微型晶體測(cè)溫技術(shù)發(fā)展

■ 李楊 石小江 張娜 李志敏/中國(guó)航發(fā)渦輪院

將微型晶體測(cè)溫技術(shù)應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度測(cè)量試驗(yàn)一直是前沿性的熱點(diǎn)研究方向。微型晶體測(cè)溫技術(shù)能夠在航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜的試驗(yàn)環(huán)境中取得高試驗(yàn)成活率，是解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)表面、氣流溫度測(cè)量的理想方法。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程中，高溫測(cè)量是航空發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試中難度較大的關(guān)鍵技術(shù)，準(zhǔn)確測(cè)量熱端部件的表面和氣流溫度對(duì)設(shè)計(jì)驗(yàn)證與優(yōu)化、故障診斷及壽命評(píng)估等都是十分重要和必要的[1]，微型晶體測(cè)溫技術(shù)被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)溫度測(cè)量試驗(yàn)中，尤其是渦輪工作葉片的溫度測(cè)量，對(duì)解決測(cè)溫難題有著重要的現(xiàn)實(shí)意義[2]。大量的研究成果表明，微型晶體測(cè)溫技術(shù)是在高溫、高速、高壓氣流環(huán)境下葉片、盤(pán)、軸等旋轉(zhuǎn)部件表面和氣流溫度測(cè)量的理想方法，能夠解決渦輪葉片氣膜孔間、緣板、榫頭、渦輪葉片進(jìn)出口燃?xì)?、氣冷葉片內(nèi)部冷氣、節(jié)流孔等航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型位置的表面或氣流溫度測(cè)量，具有較強(qiáng)的工程實(shí)用性[3]。

微型晶體測(cè)溫技術(shù)被廣泛應(yīng)用在航空、航天、航海等領(lǐng)域，美國(guó)、俄羅斯、烏克蘭、英國(guó)等國(guó)家的大量技術(shù)人員對(duì)微型測(cè)溫晶體的制造方法及應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究工作，取得了卓有成效的進(jìn)展，并成為一種主流的航空發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)溫技術(shù)[4]。

微型晶體測(cè)溫技術(shù)與特點(diǎn)

工作原理

晶體測(cè)溫技術(shù)是一種基于溫度記憶效應(yīng)并以晶體材料輻照缺陷的熱穩(wěn)定性為基礎(chǔ)建立起來(lái)的測(cè)溫技術(shù)。

晶體測(cè)溫傳感器所用材料為碳化硅單晶體。通過(guò)中子輻照后，晶體原子被撞擊，導(dǎo)致原子離位，能夠產(chǎn)生大量、穩(wěn)定的非平衡缺陷。當(dāng)晶體經(jīng)歷高溫后，缺陷將逐步回復(fù)至輻照前的狀態(tài)。這一過(guò)程中，在所經(jīng)歷的最高溫度持續(xù)時(shí)間一定的條件下，缺陷的回復(fù)程度與所經(jīng)歷的最高溫度成單一函數(shù)關(guān)系。通過(guò)對(duì)缺陷濃度的檢測(cè)則可以獲取所經(jīng)歷的最高溫度。

輻照缺陷的濃度可通過(guò)材料的多種物性表征，例如，晶格間距、電阻率、熱導(dǎo)率等晶體參數(shù)，建立起與所經(jīng)歷最高溫度的關(guān)系，晶體參數(shù)可以利用X射線衍射儀（XRD）進(jìn)行精確測(cè)量。

在測(cè)溫晶體傳感器研制過(guò)程中，需要建立不同恒溫時(shí)間條件下，晶體參數(shù)和溫度之間的標(biāo)定曲線，以便當(dāng)傳感器使用后，利用測(cè)量得到的晶體參數(shù)值來(lái)查詢標(biāo)定曲線就可以獲取到溫度值。

應(yīng)用方式

當(dāng)測(cè)溫晶體傳感器的外形尺寸小于0.4mm×0.4mm×0.4mm時(shí)，被稱為微型測(cè)溫晶體，能夠在航空發(fā)動(dòng)機(jī)等工程實(shí)際中應(yīng)用。

微型測(cè)溫晶體技術(shù)具有傳感器尺寸微小、無(wú)須測(cè)試引線、可高密度陣列式布點(diǎn)獲取溫度云圖、實(shí)際測(cè)量精度高、試驗(yàn)成活率高等優(yōu)點(diǎn)，滿足溫度測(cè)試技術(shù)的小型化、陣列化、系統(tǒng)化、智能化的發(fā)展趨勢(shì)。特別適用于旋轉(zhuǎn)、運(yùn)動(dòng)部件，小空間間隙以及密閉/半密閉腔體等部位的溫度測(cè)量，在眾多領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用。

