萬吉高，武海軍，楊麗娟，牛海東，盧紹平，郝玉潔

高溫電阻應(yīng)變合金的研究及應(yīng)用進(jìn)展

萬吉高，武海軍，楊麗娟，牛海東，盧紹平，郝玉潔*

(貴研鉑業(yè)股份有限公司 稀貴金屬綜合利用新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650106)

電阻應(yīng)變計(jì)是將被測(cè)構(gòu)件的應(yīng)變量轉(zhuǎn)換為電阻變化的測(cè)試單元，是發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片應(yīng)力/應(yīng)變分析監(jiān)測(cè)的有效手段，而電阻應(yīng)變敏感柵材料是電阻應(yīng)變計(jì)的關(guān)鍵材料。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)推重比不斷增大，渦輪前溫度越來越高，要求敏感柵材料的工作溫度也越來越高。本文闡述了高溫電阻應(yīng)變材料的發(fā)展現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹貴金屬鈀基合金、鉑基合金電阻應(yīng)變材料的成分設(shè)計(jì)、組織與性能、使用溫度等特性。其中PtWReNiCr(Y)合金已經(jīng)成功應(yīng)用到1000 ℃動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試；PtRhWZr(Y)可以用于1138 ℃的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試；PtRhMoWZr(Y)可望用于1150 ℃的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試，工作溫度比傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變合金Pt-8W提高了近350 ℃。最后介紹了使用溫度更高的金屬氧化物應(yīng)變計(jì)的研究現(xiàn)狀。

高溫電阻應(yīng)變計(jì)；電阻應(yīng)變合金；應(yīng)變靈敏度系數(shù)；電阻溫度特性

電阻應(yīng)變計(jì)是將機(jī)械構(gòu)件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的測(cè)試單元，具有測(cè)量范圍廣、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能在惡劣條件下在線檢測(cè)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空、航天、原子能反應(yīng)堆、發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)車車輛和軌道、橋梁、大壩以及各種機(jī)械設(shè)備等領(lǐng)域。按照工作溫度范圍不同，通常將應(yīng)變計(jì)分為以下幾種[1-3]：深低溫：?200 ℃以下；低溫：?200～?10 ℃；常溫：?10～50 ℃；中溫：50～300 ℃；準(zhǔn)高溫：300～500 ℃；高溫：500 ℃以上。

高溫應(yīng)變計(jì)廣泛用于航空航天、原子能、冶金制造等領(lǐng)域，特別是在發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，電阻應(yīng)變計(jì)具有確保飛行器安全重要的作用：測(cè)量高速旋轉(zhuǎn)的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的應(yīng)力分布和疲勞壽命、轉(zhuǎn)舵裝置和噴嘴的高溫瞬態(tài)應(yīng)變，還可用于新型飛機(jī)研究設(shè)計(jì)、失效分析等[4-6]。

電阻應(yīng)變計(jì)主要由敏感柵、基片、覆蓋層及引線等部分組成，其中敏感柵材料是電阻應(yīng)變計(jì)的核心部件，其性能將直接決定了電阻應(yīng)變計(jì)的特性及應(yīng)用范圍，應(yīng)變計(jì)的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 電阻應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

目前，用作電阻應(yīng)變計(jì)敏感柵材料的主要有電阻應(yīng)變合金、半導(dǎo)體材料及金屬氧化物等，其中電阻應(yīng)變合金型敏感柵材料應(yīng)變計(jì)占主導(dǎo)地位。

根據(jù)電阻應(yīng)變測(cè)試技術(shù)的要求，電阻應(yīng)變合金應(yīng)滿足以下技術(shù)要求[7]：

1) 物理、電學(xué)性能。具有高而穩(wěn)定的電阻率()，一般不小于50 μΩ·cm。在工作溫度范圍內(nèi)具有低而穩(wěn)定的電阻溫度系數(shù)，且電阻-溫度特性曲線成線性關(guān)系；電阻漂移小，在特定溫度下，電阻隨時(shí)間的變化盡量??；具有較大的應(yīng)變靈敏度系數(shù)，且靈敏度系數(shù)不隨溫度變化；線膨脹系數(shù)應(yīng)等于或大于被測(cè)零件的線膨脹系數(shù)。

2) 機(jī)械性能。彈性應(yīng)變極限大，機(jī)械滯后小、疲勞強(qiáng)度大，蠕變值小、抗氧化性好。

3) 工藝性能。塑性好，易拉制線徑0.03 mm以下的細(xì)絲和繞制應(yīng)變敏感柵；具有良好的焊接性。

電阻應(yīng)變合金的使用要求非常嚴(yán)格，單一金屬很難滿足上述要求，人們開發(fā)出了多種電阻應(yīng)變合金，按合金體系分類可分為：賤金屬合金(包括銅基、鎳基、鐵基)、貴金屬合金(即金、銀、鉑、鈀、銠、銥、鋨、釕)合金兩大類。

1 賤金屬電阻應(yīng)變合金

賤金屬電阻應(yīng)變合金一般是指銅基合金、鎳基合金、鐵基合金等精密電阻合金及其改良型合金。其中銅基合金電阻應(yīng)變敏感柵材料主要是指康銅合金，即Cu-40Ni或在此基礎(chǔ)上添加少量的錳、硅、鐵等元素的銅基合金，具有低而穩(wěn)定的電阻溫度系數(shù)、易于加工等特點(diǎn)，由于較高溫度下易于氧化，一般在200 ℃以下使用。

