李 楊，殷光明

（中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片晶體測(cè)溫技術(shù)研究

李 楊，殷光明

（中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703）

針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片溫度測(cè)量的技術(shù)難題，介紹了1種晶體測(cè)溫傳感器的技術(shù)特點(diǎn)與技術(shù)優(yōu)勢(shì)。結(jié)合晶體測(cè)溫技術(shù)的工作原理簡(jiǎn)述了測(cè)溫晶體的制造方法，論述了測(cè)溫晶體的安裝、拆除工藝和標(biāo)定試驗(yàn)方法，并利用測(cè)溫晶體測(cè)量了渦輪葉片表面溫度。結(jié)果表明：測(cè)溫晶體在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流高溫、高壓、高速燃?xì)饬鞯臎_擊下和葉片高速旋轉(zhuǎn)的工況下附著牢靠，未出現(xiàn)脫落的情況，試驗(yàn)成活率為100%，獲取到了精確測(cè)點(diǎn)的溫度值，是解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片等熱端部件特殊位置表面溫度測(cè)量的1種方法。

測(cè)溫晶體；溫度測(cè)量；渦輪葉片；航空發(fā)動(dòng)機(jī)

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的溫度測(cè)試目前是前沿性熱點(diǎn)及難點(diǎn)研究課題，渦輪葉片上傳熱和表面溫度分布的分析與計(jì)算均要求試驗(yàn)測(cè)試來(lái)驗(yàn)證[1-2]。對(duì)于渦輪轉(zhuǎn)子葉片的溫度測(cè)量，傳統(tǒng)的埋入式或表面貼裝式熱電偶等接觸式測(cè)溫技術(shù)引線困難且測(cè)點(diǎn)較少，難以獲得氣膜孔附近處的溫度數(shù)據(jù)；示溫漆測(cè)溫只能測(cè)量渦輪轉(zhuǎn)子葉片總體溫度分布；紅外測(cè)溫技術(shù)視場(chǎng)有限，葉片前緣、尾緣、緣板等特殊位置的溫度難以測(cè)量。此外，薄膜熱電偶還處于研制階段，存在著引線技術(shù)困難和使用可靠性不高等缺點(diǎn)[3-4]。對(duì)于上述溫度測(cè)量技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量試驗(yàn)中存在的問(wèn)題，采用晶體測(cè)溫技術(shù)是1個(gè)較為有效的測(cè)試手段。該技術(shù)非侵入特征明顯，具有傳感器體積微小、無(wú)需測(cè)試引線、測(cè)溫精度高等優(yōu)點(diǎn)[5]。

國(guó)外的晶體測(cè)溫技術(shù)研究比較成熟，不管是美國(guó)、俄羅斯還是烏克蘭，都有1批專業(yè)技術(shù)人員從事測(cè)溫晶體的制造、標(biāo)定、應(yīng)用研究工作，至今已經(jīng)形成完善的研發(fā)及應(yīng)用體系[6-7]。烏克蘭研制的多型航空發(fā)動(dòng)機(jī)均采用晶體測(cè)溫技術(shù)來(lái)測(cè)量渦輪葉片溫度。Siemens公司在SGT系列產(chǎn)品上，將1975個(gè)測(cè)溫晶體布置在發(fā)動(dòng)機(jī)熱區(qū)，其中有90個(gè)測(cè)溫晶體安裝在1個(gè)葉片上，試驗(yàn)后測(cè)溫晶體有著95%的高存活率。在國(guó)內(nèi)，沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所和天津大學(xué)都在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行過(guò)測(cè)溫晶體制作及標(biāo)定技術(shù)研究工作[8-9]。

本文主要從工作原理、制造方法、安裝與拆除、標(biāo)定試驗(yàn)以及應(yīng)用等方面對(duì)晶體測(cè)溫技術(shù)進(jìn)行研究。

1 晶體測(cè)溫技術(shù)測(cè)量原理

晶體測(cè)溫技術(shù)是基于自身“溫度記憶效應(yīng)”的以輻照缺陷的熱穩(wěn)定性建立起來(lái)的1種微型溫度測(cè)量傳感器，通過(guò)中子輻照碳化硅晶體的晶格常數(shù)、測(cè)試溫度和測(cè)試時(shí)間之間的函數(shù)關(guān)系而形成的測(cè)量最高溫度的測(cè)試技術(shù)。

