本發(fā)明屬于航空測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于等離子噴涂的渦輪葉片溫度測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
渦輪是航空發(fā)動(dòng)機(jī)三大關(guān)鍵部件之一。為了提高推重比，一個(gè)重要技術(shù)途徑是提高渦輪前溫度。通常燃燒室出口燃?xì)鉁囟确植疾痪鶆?表現(xiàn)為具有高溫核心的燃?xì)饬?，這將導(dǎo)致渦輪進(jìn)口處溫度的非均勻性進(jìn)一步增強(qiáng)。承受著巨大熱負(fù)荷的渦輪轉(zhuǎn)子葉片還在熾熱的高溫高壓燃?xì)饬髦懈咚傩D(zhuǎn)，非常大的熱梯度將使渦輪葉片經(jīng)受嚴(yán)重的熱應(yīng)力和應(yīng)變，渦輪葉片的蠕變壽命將會(huì)大幅度下降。因此，為了提高葉片的安全工作可靠性，延長其壽命，就必須準(zhǔn)確的測(cè)量及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、研究分析渦輪葉片的溫度分布，以便在葉片設(shè)計(jì)、材料、冷卻、結(jié)構(gòu)、工藝、安裝上采取有效的措施，主動(dòng)控制合理的溫度分布。
英﹑美﹑俄等航空技術(shù)發(fā)達(dá)國家投入了大量的人力物力研發(fā)用于渦輪部件溫度測(cè)試的傳感器和設(shè)備儀器，最常用的主要有熱電偶傳感器、紅外傳感器、晶體傳感器及示溫漆等，大都用于渦輪靜止葉片。
我國開展航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片測(cè)試技術(shù)研究較晚，投入有限，測(cè)試技術(shù)水平較低，自主研發(fā)的用于渦輪部件溫度測(cè)試的傳感器和設(shè)備儀器較少。從國外引進(jìn)的紅外測(cè)溫設(shè)備，由于紅外傳感器本身難以承受高的環(huán)境溫度，需要冷卻，冷卻氣流會(huì)破壞試驗(yàn)件流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布；紅外測(cè)溫受發(fā)射率影響較大，存在測(cè)量誤差大，溫度分辨率及空間分辨率低等問題。而鎧裝熱電偶測(cè)溫技術(shù)，是一種浸入式測(cè)量方法，然而該方法破壞了葉片結(jié)構(gòu)，葉片傳熱性能發(fā)生改變，降低了測(cè)量精度，且在葉片尾緣等厚度較薄的薄壁結(jié)構(gòu)中無法埋設(shè)鎧裝熱電偶進(jìn)行測(cè)量；晶體測(cè)溫與示溫漆測(cè)溫技術(shù)無需測(cè)試引線，但只能獲得試驗(yàn)狀態(tài)的最高溫度，不能在試驗(yàn)過程中進(jìn)行監(jiān)測(cè)和測(cè)量。針對(duì)高壓渦輪工作葉片溫度測(cè)試的急迫需求及現(xiàn)有技術(shù)水平的局限性，急需尋求一種測(cè)量精度高，對(duì)試驗(yàn)件無破壞，對(duì)試驗(yàn)過程無影響的測(cè)試技術(shù)，該技術(shù)同時(shí)需具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及保證在惡劣工況下可靠工作等特點(diǎn)，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的研制需求。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的：為了解決渦輪葉片測(cè)試精度低，對(duì)渦輪葉片結(jié)構(gòu)破壞大，不能精確測(cè)量和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)問題。本發(fā)明利用等離子噴涂工藝將微細(xì)熱電偶固定在渦輪葉片表面，對(duì)渦輪葉片無破壞，對(duì)試驗(yàn)過程無影響，微細(xì)熱電偶直徑小，固定微細(xì)熱電偶的涂層薄，附著牢靠，可有效完成高溫、高壓和高轉(zhuǎn)速環(huán)境下渦輪葉片表面溫度的精確測(cè)量和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
