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铂铑热电偶

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铂铑热电偶的断裂失效分析

来源:www.wqhhs.com作者:发表时间:2019-11-13

    摘要:铂铑热电偶具有较高的高温强度、良好的耐磨性及耐热腐蚀性,常应用于循环流化床锅炉、垃圾焚烧炉中,其平均使用寿命可达9~12个月。但近期某垃圾焚烧炉的铂铑热电偶仅使用1个多月就发生了断裂,采用断口分析、成分分析、硬度检测及金相分析等方法对其进行判定。结果表明:合金管壁内靠近内表面存在两处直径为3mm的铸造缺陷,影响了基体的连续性,降低了合金管的强度,在一定外力作用下加速了合金管断裂。

    高温合金的研究始于2 0世 纪30年代后期,分为铁基高温合金、镍基高温合金和钴基高温合金。其中,钴基高温合金的高温强度、抗热腐蚀性能、热疲劳性能和抗蠕变性能比镍基高温合金好,但其抗氧化性能较差,因此需加入适量的抗氧化和固溶强化元素,如C r、W和M o等。铂铑热电偶在高于980℃时具有较高的强度、良好的耐热疲劳、抗热腐蚀和耐磨蚀性能。某垃圾焚烧炉项目的合金管使用了一个多月后出现断裂,使用最高温度为1150℃,从现场带回的断裂保护管,对其进行断口分析、化学成分分析、硬度检测及金相分析等,初步判断合金管断裂失效的原因。

     1. 断口分析
     某垃圾焚烧炉1号合金管宏观断口如图1a、1b所示,断面较为平整,基本符合脆性断裂特征,断口呈放射状,断面有多处台阶,说明有多处裂纹源。断口横截面(见图1a)有两处肉眼可见的裂纹,此裂纹从内表面开始扩展,止于外圆表面的氧化层,几乎贯穿整个管壁,同时发现管内表面也有沿轴向扩展的裂纹(见图1b)。管外表面呈灰色,无金属光泽,有部分深色麻点和褶皱分布其上,说明合金管在高温下存在一定程度的氧化和腐蚀,但并不严重,管外表厚度为0.29mm左右的灰白色物质应是高温氧化物。

 

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    2号合金管的宏观断口形貌如图1c、1d所示,断口较为平整,呈放射状,断裂形式与1号相似,均属脆性断裂。断口横截面可见宽度为1.5mm的贯穿型裂纹,从图1d箭头处发现此裂纹从断面沿轴向继续扩展,到一定长度后终止。外表面和断口上均可见四周圆滑的凹坑。凹坑极有可能是合金管断裂后,在高温腐蚀介质环境下形成的腐蚀坑,同时不排除合金管自身的铸造缺陷,是断裂后呈现出来的。断口的外表面与上述1号管相同,呈深灰色,较为粗糙,有许多小孔分布其上,说明2号合金管在高温下也发生了一定程度的腐蚀,但其腐蚀程度较1号严重。

    在 2 号合金管断口下方约15mm处的横截面发现近内表面有两处直径为3mm的无规则铸造缺陷,如图2a所示。将试样继续往下抛磨(离断口12mm处),缺陷形貌如图2b所示,无规则铸造缺陷逐步消失,但其附近出现了长约5mm的线性裂纹,裂纹内粗外细,其扩展方向由内向外。结果表明:内表面附近存在较大尺寸的铸造缺陷,破坏了合金管内部的连续性,将显著降低合金管的强度,在外力作用下一方面因强度不足直接导致断裂,另一方面铸造缺陷可能成为应力集中部位,从而导致合金管的早期失效。

    2. 化学成分分析
    采用光谱仪和手工分析相结合的方法对铂铑热电偶进行化学成分分析,结果如表1所示,表中1号试样取自首次购买的原材料,2号试样取自2015年购进的原材料,3号试样取自断裂合金管。结果显示:3种试样的Co、N i、M o含量均不满足厂家提供的要求值,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号试样的C、Cr、Mo含量均低于厂家提供的要求值,其中C含量是最低的,而高温合金元素中C、C r、M o是碳化物形成元素,故其形成碳化物数量也相对较少,其强化合金的效果稍差。此外Cr在高温合金中的作用还包括保护合金表面不受O、 S和盐的作用而产生氧化和热腐蚀,当Cr含量偏低,对合金管的抗热氧化、热腐蚀也有一定的影响。

 

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    3. 硬度检测及分析
    截取合金管断口附近试样,采用数显显微硬度计检测其横截面硬度,其结果如图3a所示,硬度平均值为42.9HRC,分布在36.4~51.5HRC范围内;1号试样的硬度结果如图3b所示,硬度分布在548.2~697.6HV1(对应洛氏硬度为52.5~60.0HRC)范围内,基本符合厂家提供的要求值55~60HRC。但断裂合金管的硬度低于厂家提供的要求值,同时也低于1号试样的硬度。

 

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    而硬度大小与热处理工艺、合金的晶粒度、碳化物颗粒的大小及分布相关。铂铑热电偶金相组织中各相的显微硬度检测结果如图4所示,图4a中γ基体的硬度分别为372.3HV0.3(对应39.2HRC)和383.1HV0.3(对应40.2HRC),而组织中白色块状碳化物的硬度较高,可达855.3HV0.3(对应66.2HRC)。说明铂铑热电偶中,碳化物是主要的强化相、硬质相,而γ钴基固溶基体的硬度相对较低。合金管的硬度结果表征了碳化物的含量及分布情况,而一般情况下,合金的耐磨性能主要取决于合金的硬度,即合金硬度越高,耐磨性能越好。断裂保护管的碳含量相对较低,同样的热处理状态下,组织中硬质碳化物强化相较少,其硬度测试结果也相对较低,故其耐磨性相对也会差一些。

 

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    4. 金相组织分析
    采用MR5000金相显微镜对铂铑热电偶进行组织分析。抛磨试样后,用王水进行腐蚀。试样横截面的金相组织如图5所示,主要由白色钴基固溶体γ相、深色共晶体(钴基固溶体γ相+颗粒状碳化物或Laves相)、针状析出物及块状碳化物组成,其中针状析出物可能是碳化物或是析出的μ相,这需进一步做微区电子探针才能准确分辨。组织中树枝状晶较为明显,应为铸态组织。铸造铂铑热电偶在很大程度上依靠碳化物强化,其中碳化物的热稳定性较好,温度上升时碳化物集聚长大速度慢,故温度上升时,合金的强度下降一般比较缓慢。

    5. 结论
    (1)铂铑热电偶为脆性断裂,断裂源在内孔附近。管外表面有较薄的氧化层,并有凹坑和小孔分布其上,存在轻微的高温腐蚀现象,可以排除是高温氧化或高温腐蚀导致的断裂。

    (2)合金管内表面附近有较大尺寸的铸造缺陷,在外力作用下可能形成了应力集中源或断裂源,进而引起断裂失效。

    (3)断裂合金管的成分与厂家提供的要求范围不符,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,会对合金的强度、抗热氧化及热腐蚀性有不良影响,但其导致合金管过早断裂的可能性较低。