一種基於等離子噴塗的渦輪葉片溫度測量方法與流程
2023-05-01 00:18:26
本發明屬於航空測試技術領域，具體涉及一種基於等離子噴塗的渦輪葉片溫度測量方法。
背景技術：
渦輪是航空發動機三大關鍵部件之一。為了提高推重比，一個重要技術途徑是提高渦輪前溫度。通常燃燒室出口燃氣溫度分布不均勻,表現為具有高溫核心的燃氣流，這將導致渦輪進口處溫度的非均勻性進一步增強。承受著巨大熱負荷的渦輪轉子葉片還在熾熱的高溫高壓燃氣流中高速旋轉，非常大的熱梯度將使渦輪葉片經受嚴重的熱應力和應變，渦輪葉片的蠕變壽命將會大幅度下降。因此，為了提高葉片的安全工作可靠性，延長其壽命，就必須準確的測量及實時監測、研究分析渦輪葉片的溫度分布，以便在葉片設計、材料、冷卻、結構、工藝、安裝上採取有效的措施，主動控制合理的溫度分布。
英﹑美﹑俄等航空技術發達國家投入了大量的人力物力研發用於渦輪部件溫度測試的傳感器和設備儀器，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，大都用於渦輪靜止葉片。
我國開展航空發動機渦輪葉片測試技術研究較晚，投入有限，測試技術水平較低，自主研發的用於渦輪部件溫度測試的傳感器和設備儀器較少。從國外引進的紅外測溫設備，由於紅外傳感器本身難以承受高的環境溫度，需要冷卻，冷卻氣流會破壞試驗件流場和溫度場分布；紅外測溫受發射率影響較大，存在測量誤差大，溫度解析度及空間解析度低等問題。而鎧裝熱電偶測溫技術，是一種浸入式測量方法，然而該方法破壞了葉片結構，葉片傳熱性能發生改變，降低了測量精度，且在葉片尾緣等厚度較薄的薄壁結構中無法埋設鎧裝熱電偶進行測量；晶體測溫與示溫漆測溫技術無需測試引線，但只能獲得試驗狀態的最高溫度，不能在試驗過程中進行監測和測量。針對高壓渦輪工作葉片溫度測試的急迫需求及現有技術水平的局限性，急需尋求一種測量精度高，對試驗件無破壞，對試驗過程無影響的測試技術，該技術同時需具備實時監測及保證在惡劣工況下可靠工作等特點，滿足發動機的研製需求。
技術實現要素：
本發明的目的：為了解決渦輪葉片測試精度低，對渦輪葉片結構破壞大，不能精確測量和實時監測問題。本發明利用等離子噴塗工藝將微細熱電偶固定在渦輪葉片表面，對渦輪葉片無破壞，對試驗過程無影響，微細熱電偶直徑小，固定微細熱電偶的塗層薄，附著牢靠，可有效完成高溫、高壓和高轉速環境下渦輪葉片表面溫度的精確測量和實時監測。
本發明的技術方案：
為了解決上述技術問題，本發明提供一種基於等離子噴塗的渦輪葉片溫度測量方法：包括如下步驟：
步驟1：渦輪葉片表面預處理：
首先將渦輪葉片榫槽用遮蔽膠帶或機械遮蔽方法進行保護，其後對預安裝固定微細熱電偶位置進行噴砂；噴砂處理完成後，用清潔乾燥的壓縮空氣吹淨殘留砂粒；使用無水乙醇對渦輪葉片表面進行超聲清洗；最後使用熱風槍或電吹風吹乾試片表面；
步驟2：絕緣層製備：
對不需噴塗絕緣層的部位用高溫絕緣膠帶保護後，用等離子噴槍噴塗絕緣層，噴嘴垂直於渦輪葉片表面，使塗層與渦輪葉片基體之間形成牢固的冶金結合，形成絕緣層；
步驟3：功能層製備：
首先將微細熱電偶測量端採用平行焊焊接在渦輪葉片表面測溫點位置，其後用寬度約為1mm～2mm的高溫膠帶，間隔2mm～5mm將微細熱電偶引線端粘貼於所述噴塗絕緣層的渦輪葉片表面上，再用等離子噴塗固定微細熱電偶。噴塗時，沿微細熱電偶測量端向引線端方向移動噴塗，噴塗厚度以剛剛覆蓋微細熱電偶為宜；
步驟4：保護層製備：
首先除去覆蓋在微細熱電偶上的高溫絕緣膠帶，並對已噴塗高溫絕緣塗層的部位採用所述的高溫膠帶進行保護。其後對半固定狀態的微細熱電偶再次等離子噴塗，使微細熱電偶全部被塗層覆蓋保護；
