CN111366264A - 一种多层热障涂层及其基于磷光的表层及底层测温方法 - Google Patents

一种多层热障涂层及其基于磷光的表层及底层测温方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种多层热障涂层及其基于磷光的表层和底层的温度测量方法。该方法以陶瓷基磷光物质发光衰减时间对温度的敏感性为原理，基于涂层对磷光的通透性，通过在涂层的表层和底层掺杂不同种磷光物质，同时激发这两种磷光物质并对它们发出的磷光采集分析，实现对涂层表层和底层的同时测温。避免了传统热障涂层温度测试中的环境气体的吸收干扰和接触测量对结构的破坏和对结果带来的误差；且由于该方法只关注光强随时间的相对变化，而对绝对光强的没有精确要求，不需要精确计算评估涂层对光的吸收和散射影响，使得该方法更加便捷。该方法直接对热障涂层材料进行部分掺杂，不影响热障涂层本身厚度及其隔热效果。

Description

一种多层热障涂层及其基于磷光的表层及底层测温方法
技术领域
本发明涉及非接触固体温度测量领域，特别是涉及一种多层热障涂层及其基于磷光的表层及底层测温方法。
背景技术
随着航空航天技术的不断发展，航空发动机的涡轮前温度已经远超金属材料的耐温极限。在此种情况下，航空发动机热障涂层成为了一种解决方案，通过在高温部件表面涂覆高热阻材料达到隔热效果，热障涂层的主要材料为耐高温陶瓷，通过一层以氧化铝为主要成分的粘结层与金属基材粘结。
而现有航空发动机的热障涂层主要存在下面的两个问题：隔热效果不易评价以及使用寿命不足；这就需要通过对热障涂层的表面和粘结层附近温度进行测量以便评价其性能。目前，可用的测温技术主要为红外法和薄膜热电偶，但是，红外法测温存在容易受航空发动机气体吸收及材料表面发射率影响的测试缺陷，测温结果存在很大的误差；薄膜热电偶受到造价、不利于更换拆卸以及引线等因素的限制，且接触测量温度容易对结构造成损伤，从而增大测温结果误差；因此，由于传统的热障涂层温度测试存在燃气气体吸收干扰和接触测量对结构的破坏等问题，导致最终的测温结果误差大且无法评价其隔热效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种多层热障涂层及其基于磷光的表层及底层测温方法，解决由于传统的热障涂层温度测试存在燃气气体吸收干扰和接触测量对结构的破坏而导致最终的测温结果误差大及无法评判热障涂层隔热效果问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种多层热障涂层，包括：表层温敏层、普通隔热层以及底层温敏层；
所述普通隔热层设于所述表层温敏层以及所述底层温敏层之间；表层温敏层由陶瓷基材和第一磷光物质掺混而成，掺混应不影响热障涂层制备工艺；所述底层温敏层由陶瓷基材和第二磷光物质掺混而成，掺混应不影响热障涂层制备工艺；所述底层温敏层的底部设有金属粘结层；所述第一磷光物质与所述第二磷光物质发光的两个光强峰值互相不重叠；利用两种不同的激发光分别激发所述第一磷光物质以及所述第二磷光物质，并分别对所述第一磷光物质发出的第一磷光以及所述第二磷光物质发出的第二磷光进行采集分析，基于对所述第一磷光以及所述第二磷光的分析结果，同时对所述表层温敏层以及所述底层温敏层的温度进行测量；
选择所述两种不同的激发光时，当利用第一激发光激发所述第一磷光物质，所述第一激发光对所述第二磷光物质不激发或激发低于激发阈值；
当利用第二激发光激发所述第二磷光物质，所述第二激发光对所述第一磷光物质不激发或激发低于激发阈值。
可选的，所述表层温敏层的厚度占所述热障涂层的整体厚度的10％以下；所述底层温敏层的厚度占所述热障涂层的整体厚度的10％以下。
一种基于磷光的多层热障涂层的表层及底层测温方法，包括：
