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铂铑热电偶

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铂铑 10 - 铂热电偶的脆断失效分析

来源:www.wqhhs.com作者:发表时间:2017-11-09

 摘要:对在还原性气氛使用下的铂铑10-铂热电偶(以下简称铂铑热电偶)发生的偶丝脆断现象进行分析。运用金相显微镜和电子探针对铂铑热电偶的偶丝焊点及偶丝断口进行检测后认为:脆断失效的根本原因在于Si与Pt作用形成Pt5Si2低熔点共晶物,使偶丝因局部熔点降低而熔化,随之发生脆断。

 
        铂铑10-铂热电偶已经有100多年的使用历史了,目前它仍然是热电偶中测温精度最高,稳定性最好,产量最大的一种贵金属热电偶。铂铑热电偶在氧化性和中性气氛等没有污染介质的环境中其长期使用温度上限可以达到1400℃,其各性能指标稳定。但是当铂铑10-铂热电偶应用在H2、CO等还原性气氛中时,常因偶丝发生脆断而造成热电偶的失效。
 
1实验方法
        重庆仪表材料研究所为某冶炼企业提供的铂铑热电偶在使用过程出现了由于偶丝断裂造成热电偶失效的情况,经过和该企业的技术人员交流得知,该企业使用铂铑热电偶主要是用于测量铅锌还原过程中的工作温度。热电偶的内层保护管为刚玉保护管,外层采用碳化硅保护管。实验用的脆断偶丝样本是从已经失效的铂铑热电偶上取得,该失效的铂铑热电偶使用环境是在铅锌等还原过程中,取样部位为:偶丝焊点、偶丝断口和偶丝表面。使用仪器:OLYMPUS-GX51金相显微镜,JCXA-733电子探针。
 
2结果与讨论
2.1断裂的热电偶丝的宏观表象
        如图1所示,图1中的热电偶丝断裂成5mm到30mm不等的小节,偶丝表面也失去原有的光洁、平整。同时,可看到偶丝出现了明显的偶丝熔融粘结在一起的现象。纯铂的熔点为1769℃,铂铑10的熔点更是高达1847℃。而铅锌还原反应过程中的温度是在900~1000℃,远低于偶丝的熔点。在相对于偶丝熔点的较低温度下,发生偶丝的熔融应该是由于偶丝使用环境中存在对偶丝污染的因素造成的。
断裂偶丝的宏观表象
2.2断裂偶丝焊点的表面形貌
        取完好的铂铑10-铂热电偶的偶丝焊点,进行对比观察:好偶丝焊点表面光滑,观察不到晶界及颗粒相存在,形貌如图2a所示。断裂偶丝经清洗后放入JCXA-733电子探针试样室,进行表面检测,在焊点上能观察到明显的晶界,表面遍布有颗粒相,并且焊点表面已经能够看见破损开裂的情形,其表面形貌如图2b所示。在图2c中,焊点表面的晶界已融化,变深变宽。焊点表面分布的颗粒相物质也是清晰可见,并且在由于晶界融化形成的深槽处,颗粒相物质明显富集。经过对颗粒相物质的定性分析,其主要成分是硅元素。如图2d中所示。
焊点表面形貌
2.3偶丝断口及偶丝表面的形貌
        在图3a中,偶丝断口表面出现贯穿整个表面的深凹槽,在圆圈处有一明显是融化后形成的空穴。从Pt-Si合金相图可知[1]:低熔点共晶铂硅化合物Pt5Si2的熔点只有830℃,而刚玉管、碳化硅保护管等耐火材料就含有SiO2。这些事实可以认为:在这样的一种高温、还原性的气氛下,耐火材料中的SiO2被还原成单质Si,Si再与Pt作用,生成低熔点共晶物Pt5Si2,Pt5Si2熔化后在断口处留下空穴。在图3b中偶丝表面出现凸起的晶界,偶丝表面也是分布有颗粒相。
偶丝断口(a)及偶丝表面的形貌
2.4金相检验
        取偶丝制成金相试样观察发现偶丝破坏主要沿晶界向内部扩展,形貌如图4所示。
裂纹沿晶界向内破坏形貌
3 结 论
        (1) 本断裂 S 型偶丝从表面形貌观察,该偶丝被严重污染,整个断口表面均已形成第二相。
        (2) 经电子探针对第二相分析,该相含有较多为 Si 元素。
        (3) 根据合金相图,Si 元素与 Pt 会形成比纯 Pt及铂铑合金熔点低很多的合金相。
        (4) 如果在偶丝表面覆以优质的 Al 2 O 3 ·Y 2 O 3涂层(Sol - Gel - Dip - Coating 工艺就可以做到),就可以在还原性气氛下有效隔绝 Si 与 Pt 的作用,避免铂铑 10 - 铂热电偶在还原性气氛中的脆断失效问题[2] 。
 
作者:铂铑热电偶
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