CN108193163A - 一种基于粉末火焰喷涂的高温熔融热电偶传感器制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于航空测试技术领域，具体涉及一种基于粉末火焰喷涂的高温熔融热电偶传感器制造方法，是一种新型的热电偶结构形式。本发明通过对航空发动机涡轮叶片进行表面预处理；接着利用火焰喷涂将耐高温绝缘材料Al2O3粉末材料熔融后喷射到涡轮叶片基体上，完成绝缘层制备；然后利用火焰喷涂工艺分别喷涂热电偶功能层的正负极，使涂层与绝缘基体之间形成牢固的冶金结合，完成功能层制备；最后再次利用耐高温绝缘材料Al2O3粉末材料制备保护层。本发明基于粉末火焰喷涂技术直接制备热电偶传感器于涡轮叶片表面，可精确测量与实时监测涡轮转子叶片的表面温度。

Description

一种基于粉末火焰喷涂的高温熔融热电偶传感器制造方法
技术领域
本发明属于航空测试技术领域，具体涉及一种基于粉末火焰喷涂的高温熔融热电偶传感器制造方法。
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，最常用的主要有铠装热电偶、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温困难，对涡轮叶片结构破坏大，不能精确测量和实时监测问题。本发明利用粉末火焰喷涂技术直接制备高温熔融热电偶在涡轮叶片表面，对涡轮叶片无破坏，对试验过程无影响，高温熔融热电偶涂层薄，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，本发明提供的一种基于粉末火焰喷涂的高温熔融热电偶传感器制造方法，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；采用粉末火焰喷涂Al2O3粉末材料完成绝缘涂层的制备，其后，采用粉末火焰喷涂分别喷涂热电偶功能层的正负极，最后再次采用粉末火焰喷涂Al2O3粉末材料完成对功能层的保护。
所述的一种基于粉末火焰喷涂的高温熔融热电偶传感器制造方法，包括如下步骤：
步骤1：表面预处理；
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，使用粉末火焰喷枪喷涂Al2O3粉末材料，喷嘴垂直于涡轮叶片表面，形成绝缘层；
步骤3：功能层制备
首先利用高温胶带将正极掩模板与叶片表面紧密贴合，固定牢靠；接着利用粉末火焰喷涂工艺喷涂热电偶正极粉末材料，使热电偶正极粉末材料涂层与绝缘基体之间形成牢固的冶金结合；其后，去除正极掩模板，将负极掩模板与叶片表面紧密贴合，固定牢靠；最后利用粉末火焰喷涂工艺喷涂热电偶负极粉末材料，使热电偶负极粉末材料涂层与绝缘基体之间形成牢固的冶金结合；完成功能层制备；
步骤4：保护层制备
首先除去负极掩模板，对功能层正负电极引线端采用所述的高温胶带进行保护。其后对高温熔融热电偶再次粉末火焰喷涂Al2O3粉末材料，使高温熔融热电偶全部被陶瓷涂层覆盖保护；
步骤5：测试引线引出
首先利用热电偶裸丝通过平行微隙焊接工艺按照对应正负极完成与高温熔融热电偶引线端连接；接着，对完成焊接的引线端再次采用粉末火焰喷涂Al2O3粉末材料进行固定保护；其后，通过激光焊接技术完成热电偶裸丝与后端高温补偿导线连接；最后，将所述高温补偿导线通过引线轴接入滑环引电器或遥测系统进行信号传输。
所述的一种基于粉末火焰喷涂的高温熔融热电偶传感器制造方法，所述步骤1具体包括：
首先将涡轮叶片榫槽用高温胶带保护，其后对预喷涂高温熔融热电偶位置进行喷砂；喷砂处理完成后，用吹净枪对涡轮叶片清洁处理，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；最后使用热风枪吹干试片表面。
所述的一种基于粉末火焰喷涂的高温熔融热电偶传感器制造方法，所述步骤3中热电偶正极材料包括PtRh10合金粉末材料、PtRh13合金粉末材料、PtRh30合金粉末材料、Ni90Cr10合金粉末材料当中的一种；热电偶负极材料包括Pt金属粉末材料、PtRh6合金粉末材料、Ni97Si3合金粉末材料当中的一种。
所述的一种基于粉末火焰喷涂的高温熔融热电偶传感器制造方法，步骤1中涡轮叶片表面喷砂处理，砂粒为棕刚玉，砂粒度约20目～30目，喷砂压力为0.65MPa。使用无水乙醇进行超声清洗时间不少于10min。
所述的一种基于粉末火焰喷涂的高温熔融热电偶传感器制造方法，步骤2中所述火焰喷涂绝缘层是将Al2O3粉末材料用火焰熔融后喷射到涡轮叶片表面，喷涂压力约0.55MPa，喷嘴垂直于涡轮叶片表面并距离约95mm，形成绝缘层，涂层厚度约25μm～45μm。
所述的一种基于粉末火焰喷涂的高温熔融热电偶传感器制造方法，步骤3中所述火焰喷涂功能层是将热电偶正负极粉末材料分别用火焰熔融后喷射到绝缘层表面，喷涂压力为0.65MPa～0.75MPa，喷嘴垂直于涡轮叶片表面并距离约95mm，形成功能层，热电偶正负极宽度为1mm～2mm，涂层厚度为55μm～85μm。