中子輻照碳化硅晶體測(cè)溫技術(shù)本質(zhì)是利用晶體缺陷的熱穩(wěn)定性，因此制作該傳感器最主要的工序就是輻照，目的是引入具有特定熱穩(wěn)定性的各種缺陷。在輻照過(guò)程中，由于電離、離位、級(jí)聯(lián)及子級(jí)聯(lián)碰撞等效應(yīng)的作用，晶格內(nèi)部產(chǎn)生大量如間隙原子、空位、間隙原子團(tuán)、空位團(tuán)、空洞、位錯(cuò)、層錯(cuò)等缺陷，破壞了晶體原子周期性排列的特點(diǎn)，即輻照導(dǎo)致晶體晶格從有序性轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)序性。而且輻照劑量越大，輻照缺陷濃度就越大，無(wú)序度就越嚴(yán)重[10]。

晶體所經(jīng)歷的最高溫度越高，殘余缺陷濃度就越低。二者具有一一對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，知道晶體所經(jīng)歷的最高溫度，必然能確定殘余缺陷濃度；反之亦然。輻照缺陷的消除取決于晶體所經(jīng)歷的最高溫度，因此輻照導(dǎo)致的各種性能的變化伴隨著溫度升高的過(guò)程中缺陷的消除而逐漸回復(fù)到未輻照的水平。在通常情況下，殘余缺陷濃度雖然難以通過(guò)常規(guī)測(cè)試方法確定，但可以測(cè)定殘余缺陷對(duì)物性的影響間接反映出殘余缺陷濃度。所以，物性和退火溫度也是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，如果物性和晶體所經(jīng)歷的最高溫度之間的函數(shù)關(guān)系已經(jīng)確定，則知道晶體所經(jīng)歷的最高溫度，便可以確定物性；反之亦然。電阻率、硬度、晶格常數(shù)和熱導(dǎo)率等都能用于反映殘余缺陷濃度[11-12]。

2 測(cè)溫晶體的制造

測(cè)溫晶體的制造過(guò)程主要包括晶片的生長(zhǎng)、中子輻照、切割、篩選等布置。

首先生長(zhǎng)出碳化硅晶錠，對(duì)晶錠結(jié)晶質(zhì)量、表面粗糙度、位錯(cuò)密度、微管密度和晶體彎曲度等指標(biāo)進(jìn)行考察，選擇出滿足使用要求的晶錠切割成大小合適的晶片，并對(duì)其進(jìn)行預(yù)退火處理，以便消除樣品內(nèi)固有缺陷，最后選擇合適的晶片用于中子輻照，如圖1所示。

為讓晶片內(nèi)部產(chǎn)生缺陷，需進(jìn)行中子輻照。在中子輻照過(guò)程中，離位峰效應(yīng)導(dǎo)致樣品局部區(qū)域產(chǎn)生大量缺陷，該區(qū)域基本呈非晶態(tài)。隨著輻照注量的增大，離位峰發(fā)生的次數(shù)逐漸增加，非晶態(tài)區(qū)域的濃度也在不斷增大。當(dāng)輻照注量增大到非晶化閾值時(shí)，非晶態(tài)區(qū)域便可以疊加到一起，導(dǎo)致整個(gè)樣品發(fā)生晶態(tài)-非晶態(tài)轉(zhuǎn)變[13]。

中子輻照完成后的晶片還需通過(guò)切割成一個(gè)個(gè)小晶體才能滿足使用，在晶片切割的過(guò)程中部分小晶體會(huì)發(fā)生崩邊、斷角的情況，需要從中篩選出各方面完好的晶體，如圖2所示。篩選出的晶體一部分用于標(biāo)定試驗(yàn)，另一部分則用于測(cè)量試驗(yàn)。

