馮 馳，劉思源

(哈爾濱工程大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

航空發(fā)動機(jī)工作在高溫、高壓等復(fù)雜極端環(huán)境中，在多次啟停及長時間運行過后，必然使得發(fā)動機(jī)核心熱部件表面隔熱涂層脫落，甚至導(dǎo)致熱端部件材料強(qiáng)度降低，最后發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，部件形變或斷裂的嚴(yán)重后果.為維護(hù)發(fā)動機(jī)的健康狀況，需要準(zhǔn)確測量渦輪轉(zhuǎn)子葉片表面溫度，為發(fā)動機(jī)優(yōu)化設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持，提高渦輪轉(zhuǎn)子葉片的可靠性，延長其使用壽命[1-3].

目前的測溫方法主要分為接觸式和非接觸式測溫.接觸式測溫應(yīng)用廣泛，優(yōu)點在于設(shè)備簡單，成本低.非接觸式測溫方法眾多，具有響應(yīng)時間短，測溫方式靈活的特點[4-5].輻射測溫作為非接觸式測溫的常用方法，在測溫精度與可靠性方面不斷取得提高，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航天、冶金、能源等多個領(lǐng)域.但是輻射測溫方法實際上測得的是被測物體向外輻射的能量，而非黑體表面的輻射能量與材料表面的發(fā)射率值有關(guān)，所以發(fā)射率模型極大的影響了輻射測溫對真實溫度 的估計.發(fā)射率不僅和材料成分及表面粗糙度等物理狀態(tài)有關(guān)，同時還是溫度及光譜波長的函數(shù)[6-7].因此，被測目標(biāo)的發(fā)射率模型的建立直接影響輻射測溫的測溫精度.為降低渦輪葉片在高溫高壓環(huán)境下失效受損，通常會在葉片表面涂覆隔熱涂層，如氧化鋯(ZrO2)、氮化硅(Si3N4)、陶瓷基復(fù)合材料等，以降低葉片基底溫度，延長渦輪葉片使用壽命.熱障涂層(Thermal barrier coatings，TBCS)一方面會改變渦輪葉片表面粗糙度，影響葉片表面的散射系數(shù)，另一方面由于金屬發(fā)射率和非金屬發(fā)射率隨溫度、波長的變化特性相反，因此會顯著改變?nèi)~片在不同溫度及波長下的發(fā)射率.所以，在輻射測溫波長范圍內(nèi)，熱障涂層對葉片熱量的輻射以及發(fā)射率的影響尤為重要.因此，研究熱障涂層在葉片熱輻射過程中的影響，對葉片表面輻射溫度的準(zhǔn)確測量有著越來越重要的作用.本文通過空氣等離子噴涂技術(shù)制備0、35、70、150 μm涂層厚度的4種熱障涂層樣片，實驗測量樣片在500～900 ℃下的光譜發(fā)射率，得到了測試樣片發(fā)射率與厚度及波長的關(guān)系.

1 樣片的制備及其表面材料性質(zhì)

樣片以高溫鎳基合金為基底材料，主要合金元素是鉻、鈦、鉭、鈷等，具體金屬組成的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示.高溫鎳基合金基底具有良好的塑形和焊接性，能夠在650～1 000 ℃高溫環(huán)境下保持可靠的材料強(qiáng)度，同時具備一定的抗氧化腐蝕能力[8].

表1 樣片基底合金主要成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

熱障涂層通常包括由抗高溫氧化的金屬連接緩沖層與低導(dǎo)熱性、高隔熱性的陶瓷粉末涂層組成的體系，具有耐高溫、抗氧化的材料特性，而且陶瓷材料所含離子鍵或共價鍵結(jié)構(gòu)鍵能高，具有高熔點、高硬度、耐磨、耐腐蝕的穩(wěn)定化學(xué)性質(zhì)[9].根據(jù)幾代陶瓷材料的篩選，氧化鋯隔熱涂層是目前使用最多、應(yīng)用最廣的陶瓷隔熱涂層，具有導(dǎo)熱性低、熔點高、能夠抗燒結(jié)，加工制造工藝成熟的特點[10].氧化釔(Y2O3)作為穩(wěn)定劑加入氧化鋯陶瓷，可以提高熱障涂層的致密性及硬度，同時避免高溫下氧化鋯同素異構(gòu)的體積變化導(dǎo)致涂層脫落[11].本文樣片表面的隔熱涂層材料依據(jù)經(jīng)驗選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯陶瓷粉末(7YSZ).