鎳基合金是指Ni-20Cr或在此基礎(chǔ)上通過添加鉬、鋁、鐵、硅、鐵等元素而成的鎳鉻改良型合金，主要包括鎳鉻Ⅴ(NichromeⅤ)、卡瑪(Kama)、伊文(Evanohm)等，該類合金具有較高的電阻率(一般在80～110 μΩ·cm)，在470 ℃左右出現(xiàn)“K狀態(tài)”轉(zhuǎn)變，電阻溫度特性曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試溫度在400 ℃以下，動(dòng)態(tài)測(cè)試使用溫度600 ℃。

鐵基合金主要是鐵-鉻-鋁合金及其在此基礎(chǔ)上添加少量硅、錳、鉬、釩等元素而形成的改良型鐵鉻鋁合金，依據(jù)成份不同分為Armour系列、BCL-3、BCL-5、4YC3、4YC4等幾類。這類合金由于鋁的加入在高溫下表面氧化，該氧化物層具有保護(hù)合金內(nèi)部繼續(xù)被氧化的作用，因此，為了提高合金在高溫下的熱穩(wěn)定性，使用前通常將絲材在400～850 ℃溫度下作預(yù)氧化處理。該類合金在1000 ℃以上的溫度燒結(jié)后絲材塑性變差，容易出現(xiàn)脆斷現(xiàn)象，因此，鐵鉻鋁合金一般用作800 ℃以下的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試，靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試最高使用溫度在1000 ℃左右[3, 7-9]。

2 貴金屬電阻應(yīng)變合金

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，推重比不斷提高，發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪前溫度越來越高，如第四代發(fā)動(dòng)機(jī)(如F119)的渦輪進(jìn)口溫度達(dá)到1977 K(1704 ℃)，新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓渦輪葉片的壁面工作溫度達(dá)到1150 ℃[10-12]，驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪、噴管等熱端部件是否能夠滿足高溫運(yùn)行使用需求，需要相應(yīng)溫度的應(yīng)變計(jì)。

溫度高于1000 ℃以上時(shí)，上述銅基合金、鎳基合金、鐵基合金由于高溫下氧化、揮發(fā)、合金結(jié)構(gòu)變化等原因，難以滿足高溫應(yīng)變測(cè)試的要求，而鉑、鈀、銠等貴金屬在這方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，作為高溫電阻應(yīng)變材料受到人們的極大關(guān)注。

2.1 鈀鉻合金

Pd-Cr合金作為高溫應(yīng)變材料由Bertodo于1960年代提出[13]，1990年代初開始實(shí)用化研究，Hulse等[14-15]通過對(duì)34種不同成分Pd-Cr合金的研究(如圖2)，發(fā)現(xiàn)Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)含量低于13%的PdCr合金電阻溫度系數(shù)()太高，而Cr含量高于13%的PdCr合金其抗氧化性不能有效保護(hù)其高溫應(yīng)用，認(rèn)為Pd-13Cr合金可作為高溫應(yīng)變合金。

該合金在800 ℃以下的溫度范圍內(nèi)合金組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，無相變。在600 ℃以上的溫度處理后會(huì)在表面形成一層致密的Cr2O3保護(hù)層，抑制材料內(nèi)部的進(jìn)一步氧化。Pd-13Cr合金的這些特性，使得其電阻溫度特性的穩(wěn)定性好、重復(fù)性好，并且在升溫、降溫時(shí)電阻重現(xiàn)性較好。

Pd-Cr合金鑄錠容易出現(xiàn)穿晶組織，塑性加工比較困難。1987年昆明貴金屬研究所(以下簡(jiǎn)稱KIPM)郭錦新[16]對(duì)Pd-Cr合金的加工工藝、性能、結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面的研究。通過快冷成型工藝獲得了結(jié)晶狀態(tài)和加工性能良好的合金鑄錠，通過表面分析技術(shù)，對(duì)合金的氧化機(jī)理進(jìn)行了探討。成功制備出0.025 mm的Pd-13Cr合金絲材，提供美國(guó)NASA Lewis Research Center制備出高溫電阻應(yīng)變計(jì)。采用火焰噴涂Al2O3為底層，用4%ZrO2-Al2O3混合物氧化物形成覆蓋層，以降低Pd-13Cr合金的氧化。在800 ℃溫度范圍內(nèi)試驗(yàn)，表明其性能優(yōu)于鐵鉻鋁合金Kanthal-1、BLC-3等制備的高溫應(yīng)變計(jì)[17-20]，溫度循環(huán)試驗(yàn)后其電阻具有很好的重現(xiàn)性。圖3是0.025 mm的Pd-13Cr合金經(jīng)過兩次0～600 ℃溫度循環(huán)試驗(yàn)的電阻變化，由圖3可見，材料經(jīng)反復(fù)升溫、降溫的電阻變化重現(xiàn)性很好[17-18]，在溫度不超過800 ℃時(shí)，不同溫度下Pd-13Cr薄膜應(yīng)變計(jì)的電阻值隨應(yīng)變呈良好的線性關(guān)系[21]。

