CN114531748B - 一种陶瓷叶片基薄膜热电偶用电磁感应热处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种陶瓷叶片基薄膜热电偶用电磁感应热处理装置，螺旋线圈包络在陶瓷叶片上，螺旋线圈的两端分别与电磁感应加热器连接，陶瓷叶片设置在氧化铝陶瓷腔体内，陶瓷叶片的表面设置有薄膜热电偶，氧化铝陶瓷腔体的一端与气道连接，气道的另一端分别与红外辐射点温仪和真空泵连接，电磁感应加热器、红外辐射点温仪和真空泵均与控制器电连接。制备的钨铼合金薄膜热电偶经热处理后，薄膜未发生氧化，薄膜工作正常，叶片未发现明显热变形。

Description

一种陶瓷叶片基薄膜热电偶用电磁感应热处理装置

技术领域

本发明属于发动机叶片测试与薄膜热电偶传感器制备技术领域，具体涉及一种陶瓷叶片基薄膜热电偶用电磁感应热处理装置。

背景技术

发动机叶片工作在高温、高压、高振动、高转速、气动载荷大的恶劣工况，其故障直接影响飞机安全性。金属涡轮叶片工作温度通常接近材料耐温极限，常发生过温故障。碳化硅复合增韧陶瓷叶片作为新型叶片，因其高熔点展现出良好的应用前景，其设计改进与性能测试均需要获得表面温度参数。常规测温方式，如热电偶丝，光纤等需要开槽预埋，破坏叶片表面结构影响流场。在陶瓷叶片表面制备一体化的薄膜热电偶结构，可以在无扰流情况下获得其原位温度参数。但是，薄膜热电偶的制备与热电特性激活，需要进行高温热处理，传统的热处理装置，如高温炉等会在热处理过程中对叶片本身造成较大影响，使用其发生热膨胀、氧化等，使得后续叶片服役性能测试结果不准确。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种陶瓷叶片基薄膜热电偶用电磁感应热处理装置，解决了现有技术中热处理装置会在薄膜加热过程中对叶片本身造成较大热效应，影响后续叶片服役测试准确性的问题。

本发明采用以下技术方案：

一种陶瓷叶片基薄膜热电偶用电磁感应热处理装置，包括螺旋线圈，螺旋线圈包络在陶瓷叶片上，螺旋线圈的两端分别与电磁感应加热器连接，陶瓷叶片设置在氧化铝陶瓷腔体内，陶瓷叶片的表面设置有薄膜热电偶，氧化铝陶瓷腔体的一端与气道连接，气道的另一端分别与红外辐射点温仪和真空泵连接，电磁感应加热器、红外辐射点温仪和真空泵均与控制器电连接。

具体的，螺旋线圈的线圈总长度与陶瓷叶片的总长度相同，螺旋线圈的总内径完全包络陶瓷叶片。

具体的，螺旋线圈与陶瓷叶片之间设置有间隙。

进一步的，间隙为2mm±10％。

具体的，螺旋线圈安装在氧化铝陶瓷腔体中。

进一步的，螺旋线圈与氧化铝陶瓷腔体采用一体压制成型制成。

具体的，氧化铝陶瓷腔体为圆柱形结构，氧化铝陶瓷腔体的总长度与螺旋线圈的长度相同，氧化铝陶瓷腔体的总外径/内径与螺旋线圈的总外径/内径相同。

具体的，陶瓷叶片为静子叶片，采用碳化硅复合增韧陶瓷制备而成。

具体的，气道为空心圆柱结构，采用氧化铝陶瓷通过粉体压制成型制成。

具体的，红外辐射点温仪设置在气道的一侧，并与气道同轴设置。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种陶瓷叶片基薄膜热电偶用电磁感应热处理装置，螺旋线圈包络在陶瓷叶片上，螺旋线圈的两端分别与电磁感应加热器连接，陶瓷叶片的表面设置有薄膜热电偶，能够在对碳化硅复合增韧陶瓷叶片微影响情况下对薄膜热电偶进行热处理从而激活其热电特性。

