CN106768441A - 一种基于等离子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、等离子喷涂将耐高温绝缘材料Al₂O₃粉末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

一种基于等离子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，具体涉及一种基于等离子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前温度。通常燃烧室出口燃气温度分布不均匀,表现为具有高温核心的燃气流，这将导致涡轮进口处温度的非均匀性进一步增强。承受着巨大热负荷的涡轮转子叶片还在炽热的高温高压燃气流中高速旋转，非常大的热梯度将使涡轮叶片经受严重的热应力和应变，涡轮叶片的蠕变寿命将会大幅度下降。因此，为了提高叶片的安全工作可靠性，延长其寿命，就必须准确的测量及实时监测、研究分析涡轮叶片的温度分布，以便在叶片设计、材料、冷却、结构、工艺、安装上采取有效的措施，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，存在测量误差大，温度分辨率及空间分辨率低等问题。而铠装热电偶测温技术，是一种浸入式测量方法，然而该方法破坏了叶片结构，叶片传热性能发生改变，降低了测量精度，且在叶片尾缘等厚度较薄的薄壁结构中无法埋设铠装热电偶进行测量；晶体测温与示温漆测温技术无需测试引线，但只能获得试验状态的最高温度，不能在试验过程中进行监测和测量。针对高压涡轮工作叶片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。本发明利用等离子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：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于等离子喷涂的涡轮叶片温度测量方法：包括如下步骤：

步骤1：涡轮叶片表面预处理：

首先将涡轮叶片榫槽用遮蔽胶带或机械遮蔽方法进行保护，其后对预安装固定微细热电偶位置进行喷砂；喷砂处理完成后，用清洁干燥的压缩空气吹净残留砂粒；使用无水乙醇对涡轮叶片表面进行超声清洗；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：

对不需喷涂绝缘层的部位用高温绝缘胶带保护后，用等离子喷枪喷涂绝缘层，喷嘴垂直于涡轮叶片表面，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；

步骤3：功能层制备：

首先将微细热电偶测量端采用平行焊焊接在涡轮叶片表面测温点位置，其后用宽度约为1mm～2mm的高温胶带，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，再用等离子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；

步骤4：保护层制备：

首先除去覆盖在微细热电偶上的高温绝缘胶带，并对已喷涂高温绝缘涂层的部位采用所述的高温胶带进行保护。其后对半固定状态的微细热电偶再次等离子喷涂，使微细热电偶全部被涂层覆盖保护；

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，点焊高温合金薄片时，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通过滑环引电器或遥测系统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；

所述的基于等离子喷涂的涡轮叶片温度测量方法，步骤1中涡轮叶片表面喷砂处理，砂粒采用18～24目700～1000μm的氧化铝砂子，喷砂压力为0.4～0.5MPa；使用无水乙醇进行超声清洗时间不少于10min。

所述的基于等离子喷涂的涡轮叶片温度测量方法，步骤2中所述等离子喷涂绝缘涂层是以等离子射流为热源，将Al2O3粉末瞬间加热、加速，熔融或半熔融状态的粒子以一定速度喷射至涡轮叶片表面，喷枪电流480A、电压70V、主气流量约50L/min，喷嘴垂直于涡轮叶片表面并距离约90mm左右，形成绝缘层，涂层厚度约30μm左右；

所述的基于等离子喷涂的涡轮叶片温度测量方法，步骤3中所述微细热电偶直径是0.1mm的K型(或S型)热电偶裸丝，所述功能层厚度为0.13mm～0.22mm；

所述的基于等离子喷涂的涡轮叶片温度测量方法，步骤4中所述保护层厚度为0.13mm～0.22mm。

所述的基于等离子喷涂的涡轮叶片温度测量方法，步骤5中所述高温合金薄片厚度为0.05mm～0.08mm。

本发明的有益效果：本发明创新性地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、洁净处理和由等离子喷涂工艺制备的绝缘层、功能层及保护层三种不同功能涂层完成微细热电偶安装固定，所述等离子喷涂工艺将Al2O3粉末瞬间加热、加速，形成熔融或半熔融状态的粒子束，快速撞击到涡轮叶片表面，流散、变形、凝固形成涂层。所述涂层具有结构致密、孔隙率低、绝缘性能高、抗热震性能好、涂层结合强度高等特点。所述温度测量方法具有不破坏零件表面结构、不干扰附壁流场、可在薄壁结构上布置测点、可在陶瓷热障涂层表面布置测点等优点，填补高离心载荷、高热力载荷下涡轮叶片温度实时监测与精确测量的空白，具有显著的军事、经济和社会效益。