2.2 鉑鎢合金

貴金屬Pt具有其它金屬無法比擬的耐腐蝕、高溫抗氧化、高溫力學(xué)性能，在高溫電阻應(yīng)變測(cè)試中發(fā)揮著重要作用。1960年代Bertodo[13]對(duì)鉑基電阻應(yīng)變合金進(jìn)行系統(tǒng)研究，通過比較幾十種鉑基合金性能，最終認(rèn)為Pt-W是最好的高溫電阻應(yīng)變合金。圖4是W含量對(duì)Pt-W合金電阻率()、電阻溫度系數(shù)()、應(yīng)變靈敏度系數(shù)()、抗拉強(qiáng)度(R)等性能的影響。圖5顯示了W含量對(duì)Pt-W合金在1000 ℃靜止空氣中氧化速率的影響：隨著W含量的增加，合金的應(yīng)變靈敏度有所降低，但仍保持較高值(大于3)；同時(shí)合金的氧化速率也逐漸減小并在8.0%～9.5%W達(dá)到最小值[22-24]。

隨后Pt-W合金作為電阻應(yīng)變材料引起人們的高度重視并開展大量的研究，相關(guān)內(nèi)容匯總列于表1。1970年代初，KIPM的何華春、童立珍等[25-26]對(duì)Pt-W合金進(jìn)行了深入的研究，發(fā)現(xiàn)熱處理工藝對(duì)Pt-W合金的性能影響很大：經(jīng)過常規(guī)的熱處理工藝后Pt-W合金的電阻溫度系數(shù)為(300～500)×10-6/℃，而經(jīng)過特殊熱處理工藝后，電阻溫度系數(shù)由加工態(tài)的267×10-6/℃降低至退火態(tài)的190×10-6/℃，電阻應(yīng)變靈敏度系數(shù)4.2(如表1)，同時(shí)該特殊工藝還可以提高Pt-W合金的機(jī)械性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖2 Pd-Cr合金的電阻率和電阻[14]

圖3 Pd-13Cr合金的電阻溫度特性[18]

圖4 W含量對(duì)鉑鎢合金性能的影響[13]

圖5 W含量對(duì)鉑鎢合金氧化速率的影響[22]

表1 Pt-8W合金性能[24]

Tab.1 Properties of Pt-8W alloy

美國(guó)HITEC公司報(bào)道的PtW合金焊接絲式應(yīng)變計(jì)的最高使用溫度達(dá)到1900℉(1038 ℃)，但敏感柵具體合金成份、應(yīng)變計(jì)的制作工藝沒有公開報(bào)道。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明：除非采用特殊的覆蓋層或改變應(yīng)變計(jì)的結(jié)構(gòu)，否則PtW合金裸絲的電阻溫度特性曲線的線性范圍在800 ℃以下，溫度超過800 ℃合金絲氧化/揮發(fā)嚴(yán)重、疲勞強(qiáng)度降低，電阻溫度特性曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，不能滿足800 ℃以上高溫靜態(tài)或動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量的要求，為此開發(fā)出了多種改良型Pt-W多元合金。

2.3 鉑鎢錸鎳系列

1970年代后期，KIPM童立珍、何華春等[24-27]對(duì)鉑鎢合金的改型進(jìn)行了大量的研究。在鉑鎢合金中添加適量的合金化元素可提高合金的綜合性能，如提高高溫強(qiáng)度、電阻率、降低電阻溫度系數(shù)、拓寬電阻溫度特性曲線的線性區(qū)間等。依據(jù)Hume-Rothery定律，選擇原子半徑、化合價(jià)、電負(fù)性相近的合金化元素以便形成穩(wěn)定的單相固溶體[27]。通過比較、篩選了ⅥB～Ⅷ中的元素，發(fā)現(xiàn)添加周期表中接近Pt的元素Re、Ni、Cr等元素比較合適。其中Re作為合金化元素，可以提高合金的抗拉強(qiáng)度、提高電阻率、降低電阻溫度系數(shù)；Ni可以增加固溶強(qiáng)化的效果；Cr和稀土元素Y可以細(xì)化晶粒、提高強(qiáng)度，而且Cr、Y還可以優(yōu)先氧化而在基體表面形成致密的氧化膜，抑制基體內(nèi)部的進(jìn)一步氧化。研制出應(yīng)變敏感柵材料PtWRe、PtWReNi、PtWReCr、PtWReCrY和補(bǔ)償線PtNiCr、PtNiCrY和PtIrNiCrY，性能見表2。

表2 Pt-W系列高溫電阻應(yīng)變材料[24]

