一種新型示溫漆標(biāo)準(zhǔn)樣片標(biāo)定方法研究

周峰

（中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所 湖南省株洲市 412002）

1 概述

航空發(fā)動(dòng)機(jī)以復(fù)雜的制造工藝與多專業(yè)協(xié)同研制的特點(diǎn)被譽(yù)為“工業(yè)皇冠上的明珠”，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中渦輪或燃燒室等熱端部件若溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致其強(qiáng)度不斷降低，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)壽命，精準(zhǔn)的溫度測(cè)試技術(shù)可以在發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程中為故障分析、壽命評(píng)估以及后續(xù)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)保證。發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸狹小、溫度較高，使用常規(guī)測(cè)試方法難以鋪設(shè)傳感器及布線，而對(duì)于轉(zhuǎn)子部件，其轉(zhuǎn)速高、結(jié)構(gòu)緊湊，表面溫度更難以測(cè)量，亟需一種測(cè)試技術(shù)能在有限的空間內(nèi)，不破壞結(jié)構(gòu)和氣流的前提下，提供較為準(zhǔn)確的溫度數(shù)據(jù)。

示溫漆是一種隨著溫度變化而產(chǎn)生顏色變化的特種涂料，具有操作簡(jiǎn)單、可進(jìn)行區(qū)域測(cè)量、不破壞發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與氣流等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤(pán)、葉片、燃燒室機(jī)匣和火焰筒等熱端部件的溫度測(cè)試。早在20 世紀(jì)50 年代，國(guó)外就開(kāi)始將示溫漆應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)和炮彈上，其主要依靠人工判讀的方式進(jìn)行溫度判讀；在國(guó)內(nèi)，張興等分析了示溫漆測(cè)溫誤差產(chǎn)生的原因并以此提高了判讀和測(cè)量精度，同時(shí)其將示溫漆應(yīng)用于全流程示溫漆壁溫試驗(yàn)，為發(fā)動(dòng)機(jī)全流程壁面溫度場(chǎng)提供了大量數(shù)據(jù)；熊慶榮等將示溫漆技術(shù)應(yīng)用于高壓渦輪導(dǎo)向器表面溫度測(cè)試，成功獲取了整個(gè)高壓渦輪導(dǎo)向器的表面溫度及溫度分布，為高壓渦輪導(dǎo)向器熱應(yīng)力與壽命分析提供數(shù)據(jù)支撐。進(jìn)行示溫漆溫度判讀時(shí)，最重要一步就是標(biāo)準(zhǔn)樣片的制作，而樣片的制作根據(jù)示溫漆判讀方法的不同主要分為兩種方法，一種是基于顏色空間的判讀方法，其樣片主要采用爐燒標(biāo)定的矩形標(biāo)準(zhǔn)樣板，另外一種是基于等溫線識(shí)別的判讀方法，而對(duì)應(yīng)的樣片制作方法為電燒標(biāo)定碟形標(biāo)準(zhǔn)樣片的方式。馬春武等基于顏色空間的判讀方法制作了矩形標(biāo)準(zhǔn)樣片，通過(guò)LAB 色彩空間，采用3 次樣條插值算法進(jìn)行了顏色數(shù)據(jù)擬合，提高了判讀的精度。李楊等設(shè)計(jì)了一種基于等溫線示溫漆標(biāo)定裝置，該裝置準(zhǔn)確度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高，其通過(guò)PID 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)溫度，將熱電偶焊接于樣片中采集其溫度，結(jié)果表明測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度小于4.43℃。

2 示溫漆測(cè)溫簡(jiǎn)介

2.1 測(cè)溫原理

示溫漆是一種由示色劑、粘合劑和填料按一定比例調(diào)配而成的特殊功能性敏感涂料，噴涂在物體表面，能夠隨物體溫度的變化而改變自身顏色。示溫漆測(cè)溫就是利用示溫漆在特定的溫度范圍內(nèi)顯現(xiàn)特定顏色的特性來(lái)進(jìn)行溫度測(cè)量，作為一種接觸、非干涉式的溫度測(cè)試方法，示溫漆測(cè)溫具有不破壞物體表面形狀、不改變氣流狀態(tài)、無(wú)需測(cè)試引線、無(wú)需測(cè)試窗口、使用方便、測(cè)量結(jié)果直觀等特點(diǎn)，對(duì)測(cè)量高溫高速旋轉(zhuǎn)構(gòu)件和復(fù)雜構(gòu)件的壁面溫度以及顯示大面積溫度分布有獨(dú)到之處，目前已廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件表面溫度測(cè)量領(lǐng)域，如圖1 所示，發(fā)動(dòng)機(jī)所有零部件的表面溫度分布都可以使用示溫漆進(jìn)行測(cè)量。