由表层温敏层向底层温敏层发射第一激发光以及第二激发光；所述第一激发光激发第一磷光物质；所述第二激发光激发第二磷光物质；选择所述两种不同的激发光时，当利用第一激发光激发所述第一磷光物质，所述第一激发光对所述第二磷光物质不激发或激发低于激发阈值；当利用第二激发光激发所述第二磷光物质，所述第二激发光对所述第一磷光物质不激发或激发低于激发阈值；所述第一激发光在所述表面温敏层内传播时，所述第一磷光物质被激发出的第一磷光；所述第二激发光在所述底层温敏层内传播时，所述第二磷光物质被激发出的第二磷光；
分别对所述第一磷光以及所述第二磷光进行滤波，确定滤波后的第一磷光以及滤波后的第二磷光；
根据所述滤波后的第一磷光以及所述滤波后的第二磷光分别生成第一光随时间衰减的图像以及第二光随时间衰减的图像；
根据所述第一光随时间衰减的图像以及所述第二光随时间衰减的图像分别确定所述第一磷光的衰减时间常数以及所述第二磷光的衰减时间常数；
基于衰减时间常数-温度关系，根据所述第一磷光的衰减时间常数以及所述第二磷光的衰减时间常数确定所述表层温敏层的温度以及所述底层温敏层的温度。
可选的，所述分别对所述第一磷光以及所述第二磷光进行滤波，确定滤波后的第一磷光以及滤波后的第二磷光，具体包括：
获取所述第一磷光的峰值光强波段以及所述第二磷光的峰值光强波段为滤波波段；
利用以所述第一磷光的峰值光强波段为滤波波段的第一滤光片对所述第一磷光进行滤波，确定滤波后的第一磷光；
利用以所述第二磷光的峰值光强波段为滤波波段的第二滤光片对所述第二磷光进行滤波，确定滤波后的第二磷光。
可选的，所述根据所述滤波后的第一磷光以及所述滤波后的第二磷光分别生成第一光随时间衰减的图像以及第二光随时间衰减的图像，具体包括：
利用具有对光强随时间变化的测量功能的增强电荷耦合器件ICCD对所述滤波后的第一磷光以及所述滤波后的第二磷光进行采集，分别生成第一光随时间衰减的图像以及第二光随时间衰减的图像。
可选的，所述根据所述第一光随时间衰减的图像以及所述第二光随时间衰减的图像分别确定所述第一磷光的衰减时间常数以及所述第二磷光的衰减时间常数，具体包括：
根据公式
Figure BDA0002471292790000031
分别确定所述第一磷光的衰减时间常数以及所述第二磷光的衰减时间常数；其中，L(t)为不同时刻的光强；L0为初始时刻的光强；t为时间；τ为衰减时间常数。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种多层热障涂层及其基于磷光的表层及底层测温方法，以陶瓷基磷光物质发出的光的寿命对温度的敏感性为原理，基于涂层对磷光的通透性，通过在涂层的不同位置掺杂不同种磷光物质，同时采集来自不同位置的磷光，实现对基材表层和底层的同时测温；该方法避免了传统测试中的环境气体吸收干扰和接触测量对结构的破坏和带来的对结果的误差，且只关注光强随时间的相对变化，而对绝对光强的没有精确要求，不需要精确计算评估涂层对光的吸收和散射影响，使得该温度测量方法更加便捷，提高测量表层温敏层温度以及底层温敏层温度的测量效率。同时该种方法直接对传统热障涂层进行部分材料掺杂，不在热障涂层表面添加涂层，不影响原热障涂层的喷涂工艺、涂层厚度和隔热效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的多层热障涂层结构图；
图2为本发明所提供的基于磷光的多层热障涂层的表层及底层测温方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种多层热障涂层及其基于磷光的表层及底层测温方法，能够避免传统测试中的环境气体吸收干扰和接触测量对结构的破坏和带来的对结果的误差，提高测量表层温敏层温度以及底层温敏层温度的测量效率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