3 安裝與拆除工藝

測(cè)溫晶體的可靠安裝和拆除是測(cè)溫晶體應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其工藝流程看似簡(jiǎn)單，實(shí)則在安裝和拆除的過(guò)程中，測(cè)溫晶體極易丟失或受到損傷，導(dǎo)致在該環(huán)節(jié)測(cè)溫晶體的成活率降低。

測(cè)溫晶體可靠安裝與拆除是1個(gè)經(jīng)驗(yàn)不斷積累的過(guò)程，為熟練掌握該工藝，實(shí)現(xiàn)測(cè)溫晶體的可靠安裝，首先需建立良好的工作環(huán)境和配置專用的安裝與拆除設(shè)備，包括微操作平臺(tái)、立體顯微鏡、專用工具以及配套的專用小附件等，良好的設(shè)備是實(shí)現(xiàn)測(cè)溫晶體可靠安裝與拆除的基礎(chǔ)和前提條件。

雖然安裝與拆除工藝流程較為清楚，但在晶體夾取時(shí)容易崩邊和脫落，填充高溫膠時(shí)易出現(xiàn)松散和存在氣泡等情況，因此仍然需要通過(guò)反復(fù)的摸索試驗(yàn)、實(shí)際操作以及工藝驗(yàn)證試驗(yàn)來(lái)不斷優(yōu)化和改進(jìn)實(shí)際的工藝方法，才能在該環(huán)節(jié)盡量不丟失和破壞測(cè)溫晶體，提高安裝與拆除的可靠性，提高晶體工作效率。

4 標(biāo)定試驗(yàn)方法

4.1 標(biāo)定方法

對(duì)于國(guó)外“最高溫等效時(shí)間”的標(biāo)定方法的時(shí)間歷程曲線難以獲取的問(wèn)題，創(chuàng)新性地將“最高溫恒溫時(shí)間”作為輸入時(shí)間參數(shù)來(lái)完成微型輻照測(cè)溫晶體的標(biāo)定和溫度判讀，可避免繁瑣的最高溫等效時(shí)間的獲取和計(jì)算。利用最高溫恒溫時(shí)間參數(shù)、最高溫平均溫度參數(shù)和晶體參數(shù)三者的函數(shù)關(guān)系，建立基于“恒溫時(shí)間法”的測(cè)溫晶體標(biāo)定方法。

最高溫恒溫時(shí)間參數(shù)是測(cè)溫晶體標(biāo)定時(shí)最高溫平均溫度的保溫持續(xù)時(shí)間；最高溫度平均溫度是考慮最高溫溫度在保溫持續(xù)時(shí)間內(nèi)的允許范圍內(nèi)波動(dòng)的平均溫度值；晶體參數(shù)是測(cè)溫晶體經(jīng)歷高溫前后晶格參數(shù)的變化。

4.2 標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)溫晶體的標(biāo)定由專用的標(biāo)定系統(tǒng)來(lái)完成，因此標(biāo)定系統(tǒng)的好壞、精度高低直接決定標(biāo)定結(jié)果的質(zhì)量。完整的測(cè)溫晶體標(biāo)定系統(tǒng)主要由高精度的加溫爐、溫度控制與采集系統(tǒng)、標(biāo)定試件、標(biāo)定數(shù)據(jù)處理軟件以及配套的附件等組成，如圖3所示。

（1）電源系統(tǒng)。根據(jù)加溫爐爐內(nèi)溫度波動(dòng)度的要求（恒溫區(qū)內(nèi)溫度波動(dòng)度優(yōu)于1℃），對(duì)標(biāo)定爐的供電增加穩(wěn)壓電源模塊，工作時(shí)供電電壓不超過(guò)1%，避免因電壓波動(dòng)造成的溫度波動(dòng)。