步驟5：測試線引出
將微細熱電偶引線用高溫合金薄片沿渦輪葉片緣板、榫頭方向全程採用點焊引出，點焊高溫合金薄片時，在受力部位的高溫合金薄片應翻邊，防止高溫合金薄片損傷微細熱電偶的絕緣；所述微細熱電偶引線通過滑環引電器或遙測系統接入溫度採集系統進行信號採集，進行所述渦輪葉片表面溫度測量；
所述的基於等離子噴塗的渦輪葉片溫度測量方法，步驟1中渦輪葉片表面噴砂處理，砂粒採用18～24目700～1000μm的氧化鋁砂子，噴砂壓力為0.4～0.5MPa；使用無水乙醇進行超聲清洗時間不少於10min。
所述的基於等離子噴塗的渦輪葉片溫度測量方法，步驟2中所述等離子噴塗絕緣塗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，噴嘴垂直於渦輪葉片表面並距離約90mm左右，形成絕緣層，塗層厚度約30μm左右；
所述的基於等離子噴塗的渦輪葉片溫度測量方法，步驟3中所述微細熱電偶直徑是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；
所述的基於等離子噴塗的渦輪葉片溫度測量方法，步驟4中所述保護層厚度為0.13mm～0.22mm。
所述的基於等離子噴塗的渦輪葉片溫度測量方法，步驟5中所述高溫合金薄片厚度為0.05mm～0.08mm。
本發明的有益效果：本發明創新性地提出了一種渦輪葉片表面溫度測試的新方法，創造了渦輪葉片表面噴砂、潔淨處理和由等離子噴塗工藝製備的絕緣層、功能層及保護層三種不同功能塗層完成微細熱電偶安裝固定，所述等離子噴塗工藝將Al2O3粉末瞬間加熱、加速，形成熔融或半熔融狀態的粒子束，快速撞擊到渦輪葉片表面，流散、變形、凝固形成塗層。所述塗層具有結構緻密、孔隙率低、絕緣性能高、抗熱震性能好、塗層結合強度高等特點。所述溫度測量方法具有不破壞零件表面結構、不幹擾附壁流場、可在薄壁結構上布置測點、可在陶瓷熱障塗層表面布置測點等優點，填補高離心載荷、高熱力載荷下渦輪葉片溫度實時監測與精確測量的空白，具有顯著的軍事、經濟和社會效益。
附圖說明
圖1是本發明基於等離子噴塗的渦輪葉片溫度測量示意圖。
具體實施方式
下面通過具體實施方式對本發明作進一步的詳細說明：
本發明是一種基於等離子噴塗的渦輪葉片溫度測量方法，首先對渦輪葉片表面進行預處理，除去葉片表面各種異物，提供適合於塗裝要求的良好基底。接著，採用等離子噴塗工藝完成絕緣塗層的製備，其後，完成測點選擇及微細熱電偶安裝固定，最後再次噴塗高溫絕緣塗層完成測溫功能層的保護。
所述的基於等離子噴塗的渦輪葉片溫度測量方法，包括渦輪葉片表面預處理，絕緣層製備，功能層製備，保護層製備及測試線引出。
渦輪葉片表面預處理
表面處理是在基體材料表面上人工形成一層與基體的機械、物理和化學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、汙垢、油脂、鏽蝕等)去除，提供適合於塗裝要求的良好基底，以保證塗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。在塗裝之前必須對物體表面進行預處理。基體表面預處理的目的：一是使基體表面淨化並有一定的粗糙度，二是增加塗層與基體的結合強度既加大附著力，三是增加塗層的功能如耐溫、防腐蝕及防磨損等特殊功能。
