CN105463361A - 一种基于火焰喷涂的涡轮叶片温度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空测试技术领域，具体涉及一种在金属表面用高温绝缘涂层固定微细热电偶，是热电偶测试技术的拓展。本发明通过对涡轮叶片表面处理、火焰喷涂将耐高温绝缘材料Al₂O₃陶瓷棒熔融后喷射到涡轮叶片基体上，使涂层与涡轮叶片基体之间形成牢固的冶金结合，然后将微细热电偶固定在绝缘涂层上。微细热电偶测量端采用平行焊或球形焊固定在基体表面，再通过柔性引线技术，完成信号的传输与获取。本发明基于高温绝缘涂层固定微细热电偶，用微细热电偶精确的测量出了涡轮转子叶片的表面温度。

Description

一种基于火焰喷涂的涡轮叶片温度测量方法

技术领域

本发明属于航空测试技术领域，具体涉及一种基于火焰喷涂的涡轮叶片温度测量方法。

背景技术

涡轮是航空发动机三大关键部件之一。为了提高推重比，一个重要技术途径是提高涡轮进口温度，这必然导致涡轮温度越来越高，使涡轮叶片承受着巨大的热负荷，涡轮转子叶片还在炽热的高温高压燃气流中高速旋转，将使涡轮叶片经受严重的热应力和应变，因此，涡轮叶片承受的热负荷是叶片烧蚀、断裂的重要因素之一。测量涡轮叶片的温度以及掌握其温度分布规律是分析涡轮叶片烧蚀断裂的重要依据。为了提高叶片的安全工作可靠性，延长其寿命，就必须准确实时监测、研究分析涡轮叶片的温度分布，以便在叶片设计、材料选择、冷却结构等采取有效的措施，主动控制合理的温度分布。

英﹑美﹑俄等航空技术发达国家投入了大量的人力物力研发用于涡轮部件温度测试的传感器和设备仪器，最常用的主要有热电偶传感器、红外传感器、晶体传感器及示温漆等，大都用于涡轮静止叶片。我国开展航空发动机涡轮叶片测试技术研究较晚，投入有限，测试技术水平较低，自主研发的用于涡轮部件温度测试的传感器和设备仪器较少。从国外引进的红外测温设备，由于红外传感器本身难以承受高的环境温度，需要冷却，冷却气流会破坏试验件流场和温度场分布；红外测温受发射率影响较大，难以实现准确测量。而铠装热电偶测温技术，是一种浸入式测量方法，即在叶片表面加工沟槽，然后埋设铠装热电偶，最后用其它材料填平沟槽，这种方法大都用在涡轮叶片不旋转的情况下，即便如此，由于在叶片表面加工沟槽，叶片传热性能发生改变，这将显著降低测试的准确性。针对涡轮动叶温度测试的急迫需求及现有技术水平的局限性，急需寻求一种测量精度高，对试验件无破坏，对试验过程无影响的测试技术，该技术同时需具备实时监测及保证在恶劣工况下可靠工作等特点，满足发动机的研制需求。

发明内容

本发明的目的：为了解决涡轮叶片测试精度低，对涡轮叶片结构破坏大，不能精确测量和实时监测问题。本发明利用火焰喷涂工艺将微细热电偶固定在涡轮叶片表面，对涡轮叶片无破坏，对试验过程无影响，微细热电偶直径小，固定微细热电偶的涂层薄，附着牢靠，可有效完成高温、高压和高转速环境下涡轮叶片表面温度的精确测量和实时监测。

本发明的技术方案：一种基于火焰喷涂的涡轮叶片温度测量方法，其特征为：首先对涡轮叶片表面进行预处理，除去叶片表面各种异物；其次，采用火焰喷涂工艺制备绝缘涂层；再次，在绝缘层上固定直径小于250μm的热电偶；最后，再次采用火焰喷涂工艺制备保护层。

作为本技术方案的一种改进，采用以下方法对涡轮叶片表面进行预处理：首先，将涡轮叶片榫槽用高温胶带保护；其次，对热电偶安装位置进行喷砂处理，喷砂处理完成后对涡轮叶片清洁处理，吹净残留砂粒；再次，使用丙酮对涡轮叶片表面进行超声清洗；最后，干燥试片表面。

作为本技术方案的一种改进，砂粒为棕刚玉，砂粒度为20目～30目，喷砂压力为0.6MPa，在此条件下，破坏叶片表面氧化层，净化和粗化叶片表面程度适宜，使后续火焰喷涂达到最佳效果；使用丙酮进行超声清洗时间不少于10min，可有效消除涡轮叶片表面及缝隙残留污渍。

