航空發(fā)動機微型晶體測溫技術

■ 李楊 李志敏 李華臣 趙麗君 徐連強 康亞杰 吳堅/中國航發(fā)渦輪院

將基于溫度記憶效應的微型晶體測試技術用于測量渦輪葉片等高溫轉動件的溫度測試，試驗成活率為100%，成功地解決了航空發(fā)動機渦輪葉片等熱端部件的特殊位置表面溫度的測量難題。

隨著性能的提升，航空發(fā)動機燃燒室、渦輪的工作溫度越來越高，而一種材料允許長期正常工作的溫度是有上限的。這就需要對航空發(fā)動機的渦輪葉片、燃燒室、火焰筒等部件的表面、氣流溫度進行準確的測量，確保其在允許的溫度范圍內正常工作。

傳統的接觸式測溫技術主要應用于航空發(fā)動機機匣外壁的溫度，而在對航空發(fā)動機內部試驗件進行測量時，信號引出較為困難，易對目標溫度場分布造成較大的影響、測點數量較少且成活率較低。因此，選擇合適的測量手段來測量航空發(fā)動機熱端部件的表面溫度顯得尤其重要。

中國航發(fā)渦輪院的創(chuàng)新團隊選擇了一種基于溫度記憶效應的碳化硅微型晶體測溫技術進行攻關，微型晶體如圖1所示。該技術是一項創(chuàng)新的溫度測量技術，以輻照缺陷的熱穩(wěn)定性為基礎建立起來的測溫方法，具有明顯的非侵入特征，屬于非干涉式測試技術，還具有測溫晶體傳感器體積微小，無須測試引線，測溫精度高，可以高密度、陣列式地安排測點，試驗成活率高，測試改裝易實現等優(yōu)點，能實現渦輪葉片等轉動件溫度的準確測量。

圖1 微型晶體

微型測溫晶體傳感器的研發(fā)

工作機理

微型晶體測溫技術是用于測量工作條件下設備及試驗件表面最高溫度的方法，是通過最高溫持續(xù)時間、最高溫溫度及晶體參數（即晶格回復程度，又稱輻照缺陷回復程度）三個參數之間的單一函數關系建立起來的測試技術。

輻照缺陷的回復與所經歷的最高溫度有密切的關系。微觀上，表現為不同的溫度會導致不同缺陷的回復；宏觀上，表現為不同溫度對應著材料不同物性的回復。通過測定材料不同溫度階段的物性，可以分析處于不同溫度階段的缺陷種類、特點等。輻照缺陷影響著晶體的特性，缺陷隨溫度的升高而逐漸消失，同時晶體性質也會隨著溫度的升高逐漸回復。

輻照晶體物性和所經歷最高溫度二者之間具有相互對應的穩(wěn)定的關聯關系，輻照缺陷可引起材料多種物性發(fā)生變化，例如，電阻率、熱導率等，均可用于建立起與退火溫度的關系?？紤]到現實測量的可操作性，可選擇易于測量的晶體參數和溫度作為定標法的兩個參數。

對晶體進行逐步升溫，然后進行晶體參數的測定，并依次記錄相應的溫度和晶體參數。將溫度作為橫坐標，晶體參數作為縱坐標，繪制定標曲線，該曲線即為用于測溫的標準曲線。將測溫晶體置于待測部件的表面，并隨著設備一起運行，該過程類似于對傳感器進行一次未知溫度的熱處理。設備停止運行后，將傳感器取出，進行X射線衍射測試，獲取晶體參數，對照標準曲線，反向進行，找到晶體參數對應的溫度，該溫度即為部件運行時此位置所經歷的最高溫度。

傳感器的制造

微型測溫晶體的制造過程主要包括晶片的選擇、晶片的中子輻照、微型晶體的切割與篩選等流程。在此過程中，要求所用晶體保持絕對的一致性，即各種定標晶體和測溫晶體必須具有相同的物理性能和力學性能。

工藝參數的確定主要是為了保證性能的一致性和結構變化的測量儀器可感知性。為此，各步驟都應該高度一致，要求初期晶體選擇階段所用原始晶體質量的一致性，中期中子輻照階段輻照缺陷引入的一致性，以及末期篩選階段晶體參數的一致性。微型測溫晶體的研制流程如圖2所示。

制備可用于測溫的微型輻照晶體的關鍵技術是優(yōu)良的晶片和準確的輻照。該技術使用的是定標法制備傳感器，前提是保證晶體損傷一致性，而一致性晶體損傷的前提是一致性的晶片結晶和輻照過程。這兩種工藝直接關系到制造出的晶體是否具有一致性，這也是微型測溫晶體傳感器制造的關鍵技術。

微型測溫晶體的標定

微型測溫晶體的溫度獲取是通過試驗后所測得的晶體參數對標不同恒溫時間的標定曲線來判讀的。為此，在微型測溫晶體傳感器的研發(fā)過程中需要進行大量的標定試驗，建立典型工作時間條件下的標定試驗數據庫，為微型測溫晶體試驗應用后溫度的判讀提供保障。

