專利名稱：一種高穩(wěn)定性、低成本的高溫熱電偶的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及溫度傳感器技術領域，特別提供了一種高穩(wěn)定性、低成本的高溫熱電偶的制作方法。
背景技術：
溫度特別是在高溫環(huán)境下的精確測量是現(xiàn)代冶金、化工、熱處理和能源動力等工業(yè)部門健康運行的重要基礎之一，特別是對航空發(fā)動機和燃氣輪機熱端部件的安全和穩(wěn)定運行極其關鍵。工業(yè)上對高溫下溫度的精確測量大量使用的是金屬熱電偶[參見文獻林開華，熱電偶的測溫原理和基本定則，氮肥技術，2期(1995) 23-27]，常見金屬熱電偶的結構是一端連接的兩種不同成分的金屬或合金絲。常見金屬熱電偶的型號有E、J、K、N(K的改進型)、R、S、T等，可在600° C以上長期使用的為K、N、R、S、T型熱電偶。其中R、S、T型熱電偶高溫穩(wěn)定性較高，為貴金屬制成其價格較高，僅在溫度校準、高于1300° C以及特殊場合時使用。由于具有低廉的價格和一定的穩(wěn)定性，K型熱電偶(NiCr-NiSi)在工業(yè)上獲得了廣泛的使用，包括用于監(jiān)測火箭發(fā)動機管道和表面溫度[參見文獻李建軍，鎳鉻-鎳硅熱電偶特性分析與應用研究，火箭推進，36(2010)63-66]，以及航空發(fā)動機內各級壓縮機、渦輪和燃燒室的進氣和出氣溫度等。在過去，一臺試驗發(fā)動機上有20支熱電偶就已經被認為很多了 ；而現(xiàn)在，1000支熱電偶也許還不太夠[參見文獻D. Lieske, D. Way, Thermocouplesnearly 200 years old, still getting better, Industrial Heating, 76(2009)57-60];同時這些應用場合對熱電偶的高溫穩(wěn)定性和服役壽命要求也更加嚴格。傳統(tǒng)K型熱電偶為NilO%Cr-Ni3%Si (質量比)組成，高溫下NilO%Cr中的Cr發(fā)生擇優(yōu)氧化形成Cr2O3膜可在一定程度上降低其氧化速率，但在高于900° C的情況下Cr2O3揮發(fā)嚴重，保護性有限；而附3%51則難以形成保護性氧化膜，高溫氧化往往是K型熱電偶失效的主要原因[參見文獻諶立新，郭衛(wèi)芳，陳東，鎳鉻-鎳硅熱電偶老化失效機理初探，功能材料，42(2011) 1166-1168]。另外，擇優(yōu)氧化的發(fā)生引起合金成分改變，Cr含量的改變導致關系到熱電偶穩(wěn)定性的賽貝殼系數(shù)(Seebeck coefficient)發(fā)生改變,亦即引發(fā)熱電偶的熱電勢漂移，對溫度的測量帶來誤差[參見文獻N. A. Burley, Solute depletion andthermo-E. M. F. drift in nickel-base thermocouple alloys, Journal of the Instituteof Metals, 97 (I 969)252-254]。對K型熱電偶進行改進的N型熱電偶同樣具有較高的 氧化速率[參見文獻K. C. Sloneker，Life Expectancy Study of Small Diameter TypeEj Kj and NMineral-Insulated Thermocouples Above I 000° C in Air, InternationalJournal of Thermophysics, 32(20 11)537-547]。