結(jié)構(gòu)- 功能一體化熱電涂層測溫技術(shù)

■ 徐毅 劉先富 李楊 趙帥 程新琦 彭晉 程亮 郭光輝 /中國航發(fā)渦輪院

熱電涂層測溫技術(shù)是一種采用噴涂工藝將熱敏材料與熱端部件一體化集成，實現(xiàn)熱端部件表面溫度實時監(jiān)控與精確測量的新型測溫技術(shù)。該技術(shù)已成功應用于高溫、高轉(zhuǎn)速、復雜的氣動激振力及大離心載荷下的多型發(fā)動機全工況渦輪葉片表面溫度測量，為發(fā)動機渦輪葉片熱分析和結(jié)構(gòu)改進設計提供試驗數(shù)據(jù)支撐。

渦輪葉片在復雜的氣動、熱力及離心負荷的惡劣環(huán)境下，其工作的安全性和可靠性受到嚴重影響，研制過程中容易出現(xiàn)局部燒蝕、斷裂等現(xiàn)象。通過測量渦輪葉片表面溫度，能夠知悉葉片熱應力水平，優(yōu)化冷卻結(jié)構(gòu)設計，延長葉片壽命。但是，測量渦輪葉片的溫度也面臨高溫、高壓、振動、高速旋轉(zhuǎn)等惡劣環(huán)境。渦輪葉片常規(guī)測溫方法主要依賴“埋入式”測量技術(shù)，在葉片表面開槽，將鎧裝熱電偶埋入溝槽內(nèi)進行測量，該方法存在破壞試驗件、干擾流場、熱障涂層及薄壁結(jié)構(gòu)無法埋設等缺點。而其他測溫技術(shù)也存在相應不足，例如，示溫漆只能顯示試驗過程的最高溫度，紅外輻射測溫由于發(fā)射率難以準確獲取導致測量精度不高。中國航發(fā)渦輪院的創(chuàng)新團隊針對發(fā)動機研制過程中對溫度測量的迫切需求及現(xiàn)有技術(shù)的局限性，提出結(jié)構(gòu)-功能一體化熱電涂層測溫技術(shù)，即通過熱噴涂工藝，將溫度敏感材料以涂層的形式沉積在渦輪葉片表面，構(gòu)建由絕緣層、溫感功能層及防護層組成的“漸變緩沖層”結(jié)構(gòu)（見圖1），制備結(jié)構(gòu)-功能一體化熱電涂層溫度傳感器。

圖1 熱電涂層結(jié)構(gòu)組成示意圖

總體方案

結(jié)構(gòu)-功能一體化熱電涂層測溫技術(shù)分為集成敏感涂層沉積、制造與標定、應用驗證等三個方面?？傮w方案如圖2所示。

圖2 熱電涂層測溫技術(shù)方案

集成敏感涂層沉積技術(shù)

集成敏感涂層沉積技術(shù)包括試驗件表面預處理、絕緣層制備、功能層沉積、防護層高溫防護及制備、多涂層厚度均勻性控制和界面高溫互擴散特性研究等幾個方面。

試驗件表面預處理

為了提高熱電涂層附著性能和存活率，經(jīng)過多輪試制及驗證，確定了由多種方法相結(jié)合的預處理方法，主要分為噴砂處理和表面清洗兩部分。

噴砂處理是選用主要成分為Al2O3的白剛玉，顆粒度為20～60目，按SDZ01.1的規(guī)范執(zhí)行，處理后基底表面應達到GB8923規(guī)定Sa級要求。

表面清洗是首先依次使用丙酮、無水乙醇和去離子水，進行10 min超聲清洗；然后使用熱風槍吹干試驗件表面；最后使用吹凈槍對試驗件清潔處理，吹凈殘留砂粒。

絕緣層制備技術(shù)

絕緣層是提供溫感材料與高溫合金基片之間電學隔離的涂層，其絕緣性能及高溫性能直接影響到熱電涂層器件的工作狀態(tài)及結(jié)構(gòu)強度。通過多種常見絕緣材料物理參數(shù)對比分析，確定了以氧化鋁作為最佳絕緣材料。根據(jù)使用要求，確定了電子束蒸發(fā)法、空氣噴涂及火焰噴涂等制備方法。為確定最優(yōu)制備方法，進行了模擬加溫試驗考核、絕緣性能測試、樣品高溫微觀形貌檢測性能考核試驗。結(jié)果表明：用火焰噴涂制備的涂層經(jīng)過不同溫度循環(huán)測試后，表面形貌無明顯變化，未出現(xiàn)明顯缺陷或裂紋，附著牢靠、高溫下絕緣電阻能滿足試驗需求。

功能層沉積工藝

為滿足發(fā)動機測溫范圍的試驗要求，選擇NiCr/NiSi作為溫感涂層材料。該類合金材料在溫度范圍內(nèi)組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、無相變，電阻溫度系數(shù)穩(wěn)定，重復性好。根據(jù)技術(shù)方案，確定了兩種功能層沉積技術(shù)方案。

一是絲材型，采用平行焊接工藝將直徑為100μm的Ⅰ級標準熱電偶裸絲測量端焊接在試驗件表面測點處；其后端用寬度為窄帶狀的高溫膠帶固定，使其緊密貼合；采用火焰（或等離子）進行噴涂固定，厚度為120～150μm（見圖3）。

二是涂層型，為減小涂層總厚度，增強可靠性，利用熱噴涂技術(shù)直接沉積溫感材料于絕緣層表面，使溫感材料以涂層化形式沉積。通過研究噴涂系統(tǒng)給進速率、氣壓、溫度等工藝條件對涂層成分、微觀結(jié)構(gòu)、電阻率、塞貝克（Seebeck）系數(shù)、電阻溫度系數(shù)等性能的影響規(guī)律，優(yōu)化制備工藝參數(shù)，制備樣品如圖4所示。

