CN114322914A - 一种用于高温循环负载下的叶片应变测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于在高温循环负载下工作的叶片应变指示计的制备方法，包括以下步骤：1)在叶片表面由内至外依次设置粘接层、保护层，将保护层镂空后曝露粘接层的部分表面；2)将粘接层的曝露面上沉积铂族金属涂层后去除保护层，粘接层表面沉积铂族金属涂层的区域形成叶片应变指示计。本发明还提供一种用于在高温循环负载下工作的叶片应变指示计及基于应变指示计的叶片应变测量方法。本发明提供的一种用于高温循环负载下的叶片应变测量方法，利用红外光学检测陶瓷层下方应变指示计的特征尺寸变化，实现在役无损检测，不需要去除叶片表面涂层，能够依据应变量推断叶片的蠕变损伤状态，能长期工作在高温、高应力、高转速的冲击腐蚀环境中。
Description
技术领域
本发明属于无损检测领域，涉及一种用于高温循环负载下的叶片应变测量方法，具体涉及一种用于在高温循环负载下工作的叶片应变指示计及其制备方法、采用应变指示计对高温循环负载下的叶片应变进行测量的方法。
背景技术
发动机涡轮叶片的失效主要是由于高温蠕变、低周疲劳等导致。蠕变损伤是材料应力、温度以及持续时间的函数，对温度的变化非常敏感，而且随着材料温度升高，蠕变损伤呈指数趋势上升。发动机的实际运行条件的变化，又会进一步加剧涡轮叶片工作载荷的变化，导致蠕变损伤的恶化，影响涡轮叶片的实际使用寿命。如何能够在役实时检测到叶片的应变，对于判断蠕变损伤情况，预测叶片剩余寿命具有非常重要的意义。
涡轮叶片的使用温度超过1500摄氏度，且工作在高转速、高应力、高温燃气冲击腐蚀等恶劣的工作环境中，这给应变的检测带来难度。目前，电阻应变片、光栅应变片是测量应变的主要敏感元件，但是在高温环境和构件表面不平整时，传统的电阻应变片很难应用，而高温、振动的恶劣环境也使得精密的光栅应变片无法使用。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于高温循环负载下的叶片应变测量方法，用于实现利用红外光学检测陶瓷层下方应变指示计的特征尺寸变化，实现在役无损检测，不需要去除叶片表面涂层，能够依据应变量推断叶片的蠕变损伤状态，能长期工作在高温、高应力、高转速的冲击腐蚀环境中。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种用于在高温循环负载下工作的叶片应变指示计的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
1)在叶片表面由内至外依次设置粘接层、保护层，将保护层镂空后曝露粘接层的部分表面；
2)将粘接层的曝露面上沉积铂族金属涂层后去除保护层，粘接层表面沉积铂族金属涂层的区域形成叶片应变指示计。
优选地，所述用于高温循环负载下的叶片的循环负载温度≥1500℃。
优选地，步骤1)中，所述粘接层的厚度为100～300微米。上述粘接层为叶片表面的热障涂层中用于粘接陶瓷面层的金属底层。
优选地，步骤1)中，所述粘接层中采用的粘接材料选自MCrAlY或PtAl中的一种；所述MCrAlY中，M选自镍(Ni)或钴(Co)中的一种或两种，Cr为铬，Al为铝，Y为钇；所述PtAl中，Pt为铂，Al为铝。
更优选地，所述粘接材料为MCrAlY时，所述粘接材料采用等离子喷涂或者电子束物理气相沉积中的任一方式设置至叶片表面，以形成粘接层。
进一步优选地，所述等离子喷涂的条件为：喷涂距离为60～150mm，喷涂气氛为普通大气，喷枪相对基材的扫描速度为50～2000mm/s。
进一步优选地，所述电子束物理气相沉积的条件为：基板预热时间为30～90min，预热温度为500～900℃，在0～10-2Pa的真空环境下下进行沉积，沉积速率为1～5μm/min。