圖1： 發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 示溫漆分類

示溫漆有兩種分類方式，一種是根據(jù)變色后顏色的穩(wěn)定性可分為可逆和不可逆兩類，可逆型示溫漆顏色隨溫度變化實(shí)時(shí)變化，可反復(fù)使用，不可逆型示溫漆只能記錄最高溫度時(shí)的顏色，只能使用一次。第二種是根據(jù)溫度變化出現(xiàn)的顏色種類的多少可分為單變色和多變色兩類，單變色示溫漆隨著溫度的升高只會(huì)出現(xiàn)一種顏色變化，常用作溫度安全界限的標(biāo)志，起超溫報(bào)警作用；多變色示溫漆隨著溫度的升高出現(xiàn)兩種以上顏色變化。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試中使用的一般為多變色不可逆示溫漆，選型要求：有穩(wěn)定的變色，變色明顯易于判讀，對(duì)溫度變化有較高的分辨力，附著牢固，能經(jīng)受氣流的沖刷和振動(dòng)。

2.3 測(cè)溫流程

發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)溫試驗(yàn)主要包括：示溫漆選取及樣片標(biāo)定、被測(cè)零件處理及噴涂、示溫漆干燥固化、發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)和示溫漆溫度判讀等步驟。不同種類的示溫漆適用于不同的溫度范圍，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行示溫漆測(cè)溫試驗(yàn)前，先根據(jù)測(cè)試技術(shù)要求和對(duì)被測(cè)零部件壁面溫度范圍的預(yù)判結(jié)果，選取相應(yīng)類型的多變色不可逆示溫漆，并制作同型號(hào)同批次的示溫漆標(biāo)準(zhǔn)樣片。對(duì)被測(cè)零部件表面進(jìn)行吹砂、清潔、丙酮清洗等工藝處理后，將示溫漆均勻噴涂于被測(cè)零部件表面，在常溫下靜置一天或放入烘箱數(shù)小時(shí)烘烤使示溫漆干燥固化，然后裝配并進(jìn)行示溫漆試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束零部件分解后，采用同類型同批次的示溫漆標(biāo)準(zhǔn)樣片為基準(zhǔn)，對(duì)將被測(cè)零部件表面的示溫漆變色結(jié)果進(jìn)行示溫漆溫度判讀，獲得被測(cè)零部件的表面溫度和溫度分布。整個(gè)測(cè)溫流程如圖2 所示，示溫漆零件圖如圖3 所示。

圖2： 發(fā)動(dòng)機(jī)示溫漆試驗(yàn)測(cè)溫流程

圖3： 發(fā)動(dòng)機(jī)示溫漆零件圖

3 常規(guī)示溫漆標(biāo)準(zhǔn)樣片標(biāo)定方法

示溫漆標(biāo)準(zhǔn)樣片標(biāo)定一直是示溫漆測(cè)溫中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和難點(diǎn)部分，它是示溫漆溫度判讀的基礎(chǔ)和依據(jù)，直接關(guān)系到示溫漆溫度測(cè)量的精度和可靠性。長(zhǎng)久以來(lái)，示溫漆標(biāo)準(zhǔn)樣片標(biāo)定方法分為兩個(gè)流派：基于顏色空間的標(biāo)定方法和基于等溫線的標(biāo)定方法。

3.1 基于顏色空間的示溫漆標(biāo)準(zhǔn)樣片標(biāo)定方法

基于顏色空間的示溫漆標(biāo)準(zhǔn)樣片標(biāo)定方法采用“方塊樣片+爐烤式”的方式，該方式重點(diǎn)關(guān)注示溫漆顏色的細(xì)微變化，根據(jù)需要每間隔一定溫度（一般為10℃）烤制一個(gè)示溫漆標(biāo)準(zhǔn)樣片，示溫漆顏色變化趨勢(shì)詳細(xì)明顯。其采用的加熱設(shè)備為高精度溫度標(biāo)定爐，樣片為結(jié)構(gòu)較小的方塊樣片，先設(shè)置標(biāo)定爐的溫度為示溫漆測(cè)溫范圍下限，待溫度到達(dá)設(shè)定值后用專用工具將方形樣片送入標(biāo)定爐的恒溫區(qū)內(nèi)，達(dá)到熱平衡穩(wěn)定五分鐘后取出，并在樣片上標(biāo)記好溫度值，然后將標(biāo)定爐溫度設(shè)置值提高一定溫度（一般為10℃），重復(fù)上述操作，直至示溫漆測(cè)溫范圍上限的示溫漆標(biāo)準(zhǔn)樣片烤制完成?；陬伾臻g的示溫漆標(biāo)準(zhǔn)樣片標(biāo)定方法原理圖如圖4 所示，標(biāo)定后的示溫漆標(biāo)準(zhǔn)樣片如圖5 所示。