由於測試對象渦輪葉片工作於「高溫、高壓、高轉速」惡劣工況下，微細熱電偶傳感器安裝固定的可靠性成為影響測試成敗的關鍵因素。微細熱電偶在試驗中的有效可靠工作必須要求塗層附著性能良好，無脫落風險存在。而塗層附著性能優異的前提是要保證試件表面處理合理、有效，利於塗層噴塗安裝等特點。
所述渦輪葉片表面預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械遮蔽方法進行保護，預安裝微細熱電偶表面用噴砂機進行噴砂處理，砂粒採用18～24目700～1000μm的氧化鋁砂子，噴砂壓力為0.4～0.5MPa，噴槍角度應儘可能垂直於待噴砂表面，以恆定的速度在試件表面移動，噴嘴距試件距離約為45mm，噴砂時間約為10秒。噴砂處理完成後，用清潔乾燥的壓縮空氣吹淨噴砂處理後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，對渦輪葉片表面進行不少於10min的超聲清洗。最後使用熱風槍或電吹風吹乾試片表面。
步驟2：絕緣層製備
噴砂及清洗後，為防止試件表面氧化影響塗層結合強度，在60min內應噴塗絕緣塗層。對不需噴塗絕緣層的部位用耐溫260℃的特氟龍高溫膠帶保護後，先對試件表面進行預熱處理，採用等離子噴槍噴塗火焰(不帶粉末)在試件表面掃過幾遍即可，最高預熱溫度為150℃。然後將Al2O3粉末裝上，調節噴槍電流480A、電壓70V、主氣流量約50L/min，噴嘴垂直於渦輪葉片表面並距離約90mm，將熔融後的Al2O3噴射到渦輪葉片表面，使塗層與渦輪葉片基體之間形成牢固的冶金結合，形成絕緣層，塗層厚度約30μm左右。
步驟3：功能層製備
將直徑為0.1mm的微細熱電偶(K型/S型熱電偶裸絲)測量端採用平行焊或球形焊固定在渦輪葉片表面測溫點位置，其後用寬度約為1mm～2mm的耐溫260℃的特氟龍高溫膠帶，間隔2mm～5mm將微細熱電偶引線端粘貼於所述噴塗絕緣層的渦輪葉片表面上，務必使微細熱電偶緊密的貼合在絕緣層表面，再用等離子噴塗固定微細熱電偶。噴塗時，沿微細熱電偶測量端向引線端方向移動噴塗，噴塗厚度以剛剛覆蓋微細熱電偶為宜，約為0.13mm～0.22mm。除了固定微細熱電偶的高溫膠帶外，其餘噴塗面積應覆蓋住整個微細熱電偶；
步驟4：保護層製備
以45°角小心地撕下覆蓋微細熱電偶上的特氟龍高溫膠帶，並對已噴塗高溫絕緣塗層的部位採用所述的特氟龍高溫膠帶進行保護。其後對半固定狀態的微細熱電偶再次等離子噴塗，使微細熱電偶全部被塗層覆蓋保護，保護層厚度約為0.13mm～0.22mm。
步驟5：測試線引出
將微細熱電偶引線用高溫合金薄片沿渦輪葉片緣板，榫頭方向全程採用點焊引出，所述高溫合金薄片厚度約為0.05mm～0.08mm。點焊高溫合金薄片時，導線兩端面焊接點不能小於2排，在受力部位的高溫合金薄片應翻邊，防止高溫合金薄片損傷微細熱電偶的絕緣。所述微細熱電偶引線通過滑環引電器或遙測系統接入溫度採集系統進行信號採集，進行所述渦輪葉片表面溫度測量。
本發明所述基於等離子噴塗的渦輪葉片溫度測量通過耐高溫絕緣材料試驗研究、塗覆性能試驗研究、模擬加溫試驗研究、不同絕緣塗層對比試驗研究、鎧裝熱電偶與微細熱電偶對比試驗研究、微細熱電偶標定試驗研究、微細熱電偶高溫燃氣衝擊試驗研究及微細熱電偶冷效試驗研究等取得了良好的效果。本發明可在高溫、高壓和高速旋轉環境下精確測量和實時監測高壓渦輪工作葉片的表面溫度，還可以應用於渦輪葉片表面熱障塗層、渦輪葉片冷效試驗、燃燒室火焰筒、燃燒室冷卻試驗件、燃燒室機匣、渦輪機匣、渦輪盤和其它軍、民用高溫、高速旋轉件、薄壁件、複雜構件及鎧裝熱電偶不易安裝位置的表面溫度測試，具有極大的工程應用價值。