為了確定發(fā)射率與隔熱涂層厚度的關(guān)系，需要準(zhǔn)備不同厚度的樣片.首先，將樣片的基底材料切割成直徑40 mm,厚度為5 mm的薄片，并使用粒度為60的氧化鋁顆粒對樣片基底進(jìn)行噴砂處理，作為氧化鋯涂層與基底的連接層.氧化鋯陶瓷粉末通過空氣等離子噴涂技術(shù)(Air plasma spraving，APS)，在標(biāo)準(zhǔn)噴涂條件下涂覆在樣片表面.等離子噴涂的工作氣體主要氣體為氬氣，次要氣體為氫氣，保持90mm噴涂距離，將氧化鋯陶瓷粉末涂覆在測試樣片表面.在上述噴涂條件下，將得到的樣片進(jìn)行壓汞法測試，得到樣片表面的孔隙率為15%.空氣等離子噴涂得到的樣片涂層厚度由間接測量方法確定，分別稱量噴砂處理后的樣片基底質(zhì)量以及APS噴涂后的樣片質(zhì)量，由涂層面積(12.57)和涂層密度(4.88 g/cm3)計算得到涂層厚度.涂層密度由7YSZ密度(6.10 g/cm3)和測得的孔隙率計算得到.最后制得的4種厚度的7YSZ樣片分別為0、35、70、150 μm.4種涂層在一次沉積過程中產(chǎn)生，避免多次生產(chǎn)過程造成孔隙率及表面裂紋的變化.將制得樣片在空氣中加熱至900 ℃以上，并保持10 h，以使樣片材料完全氧化，避免發(fā)射率測量實驗中，樣片在加熱氧化過程產(chǎn)生CO2、水蒸氣等氣體吸收測試波段輻射能，影響光譜儀接收樣片的輻射能.樣片最終的表面結(jié)構(gòu)如圖1所示，最上一層是與高溫流道直接接觸，溫度最高的7YSZ熱障涂層.熱障涂層下是經(jīng)過高溫長時間完全氧化過程形成的一層極薄的氧化層.氧化層下是熱障涂層與基底的緩沖層，氧化鋁與基底金屬材料相互交叉緊密連接的連接層.連接層下是樣片的基底結(jié)構(gòu)層.

圖1 樣片結(jié)構(gòu)

2 發(fā)射率測量原理

假設(shè)傅里葉紅外光譜儀的光譜響應(yīng)是線性的，光譜儀得到的光譜能量為[12-13]：

V(λ,T)=Rλ·L(λ,Ts)+Sλ

(1)

其中：L(λ,Ts)為溫度Ts下，目標(biāo)的光譜輻射亮度，Rλ、Sλ為光譜儀響應(yīng)函數(shù)和背景函數(shù).采用能量比較法測量材料表面的光譜發(fā)射率，必須保持光譜儀探頭與樣片之間的光路不變，對黑體和樣片分別進(jìn)行掃描，分別得到光譜能量Vs(λ,T)、Vb(λ,T).

根據(jù)普朗克公式，L(λ,Ts)可寫為：

Lb(λ,Ts)=εbLb(λ,Ts)+[1-εb]L(λ,Ta)

(2)

Ls(λ,Ts)=εsLs(λ,Ts)+[1-εs]L(λ,Ta)

(3)

其中:εb、εs是樣片和黑體在溫度Ts下的發(fā)射率，Ls(λ,Ts)、Lb(λ,Ts)是樣本和黑體的光譜輻射，L(λ,Ta)是來自周圍環(huán)境溫度的光譜輻射.

可以合理認(rèn)為黑體和樣片的環(huán)境溫度是相同的，將式(2)、(3)聯(lián)立，代入式(1)整理后得到：

(4)

在實驗環(huán)境溫度下，光譜儀的輸出僅為環(huán)境光譜響應(yīng)，從而可以得到實驗背景函數(shù)Sλ：

V(λ,Ta)=Sλ

(5)

3 實驗部分

實驗設(shè)備如圖2所示，主要包括樣片加熱爐、黑體爐、傅里葉紅外光譜儀(FTIR)、光譜輻射接收器、熱電偶傳感器.

圖2 實驗裝置

樣片加熱爐主要由氮化硅加熱器和陶瓷絕緣材料構(gòu)成.在樣片側(cè)面距離涂層2 mm位置，加工一個20 mm深度，平行于涂層表面的熱電偶孔，從而使用K型熱電偶監(jiān)控樣片中心溫度，以控制樣片加熱爐使樣片穩(wěn)定在實驗設(shè)計溫度.光譜輻射接收探頭通過支架固定在樣片正前方約60 mm位置處，此時探頭的接收光路聚焦在樣片表面中心，形成直徑約3 mm的點.熱電偶測溫點與輻射探頭接收點在樣片表面法向基本重合，從而使得探頭接收到實驗設(shè)計溫度下，樣片中心位置法向方向的光譜強(qiáng)度.

實驗時，首先將四種樣片加熱至500、550、600、650、700、750 ℃附近，待熱電偶顯示溫度穩(wěn)定約5 min后，記錄熱電偶顯示溫度以及光譜儀積分時間，并使用FTIR光譜儀記錄樣片在1.2～2.0 μm波長范圍內(nèi)的輻射強(qiáng)度.然后將黑體加熱樣片試驗溫度，按相同的積分時間對黑體輻射進(jìn)行測量記錄.最后在室溫(20 ℃)下記錄環(huán)境背景的光譜輸出響應(yīng).