所述的一种基于粉末火焰喷涂的高温熔融热电偶传感器制造方法，步骤4中所述保护层厚度为25μm～45μm。
所述的一种基于粉末火焰喷涂的高温熔融热电偶传感器制造方法，步骤5中所述热电偶裸丝直径为100μm；所述高温补偿导线内径为2×0.25mm，外径为0.9mm×1.5mm，耐温上限为700℃～800℃。所述滑环引电器根据实际测点数量选择相应通道数，一般为40通道、60通道及120通道。
本发明的有益效果：本发明创新性地提出了一种基于粉末火焰喷涂的高温熔融热电偶传感器制造方法，该传感器由绝缘层、功能层及保护层多层结构组成，是一种新型的热电偶结构形式，除了继承热电偶测量精度高等特点外，还具有其独特优势。所述一种基于粉末火焰喷涂的高温熔融热电偶传感器具有不破坏涡轮叶片表面结构、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，填补了高离心载荷、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是本发明一种基于粉末火焰喷涂的高温熔融热电偶示意图。
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：
本发明是一种基于粉末火焰喷涂的高温熔融热电偶，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，采用粉末火焰喷涂工艺喷涂Al2O3粉末完成绝缘层的制备，其后，再次利用粉末火焰喷涂工艺分别喷涂热电偶功能层的正负极，最后再次喷涂高温绝缘材料Al2O3粉末制备保护层对测温功能层进行保护。
所述的一种基于粉末火焰喷涂的高温熔融热电偶传感器制造方法，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、测试引线引出。
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，高温熔融热电偶安装固定的可靠性成为影响测试成败的关键因素。高温熔融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。
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，预安装高温熔融热电偶表面用喷砂机进行喷砂处理，砂粒采用18～24目的氧化铝砂粒，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。
表面清洗
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，再使用无水乙醇，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。
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6P-Ⅱ型粉末火焰喷枪喷涂火焰(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粉末材料装入送粉器，调节喷涂压力约为0.55MPa，喷嘴垂直于涡轮叶片表面并距离约95mm，将Al2O3粉末熔融后喷射到涡轮叶片表面，形成绝缘层，涂层厚度25μm～45μm。
功能层制备
首先利用高温胶带将正极掩模板与叶片表面紧密贴合，固定牢靠。接着利用粉末火焰喷涂工艺喷涂PtRh10合金粉末材料、PtRh13合金粉末材料、PtRh30合金粉末材料、Ni90Cr10合金粉末材料当中的一种，使热电偶正极涂层与绝缘基体之间形成牢固的冶金结合；其后，去除正极掩模板，将负极掩模板与叶片表面紧密贴合，固定牢靠。最后利用粉末火焰喷涂工艺喷涂热电偶负极材料包括Pt金属粉末材料、PtRh6合金粉末材料、Ni97Si3合金粉末材料当中的一种，使热电偶负极涂层与绝缘基体之间形成牢固的冶金结合，完成功能层制备。喷涂压力为0.65MPa～0.75MPa，喷嘴垂直于涡轮叶片表面并距离约95mm，热电偶正负极宽度为1mm～2mm，涂层厚度为55μm～85μm。
保护层制备
首先除去负极掩模板，对功能层正负电极引线端采用所述的高温胶带进行保护。其后对高温熔融热电偶再次粉末火焰喷涂Al2O3粉末，使高温熔融热电偶全部被陶瓷涂层覆盖保护，保护层厚度为25μm～45μm。
测试引线引出
首先利用热电偶裸丝通过平行微隙焊接工艺按照对应正负极完成与高温熔融热电偶引线端连接，所述热电偶裸丝直径为100μm。接着，对完成焊接的引线端再次采用火焰喷涂Al2O3粉末进行固定保护。其后，通过激光焊接技术完成热电偶裸丝与后端高温补偿导线连接，所述高温补偿导线内径为2×0.25mm，外径为0.9mm×1.5mm，耐温上限为700℃～800℃。最后，将所述高温补偿导线通过引线轴接入滑环引电器或遥测系统进行信号传输，所述滑环引电器根据实际测点数量选择相应通道数，一般为40通道、60通道及120通道。
