配对可得到更大的热电势;③考虑到铱相比铑价格便宜，且熔点更高，铱铑合金中尽可能降低铑含量，可适当降低成本，提高其使用温度。基于上述考虑，本研究选用的铱铑热电偶正极为IrRh40，负极为IrRh10。

2 IrRh40-IrRh10 热电偶热电性能试验

2.1 热电性能试验方法

本文在500 ～2000 ℃范围内对IrRh40-IrRh10 热电偶的热电特性进行了试验和验证。由于1500℃以上没有标准热电偶，所以在1500℃以下采用了卧式检定炉，用标准铂铑10-铂热电偶和铂铑30-铂铑6 热电偶为标准器，参照JJG141-2013《工作用贵金属热电偶》进行校准。

在1500℃以上采用立式高温热电偶校准装置，以光电高温计为标准器进行校准。参照ASTM 的E452-02(2007)《Standard Test Method for Calibration of Refractory Metal Thermocouples Using a Radiation Thermometer》的测试方法，该方法适合一些特殊类型高温热电偶的校准。为了保证校准结果可靠，在实际试验时从1400℃开始，并与卧式检定炉的结果在1400℃和1500℃进行了比较验证。

图2 高温炉体剖面图

立式高温热电偶校准装置由中航工业计量所研制建立，主要包括高温炉体、真空系统、充气系统、水冷装置、温度自动控制系统、数据采集系统等几个部分。高温炉体的结构如图2所示。热电偶从上端悬置于保护管内，测量端位于炉体中部的均匀温区，在保护管的侧面开有一个小型黑体腔，通过炉体侧面的石英窗口用标准光电高温计测量炉体中心区的温度。通过数据采集器采集被测热电偶的电势值，与标准光电高温计的标准温度值进行比较，得到热电偶的示值误差。

2.2 热电性能试验结果

根据上述方法得到IrRh40-IrRh10 热电偶的热电势输出结果，如表2所示。

表2 IrRh40-IrRh10 热电偶的热电势输出

经分析，采用卧式炉校准时，其校准结果不确定度在1 ～2.3 ℃左右;采用立式装置校准时，校准结果不确定度在0.6% t 以内(在校准温度范围内为8 ～12 ℃)。从表2 可以看出，两种方法在1400℃和1500℃时结果差异在3℃以内，表明试验结果是可靠的。另外从试验结果可以看出，IrRh40-IrRh10 热电偶在500 ～2000 ℃范围内，热电势在1.2 ～5.9 mV 之间，微分电势在2.9 ～3.4μV/℃之间，具有较好的线性，特别是在1400℃以下时，线性非常好。虽然与标准分度热电偶或铱铑-铱热电偶相比，其输出电势较小，但由于目前电测设备性能不断提高，选用高精度的电测设备，是可以满足测量要求的。

3 IrRh40-IrRh10 热电偶的应用实例

为满足某型号发动机的高温测量要求，利用Ir-Rh40-IrRh10 热电偶制作了气流温度传感器。首先对Ir-Rh40-IrRh10 热电偶偶丝进行退火消除应力，然后采用磁控溅射方法对偶丝表面进行ZrO2镀膜处理，以避免热电偶在测量还原气氛的高温燃气时产生催化效应。经上述处理后将偶丝装入双孔氧化镁绝缘管并一起装入保护壳中，偶丝与绝缘瓷管之间、绝缘瓷管与保护壳之间均填充高温粘结剂。

为与传统的铱铑-铱热电偶进行比较，选用了Ir40Rh-Ir 热电偶材料利用同样的工艺制作了气流温度传感器，在高温热校准风洞上进行吹风试验，结果该热电偶在试验中负极断裂损坏，而IrRh40-IrRh10 高温传感器未出现异常，表明IrRh40-IrRh10 适合于高温气流的温度测量。基于以上研究，中航工业计量所申请了“一种增韧型的高温铱铑热电偶”专利，在高温气流温度测量中有较好的应用前景。

4 结论

研究表明，IrRh40-IrRh10 热电偶与铱铑-铱热电偶相比，具有较好的高温机械性能，适合于高温气流等恶劣环境下温度测量。试验表明，在500 ～2000℃范围内，热电势在1.2 ～5.9mV 之间，微分电势在2.9 ～3.4μV/℃之间，具有较好的线性，利用高精度电测仪器可以实现高温气流温度的精密测量，在武器装备研制试验和科学研究中具有较好的应用前景。

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