更优选地，所述粘接材料为PtAl时，所述粘接材料采用电镀与渗铝复合或磁控溅射物理气相沉积与渗铝复合中的任一方式设置至叶片表面，以形成粘接层。
上述电镀与渗铝复合方式是指，在叶片表面先电镀铂(Pt)，再在铂(Pt)表面采用化学气相法沉积铝(Al)或者包埋渗铝法设置铝(Al)，从而形成粘接材料为PtAl的粘接层。
进一步优选地，所述电镀与渗铝复合方式的条件为：电镀的电流为0.5～2A/dm2，电镀的时间为0.5～2小时，电镀液为1-5g/L的六溴亚铱酸盐的水溶液。
上述磁控溅射物理气相沉积与渗铝复合方式是指，在叶片表面先磁控溅射铂(Pt)，再在铂(Pt)表面采用化学气相法沉积铝(Al)或者包埋渗铝法设置铝(Al)，从而形成粘接材料为PtAl的粘接层。
进一步优选地，所述磁控溅射物理气相沉积与渗铝复合方式的条件为：沉积时间为1-3小时，基材预热温度为500～700℃，磁控溅射功率为700～900W，溅射过程在流动的氩气下进行，真空度为1.0×10-1～1.0×10-2Pa，沉积速度为3-10μm/h。
优选地，步骤1)中，所述叶片表面设置粘接层后依次采用磷酸二氢钠电解脱脂液、盐酸溶液、氢氧化钠溶液进行清洗。用于对带有粘接层的叶片表面进行去油、去氧化物清洗。
更优选地，所述磷酸二氢钠电解脱脂液为0.1-1mol/L的磷酸二氢钠水溶液。
更优选地，所述磷酸二氢钠电解脱脂液的清洗时间为1-5分钟。
更优选地，所述磷酸二氢钠电解脱脂液进行清洗时，需要以被清洗叶片做为阳极进行通电，电流密度为10-25A/dm2。
更优选地，所述盐酸溶液为5-10％(质量百分比浓度)的盐酸水溶液。
更优选地，所述盐酸溶液的清洗时间为0.5-1分钟。
更优选地，所述氢氧化钠溶液为5-10％(质量百分比浓度)的氢氧化钠水溶液。
更优选地，所述氢氧化钠溶液的清洗时间为0.5-1分钟。
更优选地，所述磷酸二氢钠电解脱脂液、盐酸溶液、氢氧化钠溶液的使用剂量均为500-1000ml。
优选地，步骤1)中，所述保护层采用材料为不导电的材料。采用易去除材料或工具保护粘接层上不需要沉积的部位。所述不导电的材料具体为不导电的胶带。
优选地，步骤1)中，所述保护层曝露粘接层的部分表面呈回字纹形，具体形状如图2所示，其中1为覆盖在粘接层上的保护层，2为曝露的粘接层。
更优选地，回字纹形所述粘接层的部分表面中，条纹宽度＞5mm且相邻条纹之间的间距＞5mm。
优选地，步骤1)中，所述保护层曝露的粘接层表面位于所述叶片的叶尖、叶根、进气边或出气边中一处或多处。上述叶尖、叶根、进气边或出气边均为本领域公知的叶片的组成部分。
优选地，步骤2)中，所述铂族金属涂层采用电镀或者磁控溅射物理气相沉积中的任一方式设置至粘接层表面。
更优选地，所述电镀的电流为0.5-2A/dm2。
更优选地，所述电镀的时间为0.5-2小时。
更优选地，所述电镀采用的电镀液为1-5g/L的六溴亚铱酸盐的水溶液。上述六溴亚铱酸盐为主盐。
更优选地，所述磁控溅射物理气相沉积的条件为：沉积时间为1-3小时，基材预热温度为200-700℃，磁控溅射功率为700～900W，溅射过程在流动的氩气下进行，真空度为5.0×10-1-5.0×10-2Pa，沉积速度为5-20μm/h。
优选地，步骤2)中，所述铂族金属涂层的厚度为0.01-0.05mm。
优选地，步骤2)中，所述铂族金属涂层中选用的铂族金属选自铱(Ir)、铂(Pt)或铑(Rh)中的一种。
优选地，步骤2)中，所述保护层去除后要进行热处理，再在曝露的粘接层和铂族金属涂层上设置陶瓷面层。
更优选地，所述热处理为在马弗炉内进行加热处理，炉内温度为750-900℃，保温时间为1-3小时。所述热处理以提高铂族金属涂层与其粘接的粘接层之间的结合力。
更优选地，所述陶瓷面层采用等离子喷涂或者电子束物理气相沉积中的任一方式设置至曝露的粘接层和铂族金属涂层表面。
进一步优选地，所述等离子喷涂的条件为：喷涂距离为60～150mm，喷涂气氛为普通大气，喷枪相对基材的扫描速度为50～2000mm/s。
