一种钨铼热电偶高温抗氧化涂层及其应用制造技术

本发明专利技术属于温度测量技术领域，涉及一种钨铼热电偶高温抗氧化涂层及其应用。该抗氧化涂层直接设置在钨铼热电偶基体上，包括直接位于钨铼热电偶基体表面的过渡层以及位于所述过渡层表面的氧阻挡材料，过渡层材料的热膨胀系数介于所述钨铼热电偶基体材料与所述氧阻挡材料选用的材料之间，该涂层在高于2000℃有氧环境中能够持续抗氧化30min以上不脱落，抗氧化性能优异，由此解决2000℃以上超高温有氧环境中长时间接触式温度测量的问题。

High temperature oxidation resistant coating of tungsten rhenium thermocouple and its application

The invention belongs to the field of temperature measurement technology, and relates to a tungsten rhenium thermocouple high temperature oxidation resistant coating and its application. The anti oxidation coating is directly set on the tungsten rhenium thermocouple matrix, including the transition layer directly located on the surface of the tungsten rhenium thermocouple and the oxygen barrier material located on the surface of the transition layer. The thermal expansion coefficient of the transition layer material is between the tungsten rhenium thermocouple matrix material and the material selected by the oxygen barrier material. In the oxygen environment above 2000 degrees C, the layer can continue to resist antioxidant 30min and do not fall off, and the antioxidant properties are excellent, thus solving the problem of measuring the long time contact temperature in the ultra high temperature aerobic environment above 2000 degrees C.