4 結(jié)果分析

4.1 發(fā)射率測量結(jié)果

在Matlab軟件中，對光譜儀輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，求解樣片表面發(fā)射率，得到無涂層樣片的表面發(fā)射率結(jié)果如表2所示.

表2 無涂層樣片實驗結(jié)果

一定溫度下，無涂層樣片基底的發(fā)射率隨光譜波長的增大而增大，在1.3～1.9 μm范圍變化較快，在1.9～2.3 μm波長范圍發(fā)射率基本穩(wěn)定在0.85.樣片基底發(fā)射率在相同波段范圍的發(fā)射率有隨溫度增大而增加的趨勢，同樣在在1.3～1.9 μm范圍變化較大，1.9～2.3 μm范圍發(fā)射率基本不變.涂層厚度為150 μm的實驗可以最大限度表現(xiàn)涂層發(fā)射率隨溫度和光譜波長的變化規(guī)律，其試驗結(jié)果如表3所示.

表3 150 μm涂層樣片實驗結(jié)果

實驗結(jié)果表明涂層的發(fā)射率隨光譜長度的變化和樣片基底一致，成正比例關(guān)系.在500～650 ℃范圍內(nèi)，相同波長下的發(fā)射率基本不變，超過650 ℃后，樣片發(fā)射率驟降至0.3附近，說明樣片在高溫下的發(fā)射率較低，對輻射測溫精度影響極大.

綜合650 ℃下無涂層(0 μm)、35 μm、70 μm、150 μm，四種涂層狀態(tài)樣片的發(fā)射率測試結(jié)果，見表4.

表4 四種涂層樣片實驗結(jié)果

從實驗結(jié)果可知，氧化鋯陶瓷粉末的發(fā)射率遠(yuǎn)低于樣片基底的發(fā)射率.涂層越厚，樣片表面發(fā)射率越低，隨著波長的增加，發(fā)射率隨厚度的變化率逐漸降低.

4.2 數(shù)據(jù)擬合

輻射測溫方法的準(zhǔn)確度很大程度上取決于發(fā)射率模型的有效性，為解決輻射測溫對真溫估計的準(zhǔn)確性問題，國內(nèi)外學(xué)者針對發(fā)射率材料發(fā)射率不確定性開展了大量研究.目前主流方法是建立相應(yīng)材料的發(fā)射率假設(shè)模型，通過調(diào)整模型參數(shù)，得到發(fā)射率與溫度和波長的最佳函數(shù)關(guān)系.根據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀[14-15]，目前葉片表面發(fā)射率模型主要有以下三種：

ε(λ,T)=a0λ+a1

(6)

ε(λ,T)=a0λ2+a1λ+a2

(7)

ε(λ，T)=exp(a0λ+a1)

(8)

本文提取650 ℃下70 μm涂層樣片的實驗結(jié)果，針對上述三種發(fā)射率模型進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合.式(6)、(7)、(8)分別對應(yīng)模型1、2、3，通過Istopt軟件得到擬合結(jié)果和模型參數(shù)，擬合出三種模型下的ε(λ,T)函數(shù)曲線如圖3～5所示.

圖3 模型1擬合結(jié)果

圖4 模型2擬合結(jié)果

圖5 模型3擬合結(jié)果

對三種擬合結(jié)果的均方差、相關(guān)系數(shù)和決定系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，匯總出擬合效果見表5.

表5 擬合結(jié)果

通過相關(guān)系數(shù)和決定系數(shù)的比較，擬合結(jié)果顯示出一定溫度下，模型二的多項式函數(shù)對實驗數(shù)據(jù)的擬合度最好，均方差最小，最符合熱障涂層葉片表面的發(fā)射率與輻射波長的函數(shù)關(guān)系.因此，有涂層葉片的表面發(fā)射率模型可以假設(shè)為式(7)所示的多項式函數(shù)模型.擬合模型的參數(shù)見表6.

表6 模型參數(shù)

5 結(jié) 論

1)傅里葉紅外光譜儀可以有效獲取不同涂層狀態(tài)樣片表面輻射能量，與同溫度下黑體輻射能比較計算，可以有效的得到測試樣片在1.2～2.5 μm波長下的發(fā)射率.

2)一定溫度下，四種樣片發(fā)射率都隨輻射波長的增加而緩慢減小，并且隨著葉片涂層厚度的增加而逐漸減小.在同一輻射波長下，無涂層樣片基底的發(fā)射率隨溫度變化較小，有涂層樣片的發(fā)射率則隨溫度升高而顯著減小.

3)通過對涂層樣片發(fā)射率數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，得到了擬合效果好的二次多項式發(fā)射率模型及參數(shù)，后續(xù)可將次發(fā)射率模型應(yīng)用于多光譜輻射測溫，對數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，使測溫結(jié)果更加接近渦輪葉片表面的真實溫度.