进一步优选地，所述电子束物理气相沉积的条件为：基板预热时间为30～90min，预热温度为500～900℃，在0～10-2Pa的真空环境下进行沉积，沉积速率为1～5μm/min。
更优选地，所述陶瓷面层采用陶瓷材料为氧化钇稳定氧化锆(Yttria-stabilizedzirconia，简称YSZ)。
上述陶瓷面层为设置在叶片表面的热障涂层中的面层。
本发明第二方面提供一种用于在高温循环负载下工作的叶片应变指示计，由上述方法制得。
本发明第三方面提供一种用于高温循环负载下的叶片应变测量方法，采用主动红外光学法对上述叶片应变指示计进行检测，先检测铂族金属涂层在初始状态的特征尺寸，再在至少一个热循环载荷工作周期后检测铂族金属涂层的特征尺寸，比较后获得叶片的应变值，以确定叶片的蠕变状态。
优选地，所述主动红外光学法的检测条件为：热激励加载方式为非稳态热激励加载；激励源为正弦调制光源；激励源峰值能量为0.5-2.5kJ；脉冲宽度为1/300-1/100s；激励热功率为50-200W；激励对象选自波长或温度中的一种或两种；激励波长为600-800nm；激励温度为50-500℃。
上述主动红外光学法的检测原理是通过控制热激励方法和利用热像仪探测材料表面的温度场变化，以获取材料表面及内部的信息。具体来说，是对被测目标进行各种形式的热激励加载，在热激励加载过程中或加载后可有一定延时再进行红外测温，叶片的应变计受到脉冲热流时会引起其表面温度差异，以此来进行检测其变形的差异。其将红外热成像技术与数字锁相信号处理技术结合，通过计算叶片表面各点温度变化的相位图和幅值图来确定应变指示计的变形。目前热激励加载方式可分稳态和非稳态两种。
优选地，所述铂族金属涂层的特征尺寸包括回字纹形的铂族金属涂层中的条纹宽度和/或相邻条纹之间的间距。
更优选地，当所述热循环载荷工作周期后铂族金属涂层的条纹宽度变化≥原始铂族金属涂层的条纹宽度的1.0％，和/或当所述热循环载荷工作周期后铂族金属涂层的相邻条纹之间的间距变化≥原始铂族金属涂层的相邻条纹之间的间距的1.0％时，所述叶片的应变值变化≥1.0％，所述叶片即将蠕变失效。
更优选地，当所述热循环载荷工作周期后铂族金属涂层的条纹宽度变化＜原始铂族金属涂层的条纹宽度的0.1％，和/或当所述热循环载荷工作周期后铂族金属涂层的相邻条纹之间的间距变化＜原始铂族金属涂层的相邻条纹之间的间距的0.1％时，所述叶片的应变值变化＜0.1％，所述叶片处于蠕变初始阶段。
优选地，所述热循环载荷工作周期中，热循环载荷的温度≥1500℃。更优选地，所述热循环载荷工作周期中，热循环载荷的温度为1500℃。
上述热循环载荷工作周期是指当工作温度从高温到低温、应力载荷大小以一定的规律变化的周期。
优选地，所述热循环载荷工作周期的工作时间为900-1100小时。更优选的，所述热循环载荷工作周期的工作时间为1000小时。
优选地，所述叶片的应变值为所述铂族金属涂层的特征尺寸的变形值。
如上所述，本发明提供的一种用于高温循环负载下的叶片应变测量方法，通过在叶片表面设置应变指示计，并进行检测，能够获得叶片的应变值。其具有以下有益效果：
(1)本发明提供的一种用于高温循环负载下的叶片应变测量方法，在叶片表面沉积高温稳定的铂族金属涂层作为应变指示计，其制备的应变指示计结构、制备简单，能够在1500度以上高温下使用，与现有电阻应变计、光栅应变片相比，使用温度更高，更耐腐蚀，且不需要埋线，能长期工作在高温、高应力、高转速的冲击腐蚀环境中。
(2)本发明提供的一种用于高温循环负载下的叶片应变测量方法，其制备的应变指示计，不需要将叶片从发动机上拆除，更不需要破坏叶片，进行金相制样观察组织，而是利用红外光学检测陶瓷层下方应变指示计的特征尺寸变化，能用于涡轮叶片应变、应变率、蠕变、疲劳、应力的在役无损检测。
附图说明
图1显示为本发明的用于在高温循环负载下工作的叶片应变指示计的制备方法流程图。
