CN114353994A - 基于光纤传感器的陶瓷基复合材料结构温度测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光纤传感器的陶瓷基复合材料结构温度测试方法，属于航空发动机测试技术领域。该方法是在陶瓷基复合材料基材的曲面零件表面，制备耐高温陶瓷复合涂层对柔性光纤传感器进行安装固定，通过预先对光纤传感器测试数据标定获得的温度拟合曲线，实现对复合材料基材零件的结构温度测试。该方法可用于下一代航空发动机用陶瓷基复合材料曲面零件高温工作环境下的结构温度测试，为相关材料和部件的开发、验证和改进提供有效地数据支撑。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于光纤传感器的陶瓷基复合材料结构温度测试方法，能够实现对复合材料基材零件在航空发动机高温工作环境下的结构温度测试，属于航空发动机测试技术领域。
背景技术
当前航空发动机研制中，开始研制使用碳化硅陶瓷基复合材料(CMC-SiC)作为发动机中等载荷静止部件如燃烧室、导向叶片、涡轮外环和尾喷管等材料，以满足航空领域对更高推重比、更低耗油率、更高稳定性发动机的研发需求。作为最新一代发动机的使用材料，碳化硅陶瓷基复合材料具有高比强、高比模、高硬度、耐磨损、耐腐蚀的优异力学性能，和高温抗氧化、抗烧蚀、高温热稳定性好、纤维和基体间热应力小的优异高温稳定性能，但是也存在使用上的很多问题，如基于碳化硅陶瓷基复合材料的热端部件长期工作在高温氧化环境下，经受强烈的热应力，承受各种环境侵蚀，纤维性能变化较大；缺乏特定应用条件下的测试数据作为设计输入；结构变化具有很大的随机性，作为发动机热端部件使用时不能采用惯用的确定性设计方法，必须以实际测试数据为依据进行可靠性分析，从而为相关材料和部件的开发、验证和改进提供支撑。
为准确获得热端部件的寿命就需要获得热端部件的温度分布情况，但是当前热端部件的高温温度测试难度较大。接触法常用的示温漆一般属于定性测量，测温精度较低，同时只能获得最高温度；基于电阻等的温度测量方法，则存在受发动机三高环境电磁干扰严重的问题。光纤传感器具有耐高温、尺寸小、抗电磁干扰等显著优势，可有效用于基于碳化硅陶瓷基复合材料的热端部件的结构温度测试，其灵活的柔性传感器结构设计和安装方式更可适用于涡轮叶片等多种曲面零件的表面形状，而通过采用等离子喷涂工艺制备热膨胀系数匹配性良好的耐高温陶瓷复合涂层对柔性光纤传感器进行安装固定，所制备的耐高温陶瓷复合涂层与基体之间具有良好的热膨胀系数匹配和结合强度，提高了光纤传感器在陶瓷基复合材料曲面零件表面的高可靠性安装和准确测试。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于光纤传感器的陶瓷基复合材料结构温度测试方法；该方法是在陶瓷基复合材料基材的曲面零件表面，制备耐高温陶瓷复合涂层对柔性光纤传感器进行安装固定，通过预先对光纤传感器测试数据标定获得的温度拟合曲线，实现对复合材料基材零件的结构温度测试。
基于光纤传感器的陶瓷基复合材料结构温度测试方法，包括如下步骤：
步骤一、对待安装的光纤传感器进行温度标定，获得标定曲线；
1)、将标准温度传感器与光纤传感器放置于高温炉中，确保两者处于同一等温线上，光纤传感器连接解调仪表及上位机，标准温度传感器连接温度计；
2)、设置多个标定温度点；在各标定温度点下，记录标准温度传感器温度示值与光纤传感器输出光学量数值；自然降温至室温；重复测试多次以上；
3)、对步骤一2)得到的多组标准热电偶示值与光纤传感器的输出光学量数值进行二次项拟合，得到温度-光学量函数关系式：
λn＝anT2+bnT+cn
式中：λn为光纤传感器的输出光学量数值，T为标准热电偶示值，n为标定试验循环次数；an、bn、cn为系数；
将标定温度点分别带入到每一次的试验的温度-输出光学量函数关系式中，得到标定点下的光纤传感器的输出光学量数值，对光纤传感器的输出光学量数值取平均值，标定温度点与对应温度点下的光纤传感器的输出光学量数值平均值二次项拟合，得到光纤传感器的标定曲线：
λ＝Aλ2+Bλ+C；
式中，λ为光纤传感器的输出光学量数值；A、B、C为传感器标定曲线函数系数。
步骤二、通过基于等离子的热喷涂安装工艺将柔性光纤传感器固定安装在零件表面；
