一种基于铱合金屏蔽罩的高温气流温度传感器的制作方法

1.本发明涉及一种基于铱合金屏蔽罩的高温气流温度传感器，特别涉及适用于气流高温测 量的高温气流温度传感器，属于温度测量领域。


背景技术：

2.在高性能航空发动机、涡轮冲压组合循环发动机等的研制、生产试验与使用中，气流高 温都是关键的测试参数，通常用来进行发动机性能评估、状态监控、燃烧诊断等。气流高温 测量使用高温气流温度传感器，由于发动机等设备工况环境恶劣，为减小高温气流温度传感 器的辐射误差和速度误差，同时为保护热电偶丝免受恶劣环境的破坏，高温气流温度传感器 一般均采用屏蔽式结构，即在热电偶丝头部的外边包覆有屏蔽罩。目前的高温气流温度传感 器，一般采用铂铑合金、铂铱合金、刚玉等材料制作屏蔽罩，但上述材料由于熔点的限制， 均不能在2300k的温度下正常使用，虽然可以通过后端冷却使屏蔽罩的温度降低，但这样做 的结果是引入了较大的导热误差，从而使得温度传感器的测量误差变大。金属铱的使用温度 可达2300k，但由于铱脆性大，加工和使用中极易断裂，使其可靠使用受到了极大的限制。 综上所述，目前2300k气流高温测量缺乏有效的手段。