圖4： 基于顏色空間的示溫漆標(biāo)準(zhǔn)樣片標(biāo)定方法原理圖

圖5： 標(biāo)定后的示溫漆方塊樣片

3.2 基于等溫線的示溫漆標(biāo)準(zhǔn)樣片標(biāo)定方法

基于等溫線的示溫漆標(biāo)準(zhǔn)樣片標(biāo)定方法采用“蝶形樣片+電烤式+熱電偶對(duì)比”的方式，該方式重點(diǎn)關(guān)注示溫漆的等溫線，等溫線是兩個(gè)相鄰顏色之間過(guò)渡的交界線，這條交界線上的所有點(diǎn)的三原色RGB 值基本一致，溫度值也基本一致，因此被稱為等溫線，是示溫漆最重要的特征線，如圖6 標(biāo)記處所示，精確測(cè)量出示溫漆每條等溫線對(duì)應(yīng)的溫度值，就能判定出示溫漆每個(gè)顏色對(duì)應(yīng)的溫度區(qū)間。

圖6： 示溫漆等溫線示意圖

該標(biāo)定方法采用的加熱設(shè)備為電壓可調(diào)電加熱裝置，樣片為結(jié)構(gòu)特殊、中間窄兩頭寬的蝶形樣片，用電壓可調(diào)電加熱裝置對(duì)蝶形樣片兩端通電，因蝶形樣片本身各截面的寬度不一致，對(duì)應(yīng)的阻抗也不一致，通電后各截面的電流也不一致，寬的截面電流小溫度低，窄的截面電流大溫度高，這樣就在樣片表面形成溫度梯度。通過(guò)不斷調(diào)整加熱裝置的輸出電壓來(lái)調(diào)整經(jīng)過(guò)蝶形樣片的電流大小，直至樣片最窄截面處的顏色穩(wěn)定不再變化（說(shuō)明示溫漆到達(dá)了測(cè)溫上限），穩(wěn)定五分鐘后關(guān)電，此時(shí)示溫漆的顏色隨溫度變化趨勢(shì)就反應(yīng)到蝶形樣片上，也相應(yīng)能獲取等溫線的位置信息。然后重新取一個(gè)新的蝶形樣片，根據(jù)上一次試驗(yàn)獲得的位置信息在樣片上各等溫線處都焊上高精度壁面熱電偶并連接溫度表，按照上次試驗(yàn)的電流強(qiáng)度和通電時(shí)間重復(fù)一次，在溫度表上讀取示溫漆各個(gè)等溫線處的溫度值，并列表記錄。基于等溫線的示溫漆標(biāo)準(zhǔn)樣片標(biāo)定方法原理圖如圖7 所示，標(biāo)定后的示溫漆標(biāo)準(zhǔn)樣片如圖8 所示。

圖7： 基于等溫線的示溫漆標(biāo)準(zhǔn)樣片標(biāo)定方法原理圖

圖8： 標(biāo)定后的示溫漆蝶形樣片

4 新型示溫漆標(biāo)準(zhǔn)樣片標(biāo)定方法

因基于等溫線的示溫漆標(biāo)準(zhǔn)樣片標(biāo)定方法中蝶形樣片的長(zhǎng)度較短，有些變色點(diǎn)較多的示溫漆在其上面的溫度趨勢(shì)變化不夠明顯，且蝶形樣片在焊上壁面熱電偶后，其所在截面的阻抗會(huì)發(fā)生變化，容易造成上次試驗(yàn)確定的等溫線位置微移，影響最終的標(biāo)定溫度值。蝶形樣片在確定最窄位置何時(shí)達(dá)到示溫漆變色上限時(shí)，需要不斷調(diào)整通電電壓進(jìn)行嘗試。針對(duì)基于等溫線的示溫漆標(biāo)準(zhǔn)樣片標(biāo)定的不足之處，提出一種“長(zhǎng)條樣片+爐烤式+熱電偶對(duì)比”的新型標(biāo)定方法。