Tab.2 High-temperature resistance strain of Pt-W series

2.3.1 電學(xué)性能

圖6是線徑為0.025 mm的幾種鉑基應(yīng)變合金裸絲在800 ℃的電阻漂移[24]，作為對(duì)比，圖中還給出了Pt-8.5W在700 ℃電阻漂移數(shù)值?？煽闯鯬t-8.5W在700 ℃、120 min內(nèi)電阻漂移0保持在0.05以內(nèi)，但在800 ℃溫度下，隨著燒結(jié)時(shí)間增加，電阻漂移呈線性急劇增大，120 min時(shí)的電阻漂移達(dá)到0.62，如此大的電阻漂移顯然不適合電阻應(yīng)變測(cè)試的要求，因此Pt-8.5W裸絲作為電阻應(yīng)變合金的最高使用溫度為800 ℃以下。添加Re、Ni而形成的Pt-W-Re、Pt-W-Re-Ni雖然可以提高抗拉強(qiáng)度、降低電阻溫度系數(shù)，但在800 ℃的電阻漂移都比較大；添加Cr、Y而形成的PtWReNiCr、PtWReNi-CrY合金具有較好的綜合性能：800 ℃、120 min的電阻溫度漂移最小。

圖7是幾種鉑基合金的電阻溫度系數(shù)與溫度的關(guān)系，圖7中的幾種合金在800 ℃以下的電阻溫度系數(shù)都基本恒定，表明合金的電阻溫度特性曲線的線性度較好。當(dāng)溫度超過800 ℃時(shí)，Pt-W、Pt-W-Re、Pt-W-Re-Ni合金的電阻溫度系數(shù)急劇降低，表明電阻溫度特性曲線出現(xiàn)了拐點(diǎn)。而添加Cr、Y的PtWReNiCr和PtWReNiCrY的電阻溫度系數(shù)在800 ℃時(shí)沒有明顯降低，室溫到1000 ℃的電阻溫度系數(shù)保持在(155～160)×10-6/ ℃，說明Cr、Y加入后，由于Cr、Y可以優(yōu)先氧化而在基體表面形成致密的氧化膜，抑制基體內(nèi)部的進(jìn)一步氧化，拓寬了合金的電阻溫度特性的線性區(qū)間，改善了合金在800～1000 ℃的電阻-溫度線性關(guān)系，在室溫至1000 ℃的溫度區(qū)間內(nèi)，電阻溫度特性曲線基本上呈現(xiàn)線性。PtWReNiCr和PtWReNiCrY合金已經(jīng)成功應(yīng)用到測(cè)量800～900 ℃靜態(tài)應(yīng)變，也應(yīng)用到1000 ℃動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試中。

2.3.2 組織結(jié)構(gòu)

線徑0.5 mm的PtWReNiCr和PtWReNiCrY兩種合金絲材經(jīng)過900 ℃氧化處理后，用掃描電鏡觀察形貌及元素分布，發(fā)現(xiàn)氧化后PtWReNiCr合金仍保持著合金內(nèi)部被覆蓋的結(jié)構(gòu)，隨著氧化時(shí)間延長(zhǎng)，氧化膜厚度增加，表面變得不規(guī)則，10 h氧化處理后，表面由于氧化物顆粒脫落而出現(xiàn)空洞，因氧化而形成了更多的晶界，且在晶界上形成很多腐蝕斑點(diǎn)，晶粒長(zhǎng)大，氧化膜厚度為20 μm左右。而PtW-ReNiCrY合金氧化5～10 h后，表面層還連續(xù)而致密，厚度為7～10 μm，幾乎未觀察到內(nèi)部氧化現(xiàn)象，晶粒尺寸基本上沒有變化。

圖8是900 ℃氧化30 h后PtWReNiCr樣品的SEM分析元素Ni、Cr、W的面、線掃描結(jié)果。由圖8可見氧化處理30 h后，表面組織不同于內(nèi)部組織，表面氧化了很厚一層，元素的面掃描表明，在所有元素中Ni在表面含量最高，有近10 μm的連續(xù)分布(圖8-Ni)，Cr也在表面聚集，但其含量比Ni低，與Ni、Cr相比，W的分布更均勻，在表面稍有聚集。PtWReNiCrY的元素分布特征與PtWReNiCr相似。PtWReNiCr和PtWReNiCrY合金已經(jīng)成功應(yīng)用到測(cè)量800 ℃、900 ℃靜態(tài)應(yīng)變，也應(yīng)用到1000 ℃動(dòng)態(tài)應(yīng)變[27]。

圖6 幾種鉑基合金的電阻漂移(800 ℃)[24]

圖7 幾種鉑基合金的電阻溫度系數(shù)[24]

2.4 鉑銠鎢系列合金

當(dāng)溫度超過1000 ℃時(shí)，由于Re、Ni、W等元素的氧化、揮發(fā)加劇，PtWReNiCr合金的電阻溫度特性曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，因此該類合金難以滿足1000 ℃以上的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試的要求，需進(jìn)一步提高合金的高溫強(qiáng)度、抗氧化性、拓寬合金的電阻-溫度特性曲線的線性度區(qū)間等性能。

圖9是對(duì)Pt固溶強(qiáng)化效果明顯的幾種元素對(duì)比，貴金屬Ru、Ir、Rh抗高溫氧化性比其他元素好，雖然Ru、Ir的熔點(diǎn)高、對(duì)Pt的強(qiáng)化效果明顯，但從圖10的幾種鉑族金屬氧化物在1 atm氧氣中的蒸汽壓曲線對(duì)比可以看出，Ru、Ir在高溫下形成氧化物的蒸汽壓比PtO2高兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上[28-29]，這表明高溫下Ru、Ir的揮發(fā)比Pt、Rh快很多，雖然Rh的強(qiáng)化效果比Ru、Ir稍差，但Rh與Pt氧化物蒸汽壓相近，是Pt最好的高溫固溶強(qiáng)化元素，Pt-Rh合金能在1400 ℃高溫長(zhǎng)時(shí)間工作[30-31]，基于上述考慮，貴研鉑業(yè)研制了Pt-Rh-W合金[32]。