（2）加溫系統(tǒng)。加溫系統(tǒng)是標(biāo)定設(shè)備的核心部分，用于給標(biāo)定試件提供恒溫環(huán)境，根據(jù)熱電偶檢定標(biāo)準(zhǔn)裝置配用的熱電偶檢定爐的設(shè)計(jì)模式。標(biāo)定爐采用管式加溫爐，要求升降溫快速、升降溫時(shí)間可調(diào)，恒溫時(shí)間精確可調(diào)，且控溫準(zhǔn)備穩(wěn)定，恒溫區(qū)內(nèi)任意2點(diǎn)間溫差小于1℃，溫度波動(dòng)度優(yōu)于1℃。

（3）控制系統(tǒng)。溫度控制系統(tǒng)為本標(biāo)定系統(tǒng)的核心，標(biāo)定試驗(yàn)時(shí)要求加溫爐的超溫量盡量小且加溫、恒溫迅速。因此，溫度控制器采用智能PID調(diào)節(jié)儀與標(biāo)定爐構(gòu)成溫度閉環(huán)控制，控制加溫棒對(duì)爐體進(jìn)行加溫。溫度控制系統(tǒng)能夠?qū)訙亍⒔禍貢r(shí)間進(jìn)行控制和對(duì)恒溫時(shí)間精確控制。為避免超溫，要求控制系統(tǒng)的超調(diào)量很小，不超過(guò)1℃。

（4）采集系統(tǒng)。溫度采集用于采集與標(biāo)定試件一并放入加溫爐內(nèi)的B/S型熱電偶的實(shí)測(cè)溫度值，同時(shí)也用于通過(guò)實(shí)測(cè)溫度值的變化記錄加降溫和恒溫時(shí)間?？刹捎檬忻嫔铣墒斓臏囟炔杉到y(tǒng)。

（5）操作臺(tái)。主要用于操作測(cè)溫晶體的安裝，標(biāo)定試驗(yàn)前的準(zhǔn)備以及標(biāo)定系統(tǒng)的溫度控制設(shè)置、標(biāo)定軟件操作等，標(biāo)定軟件將集成控制、溫度采集、數(shù)據(jù)處理、預(yù)警等功能于一體，實(shí)現(xiàn)標(biāo)定試驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理的半自動(dòng)化。

4.3 標(biāo)定試驗(yàn)流程

在相同的恒溫時(shí)間下的全溫度范圍的標(biāo)定試驗(yàn)的標(biāo)定流程如下：

（1）標(biāo)定準(zhǔn)備。在標(biāo)定試件上用高溫膠封裝3～4個(gè)測(cè)溫晶體，待高溫膠固化后用于標(biāo)定試驗(yàn)。

（2）系統(tǒng)連接。將標(biāo)定試件與溫度采集電偶固定，并放置于加溫爐的恒溫區(qū)內(nèi)，關(guān)閉加溫爐，檢驗(yàn)系統(tǒng)的完好性。

（3）加溫試驗(yàn)。設(shè)置加溫時(shí)間,恒溫時(shí)間10 min（以恒溫10 min為例），降溫時(shí)間控制為10 min。設(shè)置恒溫溫度值900℃（以900℃為例），開(kāi)啟加溫程序。

（4）晶體參數(shù)測(cè)量。標(biāo)定試驗(yàn)完成后，取出標(biāo)定試件中的測(cè)溫晶體，用X射線衍射儀測(cè)量晶體參數(shù)。

（5）數(shù)據(jù)處理。將3～4個(gè)測(cè)溫晶體的晶體參數(shù)的多次測(cè)量結(jié)果平均處理，作為“恒溫10 min，溫度值900℃”狀態(tài)下的晶體參數(shù)輸入。這樣就得到獲取標(biāo)定曲線所需的1個(gè)狀態(tài)點(diǎn)的3個(gè)參數(shù)。

（6）曲線擬合。在恒溫10 min，其他溫度點(diǎn)（550～1350℃范圍內(nèi)整百溫度點(diǎn)）的條件下重復(fù)進(jìn)行步驟（3）～（5），得到全溫度范圍內(nèi)各狀態(tài)點(diǎn)的參數(shù)后，通過(guò)標(biāo)定軟件來(lái)完成標(biāo)定曲線的擬合。