图1为本发明所提供的多层热障涂层结构图，如图1所示，一种多层热障涂层，包括：表层温敏层1、普通隔热层2以及底层温敏层3；所述普通隔热层2设于所述表面温敏层1以及所述底层温敏层3之间；表面温敏层1由陶瓷基材和第一磷光物质掺混而成；所述底层温敏层3由陶瓷基材和第二磷光物质掺混而成；所述底层温敏层3的底部设有金属粘结层；所述第一磷光物质与所述第二磷光物质发光的两个光强峰值互相不重叠；利用两种不同的激发光分别激发所述第一磷光物质以及所述第二磷光物质，并分别对所述第一磷光物质发出的第一磷光以及所述第二磷光物质发出的第二磷光进行采集分析，基于对所述第一磷光以及所述第二磷光的分析结果，同时对所述表面温敏层1以及所述底层温敏层3的温度进行测量；选择所述两种不同的激发光时，当利用第一激发光激发所述第一磷光物质，所述第一激发光对所述第二磷光物质不激发或激发低于激发阈值；当利用第二激发光激发所述第二磷光物质，所述第二激发光对所述第一磷光物质不激发或激发低于激发阈值。该多层热障涂层可以实现对航空发动机涡轮叶片热防护的同时，可实现对热障涂层隔热效果的评价且不影响热障涂层本身的加工工艺、厚度和隔热效果；
陶瓷涂层中的表层温敏层1，其由YSZ与一种磷光物质烧结组成，该种磷光物质受激发出的磷光需要满足不同波长光强的比与温度具有相关性，例如：Dy。为了使得该层可以在精度范围内近似视作等温体，其厚度d1应尽量薄，根据隔热涂层在航空发动机上的实际应用情况，推荐在总厚度的10％以下。
普通隔热层2无温敏测温功能，仅隔热，成分为YSZ，其厚度d2应该占据整个涂层的绝大部分，建议占比在80％以上。
底层温敏层3为了在测量中可将该层视为等温体，其厚度d3仍推荐在总厚度的10％以下。其材料为将YSZ与另一种磷光物质烧结而成。此层的磷光物质要求与表面温敏层1的磷光物质发射光谱的峰值不重合，且互相的峰值位置为另外一种发光强度较低的部分。例如，在表面温敏层1磷光物质为Dy时，底层温敏层3可以选择Sm作为磷光物质。
表层温敏层1表面以上为空气4，底层温敏层3下侧的金属粘结层5，用来粘结陶瓷层和基底，粘结层的材质一般为镍合金。
距离表面最近的为表面温敏层1，在陶瓷基材中掺杂第一种磷光温敏物质，例如镝(Dy)，在其下是不添加磷光物质隔温层，再向下是掺杂有第二种磷光温敏物质的底层温敏层3，例如钐(Sm)。
表面温敏层1由陶瓷基材和一种磷光物质掺混而成，这种陶瓷基材为热障涂层本身的陶瓷基材；表面温敏层1的厚度较小，其上下表面的温差应在温度测量误差的容许范围内。一般厚度在整体厚度的10％以下。
隔热层2的成分与一般热障涂层成分一致；隔热层2的厚度应占据整体厚度的绝大部分，一般厚度在整体厚度的80％以上。
底层温敏层3由陶瓷基材和另一种磷光物质掺混而成，这种陶瓷基材为热障涂层本身的陶瓷基材；底层温敏层3厚度较小，其上下表面的温差应在温度测量误差容许范围内，一般厚度在整体厚度的10％以下；底层温敏层3所用的磷光物质与与表面温敏层1的磷光物质发光的两个光强峰值互相不重叠，且峰值位置波段互相为另一种磷光物质发光强度微弱可忽略的波段。
同时使用可以激发这两种磷光物质的激光光源照射涂层，使两个温敏层发出磷光，选取两种温敏物质各发出的两种波长的光，测定两个温敏层各自两种光的光强比并修正介质消光对光强比造成的影响，基于预先标定得到的两种磷光温敏物质的光强比与温度的关系，分别得到表面和底层温度。
在实际应用中，选择的陶瓷基材既可保证原隔热效果又可与磷光物质配合发光，例如氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)；选择的两种激发光的波长分别可以激发两种磷光物质中的一种，且对另外一种磷光物质不激发或激发非常微弱；保证底层磷光物质的对应激发光可穿透底层以上的陶瓷层到达底层，这要求陶瓷材料对该种激发光具有通透性，且需要该种激发光有足够的强度克服陶瓷层的吸收散射等消光作用的削弱；例如，对于YSZ来说，200nm-700nm的光都可以穿过；保证选择的底层磷光物质，其参与比光强的两种波长可以穿透底层上方的陶瓷材料到达表层；控制表面温敏层和底层温敏层3的厚度，使其在测量精度范围内可视为等温体；保证激发光及受激发产生磷光不被使用环境气体大量吸收。