上圖(Above): 面掃描(Area scan); 下圖(Below): 線掃描(Line scan)

圖11是直徑0.03 mm的PtRhW與Pt-8W、PtWReNiCr幾種鉑基合金裸絲的電阻溫度特性對(duì)比。Pt-8W在800 ℃以下的電阻-溫度特性曲線成線性關(guān)系，800～1000 ℃出現(xiàn)平臺(tái)，溫度升高到1000 ℃以上時(shí)電阻逐漸降低，因此，Pt-8W裸絲的應(yīng)變測(cè)試最佳使用溫度是800 ℃以下，通過采用適當(dāng)?shù)母采w層可以適當(dāng)提高工作溫度；PtWReNiCr的電阻溫度特性的線性區(qū)間為室溫到1000 ℃，表明PtWReNiCr合金的最高使用溫度可以達(dá)到1000 ℃。

以Pt-W為基體，添加適量Rh可提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和高溫強(qiáng)度、少量Re可提高電阻率，PtRhWRe合金的電阻-溫度特性曲線的線性區(qū)間拓寬到室溫至1100 ℃，滿足1100 ℃動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試要求。

參照鉑銠合金彌散強(qiáng)化方法[33-34]，在鉑銠合金中添加Zr、Y等元素，通過內(nèi)氧化等方法形成微細(xì)顆粒ZrO2、Y2O3等彌散分布于基體中，起到提高高溫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和高溫強(qiáng)度的目的，用于鉑基高溫電阻應(yīng)變合金這種彌散強(qiáng)化方法未見文獻(xiàn)報(bào)道。

通過在PtRhWRe基體中再添加少量的Zr、Y，制備了PtRhWReZrY合金細(xì)線材，采用內(nèi)氧化方法使Zr、Y轉(zhuǎn)變?yōu)閆rO2、Y2O3氧化物顆粒并彌散分布于基體中，從而達(dá)到彌散強(qiáng)化的作用。在內(nèi)氧化處理時(shí)需要嚴(yán)格控制內(nèi)氧化溫度、氧分壓、時(shí)間等工藝參數(shù)，防止在內(nèi)氧化過程中合金晶粒長(zhǎng)大和W、Re的氧化。PtRhWReZrY的電阻溫度特性曲線的線性區(qū)間，由PtRhWRe的1100 ℃提高到1138 ℃。

圖9 Pt的固溶強(qiáng)化元素

圖10 鉑族金屬的蒸汽壓

進(jìn)一步考察PtRhW與PtRhWReZrY的金相組織，將直徑1.0 mm的兩種合金絲材經(jīng)過不同溫度、30 min處理，觀察其金相組織，如圖12所示。圖中上方(即(a)、(b)、(c)圖)為PtRhW的金相組織，下方(即(d)、(e)、(f)圖)為PtRhWReZrY內(nèi)氧化后的金相組織，可看出PtRhW在1050 ℃晶粒開始長(zhǎng)大，1150 ℃晶粒粗大；而添加Zr、Y并經(jīng)過內(nèi)氧化處理后的PtRhWReZrY，由于細(xì)晶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化的聯(lián)合作用，在1150 ℃沒出現(xiàn)晶粒明顯長(zhǎng)大的現(xiàn)象，再結(jié)合圖11所示的電阻-溫度特性曲線的線性區(qū)間的上限為1138 ℃，表明PtRhWReZrY有望用于1138 ℃的動(dòng)態(tài)應(yīng)變。

圖11 幾種鉑基合金的電阻溫度特性

圖12 PtRhW (a～c)與PtRhWReZrY (d～f)的金相組織

2.5 鉑銠鉬鎢合金

鎢的熔點(diǎn)3422 ℃、鉬的熔點(diǎn)2623 ℃，兩者都是高熔點(diǎn)金屬，可用作鉑基高溫應(yīng)變合金的合金化元素[35-36]，圖13為W和Mo的差熱分析曲線。由圖13可以看出，W從600 ℃開始增重，表明W從600 ℃開始氧化，而Mo沒有出現(xiàn)增重現(xiàn)象；在1000 ℃以上減重明顯，說明Mo的抗氧化性能優(yōu)于W，但在1000 ℃以上揮發(fā)加快。因此可以預(yù)期以Pt-Rh為基體，通過優(yōu)化W、Mo的含量，開發(fā)出Pt-Rh-Mo-W合金，可望在較高溫度下保持較小的質(zhì)量變化、拓寬溫度特性曲線的線性區(qū)間。