预处理：对零件进行清洁处理，使用酒精对零件待安装区域进行刷洗，刷洗后使用清洁压缩空气吹干。
过渡层制备：使用金属遮蔽工装对零件不安装区域进行遮蔽防护，通过连接工装安装在低压等离子喷涂系统真空舱内的零件转台或旋转轴上，采用热膨胀系数比基材稍大且高温抗氧化、抗渗透性能良好的纯Si粉，通过机械手夹持的低压等离子喷枪在零件表面的待安装区域喷涂Si过渡层，喷涂至设定的涂层厚度。
过渡层热处理：零件过渡层喷涂完成后，去除防护工装，放入真空热处理炉内进行真空扩散处理。
中间层制备：按照设计需要进行中间层制备(也可无中间层)，通过多轴机械手夹持的大气等离子喷枪在零件表面的待安装区域喷涂中间层，涂层材料采用热膨胀系数高于Si过渡层、热稳定性较高的3Al2O3-2SiO2粉末，喷涂过程中使用压缩空气对零件其他部分进行冷却，喷涂至设定的涂层厚度。
光纤传感器保护与固定：使用无残胶石棉胶带将光纤安装部位在待安装区域内两边固定，保持光纤整体平整，再使用热喷涂高温胶带和防护工装覆盖石棉胶带表面和光纤的其他部分。
安装面层制备：通过多轴机械手夹持的大气等离子喷枪在零件表面的待安装区域喷涂光纤安装面层，涂层材料采用热膨胀系数高于Si过渡层和3Al2O3-2SiO2中间层、隔热和抗CMAS腐蚀性能良好的硅酸盐陶瓷粉末，喷涂过程中使用压缩空气对零件其他部分进行冷却，喷涂至设定的涂层厚度。
后处理：将所有喷涂防护物去除，检查光纤安装部位及区域，使用酒精擦洗胶带残留物，用压缩空气吹干后包装，完成光纤传感器安装。
步骤三、利用高温炉对安装有光纤传感器的零件进行温度加载和测试；
将零件置于高温炉中，进行温度加载，记录各温度点下的传感器输出的光学量数值。
步骤四、数据处理，计算得到零件结构温度。
将步骤三得到的光学量数值代入步骤一得到的标定曲线中，得到该输出光学量数值对应的温度值，即该零件结构的温度。
还可以在步骤三的零件背面同时安装标准热电偶，所述标准热电偶采集到的温度用于与步骤四光纤传感器计算得到的温度进行对比，以验证光纤传感器测试与计算结果的准确性。
有益效果
1、本发明涉及基于光纤传感器的陶瓷基复合材料结构温度测试方法，属于航空发动机测试技术领域。该方法是在陶瓷基复合材料基材的曲面零件表面，采用等离子喷涂工艺制备耐高温陶瓷复合涂层对柔性光纤传感器进行安装固定，并通过对光纤传感器测试数据的标定，给出不同温度点下的温度拟合曲线，实现对复合材料基材零件的结构温度测试。
2、本发明的述方法制备的耐高温陶瓷复合安装涂层与基体之间具有良好的热膨胀系数匹配和结合强度，同时具有优良的高温抗氧化和抗熔盐腐蚀性能，实现了柔性光纤传感器在陶瓷基复合材料曲面零件表面的高可靠性安装。该方法可用于下一代航空发动机用陶瓷基复合材料曲面零件高温工作环境下的结构温度测试，为相关材料和部件的开发、验证和改进提供了有效地数据支撑。
附图说明
图1为本发明光纤传感器温度标定曲线；
图2为本发明安装方法工艺路线图；
图3为本发明光纤传感器安装结构示意图。
其中，1-零件，2-过渡层，3-中间层，4-光纤传感器，5-面层。
具体实施方式
下面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，都属于本发明的保护范围。
实施例1：
基于光纤传感器的陶瓷基复合材料结构温度测试方法，包括如下步骤：
步骤一、对待安装的光纤传感器进行温度标定，获得标定曲线；
1)、将标准温度传感器与光纤光栅传感器放置于高温炉中，确保两者处于同一等温线上，光纤光栅传感器连接解调仪表及上位机，标准温度传感器连接温度计。
2)、设置650℃、750℃、900℃、1000℃、1050℃、1100℃等多个标定温度点，每个标定温度点达到后保温30分钟；在各标定温度点下，记录一级标准热电偶温度示值与光纤光栅传感器输出波长；自然降温至室温；重复测试5次。
表1光纤光栅传感器试验数据
3)、对步骤一2)得到的5组标准热电偶示值与光纤光栅传感器的波长值进行二次项拟合，得到5个温度-波长函数关系式：
λ1＝0.00000462T2+0.0114T+1,553.733；
λ2＝0.00000474T2+0.0114T+1,553.724；
λ3＝0.00000478T2+0.0114T+1,553427.727；
λ4＝0.00000483T2+0.0114T+1,553.726；