实施例二
图2为本发明所提供的基于磷光的多层热障涂层的表层及底层测温方法流程图，如图2所示，一种基于磷光的热障涂层的表层和底层的温度测量方法，包括：
步骤201：由空气向表层温敏层及底层温敏层发射第一激发光以及第二激发光；所述第一激发光激发第一磷光物质；所述第二激发光激发第二磷光物质；选择所述两种不同的激发光时，当利用第一激发光激发所述第一磷光物质，所述第一激发光对所述第二磷光物质不激发或激发低于激发阈值；当利用第二激发光激发所述第二磷光物质，所述第二激发光对所述第一磷光物质不激发或激发低于激发阈值；所述第一激发光在所述表面温敏层内传播时，所述第一磷光物质被激发出的第一磷光；所述第二激发光在所述底层温敏层内传播时，所述第二磷光物质被激发出的第二磷光。
步骤202：分别对所述第一磷光以及所述第二磷光进行滤波，确定滤波后的第一磷光以及滤波后的第二磷光。
所述步骤202具体包括：获取所述第一磷光的峰值光强波段以及所述第二磷光的峰值光强波段为滤波波段；利用以所述第一磷光的峰值光强波段为滤波波段的第一滤光片对所述第一磷光进行滤波，确定滤波后的第一磷光；利用以所述第二磷光的峰值光强波段为滤波波段的第二滤光片对所述第二磷光进行滤波，确定滤波后的第二磷光。
步骤203：根据所述滤波后的第一磷光以及所述滤波后的第二磷光分别生成第一光随时间衰减的图像以及第二光随时间衰减的图像。
所述步骤203具体包括：利用具有对光强随时间变化的测量功能的增强电荷耦合器件ICCD对所述滤波后的第一磷光以及所述滤波后的第二磷光进行采集，分别生成第一光随时间衰减的图像以及第二光随时间衰减的图像。
步骤204：根据所述第一光随时间衰减的图像以及所述第二光随时间衰减的图像分别确定所述第一磷光的衰减时间常数以及所述第二磷光的衰减时间常数。
所述步骤204具体包括：根据公式
Figure BDA0002471292790000071
分别确定所述第一磷光的衰减时间常数以及所述第二磷光的衰减时间常数；其中，L(t)为不同时刻的光强；L0为初始时刻的光强；t为时间；τ为衰减时间常数。
步骤205：基于衰减时间常数-温度关系，根据所述第一磷光的衰减时间常数以及所述第二磷光的衰减时间常数确定所述表层温敏层的温度以及所述底层温敏层的温度。
实施例三
将实施例二中的表层和底层的温度测量方法应用于实际中，下面对本技术方案按照步骤进行清楚、完整地描述。
步骤一：从空气4的位置向涂层分别发射两种可以激发这两种磷光物质的激发光，对于举例中的Dy和Sm来说，其对应的激发光波长分别为355nm和532nm；且532nm的激光无法激发Dy，而355nm的激光对Sm的激发极为微弱，可以忽略，使用激光为光源。
步骤二：两种激发光进入涂层，分别激发表层温敏层中的Dy和底层温敏层中的Sm。该两层温敏层中分别发出磷光。
步骤三：两种磷光穿过陶瓷涂层，穿过从1到4的界面射出。为了避免两种光强互相干扰，将收集到的光分为两束，并分别使用两种磷光的峰值光强波段的滤光片进行滤光。
步骤四：使用具有对光强随时间变化的测量功能的强电荷耦合器件(IntensifiedCharge Coupled Device，ICCD)对两种过滤后的光进行采集，在电脑中获得这两种光随时间衰减的图像。
步骤五：通过磷光衰减时间常数的定义公式，拟合并计算出两束光的衰减时间常数：
Figure BDA0002471292790000081
步骤六：通过比较预先标定的两种磷光材料的衰减时间常数与温度的关系，获得两个温敏层的温度。
标定工作的基本方法为：使用可连续调节温度的加热炉加热与测温时相同种类的磷光温敏材料，使用同样的激发光及磷光接收装置，记录不同温度下的磷光强度衰减曲线，从而拟合得到不同温度下的衰减时间常数。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种多层热障涂层，其特征在于，包括：表层温敏层、隔热层以及底层温敏层；
