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鉑銠熱電偶

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鉑銠熱電偶的斷裂失效分析

來源:www.kimmosasi.net作者:發表時間:2019-11-13

    摘要: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,常應用於循環流化床鍋爐、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。結果表明:合金管壁內靠近內表麵存在兩處直徑為3mm的鑄造缺陷,影響了基體的連續性,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。

    高溫合金的研究始於2 0世 紀30年代後期,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。鉑銠熱電偶在高於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後出現斷裂,使用最高溫度為1150℃,從現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,斷麵較為平整,基本符合脆性斷裂特征,斷口呈放射狀,斷麵有多處台階,說明有多處裂紋源。斷口橫截麵(見圖1a)有兩處肉眼可見的裂紋,此裂紋從內表麵開始擴展,止於外圓表麵的氧化層,幾乎貫穿整個管壁,同時發現管內表麵也有沿軸向擴展的裂紋(見圖1b)。管外表麵呈灰色,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,但並不嚴重,管外表厚度為0.29mm左右的灰白色物質應是高溫氧化物。

 

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    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。斷口橫截麵可見寬度為1.5mm的貫穿型裂紋,從圖1d箭頭處發現此裂紋從斷麵沿軸向繼續擴展,到一定長度後終止。外表麵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後,在高溫腐蝕介質環境下形成的腐蝕坑,同時不排除合金管自身的鑄造缺陷,是斷裂後呈現出來的。斷口的外表麵與上述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處的橫截麵發現近內表麵有兩處直徑為3mm的無規則鑄造缺陷,如圖2a所示。將試樣繼續往下拋磨(離斷口12mm處),缺陷形貌如圖2b所示,無規則鑄造缺陷逐步消失,但其附近出現了長約5mm的線性裂紋,裂紋內粗外細,其擴展方向由內向外。結果表明:內表麵附近存在較大尺寸的鑄造缺陷,破壞了合金管內部的連續性,將顯著降低合金管的強度,在外力作用下一方麵因強度不足直接導致斷裂,另一方麵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合的方法對鉑銠熱電偶進行化學成分分析,結果如表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2015年購進的原材料,3號試樣取自斷裂合金管。結果顯示: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含量均高於要求值,而N i、M o含量均低於要求值。3號試樣的C、Cr、Mo含量均低於廠家提供的要求值,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麵不受O、 S和鹽的作用而產生氧化和熱腐蝕,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。

 

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

 

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    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。鉑銠熱電偶金相組織中各相的顯微硬度檢測結果如圖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、硬質相,而γ鈷基固溶基體的硬度相對較低。合金管的硬度結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於合金的硬度,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,同樣的熱處理狀態下,組織中硬質碳化物強化相較少,其硬度測試結果也相對較低,故其耐磨性相對也會差一些。

 

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    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。拋磨試樣後,用王水進行腐蝕。試樣橫截麵的金相組織如圖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. 結論
    (1)鉑銠熱電偶為脆性斷裂,斷裂源在內孔附近。管外表麵有較薄的氧化層,並有凹坑和小孔分布其上,存在輕微的高溫腐蝕現象,可以排除是高溫氧化或高溫腐蝕導致的斷裂。

    (2)合金管內表麵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範圍不符,Co含量高於要求值的上限,而C、Cr、Mo、Ni含量低於要求值的下限,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。