圖13 W和Mo的TG/DSC

結(jié)合高溫應(yīng)變計(jì)的制備工藝，敏感柵材料能否滿足高溫應(yīng)變測(cè)量的要求，應(yīng)考察應(yīng)變絲經(jīng)過大氣環(huán)境、工作溫度下至少燒結(jié)30 min后的抗拉強(qiáng)度、電阻變化情況。燒結(jié)后的敏感柵絲材不能出現(xiàn)嚴(yán)重氧化、脆斷的情況。比較了五種典型的高溫電阻應(yīng)變合金(FeCrAl、Pt-8W、PtWReNiCr、PtRhWReZrY、PtRhMoW)絲材的高溫?zé)Y(jié)性能：直徑0.03 mm的絲材分別繞在剛玉棒，在大氣中1150℃燒結(jié)30 min，燒結(jié)后的狀態(tài)對(duì)比見表3。

從表3結(jié)果可以看出，作為動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試，F(xiàn)eCrAl、PtWReNiCr適宜在1000 ℃以下溫度使用，PtW8燒結(jié)后的強(qiáng)度很低，PtRhWZrY、PtRhMoW燒結(jié)后抗拉強(qiáng)度大于650MPa，可望用于1150 ℃的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試。

表3 幾種電阻應(yīng)變合金高溫?zé)Y(jié)性能比較

Tab.3 Comparison in the high temperature sinterability among several resistance strain alloys

圖14是PtRhMoW在1150 ℃、大氣中燒結(jié)30 min前后的拉伸曲線，圖14(a)為燒結(jié)前的拉伸曲線，抗拉強(qiáng)度為1657～1667 MPa；圖14(b)為燒結(jié)后的拉伸曲線，抗拉強(qiáng)度下降到705～732 MPa，延伸率從3%增加到10%，有望用于1150 ℃的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試。

圖14 PtRhMoW合金燒結(jié)前(a)后(b)的應(yīng)力應(yīng)變曲線

3 結(jié)語與展望

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)推重比越來越大，通常情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)推力增大10%，渦前溫度就會(huì)升高100 ℃左右，目前國(guó)內(nèi)外服役的發(fā)動(dòng)機(jī)渦前溫度已達(dá)1500 ℃以上，渦輪葉片的工作溫度已超過1150 ℃，希望測(cè)量渦輪葉片應(yīng)力應(yīng)變的電阻應(yīng)變計(jì)的工作溫度越來越高，但是，在1150 ℃以上再提高金屬合金型應(yīng)變計(jì)的工作溫度十分困難，需要開發(fā)其它類型的高溫應(yīng)變計(jì)。

Gregory[37-38]報(bào)道了一種陶瓷應(yīng)變計(jì)，將氧化銦錫濺射到基底上制備成薄膜應(yīng)變計(jì)，氧化銦錫薄膜型應(yīng)變計(jì)使用溫度可達(dá)1100 ℃以上，摻雜鋁的氧化銦錫薄膜可以使用到1280 ℃[39]，近年來氧化物(如ITO、Al-ITO)、氮化物(如AlN、TaN等)陶瓷應(yīng)變計(jì)受到人們的關(guān)注[40]，隨著材料科學(xué)和工藝技術(shù)的發(fā)展，高溫應(yīng)變材料必將取得更大的發(fā)展。

[1] 沈觀林. 應(yīng)變電測(cè)與傳感器技術(shù)的新發(fā)展及應(yīng)用[J]. 中國(guó)測(cè)試, 2011, 37(2): 87-96.

SHEN G L. New developments of strain gauge measure-ment and transducer technique and applications in all kinds of engineers and domains[J]. China Measurement & Test, 2011, 37(2): 87-96.

[2] 尹福炎. 電阻應(yīng)變計(jì)技術(shù)六十年(1)電阻應(yīng)變計(jì)的由來、發(fā)展及展望[J]. 傳感器世界, 1998(8): 27-32.

YIN F Y. Sixty years of electric resistance strain gage technique(1) origin, development and prospect of resistance strain gauge[J]. Sensor World, 1998(8): 27-32.

[3] 尹福炎, 王文瑞, 閆曉強(qiáng). 高溫/低溫電阻應(yīng)變片及其應(yīng)用[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2014: 12-38.

YIN F Y, WANG W R, YAN X Q. High/low temperature resistance strain gauge research and application[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2014: 12-38.

[4] 楊憲峰, 陳新, 許巍, 等. 渦輪葉片高溫振動(dòng)疲勞試驗(yàn)技術(shù)研究[J]. 燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究, 2022, 35(4): 30-34.

YANG X F, CHEN X, XU W, et al. Vibration fatigue test technology of turbine blade at high temperature[J]. Gas Turbine Experiment and Research, 2022, 35(4), 30-34.

[5] 王崇武, 艾延廷, 李成剛, 等. 電阻應(yīng)變計(jì)敏感柵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其測(cè)量精度的影響[J]. 航空發(fā)動(dòng)機(jī), 2022, 48(5): 167-172.

WANG C W, AI Y T, LI C G, et al. Influences of sensitive grid structural parameters of resistance strain gauge on its measurement accuracy[J]. Aero Engine, 2022, 48(5): 167-172.

[6] 王成亮, 曹志偉, 武小峰, 等. 高溫環(huán)境下電阻應(yīng)變測(cè)試技術(shù)研究[J]. 強(qiáng)度與環(huán)境, 2020, 47(3): 51-56.

