■ 童劍 黃夢(mèng)薇/中國(guó)航發(fā)動(dòng)研所

隨著推重比的不斷增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度也不斷提高。為了使發(fā)動(dòng)機(jī)在越來越高的溫度下能有效、持久地工作，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)熱端部件的溫度進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)測(cè)。新興的輻照晶體測(cè)溫技術(shù)是一種較為有效的高溫測(cè)量手段，對(duì)精確測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)零部件壁面溫度有明顯的技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

輻照晶體測(cè)溫技術(shù)是利用輻照晶體溫度傳感器對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件表面溫度進(jìn)行測(cè)量的一種技術(shù)，是以中子輻照過的晶體為信息載體，通過建立物性（通常用輻照晶體的晶格常數(shù)表征）與退火溫度之間的函數(shù)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量。

工作原理及應(yīng)用現(xiàn)狀

輻照晶體測(cè)溫技術(shù)基于晶體輻照缺陷的熱穩(wěn)定性，當(dāng)晶體在受到高能粒子輻照后產(chǎn)生大量的晶體結(jié)構(gòu)缺陷，必然會(huì)引發(fā)晶體宏觀物性的顯著變化。但是，晶體的這種結(jié)構(gòu)缺陷也會(huì)在高溫退火狀態(tài)下逐漸消除，最終使晶體結(jié)構(gòu)再次回復(fù)到原始結(jié)構(gòu)狀態(tài)。從輻照效應(yīng)層面講，高溫退火溫度與晶體缺陷的回復(fù)程度密切相關(guān)，而晶體缺陷所引發(fā)的物性變化能夠表征出來，所以在輻照效應(yīng)中建立退火溫度與晶體物性變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，能夠?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)的輻照晶體測(cè)溫技術(shù)應(yīng)用提供定標(biāo)測(cè)溫依據(jù)[1]。

美國(guó)和俄羅斯開發(fā)的先進(jìn)微型晶體測(cè)溫技術(shù)，測(cè)溫范圍可達(dá)到150～1400℃，測(cè)量精度則控制在±3.5℃，整個(gè)測(cè)量過程中無須引線和接頭，且在測(cè)量試驗(yàn)中也不用對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改裝調(diào)整，整個(gè)技術(shù)應(yīng)用非常便捷。

德國(guó)西門子公司將該技術(shù)應(yīng)用于測(cè)量工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的溫度分布，可深度測(cè)量渦輪高溫部件，部件溫度測(cè)量點(diǎn)數(shù)量達(dá)到1940個(gè)，依據(jù)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)部件進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，確保部件的冷卻氣用量降低20%左右，有效地提高了工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)性能。在基于測(cè)試結(jié)果加以升級(jí)改進(jìn)后，西門子公司推出了新型號(hào)SGT800燃?xì)廨啓C(jī)，該設(shè)備的升級(jí)是成功運(yùn)用輻照晶體測(cè)溫技術(shù)的典范。考慮到航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫測(cè)試結(jié)果非常重要，所以本文結(jié)合航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主要特性，將SiC微型晶體測(cè)溫技術(shù)用于研究和優(yōu)化航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫測(cè)量技術(shù)[1-2]，SiC晶體如圖1所示。

圖1 SiC晶體

目前，比較成熟的航空發(fā)動(dòng)機(jī)晶體測(cè)溫技術(shù)手段包括熱電偶、示溫漆、紅外熱像儀等，可實(shí)現(xiàn)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、渦輪、尾噴管等高溫部件進(jìn)行有效測(cè)溫，同時(shí)也能對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)件進(jìn)行測(cè)溫，具體的測(cè)溫晶體材料對(duì)象有3C-SiC晶體。

SiC微型晶體測(cè)溫技術(shù)

通常，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的SiC微型輻照晶體測(cè)溫技術(shù)應(yīng)用流程涉及到晶體測(cè)溫材料的選取、高能中子輻照、輻照晶體定標(biāo)、測(cè)溫誤差分析和測(cè)溫應(yīng)用試驗(yàn)等。

晶體測(cè)溫材料的選取

基于核反應(yīng)堆中子輻照損傷和航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件工作溫度，可選擇輻照缺陷具有較高熱穩(wěn)定性的SiC晶體作為輻照晶體測(cè)溫技術(shù)的材料。具體而言，由于SiC具有多種同素異構(gòu)體特性，在結(jié)晶學(xué)中存在多型現(xiàn)象特征，所以目前選擇較多的為6H型SiC晶體，因?yàn)樗哂邢鄬?duì)成熟的生長(zhǎng)工藝，結(jié)晶品質(zhì)相對(duì)較高，可在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的微型晶體測(cè)溫技術(shù)應(yīng)用中，結(jié)合它的晶體輻照缺陷與退火回復(fù)效應(yīng)進(jìn)行深度分析。