通過(guò)使用專(zhuān)用設(shè)備和工具來(lái)完成對(duì)微型測(cè)溫晶體在試驗(yàn)件上的不同安裝方式，可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量表面溫度或氣流溫度，屬于非干涉、非侵入測(cè)試。其中，通過(guò)嵌入式的安裝可測(cè)量表面溫度，通過(guò)支撐式安裝可測(cè)量氣流溫度，如圖1所示[5]。

圖1 微型測(cè)溫晶體的兩種安裝方式

發(fā)展概況

俄羅斯庫(kù)爾恰托夫研究所

俄羅斯庫(kù)爾恰托夫研究所作為俄羅斯重點(diǎn)科研機(jī)構(gòu)，在核能、基礎(chǔ)物理、納米、生物和信息技術(shù)等領(lǐng)域具有雄厚的科研實(shí)力。晶體測(cè)溫技術(shù)是由庫(kù)爾恰托夫研究所發(fā)現(xiàn)并加以利用，曾榮獲全蘇聯(lián)國(guó)民經(jīng)濟(jì)展覽中心金獎(jiǎng)并獲得蘇聯(lián)部長(zhǎng)委員會(huì)獎(jiǎng)金。其研究的經(jīng)中子輻照后的金剛石為第一代晶體測(cè)溫傳感器材料，經(jīng)中子輻照后的碳化硅為第二代晶體測(cè)溫傳感器材料。庫(kù)爾恰托夫研究所晶體測(cè)溫傳感器的主要技術(shù)性能如表1所示。

庫(kù)爾恰托夫研究所研發(fā)的晶體測(cè)溫傳感器廣泛應(yīng)用于航空、航天、機(jī)械制造和能源領(lǐng)域，包括用于測(cè)量航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片、渦輪盤(pán)，航天飛行器防熱材料，內(nèi)燃機(jī)閥門(mén)和活塞環(huán)、滾珠軸承等的溫度。與此同時(shí)，庫(kù)爾恰托夫研究所的碳化硅晶體傳感器也被推廣應(yīng)用到了多個(gè)國(guó)家。俄羅斯、美國(guó)、瑞典、日本、瑞士等5個(gè)國(guó)家采用熱電偶與庫(kù)爾恰托夫研究所晶體傳感器同時(shí)在同樣位置測(cè)得的結(jié)果對(duì)比如圖2所示，可見(jiàn)兩種測(cè)溫方式測(cè)得的結(jié)果吻合較好。

美國(guó)LG Tech-Link公司

美國(guó)LG Tech-Link公司是一家專(zhuān)營(yíng)均勻晶體溫度傳感器（UCTS）的公司。由于UCTS具有可高密度安裝及可用于難以接近的特殊位置和旋轉(zhuǎn)件上的優(yōu)點(diǎn)，已在航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪增壓器、燃料電池和往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)中得到廣泛應(yīng)用。該公司生產(chǎn)的測(cè)溫晶體的主要性能指標(biāo)如表2所示。

LG Tech-Link公司還研發(fā)有一款軟件，該軟件可根據(jù)測(cè)量出的晶格參數(shù)的變化、時(shí)間歷史圖表和標(biāo)定曲線圖，確定晶體傳感器所經(jīng)歷的最高溫度。通過(guò)實(shí)際中已實(shí)施完成的成功項(xiàng)目，總結(jié)出了一套處理晶體傳感器應(yīng)用中系統(tǒng)誤差的方法，即先確定潛在的誤差來(lái)源，接著使用有限元法分析建模，然后通過(guò)改變傳感器布局、改進(jìn)安裝技術(shù)等方法減小或消除誤差，如無(wú)法消除誤差，則定量評(píng)估誤差。

烏克蘭前進(jìn)設(shè)計(jì)局

烏克蘭前進(jìn)設(shè)計(jì)局使用微型測(cè)溫晶體技術(shù)有約30年的歷史，該技術(shù)被大量廣泛地用來(lái)測(cè)量表面、氣流溫度，積累了十分豐富的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，并形成了標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用體系。

表2 LG Tech-Link公司的UCTS主要性能指標(biāo)

表1 庫(kù)爾恰托夫研究所晶體測(cè)溫傳感器主要技術(shù)指標(biāo)

圖2 庫(kù)爾恰托夫研究所微型測(cè)溫晶體應(yīng)用效果

前進(jìn)設(shè)計(jì)局在AI-25TL排故方案的兩輪驗(yàn)證試驗(yàn)中均使用了該技術(shù)。AI-25TL發(fā)動(dòng)機(jī)在使用過(guò)程中渦輪第一級(jí)導(dǎo)葉葉身部位出現(xiàn)了氧化和積炭故障，故障原因疑似與導(dǎo)向器葉片冷卻系統(tǒng)工作不穩(wěn)定和冷卻效果較差有關(guān)。