本發(fā)明的技術(shù)方案：
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于等離子噴涂的渦輪葉片溫度測(cè)量方法：包括如下步驟：
步驟1：渦輪葉片表面預(yù)處理：
首先將渦輪葉片榫槽用遮蔽膠帶或機(jī)械遮蔽方法進(jìn)行保護(hù)，其后對(duì)預(yù)安裝固定微細(xì)熱電偶位置進(jìn)行噴砂；噴砂處理完成后，用清潔干燥的壓縮空氣吹凈殘留砂粒；使用無水乙醇對(duì)渦輪葉片表面進(jìn)行超聲清洗；最后使用熱風(fēng)槍或電吹風(fēng)吹干試片表面；
步驟2：絕緣層制備：
對(duì)不需噴涂絕緣層的部位用高溫絕緣膠帶保護(hù)后，用等離子噴槍噴涂絕緣層，噴嘴垂直于渦輪葉片表面，使涂層與渦輪葉片基體之間形成牢固的冶金結(jié)合，形成絕緣層；
步驟3：功能層制備：
首先將微細(xì)熱電偶測(cè)量端采用平行焊焊接在渦輪葉片表面測(cè)溫點(diǎn)位置，其后用寬度約為1mm～2mm的高溫膠帶，間隔2mm～5mm將微細(xì)熱電偶引線端粘貼于所述噴涂絕緣層的渦輪葉片表面上，再用等離子噴涂固定微細(xì)熱電偶。噴涂時(shí)，沿微細(xì)熱電偶測(cè)量端向引線端方向移動(dòng)噴涂，噴涂厚度以剛剛覆蓋微細(xì)熱電偶為宜；
步驟4：保護(hù)層制備：
首先除去覆蓋在微細(xì)熱電偶上的高溫絕緣膠帶，并對(duì)已噴涂高溫絕緣涂層的部位采用所述的高溫膠帶進(jìn)行保護(hù)。其后對(duì)半固定狀態(tài)的微細(xì)熱電偶再次等離子噴涂，使微細(xì)熱電偶全部被涂層覆蓋保護(hù)；
步驟5：測(cè)試線引出
將微細(xì)熱電偶引線用高溫合金薄片沿渦輪葉片緣板、榫頭方向全程采用點(diǎn)焊引出，點(diǎn)焊高溫合金薄片時(shí)，在受力部位的高溫合金薄片應(yīng)翻邊，防止高溫合金薄片損傷微細(xì)熱電偶的絕緣；所述微細(xì)熱電偶引線通過滑環(huán)引電器或遙測(cè)系統(tǒng)接入溫度采集系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)采集，進(jìn)行所述渦輪葉片表面溫度測(cè)量；
所述的基于等離子噴涂的渦輪葉片溫度測(cè)量方法，步驟1中渦輪葉片表面噴砂處理，砂粒采用18～24目700～1000μm的氧化鋁砂子，噴砂壓力為0.4～0.5MPa；使用無水乙醇進(jìn)行超聲清洗時(shí)間不少于10min。
所述的基于等離子噴涂的渦輪葉片溫度測(cè)量方法，步驟2中所述等離子噴涂絕緣涂層是以等離子射流為熱源，將Al2O3粉末瞬間加熱、加速，熔融或半熔融狀態(tài)的粒子以一定速度噴射至渦輪葉片表面，噴槍電流480A、電壓70V、主氣流量約50L/min，噴嘴垂直于渦輪葉片表面并距離約90mm左右，形成絕緣層，涂層厚度約30μm左右；
所述的基于等離子噴涂的渦輪葉片溫度測(cè)量方法，步驟3中所述微細(xì)熱電偶直徑是0.1mm的K型(或S型)熱電偶裸絲，所述功能層厚度為0.13mm～0.22mm；
所述的基于等離子噴涂的渦輪葉片溫度測(cè)量方法，步驟4中所述保護(hù)層厚度為0.13mm～0.22mm。
所述的基于等離子噴涂的渦輪葉片溫度測(cè)量方法，步驟5中所述高溫合金薄片厚度為0.05mm～0.08mm。