高能中子輻照

人工生長(zhǎng)的晶體通常含有一定濃度的固有缺陷，但這些缺陷的濃度較低，為了實(shí)現(xiàn)因缺陷的存在而導(dǎo)致的顯微結(jié)構(gòu)顯著變化，需要利用中子輻照技術(shù)將晶體進(jìn)行輻照處理，大幅度改變材料的固有性能，以便后期能夠進(jìn)行可分辨的、精度高的參數(shù)表征。具體做法如下：首先將SiC晶體切割成小塊晶片，方便實(shí)施輻照，然后將晶體放入核反應(yīng)堆內(nèi)進(jìn)行輻照，輻照過程要求中子總注量達(dá)到1020n/cm2；中子輻照后，根據(jù)待測(cè)部件所要求的開孔指標(biāo)，將輻照晶片進(jìn)一步加工成(如0.3mm×0.3mm×0.3mm和0.2mm×0.2mm×0.2mm等)適中規(guī)格的晶體顆粒（此時(shí)通常稱為輻照晶體溫度傳感器）；同時(shí)結(jié)合多種檢測(cè)手段對(duì)輻照晶體進(jìn)行深度分析，明確輻照缺陷微觀形貌和熱演化等問題[3]。

輻照晶體定標(biāo)

利用輻照晶體進(jìn)行溫度測(cè)量，其依據(jù)是已經(jīng)獲取的溫度與表征參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即定標(biāo)法。需要對(duì)輻照晶體顆粒進(jìn)行退火處理，選擇設(shè)備為高精度的管式爐，爐內(nèi)溫度用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶測(cè)量。首先對(duì)輻照晶體顆粒進(jìn)行退火處理，讓其經(jīng)歷一系列高溫過程，從100～1500℃，溫度間隔設(shè)置為50℃，退火保溫時(shí)間統(tǒng)一選擇5min，時(shí)間的控制要求非常精確。經(jīng)過不同溫度退火，不同晶體經(jīng)歷了不同的高溫過程，輻照缺陷回復(fù)也隨著退火溫度的變化而變化，基本規(guī)律為溫度越高殘余輻照缺陷濃度越低，晶體原子排列的有序度越高，晶格越接近未輻照晶體的水平，該類晶體顆粒成為定標(biāo)晶體。由于定標(biāo)晶體經(jīng)歷了高溫過程，微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性質(zhì)都會(huì)隨之發(fā)生變化，且溫度不同，變化程度也相應(yīng)不同。微觀結(jié)構(gòu)的改變受外界因素影響較小，因此選擇X射線衍射法對(duì)微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。利用X射線衍射儀，對(duì)定標(biāo)晶體進(jìn)行逐一測(cè)試，獲得衍射圖譜，利用儀器自帶分析軟件對(duì)圖譜進(jìn)行處理，獲得各定標(biāo)晶體的衍射峰半高寬和晶格常數(shù)，最終得出微型測(cè)溫晶體的一組由X射線衍射技術(shù)得到的晶體參數(shù)。將晶體參數(shù)與退火溫度繪制成圖，并進(jìn)行擬合，獲得擬合曲線，該曲線即可作為下一步溫度判讀依據(jù)的定標(biāo)曲線。

