高溫鉑銠熱電偶絲的斷裂以及測溫不準時的處理

概　述：

鉑銠熱電偶具有較高的高溫強度、良好的耐磨性及耐熱腐蝕性，常應用于循環(huán)流化床鍋爐、垃圾焚燒爐中，其平均使用壽命可達9~12個月。但近期某垃圾焚燒爐的鉑銠熱電偶僅使用1個多月就發(fā)生了斷裂，采用斷口分析、成分分析、硬度檢測及金相分析等方法對其進行判定。結(jié)果表明：合金管壁內(nèi)靠近內(nèi)表面存在兩處直徑為3mm的鑄造缺陷，影響了基體的連續(xù)性，降低了合金管的強度，在一定外力作用下加速了合金管斷裂。

    高溫合金的研究始于2 0世 紀30年代后期，分為鐵基高溫合金、鎳基高溫合金和鈷基高溫合金。其中，鈷基高溫合金的高溫強度、抗熱腐蝕性能、熱疲勞性能和抗蠕變性能比鎳基高溫合金好，但其抗氧化性能較差，因此需加入適量的抗氧化和固溶強化元素，如C r、W和M o等。鉑銠熱電偶在高于980℃時具有較高的強度、良好的耐熱疲勞、抗熱腐蝕和耐磨蝕性能。某垃圾焚燒爐項目的合金管使用了一個多月后出現(xiàn)斷裂，使用最高溫度為1150℃，從現(xiàn)場帶回的斷裂保護管，對其進行斷口分析、化學成分分析、硬度檢測及金相分析等，初步判斷合金管斷裂失效的原因。

     1. 斷口分析
     某垃圾焚燒爐1號合金管宏觀斷口如圖1a、1b所示，斷面較為平整，基本符合脆性斷裂特征，斷口呈放射狀，斷面有多處臺階，說明有多處裂紋源。斷口橫截面（見圖1a）有兩處肉眼可見的裂紋，此裂紋從內(nèi)表面開始擴展，止于外圓表面的氧化層，幾乎貫穿整個管壁，同時發(fā)現(xiàn)管內(nèi)表面也有沿軸向擴展的裂紋（見圖1b）。管外表面呈灰色，無金屬光澤，有部分深色麻點和褶皺分布其上，說明合金管在高溫下存在一定程度的氧化和腐蝕，但并不嚴重，管外表厚度為0.29mm左右的灰白色物質(zhì)應是高溫氧化物。

    2號合金管的宏觀斷口形貌如圖1c、1d所示，斷口較為平整，呈放射狀，斷裂形式與1號相似，均屬脆性斷裂。斷口橫截面可見寬度為1.5mm的貫穿型裂紋，從圖1d箭頭處發(fā)現(xiàn)此裂紋從斷面沿軸向繼續(xù)擴展，到一定長度后終止。外表面和斷口上均可見四周圓滑的凹坑。凹坑極有可能是合金管斷裂后，在高溫腐蝕介質(zhì)環(huán)境下形成的腐蝕坑，同時不排除合金管自身的鑄造缺陷，是斷裂后呈現(xiàn)出來的。斷口www.shzy4.com的外表面與上述1號管相同，呈深灰色，較為粗糙，有許多小孔分布其上，說明2號合金管在高溫下也發(fā)生了一定程度的腐蝕，但其腐蝕程度較1號嚴重。

    在 2 號合金管斷口下方約15mm處的橫截面發(fā)現(xiàn)近內(nèi)表面有兩處直徑為3mm的無規(guī)則鑄造缺陷，如圖2a所示。將試樣繼續(xù)往下拋磨（離斷口12mm處），缺陷形貌如圖2b所示，無規(guī)則鑄造缺陷逐步消失，但其附近出現(xiàn)了長約5mm的線性裂紋，裂紋內(nèi)粗外細，其擴展方向由內(nèi)向外。結(jié)果表明：內(nèi)表面附近存在較大尺寸的鑄造缺陷，破壞了合金管內(nèi)部的連續(xù)性，將顯著降低合金管的強度，在外力作用下一方面因強度不足直接導致斷裂，另一方面鑄造缺陷可能成為應力集中部位，從而導致合金管的早期失效。