為延長K或N型熱電偶的壽命，通常的做法是釆用大直徑O Φ3πιιη)的偶絲，但這一措施對其高溫漂移的問題未能起到作用；而且在航空發(fā)動機內等存在高速氣流的場合下，要求熱電偶能夠作高速響應，小直徑甚至薄膜熱電偶無疑更能滿足這一要求[參見文獻D. Lieske, D. Way, Thermocouples nearly 200 years old, stillgetting better, Industrial Heating, 76 (2009) 57-60; S. K. Mukher jee，P. K. Barhaij S.Srikanth，Comparative evaluation of corrosion behaviour of type Kthin filmthermocouple and its bulk counterpart, Corrosion Science, 5 3(2011)2881-2893]。這種高速響應與長壽命以及高穩(wěn)定性要求之間的矛盾在傳統(tǒng)K或N型熱電偶身上突出的表現(xiàn)了出來。對此，N. A. Burley[參見文獻N. A. Burley, Thermocouples of enhancedstability, USPatent :US4834807, 1989]對K和N型熱電偶采用低氧壓處理以在偶絲表面形成選擇性氧化膜的方法在一定程度上改善了抗氧化性，但對高溫下熱電偶壽命的提高作用有限。工業(yè)界迫切需要一種抗高溫氧化性能更好同時穩(wěn)定性更高的低成本高溫熱電偶[參見文獻D. A. Barberree, The next generation of thermocouples for the turbineengine industry, Proceedings of the 48thAnnual International InstrumentationSymposium, ISA 420 (2002)·，SanDiego, CA]。本發(fā)明通過對傳統(tǒng)K或N型熱電偶進行滲鋁處理獲得優(yōu)異的抗高溫氧化性能，并通過后續(xù)氧化處理可獲得熱電勢的高穩(wěn)定性，進而得到一種高穩(wěn)定性低成本的高溫熱電偶。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為了解決當前通用的低成本K或N型熱電偶穩(wěn)定性低以及高溫(>900° C)壽命短的問題，按本方明所述方法可獲得一種高穩(wěn)定性、低成本的高溫熱電偶的制作方法。本發(fā)明的目的是通過下述技術方案實現(xiàn)的。一種高穩(wěn)定性、低成本的高溫熱電偶的制作方法，其特征在于所述的高穩(wěn)定性、低成本的高溫熱電偶的制作方法，是對K或N型熱電偶表面進行滲鋁處理，對K或N型熱電偶進行滲鋁處理獲得Ni-Al合金相后，進一步作高溫穩(wěn)定化處理，處理溫度為900 1200 ° C，時間為5 100h，氣氛為空氣或含氧氣氛。所述滲鋁處理工藝包括CVD、PVD、料漿法以及粉末包埋滲等常規(guī)滲鋁方法。滲鋁處理工藝后在K或N型熱電偶表面形成的主要Ni-Al合金相包括Y’-Ni3Al、β -NiAl和δ -Ni2Al3的其中一種或多種。本發(fā)明優(yōu)點本發(fā)明具體提出的高穩(wěn)定性、低成本的高溫熱電偶的制作方法，可解決現(xiàn)有通用的低成本K或N型熱電偶穩(wěn)定性低以及高溫壽命短的問題，成本較低，并適于規(guī)?；a。


下面結合附圖及實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明圖I為原始K型熱電偶和經滲鋁+高溫穩(wěn)定化處理后的熱電勢-溫度關系測試結果Ia示意圖；圖2為原始K型熱電偶和經滲鋁+高溫穩(wěn)定化處理后的熱電勢-溫度關系測試結果Ib示意圖；圖3為原始K型熱電偶和經滲鋁+高溫穩(wěn)定化處理后的熱電勢-時間關系測試結果a示意圖；圖4為原始K型熱電偶和經滲鋁+高溫穩(wěn)定化處理后的熱電勢-時間關系測試結果b示意圖；其中，圖I中I a示意圖為氧化80h內的結果，圖2中Ib示意圖為氧化80h及以上的結果；圖3中a示意圖和圖4中b示意圖分別為S型標準熱電偶熱電勢分別為9mV即957。C 和 IOmV 即 1044。C 的情況。