本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明創(chuàng)新性地提出了一種渦輪葉片表面溫度測(cè)試的新方法，創(chuàng)造了渦輪葉片表面噴砂、潔凈處理和由等離子噴涂工藝制備的絕緣層、功能層及保護(hù)層三種不同功能涂層完成微細(xì)熱電偶安裝固定，所述等離子噴涂工藝將Al2O3粉末瞬間加熱、加速，形成熔融或半熔融狀態(tài)的粒子束，快速撞擊到渦輪葉片表面，流散、變形、凝固形成涂層。所述涂層具有結(jié)構(gòu)致密、孔隙率低、絕緣性能高、抗熱震性能好、涂層結(jié)合強(qiáng)度高等特點(diǎn)。所述溫度測(cè)量方法具有不破壞零件表面結(jié)構(gòu)、不干擾附壁流場(chǎng)、可在薄壁結(jié)構(gòu)上布置測(cè)點(diǎn)、可在陶瓷熱障涂層表面布置測(cè)點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)，填補(bǔ)高離心載荷、高熱力載荷下渦輪葉片溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與精確測(cè)量的空白，具有顯著的軍事、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
附圖說明
圖1是本發(fā)明基于等離子噴涂的渦輪葉片溫度測(cè)量示意圖。
具體實(shí)施方式
下面通過具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明：
本發(fā)明是一種基于等離子噴涂的渦輪葉片溫度測(cè)量方法，首先對(duì)渦輪葉片表面進(jìn)行預(yù)處理，除去葉片表面各種異物，提供適合于涂裝要求的良好基底。接著，采用等離子噴涂工藝完成絕緣涂層的制備，其后，完成測(cè)點(diǎn)選擇及微細(xì)熱電偶安裝固定，最后再次噴涂高溫絕緣涂層完成測(cè)溫功能層的保護(hù)。
所述的基于等離子噴涂的渦輪葉片溫度測(cè)量方法，包括渦輪葉片表面預(yù)處理，絕緣層制備，功能層制備，保護(hù)層制備及測(cè)試線引出。
渦輪葉片表面預(yù)處理
表面處理是在基體材料表面上人工形成一層與基體的機(jī)械、物理和化學(xué)性能不同的表層的工藝方法。表面處理的目的是為了把物體表面所附著的各種異物(如氧化皮、污垢、油脂、銹蝕等)去除，提供適合于涂裝要求的良好基底，以保證涂膜具有良好的耐溫性能、防腐蝕性能、裝飾性能及某些特種功能。在涂裝之前必須對(duì)物體表面進(jìn)行預(yù)處理。基體表面預(yù)處理的目的：一是使基體表面凈化并有一定的粗糙度，二是增加涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度既加大附著力，三是增加涂層的功能如耐溫、防腐蝕及防磨損等特殊功能。
由于測(cè)試對(duì)象渦輪葉片工作于“高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速”惡劣工況下，微細(xì)熱電偶傳感器安裝固定的可靠性成為影響測(cè)試成敗的關(guān)鍵因素。微細(xì)熱電偶在試驗(yàn)中的有效可靠工作必須要求涂層附著性能良好，無脫落風(fēng)險(xiǎn)存在。而涂層附著性能優(yōu)異的前提是要保證試件表面處理合理、有效，利于涂層噴涂安裝等特點(diǎn)。
所述渦輪葉片表面預(yù)處理分為噴砂處理和表面清洗兩部分。
步驟1：噴砂處理
首先將渦輪葉片不能噴砂部位榫槽用遮蔽膠帶或機(jī)械遮蔽方法進(jìn)行保護(hù)，預(yù)安裝微細(xì)熱電偶表面用噴砂機(jī)進(jìn)行噴砂處理，砂粒采用18～24目700～1000μm的氧化鋁砂子，噴砂壓力為0.4～0.5MPa，噴槍角度應(yīng)盡可能垂直于待噴砂表面，以恒定的速度在試件表面移動(dòng)，噴嘴距試件距離約為45mm，噴砂時(shí)間約為10秒。噴砂處理完成后，用清潔干燥的壓縮空氣吹凈噴砂處理后的渦輪葉片表面殘留砂粒，再使用丙酮或無水乙醇或去離子水，對(duì)渦輪葉片表面進(jìn)行不少于10min的超聲清洗。最后使用熱風(fēng)槍或電吹風(fēng)吹干試片表面。