WANG C L, CAO Z W, WU X F, et al. Research on resistance strain measuring technology in high temperature environment[J]. Structure & Environment Engineering, 2020, 47(3): 51-56.

[7] 功能材料及其應(yīng)用手冊(cè)編寫組. 功能材料及其應(yīng)用手冊(cè)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1991: 181-189.

[8] 尹福炎. 電阻應(yīng)變計(jì)技術(shù)六十年(2)電阻應(yīng)變計(jì)敏感材料的發(fā)展(上)[J]. 傳感器世界, 1998(9): 1-9.

YIN F Y. Sixty years of electric resistance strain gage tech-nique(2) development of grid sensing materials for electric resistance strain gage(I)[J]. Sensor World, 1998(9): 1-9.

[9] 尹福炎. 電阻應(yīng)變計(jì)技術(shù)六十年(2)電阻應(yīng)變計(jì)敏感材料的發(fā)展(下)[J]. 傳感器世界, 1998(10): 9-13.

YIN F Y. Sixty years of electric resistance strain gage technique(2) development of grid sensing materials for electric resistance strain gage(II)[J]. 1998(10): 9-13.

[10] 許艷芝, 雷曉波, 文敏, 等. 某發(fā)動(dòng)機(jī)噴管構(gòu)件高溫載荷測(cè)量[J]. 機(jī)械強(qiáng)度, 2019, 41(3): 696-701.

XU Y Z, LEI X B, WEN M, et al. High temperature load measurement for nozzle component of a certain aero-engine[J]. Journal of Mechanical Strength, 2019, 41(3): 696-701.

[11] 王崇武. 高溫應(yīng)變計(jì)敏感柵結(jié)構(gòu)及涂層工藝參數(shù)優(yōu)化研究[D]. 沈陽: 沈陽航空航天大學(xué), 2020: 2-5.

WANG C W. Research on optimization of sensitive grid structure and coating process parameters of high temperature strain gauge[D]. Shenyang: Shenyang Aerospace University, 2020: 2-5.

[12] 左渝鈺. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2008, 16(11): 1528-1529.

ZUO Y Y. Strain gauge measuring system depending on high temperature of aero-engine[J]. Computer Measure-ment & Control, 2008, 16(11): 1528-1529.

[13] BERTODO R. High temperature strain gauges for turbo- jet components[J]. Platinum Metals Review, 1964, 8(4): 128-130.

[14] HULSE C O, BAILEY R S, GRANT H P. High temperature static strain gage development[R]. 1990, NASA CR-189044.

[15] HULSE C O, BAILLEY R S, LEMKEY F D. High tempera-ture static strain gage alloy development program[R]. 1985, NASA CR-174833.

[16] 郭錦新. Pd-Cr合金高溫應(yīng)變材料[J]. 貴金屬, 1999, 20(1): 10-13.

GUO J X. Palladium-chromium high temperature strain gauge material[J]. Precious Metals, 1999, 20(1): 10-13.

[17] LEI J F. Development and characterization of PdCr temperature-compensated wire resistance strain gage[R]. 1989, NASA CR-185153.

[18] LEI J F. Palladium-Chromium strain gauges-static strain measurable at high temperatures[J]. Platinum Metals Review, 1991, 35(2): 65-69.

[19] MARTIN L, WRBANEK J, FRALICK G. Thin film sensors for surface measurements. 2001, NASA/TM-2001-211149.

[20] WNUK S, WNUK V. The development of a PdCr integral wieldable strain measurement system based on NASA Lewis PdCr/Pt strain sensor for user-friendly elevated temperature strain measurements. 1997, NASA Contractor Report 202316.

[21] 劉豪, 蔣書文, 趙曉輝, 等. PdCr薄膜電阻應(yīng)變計(jì)研制及其高溫應(yīng)變敏感性能研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào), 2017, 30(3): 348-352.

LIU H, JIANG S W, ZHAO X H, et al. Fabrication of PdCr thin film strain gauge and investigation on its sensitive properties at high temperature[J]. Chinese Journal of Sensors and Actuators, 2017, 30(3): 348-352.

[22] 寧遠(yuǎn)濤, 楊正芬. 鉑[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2010: 208-212.

NING Y T, YANG Z F. Platinum[M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2010: 208-212.

[23] KNAPTON A G. Alloys of platinum and tungsten[J]. Platinum Metals Review, 1980, 24(21): 64-69.

[24] TONG L Z, GUO J X. Noble metal alloys as strain gauge materials their development for high temperature applications[J]. Platinum Metals Review, 1994, 38(3): 98-108.

[25] 張萃初, 何華春. 鉑合金高溫應(yīng)變計(jì)[J]. 儀表材料, 1974: 9-23.

ZHANG C C, HE H C. Platinum alloy for high temperature strain gauge[J]. Instrument Materials, 1974: 9-23.

[26] 何華春, 童立珍. 新型高溫應(yīng)變電阻合金[J]. 物理, 1990, 19(3): 189-190.

HE H C, TONG L Z. New high-temperature strain resistance alloy[J]. Physics, 1990, 19(3): 189-190.