λ5＝0.00000481T2+0.0114T+1,553.724。
将标定点650℃代入，得到：λ1，650℃＝1553.493nm，λ2，650℃＝1553.545nm，λ3，650℃＝1553.487nm，λ4，650℃＝1553.602nm，λ5，650℃＝1553.567nm。
将步骤3)中的5个波长值取平均值，即：
重复上述步骤，得到各个标定温度下的波长值平均值，如表2所示。
表2各个标定温度下的波长值平均值
| 标定温度点(℃) | 传感器波长值(nm) |
| 650 | 1553.539 |
| 750 | 1555.167 |
| 900 | 1557.490 |
| 1000 | 1559.261 |
| 1050 | 1560.495 |
| 1100 | 1561.659 |
对标定温度点与对应温度点下的光纤光栅传感器的波长值平均值进行二次项拟合，得到光纤光栅传感器的标定曲线，T＝-1.998λ2+6279.206λ-4932684.841，如图3所示。
步骤二、柔性光纤传感器的安装固定；
预处理：对三维(3D)编织的碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(SiCf/SiC)零件1进行清洁处理，使用酒精对零件1待安装区域进行刷洗，刷洗后使用清洁压缩空气吹干；
过渡层制备：使用金属遮蔽工装对零件1不安装区域进行遮蔽防护，通过连接工装安装在低压等离子喷涂系统真空舱内的零件转台上，采用纯Si粉，通过机械手夹持的低压等离子喷枪在零件表面的待安装区域喷涂Si过渡层，电流1500A，功率85kW，氩气(Ar)流量100L/min，氢气(H2)流量8L/min，送粉量20g/min，真空度30mbar，喷涂距离350mm，涂层厚度喷涂至0.15mm；
过渡层热处理：零件过渡层喷涂完成后，去除防护工装，放入真空热处理炉内进行真空扩散处理，热处理温度1300℃，真空度30mbar，保温时间60min，随炉冷却；
中间层制备：按照设计需要进行中间层制备，通过多轴机械手夹持的大气等离子喷枪在零件表面的待安装区域喷涂中间层，涂层材料采用热膨胀系数高于Si过渡层、热稳定性较高的3Al2O3-2SiO2粉末，喷涂功率35kw，氩气(Ar)流量45l/min，氢气(H2)流量7l/min，送粉量35g/min，喷涂距离150mm，喷涂过程中使用压缩空气对零件其他部分进行冷却，基体温度控制在(150℃±20℃)喷涂至涂层厚度0.2mm；
光纤光栅传感器保护与固定：使用无残胶石棉胶带将光纤光栅安装部位在待安装区域内两边固定，保持光纤整体平整，再使用热喷涂高温胶带和防护工装覆盖石棉胶带表面和光纤的其他部分；
安装面层制备：通过多轴机械手夹持的大气等离子喷枪在零件表面的待安装区域喷涂光纤安装面层，涂层材料采用热膨胀系数高于Si过渡层和3Al2O3-2SiO2中间层、隔热和抗CMAS腐蚀性能良好的硅酸盐陶瓷粉末，喷涂功率40kw，氩气(Ar)流量35l/min，氢气(H2)流量6l/min，送粉量40g/min，喷涂距离120mm，，喷涂过程中使用压缩空气对零件其他部分进行冷却，基体温度控制在(150℃±20℃)，喷涂至涂层厚度0.6mm；
后处理：将所有喷涂防护物去除，检查光纤安装部位及区域，使用酒精擦洗胶带残留物，用压缩空气吹干后包装，完成光纤传感器安装。
(3)利用高温炉对安装有光纤光栅传感器的零件进行温度加载和测试；
将安装有光纤光栅传感器的零件背面同时安装一级铂电阻，安装后的零件置于高温炉中，进行650℃、750℃、900℃、1000℃、1050℃、1100℃温度测试，记录各温度点下的传感器波长值，见表3。
表3各测试点下的波长值
(4)数据处理，计算得到零件结构温度。
将零件结构安装的光纤光栅传感器输出波长值代入光纤光栅传感器的标定曲线中，可得到波长值对应的温度值，即该零件结构的温度，与热电偶温度值进行比较，偏差最大值为-8.13℃，如表4所示。
表4传感器计算温度
| 波长值(nm) | 计算温度值(℃) | 标准热电偶(℃) | 偏差(℃) |
| 1553.492 | 645.37 | 649.3 | -3.93 |
| 1555.097 | 755.90 | 749.4 | 6.50 |