步驟2：絕緣層制備
噴砂及清洗后，為防止試件表面氧化影響涂層結(jié)合強(qiáng)度，在60min內(nèi)應(yīng)噴涂絕緣涂層。對(duì)不需噴涂絕緣層的部位用耐溫260℃的特氟龍高溫膠帶保護(hù)后，先對(duì)試件表面進(jìn)行預(yù)熱處理，采用等離子噴槍噴涂火焰(不帶粉末)在試件表面掃過幾遍即可，最高預(yù)熱溫度為150℃。然后將Al2O3粉末裝上，調(diào)節(jié)噴槍電流480A、電壓70V、主氣流量約50L/min，噴嘴垂直于渦輪葉片表面并距離約90mm，將熔融后的Al2O3噴射到渦輪葉片表面，使涂層與渦輪葉片基體之間形成牢固的冶金結(jié)合，形成絕緣層，涂層厚度約30μm左右。
步驟3：功能層制備
將直徑為0.1mm的微細(xì)熱電偶(K型/S型熱電偶裸絲)測(cè)量端采用平行焊或球形焊固定在渦輪葉片表面測(cè)溫點(diǎn)位置，其后用寬度約為1mm～2mm的耐溫260℃的特氟龍高溫膠帶，間隔2mm～5mm將微細(xì)熱電偶引線端粘貼于所述噴涂絕緣層的渦輪葉片表面上，務(wù)必使微細(xì)熱電偶緊密的貼合在絕緣層表面，再用等離子噴涂固定微細(xì)熱電偶。噴涂時(shí)，沿微細(xì)熱電偶測(cè)量端向引線端方向移動(dòng)噴涂，噴涂厚度以剛剛覆蓋微細(xì)熱電偶為宜，約為0.13mm～0.22mm。除了固定微細(xì)熱電偶的高溫膠帶外，其余噴涂面積應(yīng)覆蓋住整個(gè)微細(xì)熱電偶；
步驟4：保護(hù)層制備
以45°角小心地撕下覆蓋微細(xì)熱電偶上的特氟龍高溫膠帶，并對(duì)已噴涂高溫絕緣涂層的部位采用所述的特氟龍高溫膠帶進(jìn)行保護(hù)。其后對(duì)半固定狀態(tài)的微細(xì)熱電偶再次等離子噴涂，使微細(xì)熱電偶全部被涂層覆蓋保護(hù)，保護(hù)層厚度約為0.13mm～0.22mm。
步驟5：測(cè)試線引出
將微細(xì)熱電偶引線用高溫合金薄片沿渦輪葉片緣板，榫頭方向全程采用點(diǎn)焊引出，所述高溫合金薄片厚度約為0.05mm～0.08mm。點(diǎn)焊高溫合金薄片時(shí)，導(dǎo)線兩端面焊接點(diǎn)不能小于2排，在受力部位的高溫合金薄片應(yīng)翻邊，防止高溫合金薄片損傷微細(xì)熱電偶的絕緣。所述微細(xì)熱電偶引線通過滑環(huán)引電器或遙測(cè)系統(tǒng)接入溫度采集系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)采集，進(jìn)行所述渦輪葉片表面溫度測(cè)量。
本發(fā)明所述基于等離子噴涂的渦輪葉片溫度測(cè)量通過耐高溫絕緣材料試驗(yàn)研究、涂覆性能試驗(yàn)研究、模擬加溫試驗(yàn)研究、不同絕緣涂層對(duì)比試驗(yàn)研究、鎧裝熱電偶與微細(xì)熱電偶對(duì)比試驗(yàn)研究、微細(xì)熱電偶標(biāo)定試驗(yàn)研究、微細(xì)熱電偶高溫燃?xì)鉀_擊試驗(yàn)研究及微細(xì)熱電偶冷效試驗(yàn)研究等取得了良好的效果。本發(fā)明可在高溫、高壓和高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境下精確測(cè)量和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高壓渦輪工作葉片的表面溫度，還可以應(yīng)用于渦輪葉片表面熱障涂層、渦輪葉片冷效試驗(yàn)、燃燒室火焰筒、燃燒室冷卻試驗(yàn)件、燃燒室機(jī)匣、渦輪機(jī)匣、渦輪盤和其它軍、民用高溫、高速旋轉(zhuǎn)件、薄壁件、復(fù)雜構(gòu)件及鎧裝熱電偶不易安裝位置的表面溫度測(cè)試，具有極大的工程應(yīng)用價(jià)值。