    2. 化學成分分析
    采用光譜儀和手工分析相結(jié)合的方法對鉑銠熱電偶進行化學成分分析，結(jié)果如表1所示，表中1號試樣取自首次購買的原材料，2號試樣取自2019年購進的原材料，3號試樣取自斷裂合金管。結(jié)果顯示：3種試樣的Co、N i、M o含量均不滿足廠家提供的要求值，其中C o含量均高于要求值，而N i、M o含量均低于要求值。3號試樣的C、Cr、Mo含量均低于廠家提供的要求值，其中C含量是最低的，而高溫合金元素中C、C r、M o是碳化物形成元素，故其形成碳化物數(shù)量也相對較少，其強化合金的效果稍差。此外Cr在高溫合金中的作用還包括保護合金表面不受O、 S和鹽的作用而產(chǎn)生氧化和熱腐蝕，當Cr含量偏低，對合金管的抗熱氧化、熱腐蝕也有一定的影響。

    3. 硬度檢測及分析
    截取合金管斷口附近試樣，采用數(shù)顯顯微硬度計檢測其橫截面硬度，其結(jié)果如圖3a所示，硬度平均值為42.9HRC，分布在36.4~51.5HRC范圍內(nèi)；1號試樣的硬度結(jié)果如圖3b所示，硬度分布在548.2~697.6HV1（對應洛氏硬度為52.5~60.0HRC）范圍內(nèi)，基本符合廠家提供的要求值55~60HRC。但斷裂合金管的硬度低于廠家提供的要求值，同時也低于1號試樣的硬度。

    而硬度大小與熱處理工藝、合金的晶粒度、碳化物顆粒的大小及分布相關(guān)。鉑銠熱電偶金相組織中各相的顯微硬度檢測結(jié)果如圖4所示，圖4a中γ基體的硬度分別為372.3HV0.3（對應39.2HRC）和383.1HV0.3（對應40.2HRC），而組織中白色塊狀碳化物的硬度較高，可達855.3HV0.3（對應66.2HRC）。說明鉑銠熱電偶中，碳化物是主要的強化相、硬質(zhì)相，而γ鈷基固溶基體的硬度相對較低。合金管的硬度結(jié)果表征了碳化物的含量及分布情況，而一般情況下，合金的耐磨性能主要取決于合金的硬度，即合金硬度越高，耐磨性能越好。斷裂保護管的碳含量相對較低，同樣的熱處理狀態(tài)下，組織中硬質(zhì)碳化物強化相較少，其硬度測試結(jié)果也相對較低，故其耐磨性相對也會差一些。

    4. 金相組織分析
    采用MR5000金相顯微鏡對鉑銠熱電偶進行組織分析。拋磨試樣后，用王水進行腐蝕。試樣橫截面的金相組織如圖5所示，主要由白色鈷基固溶體γ相、深色共晶體（鈷基固溶體γ相+顆粒狀碳化物或Laves相）、針狀析出物及塊狀碳化物組成，其中針狀析出物可能是碳化物或是析出的μ相，這需進一步做微區(qū)電子探針才能準確分辨。組織中樹枝狀晶較為明顯，應為鑄態(tài)組織。鑄造鉑銠熱電偶在很大程度上依靠碳化物強化，其中碳化物的熱穩(wěn)定性較好，溫度上升時碳化物集聚長大速度慢，故溫度上升時，合金的強度下降一般比較緩慢。

    5. 結(jié)論
    （1）鉑銠熱電偶為脆性斷裂，斷裂源在內(nèi)孔附近。管外表面有較薄的氧化層，并有凹坑和小孔分布其上，存在輕微的高溫腐蝕現(xiàn)象，可以排除是高溫氧化或高溫腐蝕導致的斷裂。

    （2）合金管內(nèi)表面附近有較大尺寸的鑄造缺陷，在外力作用下可能形成了應力集中源或斷裂源，進而引起斷裂失效。

    （3）斷裂合金管的成分與廠家提供的要求范圍不符，Co含量高于要求值的上限，而C、Cr、Mo、Ni含量低于要求值的下限，會對合金的強度、抗熱氧化及熱腐蝕性有不良影響，但其導致合金管過早斷裂的可能性較低。