該新型標(biāo)定方法采用的加熱設(shè)備為管式智能溫度控制儀，控溫精度高，溫場(chǎng)穩(wěn)定性好，工作溫度范圍為（0 ～1300）℃，樣片為自行設(shè)計(jì)的長(zhǎng)條樣片，材質(zhì)為發(fā)動(dòng)機(jī)零部件同等高溫合金材質(zhì)，根據(jù)所選管式智能溫度控制儀爐管的長(zhǎng)度，樣片一端能夠正好伸到其爐管中心恒溫區(qū)，另一端與爐管口平齊，且寬度小于爐管直徑，首先將管式智能溫度控制儀的一端爐管口堵上，另一端敞開(kāi)，并設(shè)置溫度加熱值為示溫漆測(cè)溫范圍上限值，待加熱完成溫度穩(wěn)定后，將長(zhǎng)條樣片從敞開(kāi)的爐管口推入，樣片尾部與爐口保持平齊，前端處于爐心恒溫區(qū)，達(dá)到熱平衡五分鐘后取出，自然冷卻。此時(shí)，長(zhǎng)條樣片前端為示溫漆測(cè)溫上限，尾部為室溫，從室溫到示溫漆測(cè)溫上限整個(gè)溫度區(qū)間的顏色變化都呈現(xiàn)在長(zhǎng)條樣片上，同時(shí)也得到等溫線的位置信息。而后重新取一個(gè)新的長(zhǎng)條樣片，根據(jù)上一次試驗(yàn)獲得的位置信息在樣片上各等溫線處都焊上高精度壁面熱電偶并連接高精度熱電偶溫度測(cè)量系統(tǒng)，按照上次試驗(yàn)流程重復(fù)一次，在溫度測(cè)量系統(tǒng)上讀取示溫漆各個(gè)等溫線處的溫度值，并列表記錄。

示溫漆標(biāo)準(zhǔn)樣片標(biāo)定方法原理圖如圖9 所示，長(zhǎng)條標(biāo)準(zhǔn)樣片和蝶形標(biāo)準(zhǔn)樣片效果對(duì)比圖如圖10 所示，標(biāo)定后并加上溫度標(biāo)注的示溫漆長(zhǎng)條標(biāo)準(zhǔn)樣片如圖11 所示。

圖9： 新型示溫漆標(biāo)準(zhǔn)樣片標(biāo)定方法原理圖

圖10： 長(zhǎng)條標(biāo)準(zhǔn)樣片與蝶形標(biāo)準(zhǔn)樣片的效果對(duì)比圖

圖11： 標(biāo)定后并加上溫度標(biāo)注的示溫漆長(zhǎng)條標(biāo)準(zhǔn)樣片

5 應(yīng)用與總結(jié)

基于“長(zhǎng)條樣片+爐烤式+熱電偶對(duì)比”的新型示溫漆標(biāo)準(zhǔn)樣片標(biāo)定方法，已經(jīng)在多個(gè)型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)示溫漆試驗(yàn)的溫度判讀中得到應(yīng)用，并將判讀結(jié)果與熱電偶測(cè)溫結(jié)果相互驗(yàn)證，以其為依據(jù)的示溫漆溫度判讀結(jié)果準(zhǔn)確可靠。該方法與現(xiàn)有標(biāo)定方法相比具有的優(yōu)勢(shì)在于：

（1）長(zhǎng)條樣片尺寸較長(zhǎng)，示溫漆在樣片上的顏色過(guò)渡更明顯，區(qū)域分布更加清晰。

（2）蝶形樣片在焊上壁面熱電偶后阻抗會(huì)發(fā)生變化導(dǎo)致溫度場(chǎng)發(fā)生細(xì)微變化，對(duì)應(yīng)的等溫線位置也隨之發(fā)生細(xì)微移動(dòng)，本方法的梯度遞進(jìn)溫度場(chǎng)是管式智能溫度控制儀的爐管形成的，長(zhǎng)條樣片焊上壁面熱電偶后不會(huì)影響溫度場(chǎng)，等溫線位置不會(huì)發(fā)生變化。

（3）蝶形樣片需要不斷調(diào)整通電電壓來(lái)確定示溫漆何時(shí)到達(dá)變色上限，本方法直接將示溫漆變色上限值設(shè)置為管式智能溫度控制儀的溫度設(shè)定值即可。