图2显示为本发明的用于在高温循环负载下工作的叶片应变指示计的结构特征示意图，其中，1为覆盖在粘接层上的保护层；2为曝露的粘接层。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步阐述本发明，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
实施例1
取叶片样品1#，如图1所示，在其表面采用等离子喷涂方式设置粘接层，粘接层采用的粘接材料为NiCrAlY，粘接层的厚度为200微米。等离子喷涂的喷涂距离为100mm，喷涂气氛为普通大气，喷枪相对基材的扫描速度为1000mm/s。
对带有NiCrAlY粘接层的叶片样品1#表面进行清洗：首先采用500ml浓度为0.5mol/L的磷酸二氢钠电解脱脂液清洗1分钟，被清洗叶片作为阳极，电流密度为10A/dm2，然后是采用500ml的10％HCl水溶液清洗0.5分钟，最后是采用500ml的10％NaOH水溶液清洗0.5分钟。
采用不导电的胶带作为保护层材料，保护层用于保护粘接层上不需要沉积应变指示计的部位，将保护层镂空后曝露粘接层的部分表面，如图2所示，保护层曝露粘接层的部分表面呈回字纹形，回字纹形粘接层的部分表面中，条纹宽度＞5mm，相邻条纹之间的间距＞5mm，保护层曝露的粘接层表面位于叶尖、叶根、进气边和出气边。
然后在粘接层的曝露面上采用电镀沉积铂金属涂层，即将叶片作为阴极，镀铂的铌板作为阳极，放入2.5g/L以六溴亚铱酸盐为主盐的电镀液里，采用1A/dm2的电流电镀1小时，得到厚度为0.01mm的铱镀层。
去除作为保护层材料的不导电的胶带，在叶片样品1#的粘接层表面形成白色回字纹状的铱镀层，从而获得应变指示计1*。在马弗炉内对样品进行热处理，炉内温度为800℃，保温时间为2小时，提高铱镀层和粘接层的结合力。再在曝露的粘接层和铂族金属涂层表面上采用等离子喷涂方式制备陶瓷面层，陶瓷面层采用陶瓷材料为YSZ，等离子喷涂的喷涂距离为100mm，喷涂气氛为普通大气，喷枪相对基材的扫描速度为1000mm/s。
实施例2
取叶片样品2#，如图1所示，在其表面采用磁控溅射物理气相沉积与渗铝复合方式设置粘接层，粘接层采用的粘接材料为PtAl，粘接层的厚度为250微米。磁控溅射沉积时间为2小时，基材预热温度为600℃，磁控溅射功率为800W，溅射过程在流动的氩气下进行，真空度为1.0×10-1Pa，沉积速度为7μm/h。
对带有PtAl粘接层的叶片样品2#表面进行清洗：首先采用700ml浓度为0.7mol/L的磷酸二氢钠电解脱脂液清洗3分钟，被清洗叶片作为阳极，电流密度为15A/dm2，然后是采用700ml的8％HCl水溶液清洗40s，最后是采用700ml的8％NaOH水溶液清洗40s。
采用不导电的耐高温胶带作为保护层材料，保护层用于保护粘接层上不需要沉积应变指示计的部位，将保护层镂空后曝露粘接层的部分表面，如图2所示，保护层曝露粘接层的部分表面呈回字纹形，回字纹形粘接层的部分表面中，条纹宽度＞5mm，相邻条纹之间的间距＞5mm，保护层曝露的粘接层表面位于叶尖、叶根、进气边和出气边。
然后在粘接层的曝露面上采用磁控溅射物理气相沉积铂金属涂层，即将样品放入磁控溅射的设备中，基材预热温度为200℃，溅射过程在流动的氩气下进行，磁控溅射功率为800W，真空度为5.0×10-1Pa，沉积速度为15μm/h，经过2小时的沉积，得到厚度为0.025mm的铂金属涂层。
去除作为保护层材料的胶带，在叶片样品2#的粘接层表面形成白色回字纹状的铂镀层，从而获得应变指示计2*。在马弗炉内对样品进行热处理，炉内温度为850℃，保温时间为1.5小时，提高铱镀层和粘接层的结合力。再在曝露的粘接层和铂族金属涂层表面上采用物理气相法沉积方式制备陶瓷面层，陶瓷面层采用陶瓷材料为YSZ，电子束物理气相沉积的基板预热时间为60min，预热温度为700℃，在10-1Pa的真空环境下进行沉积，沉积速率为3μm/min。