在第一輪驗(yàn)證試驗(yàn)中，烏克蘭前進(jìn)設(shè)計(jì)局開(kāi)發(fā)的一種方法對(duì)原始和改進(jìn)后的導(dǎo)向器冷卻系統(tǒng)實(shí)施了對(duì)比測(cè)溫，測(cè)溫過(guò)程中使用了晶體傳感器。測(cè)溫結(jié)果表明，改進(jìn)后葉片冷卻效果最好的位置在葉盆、葉背和前緣處，冷卻效果最差的位置在尾緣中間截面。測(cè)試結(jié)果表明，AI-25TL排故方案驗(yàn)證試驗(yàn)采用晶體測(cè)溫技術(shù)可行且有效，晶體測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)后續(xù)改進(jìn)提供了參考。在第一輪驗(yàn)證試驗(yàn)后，導(dǎo)向器內(nèi)緣板上又出現(xiàn)了腐蝕/侵蝕性損耗及積炭的故障。

在第二輪驗(yàn)證試驗(yàn)中，決定通過(guò)在導(dǎo)向器進(jìn)口內(nèi)機(jī)匣處吹送空氣進(jìn)行補(bǔ)充氣膜冷卻，達(dá)到更有效冷卻內(nèi)緣板、降低其溫度的目的。第二輪試驗(yàn)分兩個(gè)階段開(kāi)展：第一階段在發(fā)動(dòng)機(jī)原有葉型上進(jìn)行試驗(yàn)；第二階段在同一發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)補(bǔ)加工的葉型上進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)不拆除燃燒室，所采用的測(cè)溫手段為晶體傳感器。同樣采用晶體傳感器測(cè)量了第一級(jí)導(dǎo)向器葉片內(nèi)緣板溫度、第一級(jí)工作葉片葉身型面溫度和燃燒室出口燃?xì)鉁囟葓?chǎng)。測(cè)試結(jié)果表明，補(bǔ)充冷卻內(nèi)緣板使得渦輪第一級(jí)導(dǎo)向器葉片內(nèi)緣板、第一級(jí)工作葉片榫頭、根部截面、中間截面、葉尖截面等多部位溫度明顯降低，并未導(dǎo)致燃燒室出口燃?xì)鉁囟葓?chǎng)惡化和渦輪第一級(jí)工作葉片溫度狀態(tài)惡化。晶體傳感器測(cè)量結(jié)果充分驗(yàn)證了采取補(bǔ)充吹入空氣來(lái)降低渦輪第一級(jí)導(dǎo)向器內(nèi)緣板溫度的措施可行且值得進(jìn)一步推廣。

德國(guó)西門(mén)子公司

德國(guó)西門(mén)子公司在其研發(fā)的系列燃?xì)廨啓C(jī)中，均大量使用了微型晶體測(cè)溫技術(shù)[6]。在GTX100燃?xì)廨啓C(jī)的一次測(cè)溫試驗(yàn)中，使用約2000個(gè)微型晶體傳感器，其中的3個(gè)葉片上每個(gè)安裝有90個(gè)晶體傳感器，如圖3所示，試驗(yàn)中微型晶體傳感器存活率達(dá)95%。

該公司還開(kāi)展了微型晶體測(cè)量氣流溫度的應(yīng)用。在GTX100燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行的試驗(yàn)中，第3級(jí)渦輪的葉片上安裝了晶體傳感器，測(cè)量氣流溫度的晶體傳感器安裝在前緣尖端的小陶瓷棒尖部，如圖4所示。測(cè)得的溫度和實(shí)際溫度之間差異最大僅為4℃，對(duì)轉(zhuǎn)子葉片的氣體測(cè)溫，晶體傳感器存活率低于金屬測(cè)溫和葉輪測(cè)溫，120個(gè)晶體傳感器成活率為80%。

圖3 安裝微型晶體測(cè)量表面溫度的渦輪葉片

圖4 安裝微型晶體測(cè)量氣流溫度的渦輪葉片

美國(guó)霍尼韋爾公司

2008年，霍尼韋爾公司發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中出現(xiàn)了高壓渦輪第2級(jí)導(dǎo)向器氧化破裂、第1級(jí)工作葉片葉冠氧化缺損、涂層及金屬損失等故障。排故中進(jìn)行了計(jì)算流體力學(xué)（CFD）仿真和試驗(yàn)測(cè)試分析，將CFD的溫度分析與采用晶體傳感器測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。

