CN111366265A - 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

Abstract

本发明涉及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出的磷光在特征波段的光强比对温度的敏感性为原理，基于热障涂层对激发光和磷光的通透性，通过在陶瓷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其所发出的磷光采集分析，实现对涂层表层和底层的同时测温。该方法避免了传统热障涂层测温方法中的环境气体吸收干扰和接触式测量对涂层结构的破坏和带来的结果的误差，也实现了对热障涂层隔热效果的评定。

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作为一种解决方案，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。

现有航空发动机的热障涂层测温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方法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，以解决由于传统的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从而导致测温结果不准确及无法对隔热效果进行评价的问题。

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；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。

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，所述测量方法应用于权利要求1-2任一项所述基于磷光的热障涂层，所述测量方法包括：

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第二磷光；

对所述第一磷光以及所述第二磷光进行分光处理，确定多束光束；

对每一束的光束进行滤波处理，确定滤波后的光束；

根据所述滤波后的光束确定第一向外光强、第二向外光强、第三向外光强和第四向外光强；

根据所述第一向外光强和所述第二向外光强确定第一光强比；

根据所述第三向外光强和所述第四向外光强确定第二光强比；

基于标定中获得的表层温敏层及底层温敏层的光强比-温度关系，根据所述第一光强比以及所述第二光强比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，所述对所述第一磷光以及所述第二磷光进行分光处理，确定多束光束，具体包括：

利用光学探头或视窗对所述第一磷光以及所述第二磷光进行采集，并使用光学分束装置将所述第一磷光以及所述第二磷光分为四束光；在采集和分束的过程中保持所述第一磷光以及所述第二磷光的二维信息；所述二维信息为所述第一磷光以及所述第二磷光在平面上的光强分布。

可选的，所述对每一束的光束进行滤波处理，确定滤波后的光束，具体包括：

利用以所述第一磷光的特征波段为λ₁为滤光通过波段的滤光片对第一束光进行滤光，获得λ₁波段光；

利用以所述的第一磷光的特征波段为λ₂为滤光通过波段的滤光片对第二束光进行滤光，获得λ₂波段光；

利用以所述的第二磷光的特征波段为λ₃为滤光通过波段的滤光片对第三束光进行滤光，获得λ₃波段光；

利用以所述的第二磷光的特征波段为λ₄为滤光通过波段的滤光片对第四束光进行滤光，获得λ₄波段光；所述滤波后的光束包括λ₁波段光、λ₂波段光λ₃波段光以及λ₄波段光。

可选的，所述根据所述滤波后的光束确定第一向外光强、第二向外光强、第三向外光强和第四向外光强，具体包括：

利用具有二维感光功能的光电传感器，对所述λ₁波段光、所述λ₂波段光、所述λ₃波段光以及所述λ₄波段光进行测定，经过曝光后获得对应的灰度值；所述对应的灰度值分别为波长为λ₁的第一向外光强、波长为λ₂的第二向外光强、波长为λ₃的第三向外光强以及波长为λ₄的第四向外光强。

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和底层的温度测量方法，以陶瓷基材和磷光物质不同波长的光强比对温度的敏感性为原理，基于陶瓷基材对磷光的通透性，通过在陶瓷基材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，计算不同位置的光强比，实现对基材表层和底层的同时测温；

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。

符号说明：表层温敏层1 普通隔热层2 底层温敏层3 空气4 底层温敏层5。

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，能够避免热障涂层温度测试时燃气气体吸收干扰和接触测量对结构的破坏等问题，降低测温结果误差，能够弥补热障涂层测温方法无法测量热障涂层底部温度的空白，实现对热障涂层隔热效果的评估。

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，一种基于磷光的热障涂层，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。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。

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。

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，该种磷光物质需要具有至少一对热耦合能级，该特点表现为：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，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，所述测量方法包括：

步骤201：由空气向表层温敏层及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。

向热障涂层发射可以激发这种磷光物质的激发光，对于举例中的Dy来说，其对应的激发光波长为355nm。激发光应当具有一定的照射面积，以保证可激发整个待测温区域。通常使用激光为光源。

激发光照射涂层，在激发作用下，磷光物质中的粒子进入激发态，吸收激发光的能量跃迁至较高的能级。其中，顶层温敏层中一对热耦合能级之间的粒子数量分布达到基于其喷涂位置温度的动态平衡，两个热耦合能级的粒子数分布之比为：

其中g1和g2为两个能级的简并度，能级确定时为常数，△E为两个热耦合能级的能级间隔，k_B为波尔兹曼常数，T为顶层温敏层温度。底层温敏层中一对热耦合能级之间的粒子数量分布达到基于其喷涂位置温度的动态平衡，两个热耦合能级的粒子数分布之比为：

其中g3和g4为两个能级的简并度，能级确定时为常数，△E’为两个热耦合能级的能级间隔，k_B为波尔兹曼常数，T'为底层温敏层温度。

步骤202：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第二磷光。

撤去所述表层温敏层内传播的所述第一激发光时，高能级粒子失去能量支持，跃迁回其所对应基态能级并发出磷光。选取两个特征波段λ₁和特征波段λ₂的所述第一磷光物质被激发出的第一磷光，该两波段对应为两热耦合能级粒子发出，并分别获取所述第一磷光在两个特征波段下向外传播的第一向外光强和第二向外光强，该两光强分别与其所属能级的粒子数成正比，满足表达式：