[27] GUO J X, TONG L Z, CHEN L. Platinum alloy strain gauge materials noble metal alloys for static measurement at 900 ℃[J]. Platinum Metals Review, 1997, 41(1): 23-32.

[28] 寧遠(yuǎn)濤. Pt和PtRh合金的高溫強(qiáng)化[J]. 貴金屬, 1984, 5(2): 39-45.

NING Y T. High temperature strengthening of Pt and PtRh alloys[J]. Precious Metals, 1984, 5(2): 39-45.

[29] 寧遠(yuǎn)濤. 鉑族金屬高溫固溶強(qiáng)化型合金[J]. 貴金屬, 2009, 30(2): 51-56.

NING Y T. High-temperature solid solution strengthening alloys based on platinum group metals[J]. Precious Metals, 2009, 30(2): 51-56.

[30] GRIGORY R. Platinum alloys: A selective review of the available literature[J]. Platinum Metals Review, 2013, 57(3): 202-213.

[31] FISCHER B, BEHRENDS A, FREUND D, et al. High temperature mechanical properties of the platinum group metals stress-rupture strength and creep behavior at extremely high temperature[J]. Platinum Metals Review, 1999, 43(1): 18-27.

[32] 萬吉高, 尹俊美. 鉑銠鎢高溫電阻應(yīng)變合金及其制備方法: 201318006223.5[P]. 2016-04-06.

WAN J G, YIN J M. High-temperature resistance strain alloy of platinum rhodium tungsten and its preparation method: 201318006223.5[P]. 2016-04-06.

[33] 冶金工業(yè)部貴金屬研究所玻纖漏板材料組. 合金元素對(duì)鉑合金力學(xué)性能的影響[J]. 玻璃纖維, 1977(2): 8-16.

[34] ZHANG Q X, SHONG W L. Microstructure and properties of some dispersion strengthened platinum alloys-the influence of yttrium and zirconium additions[J]. Platinum Metals Review, 1995, 39 (4): 167-171.

[35] 尹俊美, 萬吉高, 劉毅, 等. 一種新型鉑基高溫電阻應(yīng)變合金及其制備方法: 201711331663.1[P]. 2018-06-19.

YIN J M, WAN J G, LIU Y, et al. A new platinum based high-temperature resistance strain alloy and its preparation method: 201711331663.1[P]. 2018-06-19.

[36] 尹俊美, 萬吉高, 劉毅, 等. PtRhMoReCr高溫電阻應(yīng)變合金性能研究[J]. 貴金屬, 2019, 40(4): 54-58.

YIN J M, WAN J G, LIU Y, et al. Study on properties of PtRhMoReCr high-temperature resistance strain alloys[J]. Precious Metals, 2019, 40(4): 54-58.

[37] GREGORY O J, YOU T. High temperature strain gages: 20090173162A1[P]. 2009-07-09.

[38] GREGORY O J, CHEN X M. Strain and temperature effects in indium-tin-oxide sensors[J]. Thin Solid Films, 2010, 518(19): 5622-5625.

[39] WRBANEK J, FRALICK G. Thin film ceramic strain sensor development for high temperature environments[C]. 11th Joint NASA/FAA/DOD Conference On Aging Aircraft, Phoenix, Arizona, 2008.

[40] GREGORY O J, YOU T, CRISMAN E E, et al. Effect of aluminum doping on the high-temperature stability and piezoresistive response of indium tin oxide strain sensors[J]. Thin Solid Films, 2005, 476(4): 344-351.

Progress on research and application of strain alloys resistant to high temperature

WAN Jigao, WU Haijun, YANG Lijuan, NIU Haidong, LU Shaoping, HAO Yujie*

(State Key Laboratory of Advanced Technologies for Comprehensive Utilization of Platinum Metals,Sino-Platinum Metals Co. Ltd., Kunming 650106, China)

The resistance strain gauge, a testing unit that converts the strain of the tested component into a change in resistance, is an effective tool for the strain analysis in engine turbine blades. The grid sensing material is a key to the resistance strain gauge. With an increase in the thrust-to-weight ratio of engine, the temperature in front of the turbine is getting higher and higher, it is, therefore, necessary to increase the working temperature of grid sensing material as well. The current development status of strain material resistant to high temperature was reviewed in this paper with a focus on the composition design, microstructure and properties, working temperature and other characteristics of precious metal-based alloys such as palladium-based and platinum-based alloys. PtWReNiCr(Y) has been successfully applied to the dynamic strain testing at 1000 ℃, PtRhWZr(Y) can be used at 1138 ℃, PtRhMoWZr(Y) is expected to be suitable even at 1150 ℃, a working temperature about 350 ℃ higher than that achived by the traditional Pt-8W. Finally, the research status of metal oxide strain gauges which can work at higher temperatures was introduced.

high temperature resistance strain gage; resistance strain alloy; strain sensitivity coefficient; resistance temperature characteristics

TG146.3

A

1004-0676(2023)04-0074-11

2023-05-29

萬吉高，男，碩士，正高級(jí)工程師；研究方向：貴金屬合金材料；E-mail：jgwan@ipm.com.cn

郝玉潔，女，助理工程師；研究方向：貴金屬蒸發(fā)材料；E-mail：hyj@ipm.com.cn