作为本技术方案的一种改进，通过平行焊将热电偶焊接在涡轮叶片表面测温点位置，并通过火焰喷涂固定热电偶引线端。

作为本技术方案的一种改进，火焰喷涂工艺使用ROKIDE火焰喷涂设备，该设备使用的喷涂材料为Al₂O₃，喷涂压力为0.5-0.6MPa，在此压力下，Al₂O₃材料熔融后喷涂到叶片表面结合强度高。

作为本技术方案的一种改进，绝缘层的厚度为15-25μm，有效保证绝缘性能要求，同时，利于提高后续功能层及保护层附着性能。

本发明的有益效果：本发明创新性的提出了一种涡轮叶片表面温度测试的新方法，创造了涡轮叶片表面喷砂、洁净处理和由绝缘层、功能层及保护层三种不同功能涂层组成的“渐变缓冲层”微细热电偶裸丝固定技术，得到了一种基于火焰喷涂的涡轮叶片温度测量方法，是最为成熟的热电偶测试技术的拓展。所述温度测量方法具有测量精度高，不破坏试验件结构，对流场干扰小，可实时监测及测量的优点，填补了国内涡轮叶片在高温、高压和高转速下实施表面温度实时精确测量的空白，具有显著的军事、经济和社会效益。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明：

本发明是一种基于火焰喷涂的涡轮叶片温度测量方法，首先对涡轮叶片表面进行预处理，除去叶片表面各种异物，提供适合于涂装要求的良好基底。接着，采用火焰喷涂工艺完成绝缘涂层的制备，其后，完成测点选择及微细热电偶安装固定，最后再次喷涂高温绝缘涂层完成测温功能层的保护。

所述的基于火焰喷涂的涡轮叶片温度测量方法，包括涡轮叶片表面预处理，绝缘层制备，功能层制备，保护层制备及测试线引出。

涡轮叶片表面预处理

表面处理是在基体材料表面上人工形成一层与基体的机械、物理和化学性能不同的表层的工艺方法。表面处理的目的是为了把物体表面所附着的各种异物(如氧化皮、污垢、油脂、锈蚀等)去除，提供适合于涂装要求的良好基底，以保证涂膜具有良好的耐温性能、防腐蚀性能、装饰性能及某些特种功能。在涂装之前必须对物体表面进行预处理。基体表面预处理的目的：一是使基体表面净化并有一定的粗糙度，二是增加涂层与基体的结合强度既加大附着力，三是增加涂层的功能如耐温、防腐蚀及防磨损等特殊功能。

由于测试对象涡轮叶片工作于“高温、高压、高转速”恶劣工况下，微细热电偶传感器安装固定的可靠性成为影响测试成败的关键因素。微细热电偶在试验中的有效可靠工作必须要求涂层附着性能良好，无脱落风险存在。而涂层附着性能优异的前提是要保证试件表面处理合理、有效，利于涂层喷涂安装等特点。

所述涡轮叶片表面预处理分为喷砂处理和表面清洗两部分。

步骤1：喷砂处理

首先将涡轮叶片不能喷砂部位榫槽用耐温260℃的特氟龙高温胶带保护，预安装微细热电偶表面用喷砂机进行喷砂处理，砂粒为棕刚玉或白刚玉，颗粒度约20目～30目，喷砂压力为0.6Mpa～0.8Mpa，在此条件下，破坏叶片表面氧化层，净化和粗化叶片表面程度适宜，使后续火焰喷涂达到最佳效果；喷枪角度应尽可能垂直于待喷砂表面，以恒定的速度在试件表面移动，喷嘴距试件距离约为50mm，喷砂时间约为8秒。喷砂处理完成后，用干燥高压气体吹净喷砂处理后的涡轮叶片表面，吹砂压力为0.4MPa～0.6MPa，吹净残留砂粒，再使用丙酮或无水乙醇或去离子水，对涡轮叶片表面进行不少于10min的超声清洗，可有效消除涡轮叶片表面及缝隙残留污渍。最后使用热风枪或电吹风吹干试片表面。

步骤2：绝缘层制备

喷砂及清洗后，为防止试件表面氧化影响涂层结合强度，在60min内应喷涂绝缘涂层。对不需喷涂绝缘层的部位用耐温260℃的特氟龙高温胶带保护后，先对试件表面进行预热处理，可显著提高喷涂后涂层附着性能，采用ROKIDE喷涂火焰(不含绝缘材料)在试件表面扫过几遍即可，最高预热温度为150℃。然后将Al₂O₃陶瓷棒装上，调节喷涂压力约为0.55MPa，在此压力下，Al₂O₃材料熔融后喷涂到叶片表面结合强度高，喷嘴垂直于涡轮叶片表面并距离约100mm左右，将熔融后的Al₂O₃喷射到涡轮叶片表面，使涂层与涡轮叶片基体之间形成牢固的冶金结合，形成绝缘层，涂层厚度约20μm左右,有效保证绝缘性能要求，同时，利于提高后续功能层及保护层附着性能。