实施例3
采用主动红外光学法对实施例1制备的应变指示计1*进行检测，如图2所示，热激励加载方式为非稳态热激励加载；激励源为正弦调制光源；激励源峰值能量为1.5kJ；脉冲宽度为1/200s；激励热功率为100W；激励对象为波长，激励波长为700nm，激励温度为250℃。
先检测作为应变指示计1*的回字纹形的铱镀层在初始状态的特征尺寸，获得其条纹宽度为0.1-1mm，相邻条纹之间的间距为0.1-1mm。
然后，在1500℃的热循环载荷下每工作1000小时，再采用主动红外光学法对实施例1制备的应变指示计1*进行检测，记录作为应变指示计1*的铱镀层的特征尺寸变化。
≥20次检测后，发现其条纹宽度变为原始条纹宽度的1.0025倍，相邻条纹之间的间距变为原始间距的1.0025倍，说明叶片的应变值变化的应变率为0.25％，叶片处于稳态蠕变阶段，没有达到蠕变失效阶段，可以继续在高温、高应力、高转速的冲击腐蚀环境中使用。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种叶片应变指示计的制备方法，包括以下步骤：
1)在叶片表面由内至外依次设置粘接层、保护层，将保护层镂空后曝露粘接层的部分表面；
2)将粘接层的曝露面上沉积铂族金属涂层后去除保护层，粘接层表面沉积铂族金属涂层的区域形成叶片应变指示计。
2.根据权利要求1所述的一种叶片应变指示计的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述粘接层中采用的粘接材料选自MCrAlY或PtAl中的一种；所述MCrAlY中，M选自镍或钴中的一种或两种，Cr为铬，Al为铝，Y为钇；所述PtAl中，Pt为铂，Al为铝。
3.根据权利要求1所述的一种叶片应变指示计的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述保护层采用材料为不导电的材料；所述保护层曝露粘接层的部分表面呈回字纹形。
4.根据权利要求1所述的一种叶片应变指示计的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述铂族金属涂层中选用的铂族金属选自铱、铂或铑中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种叶片应变指示计的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述保护层去除后要进行热处理，再在曝露的粘接层和铂族金属涂层上设置陶瓷面层。
6.根据权利要求5所述的一种叶片应变指示计的制备方法，其特征在于，所述热处理为在马弗炉内进行加热处理，炉内温度为750-900℃，保温时间为1-3小时。
7.一种叶片应变指示计，由根据权利要求1-6任一所述的制备方法制得。
8.一种叶片应变测量方法，采用主动红外光学法对权利要求7所述的叶片应变指示计进行检测，先检测铂族金属涂层在初始状态的特征尺寸，再在至少一个热循环载荷工作周期后检测铂族金属涂层的特征尺寸，比较后获得叶片的应变值，以确定叶片的蠕变状态。
9.根据权利要求8所述的一种叶片应变测量方法，其特征在于，所述主动红外光学法的检测条件为：热激励加载方式为非稳态热激励加载；激励源为正弦调制光源；激励源峰值能量为0.5-2.5kJ；脉冲宽度为1/300-1/100s；激励热功率为50-200W；激励对象选自波长或温度中的一种或两种；激励波长为600-800nm；激励温度为50-500℃。
10.根据权利要求8所述的一种叶片应变测量方法，其特征在于，所述热循环载荷工作周期中，工作时间为900-1100小时；热循环载荷的温度≥1500℃。
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