昌暉儀表制造有限公司用于生產(chǎn)測(cè)量高溫的熱電偶保護(hù)管材料有GH3030、GH3039、GH140、Inconel 600、3YC52、HR1300等，本文介紹這些高溫抗氧化合金材料的性能和力學(xué)性能。
金屬材料的抗高溫氧化腐蝕性能主要是靠在高溫下形成致密的保護(hù)膜來(lái)實(shí)現(xiàn)，保護(hù)膜既可阻止氧、硫等腐蝕性氣體向基體中擴(kuò)散，又能阻止金屬離子向外擴(kuò)散。常用的保護(hù)膜主要有Cr2O3和Al2O3等。當(dāng)使用溫度高于1100-115-℃時(shí)，Cr2O3剝落嚴(yán)重，因此，該種高溫合金短期最高使用溫度應(yīng)低于1200℃。典型高溫耐熱合金有GH3030、GH3039、GH140、Inconel 600、3YC52等，昌暉儀表制造有限公司常用這些合金材料生產(chǎn)特殊用途的熱電偶。Al2O3保護(hù)層具有比Cr2O3更佳的抗氧化能力。當(dāng)溫度高達(dá)1200-1300℃，Al2O3保護(hù)層仍不易剝落，且形成Al2O3所需的平衡氧分壓明顯低于Cr2O3的分壓。如Fe-Cr-Al電熱合金含有高達(dá)5%-8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的Al，能在高溫形成單一Al2O3保護(hù)層，從而具有優(yōu)異的抗氧化腐蝕性能?？墒沁@樣合計(jì)為鐵素基體，脆性很大，高溫強(qiáng)度低，限制了其應(yīng)用。為了提高合金在1200-1300℃的抗氧化性能，開(kāi)發(fā)出一些高溫下能形成Al2O3的高溫合金，國(guó)外典型合金有Haynes Alloy 214、эп747、Inconel 602、Inconel 603等。重慶儀表材料研究所在國(guó)外合金基礎(chǔ)上，通過(guò)提高Cr、Al含量，并采用晶界精華和強(qiáng)化技術(shù)，研制出一種新型抗氧化高溫耐熱合金3YC52，其主要原因是在高溫下除形成Al2O3、Cr2O3的混合氧化膜外，還能形成致密、單一α-Al2O3保護(hù)膜。3YC52合金與國(guó)外同類(lèi)合金在1100℃、1300℃抗氧化性能對(duì)比(見(jiàn)圖1和圖2)和氧化層的SEM和EPMA分(見(jiàn)圖3和圖4)。
圖1 3YC52與同類(lèi)合金1100℃高溫氧化曲線 圖2 3YC52與同類(lèi)合金1300℃高溫氧化曲線
圖3 1300℃/500h下3YC52氧化層的SEM和EPMA分析
圖4 1300℃/500h下Alloy 214氧化層的SEM和EPMA分析
上述合金材料的研制成功，解決了高溫環(huán)境中許多材料難題。但是在使用中發(fā)現(xiàn)上述材料出現(xiàn)變形問(wèn)題。因此，如何能在保持高溫氧化性能基礎(chǔ)上，提高合金的高溫強(qiáng)度，成為抗氧化合金技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵。技術(shù)人員在3YC52基礎(chǔ)上，對(duì)材料和合金進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，同時(shí)采用原位反應(yīng)顆粒增強(qiáng)新技術(shù)，研制出能在高達(dá)1250-1350℃的溫度下長(zhǎng)期使用的氧化耐熱合金HR1300。HR1300高溫強(qiáng)度較國(guó)外同類(lèi)合金提高30%以上?？捎糜诟鞣N氧化劑氧化腐蝕環(huán)境下使用的熱電偶保護(hù)管、高溫管道和高溫靜止件等。國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)高溫耐熱合金力學(xué)性能見(jiàn)表1。
表1 國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)高溫耐熱合金力學(xué)性能
高溫合金材料 溫度 抗拉強(qiáng)度σb/MPa 屈服強(qiáng)度σ0.2/MPa 延伸率δ(%)
HR1230 20℃ 866 390 48
980℃ 242 145 83
1100℃ 135 70 82
1200℃ 65 34 105
HR1300 20℃ 680 340 45
980℃ 120 80 85
1100℃ 70 45 95
1200℃ 35 20 102
3YC52 20℃ 650 358 55
980℃ 65 40 126
1100℃ 40 25 132
1200℃ 25 15 125
Alloy 214 20℃ 958 565 43
980℃ 115 58 83
1100℃ 60 29 83
1200℃ 30 10 109
эп747 20℃ 600 300 50
980℃ 50 35 45
1100℃ 30 20 70
1200℃ 20 — 90
Inconel 800H 20℃ 566 245 49
980℃ 76 56 100
1100℃ 35 23 108
1200℃ — — —
Inconel 601 20℃ 704 241 50
980℃ 90 74 100
1100℃ 45 41 120
1200℃ 35 13 121
Inconel 600 20℃ 662 282 45
980℃ 76 42 115
1100℃ 36 21 120
1200℃ — — —
GH3030 20℃ 756 355 41
980℃ 70 — 50
1100℃ 43 — 71
1200℃ 27 — 108
GH3039 20℃ 820 — 46
980℃ — — 95
1100℃ — — —
1200℃ — — —
在特殊場(chǎng)合使用的熱電偶使用壽命跟熱電偶保護(hù)管材料有非常大的關(guān)系，每一種材料都需要在不同使用工況經(jīng)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證后才能定型與熱電偶生產(chǎn)中。昌暉儀表在高溫抗氧化合金應(yīng)用中積累了大量經(jīng)驗(yàn)，量體裁衣造儀表，這是昌暉熱電偶使用壽命長(zhǎng)且高性?xún)r(jià)比的秘密。