本发明所述一种基于粉末火焰喷涂的高温熔融热电偶传感器制造方法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、铠装热电偶与高温熔融热电偶对比试验研究、高温熔融热电偶标定试验研究、高温熔融热电偶高温燃气冲击试验研究及高温熔融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 (9)

1.一种基于粉末火焰喷涂的高温熔融热电偶传感器制造方法，其特征在于：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；采用粉末火焰喷涂Al2O3粉末材料完成绝缘涂层的制备，其后，采用粉末火焰喷涂分别喷涂热电偶功能层的正负极，最后再次采用粉末火焰喷涂Al2O3粉末材料完成对功能层的保护。
2.根据权利要求1所述的一种基于粉末火焰喷涂的高温熔融热电偶传感器制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：表面预处理；
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，使用粉末火焰喷枪喷涂Al2O3粉末材料，喷嘴垂直于涡轮叶片表面，形成绝缘层；
步骤3：功能层制备
首先利用高温胶带将正极掩模板与叶片表面紧密贴合，固定牢靠；接着利用粉末火焰喷涂工艺喷涂热电偶正极粉末材料，使热电偶正极粉末材料涂层与绝缘基体之间形成牢固的冶金结合；其后，去除正极掩模板，将负极掩模板与叶片表面紧密贴合，固定牢靠；最后利用粉末火焰喷涂工艺喷涂热电偶负极粉末材料，使热电偶负极粉末材料涂层与绝缘基体之间形成牢固的冶金结合；完成功能层制备；
步骤4：保护层制备
首先除去负极掩模板，对功能层正负电极引线端采用所述的高温胶带进行保护。其后对高温熔融热电偶再次粉末火焰喷涂Al2O3粉末材料，使高温熔融热电偶全部被陶瓷涂层覆盖保护；
步骤5：测试引线引出
首先利用热电偶裸丝通过平行微隙焊接工艺按照对应正负极完成与高温熔融热电偶引线端连接；接着，对完成焊接的引线端再次采用粉末火焰喷涂Al2O3粉末材料进行固定保护；其后，通过激光焊接技术完成热电偶裸丝与后端高温补偿导线连接；最后，将所述高温补偿导线通过引线轴接入滑环引电器或遥测系统进行信号传输。
3.根据权利要求2所述的一种基于粉末火焰喷涂的高温熔融热电偶传感器制造方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：
首先将涡轮叶片榫槽用高温胶带保护，其后对预喷涂高温熔融热电偶位置进行喷砂；喷砂处理完成后，用吹净枪对涡轮叶片清洁处理，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；最后使用热风枪吹干试片表面。
4.根据权利要求2所述的一种基于粉末火焰喷涂的高温熔融热电偶传感器制造方法，其特征在于，所述步骤3中热电偶正极材料包括PtRh10合金粉末材料、PtRh13合金粉末材料、PtRh30合金粉末材料、Ni90Cr10合金粉末材料当中的一种；热电偶负极材料包括Pt金属粉末材料、PtRh6合金粉末材料、Ni97Si3合金粉末材料当中的一种。
5.根据权利要求3所述的一种基于粉末火焰喷涂的高温熔融热电偶传感器制造方法，其特征在于，步骤1中涡轮叶片表面喷砂处理，砂粒为棕刚玉，砂粒度约20目～30目，喷砂压力为0.65MPa。使用无水乙醇进行超声清洗时间不少于10min。
6.根据权利要求2所述的一种基于粉末火焰喷涂的高温熔融热电偶传感器制造方法，其特征在于，步骤2中所述火焰喷涂绝缘层是将Al2O3粉末材料用火焰熔融后喷射到涡轮叶片表面，喷涂压力约0.55MPa，喷嘴垂直于涡轮叶片表面并距离约95mm，形成绝缘层，涂层厚度约25μm～45μm。
7.根据权利要求4所述的一种基于粉末火焰喷涂的高温熔融热电偶传感器制造方法，其特征在于，步骤3中所述火焰喷涂功能层是将热电偶的正极粉末材料和负极粉末材料分别用火焰熔融后喷射到绝缘层表面，喷涂压力为0.65MPa～0.75MPa，喷嘴垂直于涡轮叶片表面并距离约95mm，形成功能层，热电偶正负极宽度为1mm～2mm，涂层厚度为55μm～85μm。
8.根据权利要求2所述的一种基于粉末火焰喷涂的高温熔融热电偶传感器制造方法，其特征在于，步骤4中所述保护层厚度为25μm～45μm。
9.根据权利要求2所述的一种基于粉末火焰喷涂的高温熔融热电偶传感器制造方法，其特征在于，步骤5中所述热电偶裸丝直径为100μm；所述高温补偿导线内径为2×0.25mm，外径为0.9mm×1.5mm，耐温上限为700℃～800℃。所述滑环引电器根据实际测点数量选择相应通道数，一般为40通道、60通道及120通道。
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