进一步的，螺旋线圈的线圈总长度与陶瓷叶片的总长度相同，螺旋线圈的总内径完全包络陶瓷叶片，可以保证被加热的部件与外界空气无热对流，保证温度稳定性。

进一步的，螺旋线圈与陶瓷叶片之间设置有间隙，从而保证二者不直接接触引发短路。

进一步的，间隙为2mm±10％，以保证间隙足够小，避免电磁场随距离变远而过多减弱设置的目的或好处。

进一步的，螺旋线圈安装在氧化铝陶瓷腔体中，利用氧化铝陶瓷高温绝缘性保证线圈感应加热过程中不发生短路。

进一步的，螺旋线圈与氧化铝陶瓷腔体采用一体压制成型制成，从而保证腔体与线圈接触中无孔隙，避免空气渗入。

进一步的，氧化铝陶瓷腔体为圆柱形结构，氧化铝陶瓷腔体的总长度与螺旋线圈的长度相同，氧化铝陶瓷腔体的总外径/内径与螺旋线圈的总外径/内径相同，从而保证线圈不与空气接触，并且利用氧化铝陶瓷高温化学稳定性保证线圈与腔体结构不发生氧化。

进一步的，陶瓷叶片为静子叶片，采用碳化硅复合增韧陶瓷制备而成，保证叶片耐高温且高电阻的特性。

进一步的，气道为空心圆柱结构，采用氧化铝陶瓷通过粉体压制成型制成，从而为抽真空提供封闭气道，并同时保证气道高温化学稳定性，不会在工作过程中被氧化失效。

进一步的，红外辐射点温仪设置在气道的一侧，并与气道同轴设置，从而保证对内部温度的精确读取。

综上所述，本发明提供一种陶瓷叶片基薄膜热电偶用电磁感应热处理装置，在薄膜加热过程中对叶片本身不会造成较大热效应，避免了对后续叶片服役测试准确性的影响，同时保证了对薄膜热电偶进行高温热处理的功能。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明结构原理图；

图2为本发明加热端局部示意图；

图3为本发明仿真数据图。

其中：1.薄膜热电偶；2.陶瓷叶片；3.螺旋线圈；4.氧化铝陶瓷腔体；5.气道；6.红外辐射点温仪；7.电磁感应加热器；8.控制器；9.真空泵。

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/ 或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/ 层。

本发明提供了一种陶瓷叶片基薄膜热电偶用电磁感应热处理装置，能够在对陶瓷叶片表面薄膜热电偶进行热处理的同时保证薄膜不被氧化，且陶瓷叶片不被直接加热，解决热处理装置会在薄膜加热过程中对叶片本身造成较大热效应，影响后续叶片服役测试准确性的问题。

请参阅图1，本发明一种陶瓷叶片基薄膜热电偶用电磁感应热处理装置，包括薄膜热电偶1、陶瓷叶片2、螺旋线圈3、氧化铝陶瓷腔体4、气道5、红外辐射点温仪6、电磁感应加热器7、控制器8、真空泵9。

陶瓷叶片2设置在氧化铝陶瓷腔体4内，薄膜热电偶1设置在陶瓷叶片2 的上表面，薄膜热电偶1上螺旋设置有螺旋线圈3，螺旋线圈3的两端分别于电磁感应加热器7电连接，气道5设置在氧化铝陶瓷腔体4的前端，红外辐射点温仪6和真空泵9分别于气道5连接，控制器8分别于红外辐射点温仪6、电磁感应加热器7和真空泵9电连接。

其中，薄膜热电偶1采用丝网印刷方法制备而成，材料采用钨铼合金为主，薄膜热电偶1的厚度为100微米±5％，制备在陶瓷叶片2的上表面。

陶瓷叶片2为静子叶片，陶瓷叶片2的曲率由各型号发动机决定，材料采用碳化硅复合增韧陶瓷为主。

螺旋线圈3包络陶瓷叶片2，螺旋线圈3采用铜材料制备而成，螺旋线圈3 的线圈直径为5mm±0.2mm±10％，螺旋线圈3的线圈总长度与陶瓷叶片2的总长度保持一致，总内径完全包络陶瓷叶片2，螺旋线圈3与陶瓷叶片2的间隙为2mm±10％；螺旋线圈3安装在氧化铝陶瓷腔体4中。