【技术实现步骤摘要】
一种钨铼热电偶高温抗氧化涂层及其应用
本专利技术属于温度测量
，更具体地，涉及一种钨铼热电偶高温抗氧化涂层及其应用。
技术介绍
对于1600℃以上超高温度的测量，目前多采用非接触(红外、光学等)方法测量，但非接触方法不仅响应速度慢，而且测温精度远不如采用热电偶进行直接接触式测温。铂铑(Pt-Rh)热电偶、镍铬-镍硅热电偶、铁-康铜热电偶和钨铼(W-Re)热电偶是比较常见的几种高温热电偶，其中钨铼热电偶与其它热电偶相比，具有明显的优势：(1)熔点高(>3000℃)，强度大，抗热震性好，化学性质稳定；(2)热电动势大(约为铂铑热电偶的2～3倍)，灵敏度高；(3)测温范围大，工作温度上限可达2800℃；(4)价格便宜(约为铂铑热电偶的十分之一)。然而，钨铼热电偶在有氧环境下从300℃左右即开始氧化，只适用于还原、惰性、真空等环境的高温测量，不能在高温氧化性气氛中应用。因此，如何提高钨铼热电偶抗氧化能力，一直是国内外高温测量领域高度关注的课题。目前在有氧环境下使用钨铼热电偶测温，一般采取两种方式：一种是一次性测量使用，即每次测温时间很短，热电偶氧化失效后即不再使用或重新处理加工后使用，另一种方式是对热电偶采取抗氧化处理。目前商业化的钨铼热电偶防氧化技术主要为铠装保护法，即采用石英、刚玉、难熔金属以及高温陶瓷等作为保护管，装入钨铼热电偶后抽空密封、充惰性气体密封或充填惰性粉体密封，在保护管内为热电偶人为创造出非氧化性气氛，使其在氧化蚀损前完成测温使命，但这种不可拆卸的实体型抗氧化热电偶，存在以下问题：(1)热电偶使用温度受保护管耐温能力的限制，通常低于1800℃；(2)热电偶铠装保护后体积和重量增大，在体积要求比较严格的系统中使用受到限制；(3)采用套管和填充物质保护后，热电偶的响应速度受到很大影响。通过在钨铼热电偶表面涂覆抗氧化涂层，在不影响响应速度的前提下，提高热电偶在高温空气及其它高温氧化气氛中的测温上限、延长测温工作时间，是解决以上问题的比较理想的方法。实际上，国内外这方面的研究从上世纪六十年代起就已开展，但始终未见持续性的公开报道，而且全球范围内至今没有相关产品投入实际使用。本专利技术基于一种新型的用于钨铼热电偶表面的高温抗氧化涂层结构，使之能实现2000℃以上超高温有氧环境下的长时间接触式测温。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种钨铼热电偶高温抗氧化涂层及其应用，其目的在于通过在钨铼热电偶基体表面直接制备抗氧化涂层，该抗氧化涂层包括直接附着于钨铼热电偶基体表面的过渡层以及位于所述过渡层表面的氧阻挡层，过渡层材料的热膨胀系数介于所述钨铼热电偶基体材料与所述氧阻挡层选用的材料之间，该涂层在高于2000℃有氧环境中能够持续工作30min以上不脱落，而且抗氧化性能优异，由此解决2000℃以上超高温有氧环境中长时间接触式温度测量的问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种钨铼热电偶抗氧化涂层，其特征在于，该抗氧化涂层包括过渡层以及位于所述过渡层表面的氧阻挡层，所述过渡层材料的热膨胀系数介于所述钨铼热电偶基体材料与所述氧阻挡层选用的材料之间。优选地，所述过渡层选用的材料在2000℃以上不与所述钨铼热电偶基体发生反应，且所述钨铼热电偶基体、所述过渡层与所述氧阻挡层三者中层与层之间的热膨胀系数之差的绝对值不超过3×10-6K-1。优选地，所述过渡层选用的材料选自氮化钛、碳化钨、钽、碳化钽、硅化钨和氧化镁中的一种或多种。优选地，所述过渡层为10～100微米的薄膜层。优选地，所述过渡层为10～50微米的薄膜层。优选地，所述氧阻挡层为不低于2层的多层结构，所述氧阻挡层中各层材料热膨胀系数向远离所述钨铼热电偶基体的方向逐渐增大，所述氧阻挡材料最外层的热膨胀系数与所述基体热膨胀系数之差的绝对值不大于7×10-6K-1，所述氧阻挡层中各层材料的耐氧烧蚀能力向远离所述钨铼热电偶基体的方向也逐渐增大。优选地，所述氧阻挡层总厚度不大于200微米。优选地，所述氧阻挡层选用的材料为在2000℃以上能起到氧阻挡或耐氧烧蚀作用的难熔金属氧化物、硼化物或氮化物。优选地，所述氧阻挡层选用的材料为氧化硅、氧化铪、硼化铪、氮化铪、氧化锆、硼化锆、氮化锆和氧化钇中的一种或多种。优选地，所述多层结构的氧阻挡层存在成分梯度或浓度梯度，即所述氧阻挡层的多层结构中每一层采用不同的材料种类以形成成分梯度；或者每一层材料种类相同且至少为两种材料的混合物，但是各层中材料的配比不同以形成浓度梯度。优选地，所述氧阻挡层为5～10层的多层结构。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种所述的抗氧化涂层的应用，用作钨铼热电偶的抗氧化涂层，该抗氧化涂层附着于钨铼热电偶基体表面。优选地，通过磁控溅射法、热喷涂法、化学气相沉积法或包埋法在所述钨铼热电偶基体表面制备得到所述过渡层；优选地，通过化学气相沉积法、热喷涂法或溶胶凝胶法在所述过渡层表面制备得到所述氧阻挡层。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：(1)与传统的“铠装”不同，本专利技术提出的钨铼热电偶抗氧化涂层附着于钨铼热电偶基体表面，与钨铼热电偶基体表面直接相接触，总厚度为300微米以内，实验证明该钨铼热电偶抗氧化涂层在2000℃以上能够持续工作30min以上不脱落，抗氧化时间长且温度响应速度快。(2)本专利技术提出的抗氧化涂层结构中包含有多层结构的氧阻挡层，该多层结构中的氧阻挡层存在成分梯度和浓度梯度，即通过调整每一层材料种类或材料之间的配比，使得形成的氧阻挡层在靠近钨铼热电偶基体的氧阻挡层材料热膨胀系数与基体热膨胀系数之差的绝对值不大于6×10-6K-1，且氧阻挡层中各层材料热膨胀系数向远离钨铼热电偶基体的方向逐渐增大，氧阻挡层中各层材料的耐氧烧蚀能力向远离钨铼热电偶基体的方向也逐渐增大。这样，相比简单的钨铼基体与单一氧阻挡层的组合，它将原本热膨胀系数大的差异通过成分梯度或浓度梯度以渐变的形式分散到了层与层之间，使得热膨胀系数由内而外缓缓增大，有效减小了钨铼热电偶高温抗氧化涂层的热应力，同时增大了钨铼热电偶高温抗氧化涂层的附着力。(3)本专利技术提出的钨铼热电偶抗氧化涂层在钨铼热电偶基体与多层结构的氧阻挡层之间还设置有过渡层，过渡层直接位于钨铼热电偶丝表面，厚度为10-100微米，设置过渡层进一步使得钨铼热电偶表面涂层的附着力得到很大提高；过渡层材料的热膨胀系数介于钨铼热电偶基体和氧阻挡层材料之间，涂层在高温下的热应力大大减小。(4)本专利技术钨铼热电偶抗氧化涂层结构中的过渡层以及多层结构的氧阻挡层，材料选择至关重要，当采用不同材料实现具有浓度梯度或成分梯度的多层结构氧阻挡层时，不仅满足了热膨胀系数递增，实现应力良好分散的问题，同时也取得了在同等厚度下相比较同一种材料的氧阻挡层，耐氧烧蚀能力即抗氧化能力大大增强，说明不同成分种类的氧阻挡材料或层与层之间的氧阻挡材料发挥了协同促进作用，增强了总体抗氧化涂层的抗氧化能力，为该涂层实现2000℃以上持续工作30分钟以上提供了有力保证。(5)本专利技术通过选择特定的氧阻挡层材料以及过渡层的材料种类，巧妙设计氧阻挡层的多层结构，并设置层与层之间的成分梯度或浓度梯度，通过独特的设计构思与材料种类的精心选择，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钨铼热电偶抗氧化涂层，其特征在于，所述抗氧化涂层包括过渡层以及位于所述过渡层表面的氧阻挡层，所述过渡层材料的热膨胀系数介于所述钨铼热电偶基体材料与所述氧阻挡层选用的材料之间。