所述隔热层设于所述表层温敏层以及所述底层温敏层之间；表层温敏层由陶瓷基材和第一磷光物质掺混而成；所述底层温敏层由陶瓷基材和第二磷光物质掺混而成；所述底层温敏层的底部设有金属粘结层；所述第一磷光物质与所述第二磷光物质发光的两个光强峰值互相不重叠；利用两种不同的激发光分别激发所述第一磷光物质以及所述第二磷光物质，并分别对所述第一磷光物质发出的第一磷光以及所述第二磷光物质发出的第二磷光进行采集分析，基于对所述第一磷光以及所述第二磷光的分析结果，同时对所述表层温敏层以及所述底层温敏层的温度进行测量；
选择所述两种不同的激发光时，当利用第一激发光激发所述第一磷光物质，所述第一激发光对所述第二磷光物质不激发或激发低于激发阈值；
当利用第二激发光激发所述第二磷光物质，所述第二激发光对所述第一磷光物质不激发或激发低于激发阈值。
2.根据权利要求1所述的多层热障涂层，其特征在于，所述表层温敏层的厚度占所述热障涂层的整体厚度的10％以下；所述底层温敏层的厚度占所述热障涂层的整体厚度的10％以下。
3.一种基于磷光的多层热障涂层的表层及底层测温方法，其特征在于，所述测量方法应用于权利要求1-2任一项所述的多层热障涂层，所述测温方法包括：
由空气向表层温敏层及底层温敏层发射第一激发光以及第二激发光；所述第一激发光激发第一磷光物质；所述第二激发光激发第二磷光物质；选择所述两种不同的激发光时，当利用第一激发光激发所述第一磷光物质，所述第一激发光对所述第二磷光物质不激发或激发低于激发阈值；当利用第二激发光激发所述第二磷光物质，所述第二激发光对所述第一磷光物质不激发或激发低于激发阈值；所述第一激发光在所述表面温敏层内传播时，所述第一磷光物质被激发出的第一磷光；所述第二激发光在所述底层温敏层内传播时，所述第二磷光物质被激发出的第二磷光；
分别对所述第一磷光以及所述第二磷光进行滤波，确定滤波后的第一磷光以及滤波后的第二磷光；
根据所述滤波后的第一磷光以及所述滤波后的第二磷光分别生成第一光随时间衰减的图像以及第二光随时间衰减的图像；
根据所述第一光随时间衰减的图像以及所述第二光随时间衰减的图像分别确定所述第一磷光的衰减时间常数以及所述第二磷光的衰减时间常数；
基于标定中获得的衰减时间常数-温度关系，根据所述第一磷光的衰减时间常数以及所述第二磷光的衰减时间常数确定所述表层温敏层的温度以及所述底层温敏层的温度。
4.根据权利要求3所述的基于磷光的多层热障涂层的表层及底层测温方法，其特征在于，所述分别对所述第一磷光以及所述第二磷光进行滤波，确定滤波后的第一磷光以及滤波后的第二磷光，具体包括：
获取所述第一磷光的峰值光强波段以及所述第二磷光的峰值光强波段为滤波波段；
利用以所述第一磷光的峰值光强波段为滤波波段的第一滤光片对所述第一磷光进行滤波，确定滤波后的第一磷光；
利用以所述第二磷光的峰值光强波段为滤波波段的第二滤光片对所述第二磷光进行滤波，确定滤波后的第二磷光。
5.根据权利要求4所述的基于磷光的多层热障涂层的表层及底层测温方法，其特征在于，所述根据所述滤波后的第一磷光以及所述滤波后的第二磷光分别生成第一光随时间衰减的图像以及第二光随时间衰减的图像，具体包括：
利用具有对光强随时间变化的测量功能的增强电荷耦合器件ICCD对所述滤波后的第一磷光以及所述滤波后的第二磷光进行采集，分别生成第一光随时间衰减的图像以及第二光随时间衰减的图像。
6.根据权利要求4所述的基于磷光的多层热障涂层的表层及底层测温方法，其特征在于，所述根据所述第一光随时间衰减的图像以及所述第二光随时间衰减的图像分别确定所述第一磷光的衰减时间常数以及所述第二磷光的衰减时间常数，具体包括：
根据公式
Figure FDA0002471292780000031
分别确定所述第一磷光的衰减时间常数以及所述第二磷光的衰减时间常数；其中，L(t)为不同时刻的光强；L0为初始时刻的光强；t为时间；τ为衰减时间常数。
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