步骤3：功能层制备

将直径为0.1mm的微细热电偶(K型热电偶裸丝)测量端采用平行焊或球形焊固定在涡轮叶片表面测温点位置，其后用宽度约为1mm～2mm的耐温260℃的特氟龙高温胶带，间隔2mm～5mm将微细热电偶引线端粘贴于所述喷涂绝缘层的涡轮叶片表面上，务必使微细热电偶紧密的贴合在绝缘层表面，再用火焰喷涂固定微细热电偶。喷涂时，沿微细热电偶测量端向引线端方向移动喷涂，喷涂厚度以刚刚覆盖微细热电偶为宜，约为0.12mm～0.2mm。除了固定微细热电偶的高温胶带外，其余喷涂面积应覆盖住整个微细热电偶；

步骤4：保护层制备

以45°角小心地撕下覆盖微细热电偶上的特氟龙高温胶带，并对已喷涂高温绝缘涂层的部位采用所述的特氟龙高温胶带进行保护。其后对半固定状态的微细热电偶再次火焰喷涂，使微细热电偶全部被涂层覆盖保护，保护层厚度约为0.12mm～0.2mm。

步骤5：测试线引出

将微细热电偶引线用高温合金薄片沿涡轮叶片缘板，榫头方向全程采用点焊引出，所述高温合金薄片厚度约为0.05mm～0.1mm。点焊高温合金薄片时，导线两端面焊接点不能小于2排，在受力部位的高温合金薄片应翻边，防止高温合金薄片损伤微细热电偶的绝缘。所述微细热电偶引线接入温度采集系统进行信号采集，进行所述涡轮叶片表面温度测量。

本发明所述基于火焰喷涂的涡轮叶片温度测量通过耐高温绝缘材料试验研究、涂覆性能试验研究、模拟加温试验研究、不同绝缘涂层对比试验研究、铠装热电偶与微细热电偶对比试验研究、微细热电偶标定试验研究、微细热电偶高温燃气冲击试验研究及微细热电偶冷效试验研究等取得了良好的效果。本发明可在高温、高压和高速旋转环境下精确测量和实时监测涡轮动叶的表面温度，可测量薄壁结构件和陶瓷热障涂层表面温度，还可广泛的应用在在役、在研发动机或燃气轮机燃烧室、涡轮盘、压气机盘及叶片等表面温度的测量，与开槽埋设热电偶相比具有不破坏零件表面结构、不干扰附壁流场、测温成本较低，具有极大的应用价值。

Claims (6)

1.一种基于火焰喷涂的涡轮叶片温度测量方法，其特征为：首先对涡轮叶片表面进行预处理，除去叶片表面各种异物；其次，采用火焰喷涂工艺制备绝缘涂层；再次，在绝缘层上固定直径小于250μm的热电偶；最后，再次采用火焰喷涂工艺制备保护层。

2.根据权利要求1所述的一种基于火焰喷涂的涡轮叶片温度测量方法，其特征在于采用以下方法对涡轮叶片表面进行预处理：首先，将涡轮叶片榫槽用高温胶带保护；其次，对热电偶安装位置进行喷砂处理，喷砂处理完成后对涡轮叶片清洁处理，吹净残留砂粒；再次，使用丙酮对涡轮叶片表面进行超声清洗；最后，干燥试片表面。

3.根据权利要求2所述的一种基于火焰喷涂的涡轮叶片温度测量方法，其特征为：砂粒为棕刚玉，砂粒度约20目～30目，喷砂压力为0.6MPa；使用丙酮进行超声清洗时间不少于10min。

4.根据权利要求1所述的一种基于火焰喷涂的涡轮叶片温度测量方法，其特征为：通过平行焊将热电偶焊接在涡轮叶片表面测温点位置，并通过火焰喷涂固定热电偶引线端。

5.根据权利要求1或4所述的一种基于火焰喷涂的涡轮叶片温度测量方法，其特征为：火焰喷涂工艺使用ROKIDE火焰喷涂设备，该设备使用的喷涂材料为Al₂O₃，喷涂压力为0.5-0.6MPa。

6.根据权利要求1所述的一种基于火焰喷涂的涡轮叶片温度测量方法，其特征为：绝缘层的厚度为15-25μm。