為便于分析標(biāo)定結(jié)果的誤差及測(cè)量不確定度，在相同狀態(tài)點(diǎn)下可多次進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，取均值作為曲線擬合的輸入?yún)?shù)，這樣就得到1條更為準(zhǔn)確的標(biāo)定曲線。

4.4 晶體參數(shù)測(cè)量

測(cè)溫晶體標(biāo)定及應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)束后，需通過(guò)X射線衍射儀來(lái)測(cè)量晶體的晶格參數(shù)，為最后的溫度判讀提供輸入?yún)?shù)。在晶體的各種物性參數(shù)中，晶格參數(shù)最容易獲取，晶格參數(shù)利用X射線衍射法來(lái)測(cè)定[14-15]。

5 應(yīng)用研究

試驗(yàn)共采用5點(diǎn)測(cè)溫晶體，通過(guò)特制的高溫膠將測(cè)溫晶體分別安裝于渦輪轉(zhuǎn)子葉片葉盆和緣板上，如圖4所示。試驗(yàn)后5個(gè)測(cè)溫晶體的表面形貌如圖5所示。

測(cè)量結(jié)果表明，5點(diǎn)測(cè)溫晶體在高溫、高壓、高速燃?xì)饬鞯臎_擊下和葉片高速旋轉(zhuǎn)的工況下附著牢靠，未出現(xiàn)脫落的情況，試驗(yàn)成活率為100%，獲取到了精確測(cè)點(diǎn)的溫度值。

由于測(cè)量未安排熱電偶進(jìn)行測(cè)量結(jié)果的比對(duì)，在后續(xù)試驗(yàn)中將安排晶體測(cè)溫結(jié)果與熱電偶測(cè)量結(jié)果的比對(duì)試驗(yàn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

晶體測(cè)溫技術(shù)對(duì)于測(cè)量航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子葉片等熱端部件的特殊位置的表面溫度具有較強(qiáng)的實(shí)用性，能夠解決工程實(shí)際問(wèn)題。但該技術(shù)對(duì)于封裝工藝、標(biāo)定技術(shù)要求較高，還需根據(jù)實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行深入、細(xì)化的試驗(yàn)研究工作，進(jìn)而解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片表面溫度測(cè)量難題。

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Research on Crystal Temperature Measurement Technology for Aeroengine Turbine Blade

LI Yang,YIN Guang-ming
（AECC Sichuan Gas Turbine Establishment，Jiangyou Sichuan 621703，China）

In order to solve the problem of temperature measurement of aeroengine turbine blade,the characteristics and technical advantages of a kind of crystal temperature sensors were introduced，and the manufacturing methods of crystal temperature sensors were expounded based on whose working principle in temperature measurement.Further more,the installation,dismantling process and the calibration method of the crystal temperature sensors were described in detail.Then the crystal temperature sensors were applied to measure the surface temperature of turbine blade.The results show that those sensors attached to the test blade firmly cannot drop,even under the condition of high temperature,high pressure,the impact of high speed gas flow and high speed rotation.The survival rate of crystal sensors under testing is 100%,and the temperature of target location is obtained after test,which enables crystal temperature measurement technology to be considered as an ideal methodology to measure the surface temperature of hot section components of aeroengine such as turbine blade.

crystal temperature measurement;temperature measurement;turbine blade;aeroengine

V 263.3

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2017.03.016

2016-10-28 基金項(xiàng)目：航空動(dòng)力基礎(chǔ)研究項(xiàng)目資助

李楊（1986），男，工程師，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試工作；E-mail：li2313954@163.com。

李楊，殷光明.航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片晶體測(cè)溫技術(shù)研究 [J].航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2017，43（3）：83-87.LI Yang，YINGuangming.Research on crystal temperaturemeasurementtechnologyforaeroengineturbineblade[J].Aeroengine，2017，43（3）：83-87.

（編輯：栗樞）