測(cè)溫誤差分析

晶體經(jīng)過中子輻照所產(chǎn)生的晶體缺陷需要依賴溫度回復(fù)，借助X射線衍射技術(shù)來判斷測(cè)溫晶體輻照缺陷的回復(fù)狀態(tài)。在溫度判讀環(huán)節(jié)，結(jié)合SiC測(cè)溫晶體的退火缺陷回復(fù)程度進(jìn)行晶體最高溫度測(cè)試，溫度判讀的基礎(chǔ)是晶體結(jié)構(gòu)回復(fù)的精確表征。在溫度判讀過程中，需要結(jié)合X射線衍射儀的穩(wěn)定性和高溫退火爐的穩(wěn)定性對(duì)測(cè)溫誤差進(jìn)行分析，目的是控制并減小測(cè)量誤差，保證相對(duì)較廣的測(cè)溫范圍與較高的測(cè)溫精度，以便滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件的溫度測(cè)量，優(yōu)化SiC微型晶體測(cè)溫參數(shù)指標(biāo)[4-6]。從試驗(yàn)層面，晶體定標(biāo)曲線顯示該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)150～1400℃范圍內(nèi)的溫度測(cè)量；從實(shí)用性層面，基于航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件的實(shí)際工作溫度，確定晶體測(cè)溫技術(shù)對(duì)應(yīng)的600～1300℃是核心溫度范圍。其具體的確定依據(jù)還須圍繞特征參數(shù)展開，明確測(cè)溫范圍。首先，將3C-SiC或6H-SiC測(cè)溫晶體放入到馬弗爐中進(jìn)行等時(shí)間退火處理，其退火溫度應(yīng)該在100～1600℃范圍，溫度間隔為100℃，退火保溫時(shí)間為5min，分析比較特征參數(shù)可代表測(cè)溫范圍。其次，采用最小二乘法對(duì)特征陳述與退火溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合分析，明確退火溫度與晶體之間的關(guān)系，找到輻照晶體與退火溫度之間的客觀規(guī)律，該規(guī)律適用于發(fā)動(dòng)機(jī)高溫測(cè)試流程。

測(cè)溫應(yīng)用試驗(yàn)

首先在高溫管式爐內(nèi)，利用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，對(duì)測(cè)溫晶體核心區(qū)域測(cè)溫精確度進(jìn)行評(píng)估，具體方法是：熱電偶和微型測(cè)溫晶體同時(shí)放入退火爐，讓二者經(jīng)歷相同的高溫歷程，然后利用定標(biāo)曲線對(duì)測(cè)溫晶體進(jìn)行溫度判讀，以防火試驗(yàn)中的露端式鎧裝熱電偶為標(biāo)準(zhǔn)，氣流速度每增加1m/s，熱電偶的輻射誤差百分比則要平均減少1.2%左右。考慮到測(cè)溫晶體傳感器的精確度，與熱電偶相比，測(cè)溫晶體判讀溫度誤差在2～14℃之間，5次試驗(yàn)的結(jié)果如表1和圖2所示。

然后，對(duì)燃燒室火焰筒頭部進(jìn)行測(cè)溫，測(cè)溫晶體布置在該零件高溫部位，可選擇直徑為10mm的壓電晶體片，將試驗(yàn)件夾持在夾具上，并將裝有試驗(yàn)件的葉片穩(wěn)固安裝在激光隔振工作臺(tái)上，保證被測(cè)量表面朝向電子散斑干涉儀的光學(xué)測(cè)量鏡頭，并與其保持一定距離，用于了解其溫度情況。

在燃燒室試驗(yàn)過程中須穩(wěn)定在地面最大狀態(tài)5min，以確保輻照缺陷回復(fù)完全。試驗(yàn)完成將測(cè)溫晶體拆下后用定標(biāo)曲線對(duì)測(cè)溫晶體進(jìn)行溫度判讀，部分?jǐn)?shù)據(jù)如表2所示。

上述試驗(yàn)可以看出，輻照晶體測(cè)溫技術(shù)在常規(guī)手段難以進(jìn)行溫度測(cè)量的特殊區(qū)域，應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯、可操作性強(qiáng)，能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)一些特殊位置的表面溫度測(cè)量需求。

表1 熱電偶與測(cè)溫晶體測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)比

圖2 熱電偶與測(cè)溫晶體測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)比折線圖

表2 測(cè)溫晶體部分測(cè)量值

結(jié)束語

輻照晶體測(cè)溫技術(shù)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件測(cè)溫所使用的新型溫度測(cè)量技術(shù)，此技術(shù)的傳感器優(yōu)點(diǎn)是無引線、體積小、可大量布點(diǎn)，可以應(yīng)用于傳統(tǒng)測(cè)溫方法難以實(shí)施測(cè)溫的特殊部位，例如，高速旋轉(zhuǎn)的渦輪盤和葉片，封閉環(huán)境下的燃燒室內(nèi)壁等。本文重點(diǎn)分析了基于SiC所建立的輻照晶體測(cè)溫技術(shù)，重點(diǎn)關(guān)注了600～1300℃核心區(qū)域的溫度測(cè)量精確度，并將該技術(shù)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室試驗(yàn)，測(cè)溫效果良好，可為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)提供重要的參考數(shù)據(jù)。