具體實施例方式實施例I一種高穩(wěn)定性、低成本的高溫熱電偶的制作方法，其特征在于所述的高穩(wěn)定性、低成本的高溫熱電偶的制作方法，是對K或N型熱電 偶表面進行滲鋁處理，對K或N型熱電偶進行滲鋁處理獲得Ni-Al合金相后，進一步作高溫穩(wěn)定化處理，處理溫度為90(Γ1200oC,時間為5 100h,氣氛為空氣或含氧氣氛。所述滲鋁處理工藝包括CVD、PVD、料漿法以及粉末包埋滲等常規(guī)滲鋁方法。滲鋁處理工藝后在K或N型熱電偶表面形成的主要Ni-Al合金相包括Y’_Ni3Al、β -NiAl和δ -Ν 2Α13的其中一種或多種。本實施例中，熱電偶采用Φ1. 5 X 600mm的K型熱偶，以粉末包埋工藝進行滲鋁。滲劑組成為98wt%鐵鋁合金粉、2被％氯化銨。將待滲熱偶和滲劑共同放入Φ 16mm的剛玉管內，然后將其放入1000° C的高溫爐內保溫2h隨后取出空冷，得到滲鋁的K型熱電偶。后續(xù)高溫氧化處理條件以獲得穩(wěn)定的熱電勢為準。為測試滲鋁的K型熱電偶的高溫穩(wěn)定性，將該熱偶以及未滲鋁的K型熱偶在1100° C進行氧化，并對氧化不同時間后的兩種熱偶進行熱電勢測量。測量方法采用雙極比較法，參照國標GB/T 16701-2010，是以S型Pt-PtRh標準熱電偶為參比，將滲鋁和未滲鋁K型熱偶以及S型熱偶的熱端貼在一塊放入溫控爐內，冷端保持在17±1 ° C，記錄不同溫度下三者的熱電勢。以S型熱偶的熱電勢為橫坐標，其他兩種熱偶在相應溫度下的熱電勢為縱坐標，得到圖I、圖2所示的曲線圖；其中圖I中為氧化80h內的結果，圖2中為氧化80h及以上的結果。該結果表明滲鋁后K型熱偶的熱電勢在1100 ° C氧化80h后，其熱電勢穩(wěn)定性高于K型熱偶。對特定溫度下滲鋁和未滲鋁熱偶熱電勢隨時間的漂移如圖3、圖4所示，可見在1100° C氧化80h后可獲得熱電勢穩(wěn)定性優(yōu)于K型的熱電偶。以上結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作了說明，但這些說明不能被理解為限制了本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的保護范圍由隨附的權利要求書限定，任何在本發(fā)明權利要求基礎上的改動都是本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種高穩(wěn)定性、低成本的高溫熱電偶的制作方法，其特征在于所述的高穩(wěn)定性、低成本的高溫熱電偶的制作方法，是對K或N型熱電偶表面進行滲鋁處理，對K或N型熱電偶表面進行滲鋁處理獲得Ni-Al合金相后，進一步作高溫穩(wěn)定化處理，處理溫度為90(Tl200oC，時間為5 100h，氣氛為空氣或含氧氣氛。
2.按照權利要求I所述的高穩(wěn)定性、低成本的高溫熱電偶的制作方法，其特征在于所述滲鋁處理工藝包括CVD、PVD、料漿法以及粉末包埋滲等常規(guī)滲鋁方法。
3.按照權利要求2所述的高穩(wěn)定性、低成本的高溫熱電偶的制作方法，其特征在于滲鋁處理工藝后在K或N型熱電偶表面形成的主要Ni-Al合金相包括Y ’-Ni3Al、β -NiAl和δ -Ni2Al3的其中一種或多種。
全文摘要
一種高穩(wěn)定性、低成本的高溫熱電偶的制作方法，其特征在于所述的高穩(wěn)定性、低成本的高溫熱電偶的制作方法，是對K或N型熱電偶表面進行滲鋁處理，對K或N型熱電偶進行滲鋁處理獲得Ni-Al合金相后，進一步作高溫穩(wěn)定化處理，處理溫度為900~1200 °C，時間為5~100h，氣氛為空氣或含氧氣氛。本發(fā)明優(yōu)點本發(fā)明具體提出的高穩(wěn)定性、低成本的高溫熱電偶的制作方法，可解決現(xiàn)有通用的低成本K或N型熱電偶穩(wěn)定性低以及高溫壽命短的問題，成本較低，并適于規(guī)模化生產。
文檔編號G01K7/04GK102901577SQ20121038088
公開日2013年1月30日 申請日期2012年10月9日 優(yōu)先權日2012年10月9日
發(fā)明者沈明禮, 朱圣龍, 王福會 申請人:中國科學院金屬研究所