请参阅图2，氧化铝陶瓷腔体4为圆柱形结构，总长度与螺旋线圈3的长度一致，总外径/内径与螺旋线圈3一致，通过粉体内中埋入螺旋线圈3一体压制成型。

气道5接驳在氧化铝陶瓷腔体4的圆柱底面，为空心圆柱结构，外径为1cm，内径为5mm，长度为20cm±2％，气道5采用氧化铝陶瓷，通过粉体压制成型。

红外辐射点温仪6安装在气道5的一侧，并与气道5同轴设置。

电磁感应加热器7与螺旋线圈3连接，电磁感应加热器7的功率为25KW，频率为50Hz±2％，用于提供加热薄膜热电偶1的感应电磁场。

控制器8连接于电磁感应加热器7和红外辐射点温仪6，获取加热的温度信号并对加热过程进行PID控制；真空泵9连接气道5，对氧化铝陶瓷腔体4 中抽真空。

本发明一种陶瓷叶片基薄膜热电偶用电磁感应热处理装置的工作原理如下：

通过电磁感应加热器7为螺旋线圈3提供交变感应电磁场源，使得薄膜热电偶1上产生感应电涡流发热，从而达到热处理的效果；

同时陶瓷叶片2因非金属不产生感应电涡流不发热，保证陶瓷叶片不被直接加热；

真空泵9通过气道5对氧化铝陶瓷腔体4的内环境进行抽真空，保证薄膜热电偶1在热处理过程中不被氧化；外辐射点温仪6通过气道5测定陶瓷叶片 2表面设置的薄膜热电偶1的温度，为控制器8提供PID控制所需的参数，从而操作电磁感应加热器7进行电磁场强度控制，保持热处理温度稳定。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

请参阅图3，对本发明陶瓷叶片基薄膜热电偶用电磁感应热处理装置的加热保温效果进行测算，采用COMSOL软件进行耦合仿真，发现电磁感应热处理装置的工作加载1037℃(即1310K)下，薄膜热电偶的加热温度均匀性可达±3℃(1034～1040℃)，保温控温性能良好，可以实现相关功能。

综上所述，本发明一种陶瓷叶片基薄膜热电偶用电磁感应热处理装置，实现对在陶瓷叶片表面采用丝网印刷方法制备的薄膜热电偶进行热处理的功能，并同时保证薄膜表面不被氧化，且陶瓷叶片不被直接加热，解决了现有技术中热处理装置会在薄膜加热过程中对叶片本身造成较大热效应，影响后续叶片服役测试准确性的问题。对制备在陶瓷叶片上的钨铼合金薄膜热电偶进行热处理后发现，薄膜未发生氧化，塞贝克系数约为12μV/K，叶片未发现明显热变形。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种陶瓷叶片基薄膜热电偶用电磁感应热处理装置，其特征在于，包括螺旋线圈(3)，螺旋线圈(3)包络在陶瓷叶片(2)上，螺旋线圈(3)的线圈总长度与陶瓷叶片(2)的总长度相同，螺旋线圈(3)的总内径完全包络陶瓷叶片(2)，螺旋线圈(3)与陶瓷叶片(2)之间设置有间隙，螺旋线圈(3)安装在氧化铝陶瓷腔体(4)中，螺旋线圈(3)与氧化铝陶瓷腔体(4)采用一体压制成型制成，螺旋线圈(3)的两端分别与电磁感应加热器(7)连接，陶瓷叶片(2)设置在氧化铝陶瓷腔体(4)内，陶瓷叶片(2)的表面设置有薄膜热电偶(1)，氧化铝陶瓷腔体(4)的一端与气道(5)连接，气道(5)的另一端分别与红外辐射点温仪(6)和真空泵(9)连接，电磁感应加热器(7)、红外辐射点温仪(6)和真空泵(9)均与控制器(8)电连接。

2.根据权利要求1所述的陶瓷叶片基薄膜热电偶用电磁感应热处理装置，其特征在于，间隙为2mm±10％。

3.根据权利要求1所述的陶瓷叶片基薄膜热电偶用电磁感应热处理装置，其特征在于，氧化铝陶瓷腔体(4)为圆柱形结构，氧化铝陶瓷腔体(4)的总长度与螺旋线圈(3)的长度相同，氧化铝陶瓷腔体(4)的总外径/内径与螺旋线圈(3)的总外径/内径相同。

4.根据权利要求1所述的陶瓷叶片基薄膜热电偶用电磁感应热处理装置，其特征在于，陶瓷叶片(2)为静子叶片，采用碳化硅复合增韧陶瓷制备而成。

5.根据权利要求1所述的陶瓷叶片基薄膜热电偶用电磁感应热处理装置，其特征在于，气道(5)为空心圆柱结构，采用氧化铝陶瓷通过粉体压制成型制成。

6.根据权利要求1所述的陶瓷叶片基薄膜热电偶用电磁感应热处理装置，其特征在于，红外辐射点温仪(6)设置在气道(5)的一侧，并与气道(5)同轴设置。

Images