標定試驗方法：

● 首先設置標定爐恒溫溫度值900℃（以900℃為例），開啟加溫程序，將晶體在標準溫度下放入溫場恒溫區(qū)；

● 待晶體溫度平衡，達到標準溫度時，開始記錄恒溫時間，持續(xù)5min（以恒溫5min為例）；

● 取出晶體，恢復至常溫后進行拆除和標號處理，采用X射線衍射儀進行晶體參數測試；

● 上一步驟中得到的晶體作為“恒溫5min，溫度值900℃”狀態(tài)下的晶體參數輸入，獲取標定曲線所需的一個狀態(tài)點的3個參數；

● 按上述標定試驗方法，得到其他溫度點的參數值，進行數據處理，得到恒溫5min標定曲線。

通過上述標定試驗方法能夠得到不同恒溫時間條件下的標定曲線，從而建立標定試驗數據庫。

目前，研制出的微型晶體尺寸不大于0.2 mm×0.3 mm×0.3 mm，測溫范圍為500～1400℃，實測誤差優(yōu)于1.5%FS，試驗存活率高于90%，與國外同類產品水平相當。

圖2 微型測溫晶體的研制流程

在航空發(fā)動機中的應用研究

微型測溫晶體的拆裝

微型測溫晶體傳感器是通過固定在試驗件表面來進行溫度測量的，表面溫度測量是通過嵌入法將測溫晶體嵌入試驗件表面的微小安裝孔內來實現測量的；氣流溫度的測量是通過支撐法將封裝有測溫晶體的陶瓷管固定于試驗件表面來實現的，如圖3所示。

安裝測量表面溫度的測溫晶體時需要加工微小孔。微小孔的形貌要求為柱狀盲孔，微小孔的加工對測溫晶體實現測溫技術的可行性有著重要的影響。微小孔的大小、質量、平整度等因素均直接影響到晶體的存活率。微小孔的加工可通過機械式鉆孔、電加工等方式來實現。實際操作中，需根據具體的測點位置來確定微小孔的尺寸與具體的加工方式。

圖3 微型測溫晶體的兩種安裝方式

在安裝測量氣流溫度的測溫晶體時，需要根據不同的測試位置選擇尺寸合適的陶瓷管，先將測溫晶體封裝于陶瓷管端部，再將陶瓷管固定于試驗件表面。根據不同的測點位置，陶瓷管固定于試驗件表面的方式也略有不同。

微型測溫晶體的可靠安裝和拆除是測溫晶體應用的關鍵環(huán)節(jié)。測溫晶體的安裝和拆除工藝流程看似簡單，實則相反。在安裝和拆除的過程中，極易將測溫晶體丟失或損傷，導致在該環(huán)節(jié)測溫晶體的成活率降低。微型測溫晶體的可靠安裝與拆除是一個經驗不斷積累的過程，為熟練掌握安裝與拆除工藝，實現測溫晶體的可靠安裝，須建立良好的工作環(huán)境以及專用的安裝與拆除設備，包括微操作平臺、立體顯微鏡、專用工具以及配套的專用小附件等，良好的設備是實現測溫晶體可靠安裝與拆除的基礎和前提條件。

雖然大致的安裝與拆除工藝流程較為清楚，但在晶體夾取時容易崩邊和脫落，填充高溫膠時易出現松散和存在氣泡等情況，因此仍然需要通過反復摸索試驗、實際操作以及工藝驗證試驗來不斷優(yōu)化、改進實際的工藝方法，才能在該環(huán)節(jié)盡量不丟失、破壞測溫晶體，提高安裝與拆除的可靠性，提高晶體工作效率。

圖4 微型測溫晶體的應用流程

微型測溫晶體的應用試驗

微型測溫晶體的應用流程主要包括測試方案的設計、測點位置的選擇與評估、微型測溫晶體的拆裝、測量試驗以及溫度判讀等過程，如圖4所示。

在對發(fā)動機高空模擬試驗的渦輪工作葉片的溫度進行測試時，采用陣列式的布點方式在一個葉片上布置了74個測點，在高溫、高壓、高速燃氣流的沖擊以及葉片高速旋轉的復雜條件下，試驗成活率為100%，獲取到了全溫、全壓狀態(tài)下的葉片表面溫度值，為設計優(yōu)化提供了數據支撐。在微型測溫晶體測量氣流溫度的應用中，已完成了工藝可靠性試驗以及熱氣流沖擊試驗與抗離心力等考核驗證試驗，目前正開展在型號發(fā)動機中的應用試驗。

結束語

微型晶體測溫技術能夠解決其他測溫技術難以實現的航空發(fā)動機高溫部件的表面、氣流溫度測試難題，對于測量航空發(fā)動機渦輪葉片等轉動部件氣膜孔間、緣板、榫頭等特殊位置的表面溫度，以及渦輪葉片進出口燃氣、氣冷葉片內部冷氣、轉子盤腔腔溫的測量具有較強的實用性。它能夠在一次試驗中高密度地進行測點布置，基于其高試驗存活率，能夠通過一次試驗獲取大量的溫度數據，且可通過同一套測試系統完成同一位置的表面、氣流溫度的測量。