防護層高溫防護機制及制備技術(shù)

高溫防護層直接影響高溫高速強氧化氣流環(huán)境下熱電涂層的工作可靠性和壽命。采用與絕緣層相同的材料，可有效避免不同涂層間因材料熱膨脹系數(shù)不同而導致的涂層開裂，實現(xiàn)與功能層之間的良好界面匹配，提高附著力，防護層制備完成情況如圖5所示。

多涂層厚度均勻性控制及界面高溫互擴散特性

在涂層制備過程中，采用膜厚儀對涂層厚度進行實時監(jiān)控，分析多涂層界面結(jié)構(gòu)特征，以及界面高溫互擴散行為與涂層功能特性的關(guān)系。通過調(diào)控界面狀態(tài)提高異質(zhì)材料疊層間結(jié)合強度，形成熱電涂層異質(zhì)材料疊層間熱/力最優(yōu)匹配。掌握工藝條件對多涂層集成后的界面結(jié)構(gòu)、附著強度、絕緣特性、敏感特性和防護性能的影響規(guī)律，在工藝和多個涂層綜合性能間取得平衡（見圖6）。

圖3 標準微細偶絲型樣品

圖4 涂層型樣品

圖5 防護層制備完成圖

圖6 多涂層界面高溫互擴散特性研究

熱電涂層制造技術(shù)及性能標定

熱電涂層圖形化技術(shù)研究

采用金屬掩模圖形化工藝對熱電涂層進行圖形化，并采用激光修調(diào)方法進行高精度尺寸和阻值控制，在葉片表面制備出與葉片同形的熱電涂層圖形，根據(jù)測試部件的不同，設計了非碰底型和碰底型兩種圖形化結(jié)構(gòu)，其中非碰底型適用于熱障涂層等非金屬材料，碰底型適用于高溫合金材料。

熱電涂層與信號引出線的連接技術(shù)研究

采用平行微隙焊接工藝完成涂層與后端高溫導線的連接，利用熱噴涂氧化鋁將外接高溫引線和熱電涂層焊盤牢固連接，實現(xiàn)溫感信號可靠引出。先制備氧化物緩沖層，在其上再制備信號引出線，既有利于改善絕緣性，也可提高附著強度，改善耐沖刷能力。

熱電涂層敏感性能標定

采用靜態(tài)標定法考核熱電涂層熱電性能和試驗溫度的關(guān)系，研究數(shù)據(jù)精度修正方法，獲得其Seebeck系數(shù)、靈敏度系數(shù)等性能參數(shù)。

絲材型熱電涂層由于采用I級標準熱電偶絲，經(jīng)靜態(tài)標定，滿足I級熱電偶允差等級。涂層型采用熱噴涂工藝制備，由于在制備中溫感材料成分會在高溫中部分氧化導致成分偏析，經(jīng)對比標定發(fā)現(xiàn)，Seebeck系數(shù)低于標準鎧裝熱電偶，但重復性較好。通過3次樣條插值擬合，修正后測量誤差不超過1%。

涂層影響因素分析

熱電涂層總厚度不超過150μm，為了評估涂層結(jié)構(gòu)對測試結(jié)果的影響，基于瞬態(tài)熱/流耦合理論，采用有限元/邊界元方法，對不同類型的直板葉片進行瞬態(tài)熱沖擊數(shù)值仿真，針對涂層葉片和光滑葉片在同樣邊界條件下展開測點溫度變化研究，分析氣動、涂層及葉片結(jié)構(gòu)對測點溫度的影響。由分析結(jié)果可知，當進行瞬態(tài)測試時，熱電涂層測量結(jié)果會略低于實際葉片表面溫度。當試驗件達到熱平衡后沒有差別，不同葉片測量結(jié)果相同。

試驗驗證

所研制的熱電涂層通過大量的試驗考核，包括耐高溫絕緣材料試驗、涂覆性能試驗、模擬加溫試驗、高速輪盤旋轉(zhuǎn)試驗、高溫燃氣沖擊試驗等，達到以下技術(shù)指標：測溫范圍為25～1200℃；測量不確定度為±1%FS；存活率≥90%；適用葉片表面Ra≤10μm；熱電特性一致性為分散度≤10%；可靠性為當1200℃燃氣沖擊20次以上時不脫落。

進而將熱電涂層測試技術(shù)應用于渦輪葉片冷效試驗及發(fā)動機高空模擬試驗，成功獲取了渦輪轉(zhuǎn)子葉片葉盆、前緣及伸根的表面全工況溫度數(shù)據(jù)，為排故工作及部件改進設計提供了有效數(shù)據(jù)。

結(jié)束語

創(chuàng)新團隊提出的熱電涂層測溫技術(shù)，通過將溫感材料與被測試驗件的一體化集成，實現(xiàn)了航空發(fā)動機熱端部件表面的在線精確測量。該技術(shù)的成功應用可為發(fā)動機渦輪葉片表面溫度評估、發(fā)動機葉片熱分析和結(jié)構(gòu)改進設計提供強大的試驗數(shù)據(jù)支撐。該技術(shù)不僅可應用于航空發(fā)動機的渦輪葉片、熱障涂層、燃燒室火焰筒、燃燒室冷卻試驗件、燃燒室機匣、渦輪機匣、渦輪盤表面溫度精確測量，還可以應用于其他軍民用高溫、高速旋轉(zhuǎn)件和薄壁件，復雜構(gòu)件及鎧裝熱電偶不易安裝位置的表面溫度測試，具有極大的工程應用價值，這一技術(shù)的推廣使用將產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益。