附图说明

图1是本发明基于等离子喷涂的涡轮叶片温度测量示意图。

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：

本发明是一种基于等离子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，采用等离子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。

所述的基于等离子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遮蔽胶带或机械遮蔽方法进行保护，预安装微细热电偶表面用喷砂机进行喷砂处理，砂粒采用18～24目700～1000μm的氧化铝砂子，喷砂压力为0.4～0.5MPa，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45mm，喷砂时间约为10秒。喷砂处理完成后，用清洁干燥的压缩空气吹净喷砂处理后的涡轮叶片表面残留砂粒，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。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，采用等离子喷枪喷涂火焰(不带粉末)在试件表面扫过几遍即可，最高预热温度为150℃。然后将Al₂O₃粉末装上，调节喷枪电流480A、电压70V、主气流量约50L/min，喷嘴垂直于涡轮叶片表面并距离约90mm，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30μm左右。

步骤3：功能层制备

将直径为0.1mm的微细热电偶(K型/S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，再用等离子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0.13mm～0.22mm。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等离子喷涂，使微细热电偶全部被涂层覆盖保护，保护层厚度约为0.13mm～0.22mm。

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～0.08mm。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通过滑环引电器或遥测系统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。

本发明所述基于等离子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高压涡轮工作叶片的表面温度，还可以应用于涡轮叶片表面热障涂层、涡轮叶片冷效试验、燃烧室火焰筒、燃烧室冷却试验件、燃烧室机匣、涡轮机匣、涡轮盘和其它军、民用高温、高速旋转件、薄壁件、复杂构件及铠装热电偶不易安装位置的表面温度测试，具有极大的工程应用价值。

Claims (6)

1.一种基于等离子喷涂的涡轮叶片温度测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：涡轮叶片表面预处理：

首先将涡轮叶片榫槽用遮蔽胶带或机械遮蔽方法进行保护，其后对预安装固定微细热电偶位置进行喷砂；喷砂处理完成后，用清洁干燥的压缩空气吹净残留砂粒；使用无水乙醇对涡轮叶片表面进行超声清洗；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：

对不需喷涂绝缘层的部位用高温绝缘胶带保护后，用等离子喷枪喷涂绝缘层，喷嘴垂直于涡轮叶片表面，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；

步骤3：功能层制备：

首先将微细热电偶测量端采用平行焊焊接在涡轮叶片表面测温点位置，其后用宽度约为1mm～2mm的高温胶带，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，再用等离子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；

步骤4：保护层制备：

首先除去覆盖在微细热电偶上的高温绝缘胶带，并对已喷涂高温绝缘涂层的部位采用所述的高温胶带进行保护。其后对半固定状态的微细热电偶再次等离子喷涂，使微细热电偶全部被涂层覆盖保护；

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，点焊高温合金薄片时，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通过滑环引电器或遥测系统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。

2.根据权利要求1所述的基于等离子喷涂的涡轮叶片温度测量方法，其特征在于，步骤1中涡轮叶片表面喷砂处理，砂粒采用18～24目700～1000μm的氧化铝砂子，喷砂压力为0.4～0.5MPa；使用无水乙醇进行超声清洗时间不少于10min。

3.根据权利要求1所述的基于等离子喷涂的涡轮叶片温度测量方法，其特征在于，步骤2中所述等离子喷涂绝缘涂层是以等离子射流为热源，将Al2O3粉末瞬间加热、加速，熔融或半熔融状态的粒子以一定速度喷射至涡轮叶片表面，喷枪电流480A、电压70V、主气流量约50L/min，喷嘴垂直于涡轮叶片表面并距离约90mm左右，形成绝缘层，涂层厚度约30μm左右。

4.根据权利要求1所述的基于等离子喷涂的涡轮叶片温度测量方法，其特征在于，步骤3中所述微细热电偶直径是0.1mm的K型(或S型)热电偶裸丝，所述功能层厚度为0.13mm～0.22mm。

5.根据权利要求1所述的基于等离子喷涂的涡轮叶片温度测量方法，其特征在于，步骤4中所述保护层厚度为0.13mm～0.22mm。

6.根据权利要求1所述的基于等离子喷涂的涡轮叶片温度测量方法，其特征在于，步骤5中所述高温合金薄片厚度为0.05mm～0.08mm。