其中，h为普朗克常数，c为光速，λ_i为波长，I_i为波长为λ_i的第i向外光强，A_i为波长为λ_i的磷光对应能级自发辐射概率，N_i为波长为λ_i的磷光对应能级上粒子数目。

撤去所述底层面温敏层内传播的所述第二激发光时，高能级粒子失去能量支持，跃迁回其所对应基态能级并发出磷光。选取特征波段λ₃和特征波段λ₄的所述第二磷光物质被激发出的第二磷光，该两波段对应为两热耦合能级粒子发出，并分别获取所述第二磷光在两个特征波段下向外传播的第三向外光强和第四向外光强，该两光强分别与其所属能级的粒子数成正比，满足表达式：

其中，h为普朗克常数，c为光速，λ_i为波长，I_i为波长为λ_i的第i向外光强，A_i为波长为λ_i的磷光对应能级自发辐射概率，N_i为波长为λ_i的磷光对应能级上粒子数目。

步骤203：对所述第一磷光以及所述第二磷光进行分光处理，确定多束光束。

步骤204：对每一束的光束进行滤波处理，确定滤波后的光束。

使用光学探头或视窗捕捉分别来自两温敏层的磷光，用光学分束装置将光分为四束，并分别使用可通过四个特征波段λ₁、λ₂、λ₃、λ₄的滤光片对四束光进行滤光，在分光和滤光的过程中应保持光信号的二维信息。

步骤205：根据所述滤波后的光束确定第一向外光强、第二向外光强、第三向外光强和第四向外光强。

使用面阵CCD或具有类似二维光电转换功能的传感元件接收上述四束光，经过一定的曝光时间，获得四束光对应的二维灰度值，曝光时长需要满足CCD的成像要求。其在二维传感元件上所产生的四个灰度值即为波长为λ₁的第一向外光强、波长为λ₂的第二向外光强、波长为λ₃的第三向外光强、波长为λ₄的第四向外光强值。

步骤206：根据所述第一向外光强和所述第二向外光强确定第一光强比。

该光强比为：

其中，FIR₁为第一光强比，I₁为波长为λ₁第一向外光强，I₂为波长为λ₂第二向外光强，B为常数。

步骤207：根据所述第三向外光强和所述第四向外光强确定第二光强比。

该光强比为：

其中，FIR₂为第二光强比，I₃为波长为λ₃第三向外光强，I₄为波长为λ₄第四向外光强，B'为常数。

步骤208：基于标定中获得的表层温敏层及底层温敏层的光强比-温度关系，根据所述第一光强比以及所述第二光强比确定所述表层温敏层的温度以及所述底层温敏层的温度。

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、相同厚度、相同工艺方法制成的磷光温敏涂层，使用同样的激发光及磷光接收装置，记录不同温度下的表层、底层磷光特征波段光强比，得到表层与底层温敏层温度与光强比的关系。

本发明基于磷光的热障涂层的表层和底层的温度测量方法，可实现非接触热障涂层表面及内部温度同时测量，该方法以陶瓷基磷光物质发出的磷光在不同波段的光强比对温度的敏感性为原理，基于热障涂层对激发光和磷光的通透性，通过在陶瓷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。

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。

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任一项所述多层热障涂层，所述测量方法包括：

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第二磷光；

对所述第一磷光以及所述第二磷光进行分光处理，确定多束光束；

对每一束的光束进行滤波处理，确定滤波后的光束；

根据所述滤波后的光束确定第一向外光强、第二向外光强、第三向外光强和第四向外光强；

根据所述第一向外光强和所述第二向外光强确定第一光强比；

根据所述第三向外光强和所述第四向外光强确定第二光强比；

基于标定中获得的表层温敏层及底层温敏层的光强比-温度关系，根据所述第一光强比以及所述第二光强比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，所述对所述第一磷光以及所述第二磷光进行分光处理，确定多束光束，具体包括：

利用光学探头或视窗对所述第一磷光以及所述第二磷光进行采集，并使用光学分束装置将所述第一磷光以及所述第二磷光分为四束光；在采集和分束的过程中保持所述第一磷光以及所述第二磷光的二维信息；所述二维信息为所述第一磷光以及所述第二磷光在平面上的光强分布。

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，所述对每一束的光束进行滤波处理，确定滤波后的光束，具体包括：

利用以所述第一磷光的特征波段为λ₁为滤光通过波段的滤光片对第一束光进行滤光，获得λ₁波段光；

利用以所述的第一磷光的特征波段为λ₂为滤光通过波段的滤光片对第二束光进行滤光，获得λ₂波段光；

利用以所述的第二磷光的特征波段为λ₃为滤光通过波段的滤光片对第三束光进行滤光，获得λ₃波段光；

利用以所述的第二磷光的特征波段为λ₄为滤光通过波段的滤光片对第四束光进行滤光，获得λ₄波段光；所述滤波后的光束包括λ₁波段光、λ₂波段光λ₃波段光以及λ₄波段光。

6.根据权利要求5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光束确定第一向外光强、第二向外光强、第三向外光强和第四向外光强，具体包括：

利用具有二维感光功能的光电传感器，对所述λ₁波段光、所述λ₂波段光、所述λ₃波段光以及所述λ₄波段光进行测定，经过曝光后获得对应的灰度值；所述对应的灰度值分别为波长为λ₁的第一向外光强、波长为λ₂的第二向外光强、波长为λ₃的第三向外光强以及波长为λ₄的第四向外光强。

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