| 1557.462 | 900.01 | 898.4 | 1.61 |
| 1559.194 | 991.37 | 999.5 | -8.13 |
| 1560.427 | 1049.11 | 1047 | 2.11 |
| 1561.596 | 1098.24 | 1096.4 | 1.84 |
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.基于光纤传感器的陶瓷基复合材料结构温度测试方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、对待安装的光纤传感器进行温度标定，获得标定曲线；
1)、将标准温度传感器与光纤传感器放置于高温炉中，确保两者处于同一等温线上，光纤传感器连接解调仪表及上位机，标准温度传感器连接温度计；
2)、设置多个标定温度点；在各标定温度点下，记录标准温度传感器温度示值与光纤传感器输出光学量数值；自然降温至室温；重复测试多次以上；
3)、对步骤一2)得到的多组标准热电偶示值与光纤传感器的输出光学量数值进行二次项拟合，得到温度-光学量函数关系式：
λn＝anT2+bnT+cn
式中：λn为光纤传感器的输出光学量数值，T为标准热电偶示值，n为标定试验循环次数；an、bn、cn为系数；
将标定温度点分别带入到每一次的试验的温度-输出光学量函数关系式中，得到标定点下的光纤传感器的输出光学量数值，对光纤传感器的输出光学量数值取平均值，标定温度点与对应温度点下的光纤传感器的输出光学量数值平均值二次项拟合，得到光纤传感器的标定曲线：
λ＝Aλ2+Bλ+C；
式中，λ为光纤传感器的输出光学量数值；A、B、C为传感器标定曲线函数系数。
步骤二、通过基于等离子的热喷涂安装工艺将柔性光纤传感器固定安装在零件表面；
步骤三、利用高温炉对安装有光纤传感器的零件进行温度加载和测试；
将零件置于高温炉中，进行温度加载，记录各温度点下的传感器输出的光学量数值；
步骤四、数据处理，计算得到零件结构温度；
将步骤三得到的光学量数值代入步骤一得到的标定曲线中，得到该输出光学量数值对应的温度值，即该零件结构的温度。
2.如权利要求1所述基于光纤传感器的陶瓷基复合材料结构温度测试方法，其特征在于：步骤二的具体实现方式为：
预处理：对零件进行清洁处理，使用酒精对零件待安装区域进行刷洗，刷洗后使用清洁压缩空气吹干；
过渡层制备：使用金属遮蔽工装对零件不安装区域进行遮蔽防护，通过连接工装安装在低压等离子喷涂系统真空舱内的零件转台或旋转轴上，采用热膨胀系数比基材稍大且高温抗氧化、抗渗透性能良好的纯Si粉，通过机械手夹持的低压等离子喷枪在零件表面的待安装区域喷涂Si过渡层，喷涂至设定的涂层厚度；
过渡层热处理：零件过渡层喷涂完成后，去除防护工装，放入真空热处理炉内进行真空扩散处理；
中间层制备：按照设计需要进行中间层制备(也可无中间层)，通过多轴机械手夹持的大气等离子喷枪在零件表面的待安装区域喷涂中间层，涂层材料采用热膨胀系数高于Si过渡层、热稳定性较高的3Al2O3-2SiO2粉末，喷涂过程中使用压缩空气对零件其他部分进行冷却，喷涂至设定的涂层厚度；
光纤传感器保护与固定：使用无残胶石棉胶带将光纤安装部位在待安装区域内两边固定，保持光纤整体平整，再使用热喷涂高温胶带和防护工装覆盖石棉胶带表面和光纤的其他部分；
安装面层制备：通过多轴机械手夹持的大气等离子喷枪在零件表面的待安装区域喷涂光纤安装面层，涂层材料采用热膨胀系数高于Si过渡层和3Al2O3-2SiO2中间层、隔热和抗CMAS腐蚀性能良好的硅酸盐陶瓷粉末，喷涂过程中使用压缩空气对零件其他部分进行冷却，喷涂至设定的涂层厚度；
后处理：将所有喷涂防护物去除，检查光纤安装部位及区域，使用酒精擦洗胶带残留物，用压缩空气吹干后包装，完成光纤传感器安装。
3.如权利要求1或2所述基于光纤传感器的陶瓷基复合材料结构温度测试方法，其特征在于：在步骤三的零件背面同时安装标准热电偶，所述标准热电偶采集到的温度用于与步骤四光纤传感器计算得到的温度进行对比，以验证光纤传感器测试与计算结果的准确性。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2021
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