在試驗(yàn)中，采用了350多個(gè)碳化硅微型晶體傳感器測(cè)量葉冠腔不同處，盤(pán)、葉片、葉盆、葉背以及緣板上的金屬溫度。在此次高溫燃?xì)馕雽?dǎo)致渦輪故障的排除中，同步開(kāi)展了CFD和碳化硅晶體傳感器測(cè)量，晶體測(cè)溫試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步證實(shí)了分析的置信度，證明CFD耦合分析方法是可靠的。同時(shí)也驗(yàn)證了通過(guò)減少高渦葉冠和外端壁間的軸向間隙達(dá)到腔體降溫的排故改進(jìn)措施是可行的。

中國(guó)微型測(cè)溫晶體技術(shù)的研究

我國(guó)晶體測(cè)溫技術(shù)研究于21世紀(jì)初起步，高校和科研院所開(kāi)展了技術(shù)研究工作，并進(jìn)行了探索性研究，開(kāi)展了大量的理論研究及實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證試驗(yàn)工作。

圖5 微型晶體測(cè)溫技術(shù)應(yīng)用發(fā)展方向

天津大學(xué)在測(cè)溫晶體技術(shù)方面開(kāi)展了理論研究工作，對(duì)中子輻照后晶體的材料的導(dǎo)電、電學(xué)等物理性能進(jìn)行了研究，并利用X射線衍射儀對(duì)中子輻照 6H-SiC 的缺陷及退火特性進(jìn)行了研究分析[7-8]。中國(guó)航發(fā)動(dòng)力所研究了基于SiC 晶體材料的測(cè)溫技術(shù)，對(duì)退火特性、溫度判讀方法等進(jìn)行研究[9]。

本文作者聯(lián)合山東交通學(xué)院對(duì)晶體測(cè)溫技術(shù)的全技術(shù)鏈進(jìn)行了研究，包括工作原理、制造方法、安裝與拆除工藝、標(biāo)定試驗(yàn)以及應(yīng)用技術(shù)等方面。并利用外形尺寸不大于0.2mm×0.2 mm×0.3 mm的微型晶體傳感器在國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪工作葉片等轉(zhuǎn)動(dòng)件的高空模擬試驗(yàn)中，在高溫、高壓、高速燃?xì)饬鞯臎_擊下和葉片高速旋轉(zhuǎn)的工況下附著牢靠，試驗(yàn)成活率為100%。通過(guò)技術(shù)研究，形成了標(biāo)準(zhǔn)化的研制與應(yīng)用體系，編制了技術(shù)規(guī)范。

發(fā)展展望

基于微型晶體測(cè)溫技術(shù)的特殊優(yōu)勢(shì)和工程實(shí)用性，隨著研究的深入和工程應(yīng)用的展開(kāi)，近年來(lái)微型晶體測(cè)溫技術(shù)方面的研究取得了令人鼓舞的進(jìn)展。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)測(cè)試技術(shù)需求的不斷提高，微型晶體測(cè)溫技術(shù)還需從以下幾個(gè)方面進(jìn)行深入研究：加快微型晶體測(cè)溫技術(shù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的編制，規(guī)范技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，為推廣應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)；加速國(guó)產(chǎn)微型測(cè)溫晶體傳感器的批量化生產(chǎn)，全面實(shí)現(xiàn)技術(shù)國(guó)產(chǎn)化，打破國(guó)外技術(shù)封鎖，進(jìn)一步降低技術(shù)應(yīng)用成本；進(jìn)一步拓寬現(xiàn)有微型晶體測(cè)溫技術(shù)的測(cè)溫范圍，提高實(shí)際測(cè)溫精度；開(kāi)展微型測(cè)溫晶體測(cè)量試驗(yàn)件沿壁面深度方向的梯度測(cè)溫，帶涂層葉片的測(cè)溫應(yīng)用研究，如圖5所示；探索氮化鋁等新材料晶體測(cè)溫的研究，發(fā)展第三代微型晶體測(cè)溫傳感器，為復(fù)合材料的測(cè)溫奠定基礎(chǔ)。

結(jié)束語(yǔ)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)表面及氣流溫度的分析與計(jì)算均須通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試進(jìn)行驗(yàn)證。研究表明，基于微型晶體測(cè)溫技術(shù)的自身優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，能夠解決其他測(cè)溫方法難以實(shí)現(xiàn)的高溫轉(zhuǎn)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)部件以及其他特殊條件下的測(cè)溫難題，能夠在惡劣的工況下，得到高試驗(yàn)成活率和高測(cè)試精度，實(shí)現(xiàn)待測(cè)位置的精確點(diǎn)測(cè)溫，并通過(guò)陣列式布點(diǎn)得到溫度云圖，為設(shè)計(jì)優(yōu)化提供關(guān)鍵的溫度數(shù)據(jù)。

（李楊，中國(guó)航發(fā)渦輪院，高級(jí)工程師，主要從航空發(fā)動(dòng)機(jī)特種測(cè)試技術(shù)研究）