【技术特征摘要】
1.一种钨铼热电偶抗氧化涂层，其特征在于，所述抗氧化涂层包括过渡层以及位于所述过渡层表面的氧阻挡层，所述过渡层材料的热膨胀系数介于所述钨铼热电偶基体材料与所述氧阻挡层选用的材料之间。2.如权利要求1所述的抗氧化涂层，其特征在于，所述过渡层选用的材料在2000℃以上不与所述钨铼热电偶基体发生反应，且所述钨铼热电偶基体、所述过渡层与所述氧阻挡层三者中任意两者之间的热膨胀系数之差的绝对值不超过3×10-6K-1。3.如权利要求1所述的抗氧化涂层，其特征在于，所述过渡层选用的材料选自氮化钛、碳化钨、钽、碳化钽、硅化钨和氧化镁中的一种或多种。4.如权利要求1所述的抗氧化涂层，其特征在于，所述过渡层为10～100微米的薄膜层，优选10～50微米。5.如权利要求1所述的抗氧化涂层，其特征在于，所述氧阻挡层为不低于2层的多层结构，所述氧阻挡层中各层材料热膨胀系数向远离所述钨铼热电偶基体的方向逐渐增大，所述氧阻挡材料最外层的热膨胀系数与所述基体热膨胀系数之差的绝对值不大于7×...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈实，邱新潮，徐健博，张博文，杨晓非，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42