技术实现要素：

3.本发明的主要目的是提供一种基于铱合金屏蔽罩的高温气流温度传感器，在保证高温气 流温度传感器在耐2300k高温的同时，具有良好的强度、塑性、韧性与加工性。
4.本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
5.本发明公开的一种基于铱合金屏蔽罩的高温气流温度传感器，包括热电偶丝、屏蔽罩、 绝缘瓷管、外壳、安装法兰。所述屏蔽罩设有屏蔽罩壳体、进气孔、出气孔。
6.所述屏蔽罩的形状为薄壁管状，壁厚为0.8mm～1.8mm，屏蔽罩相邻出气孔之间的周向和 轴向距离不小于孔直径的5倍。
7.屏蔽罩通过焊接的方式与外壳连接，热电偶丝穿入绝缘瓷管后装入外壳，并在头部折转 90
°
穿入屏蔽罩，安装法兰通过焊接的方式与外壳连接。
8.所述屏蔽罩为铱合金屏蔽罩，制作方法如下：
9.步骤一：基于铱-铌-钨-钍-铝五元合金制作屏蔽罩材料，其中按重量计铌的含量为 0.4％～0.8％，钨的含量为0.2％～0.4％，钍的含量为30ppm～50ppm，铝的含量为40ppm～60ppm， 其余为铱。
10.步骤二：采用粉末冶金方法将纯铱粉进行冷等静压成型，制备铱预烧结块，冷等静压成 型的压力为50mpa～100mpa，保压时间为100s～150s，然后将铱烧结块在氢气气氛下进行预烧 结，烧结温度为950℃～1100℃，保温时间为1h～2h。
11.步骤三：将预烧结的铱块在高温真空炉中进行高温烧结，烧结温度为1450℃～1550℃， 保温时间为3h～4h，真空度优于0.3pa。
12.步骤四：采用电弧熔炼，将烧结后的铱块进行熔炼，制备纯铱纽扣锭，每个纽扣锭
的重 量控制在50g～100g。
13.步骤五：按步骤一中所述配比加入适量的铌、钍、钨、铝，制备铱合金纽扣锭，每个钮 扣锭反复熔炼6次～8次，其后将纽扣锭在王水中清洗5min～8min，去除表面杂质。
14.步骤六：将铱合金纽扣锭进行电子束熔炼，在水冷模具中浇注成为的铱 合金圆铸锭。
15.步骤七：采用包套挤压、热锻或热轧等热加工手段制备铱合金棒材，包套挤压温度为 1250℃～1350℃，热锻的始锻温度或热轧的开坯温度为1500℃～1750℃，热锻的终锻温度或热 轧的终轧温度不低于1300℃。
16.步骤八：对铱合金棒材进行退火处理，退火温度1200℃～1300℃，保温时间1h～2h，随炉 冷却至室温。
17.步骤九：采用机械加工手段制备铱合金管材，基于所述铱合金管材制作屏蔽罩。
18.所述机械加工手段包括激光切割、电火花打孔、机械研磨。
19.有益效果：
20.1、为解决目前2300k气流高温测量中铂铑合金、铂铱合金、刚玉、碳化硅等屏蔽罩温 度上限不足以及铱屏蔽罩强度、塑性、韧性和加工性差的问题。本发明公开的一种基于铱合 金屏蔽罩的高温气流温度传感器，以铱-铌-钨-钍-铝五元合金作为高温气流温度传感器的屏蔽 罩材料，通过合金化，提高材料的再结晶温度，抑制晶粒长大，同时改善材料焊接性能，避 免纯铱机械性能与加工性能不足的问题，在耐2300k高温的同时，具有强度、塑性、韧性和 加工性好等优点。
21.2、本发明公开的一种基于铱合金屏蔽罩的高温气流温度传感器，在屏蔽罩材料中，钨的 主要作用是固溶强化和提高再结晶温度，促使铱合金在高温加工时不会发生再结晶。加入元 素钍有两个作用：一是提高再结晶温度，在晶界偏聚，增加晶界的结合力；二是析出铱、钍 相，钉扎在晶界，抑制晶粒长大，起到细化晶粒和增加晶界结合力的作用，能进一步改善铱 的塑性；加入元素铝能够促进钍偏析至晶界处，有效改善铱的塑性和冲击韧性；加入铌的主 要作用是改善合金的焊接性能。
22.3、本发明公开的一种基于铱合金屏蔽罩的高温气流温度传感器，经过大量试验和分析得 到，当所述屏蔽罩的形状为薄壁管状，壁厚为0.8mm～1.8mm，屏蔽罩相邻出气孔之间的周向 和轴向距离不小于孔直径的5倍，能够保证屏蔽罩的强度和加工性以及传感器的测量准确性。
附图说明
23.图1为高温气流温度传感器的结构示意图，图2为屏蔽罩的结构示意图。
24.1—热电偶丝、2—屏蔽罩、3—绝缘瓷管、4—外壳、5—安装法兰、6—屏蔽罩壳体、7 —进气孔、8—出气孔。
具体实施方式
25.为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合实例和附图对发明内容做进一步说明。
26.如图1所示，本实施例公开的一种基于铱合金屏蔽罩的高温气流温度传感器，包括
热电 偶丝1、屏蔽罩2、绝缘瓷管3、外壳4、安装法兰5。如图2所示，所述屏蔽罩2设有屏蔽 罩壳体6、进气孔7、出气孔8。
27.所述屏蔽罩2的形状为薄壁管状，壁厚为1mm，屏蔽罩2相邻出气孔8之间的周向距离 为孔直径的6倍。图2中6为屏蔽罩壳体，7为进气孔，8为出气孔。
28.屏蔽罩2通过焊接的方式与外壳4连接，热电偶丝1穿入绝缘瓷管3后装入外壳4，并 在头部折转90
°
穿入屏蔽罩2，安装法兰5通过焊接的方式与外壳4连接。
29.所述屏蔽罩材料为铱合金屏蔽罩，制作方法如下：
30.所述屏蔽罩材料为铱-铌-钨-钍-铝五元合金作为屏蔽罩材料，其中按重量计铌的含量为 0.5％，钨的含量为0.3％，钍的含量为30ppm，铝的含量为50ppm。钨的主要作用是固溶强化 和提高再结晶温度，促使铱合金在高温加工时不会发生再结晶。加入元素钍有两个作用：一 是提高再结晶温度，在晶界偏聚，增加晶界的结合力；二是析出铱、钍相，钉扎在晶界，抑 制晶粒长大，起到细化晶粒和增加晶界结合力的作用，能进一步改善铱的塑性。加入元素铝 能够促进钍偏析至晶界处，有效改善铱的塑性和冲击韧性。铌的主要作用是改善合金的焊接 性能。
31.采用粉末冶金方法将纯铱粉进行冷等静压成型，制备铱预烧结块，冷等静压成型的压力 为80mpa，保压时间为120s，随后将铱铱烧结块在氢气气氛下进行预烧结，烧结温度1000℃， 保温时间1h。
32.将预烧结的铱块在高温真空炉中进行高温烧结，烧结温度1500℃，保温4h，真空度为 0.2pa。
33.采用电弧熔炼，将烧结后的铱块进行熔炼，制备纯铱纽扣锭，每个纽扣锭的重量为60g。
34.按配比加入适量的铌、钍、钨、铝，制备铱合金纽扣锭，每个钮扣锭反复熔炼6次，以 去除气体和高蒸汽压杂质元素，其后将纽扣锭在王水中清洗5min，去除表面杂质。
35.将铱合金纽扣锭进行电子束熔炼，在水冷模具中浇注成为的铱合金圆铸锭。
36.采用热锻工艺制备铱合金棒材，始锻温度为1650℃，终锻温度不低于1300℃。
37.对铱合金棒材进行退火处理，退火温度1300℃，保温时间1h，随炉冷却至室温。
38.采用激光切割、电火花打孔手段制备铱合金管材。
39.以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所 应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。