■ 荊甫雷 張常賢 王希影 賈真 唐詩白 劉金龍 吳長(zhǎng)波 黃勁東 / 中國(guó)航發(fā)研究院潘兵 / 北京航空航天大學(xué) 符泰然 / 清華大學(xué)

渦輪葉片應(yīng)變、溫度非接觸測(cè)試技術(shù)克服了傳統(tǒng)測(cè)試的干擾流場(chǎng)、破壞被測(cè)件等缺點(diǎn)，可以為熱端部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度壽命評(píng)估提供更為可靠的技術(shù)支撐。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片服役時(shí)承受著復(fù)雜交變的多場(chǎng)耦合載荷和環(huán)境作用，在強(qiáng)時(shí)變、大梯度的溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合作用下極易產(chǎn)生疲勞裂紋、掉塊等故障（如圖 1所示），造成整機(jī)/部件性能惡化，危及發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性和可靠性。對(duì)渦輪葉片應(yīng)變場(chǎng)、溫度場(chǎng)及其變化歷程的精準(zhǔn)刻畫是認(rèn)識(shí)材料損傷演化過程和結(jié)構(gòu)壽命評(píng)估的基礎(chǔ)。渦輪轉(zhuǎn)子葉片除承受離心力、氣動(dòng)力、振動(dòng)等交變機(jī)械載荷外，還有外部高溫燃?xì)夂蛢?nèi)部高壓冷氣共同作用產(chǎn)生的熱應(yīng)力，熱應(yīng)力與機(jī)械應(yīng)力耦合造成葉片疲勞損傷累積乃至破壞（如圖 2所示）。目前傳統(tǒng)的單點(diǎn)、單參數(shù)或峰值測(cè)量無法描述服役過程中葉片應(yīng)變、溫度場(chǎng)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)分布及二者的耦合作用，而基于光學(xué)原理的非接觸測(cè)試技術(shù)則克服了接觸式測(cè)試干擾流場(chǎng)、破壞被測(cè)件等缺點(diǎn)，具有很高的研究?jī)r(jià)值。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)I類循環(huán)渦輪葉片上的熱-機(jī)械耦合載荷示意

應(yīng)變非接觸測(cè)量技術(shù)現(xiàn)狀

高溫環(huán)境下應(yīng)變非接觸測(cè)量技術(shù)概況

目前用于材料表面全場(chǎng)高溫變形的非接觸式光學(xué)測(cè)量方法主要有云紋干 涉（moire interferometry，MI）、 電子散斑干涉（electronic speckle pattern interferometry，ESPI）和數(shù)字圖像相關(guān)（digital image correlation，DIC） 等方法?；谙喔晒獠ǜ缮嬖淼脑萍y和電子散斑干涉法的位移測(cè)量靈敏度非常高（可達(dá)波長(zhǎng)量級(jí)），具有測(cè)量結(jié)果直觀可視的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是需激光作為照明光源，測(cè)量光路較復(fù)雜，對(duì)被測(cè)試樣表面和測(cè)量環(huán)境要求苛刻，只能在實(shí)驗(yàn)室暗室中的光學(xué)隔振平臺(tái)上進(jìn)行，很難在真實(shí)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量高溫變形。數(shù)字圖像相關(guān)方法更適合全場(chǎng)高溫變形測(cè)量，優(yōu)勢(shì)包括：僅需一個(gè)或兩個(gè)數(shù)字相機(jī)，光路、試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)過程簡(jiǎn)單；采用白光或單色光照明，對(duì)測(cè)量環(huán)境和隔振要求較低，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量；時(shí)間和空間分辨率可根據(jù)測(cè)試對(duì)象需求靈活調(diào)整。

圖3 “圖像退相關(guān)”現(xiàn)象

圖4 高溫下散斑被氧化，與基底熱膨脹欠匹配產(chǎn)生裂紋不穩(wěn)定現(xiàn)象

數(shù)字圖像相關(guān)方法原理

數(shù)字圖像相關(guān)方法是基于數(shù)字圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺的非接觸式、全場(chǎng)形貌變形光學(xué)測(cè)量方法，測(cè)量過程中首先獲取不同載荷下被測(cè)物體表面的數(shù)字圖像，然后基于區(qū)域灰度互相關(guān)計(jì)算的匹配算法進(jìn)行圖像分析，定量提取材料、部件、結(jié)構(gòu)或生物組織在載荷作用下的全場(chǎng)位移和應(yīng)變信息。DIC技術(shù)測(cè)量試驗(yàn)件表面變形主要包括三個(gè)步驟：散斑制備，被測(cè)試件表面必須有隨機(jī)變化的灰度分布作為變形信息的載體；數(shù)字圖像采集，通過一個(gè)相機(jī)（2D-DIC）或兩個(gè)同步相機(jī)（3D-DIC），采集不同狀態(tài)下被測(cè)試件表面的數(shù)字圖像；位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)的計(jì)算。

2D-DIC方法在高溫變形測(cè)量應(yīng)用中的發(fā)展

1996年，美國(guó)南卡羅來納大學(xué)的薩頓（Sutton）用DIC技術(shù)獲得了鉻鎳鐵超合金材料650°C下的熱膨脹系數(shù)和彈性模量，發(fā)現(xiàn)DIC方法測(cè)量材料高溫變形面臨兩個(gè)挑戰(zhàn)：熱物體表面的熱輻射將會(huì)導(dǎo)致相機(jī)采集的被測(cè)試樣表面數(shù)字圖像的亮度加強(qiáng)、對(duì)比度明顯降低（如圖 3所示），產(chǎn)生所謂的“退相關(guān)”效應(yīng)；高溫加熱導(dǎo)致成像光路中的空氣溫度升高，引起空氣折射率變化和對(duì)流，即所謂的“熱霧”（heat haze），這種熱氣流擾動(dòng)會(huì)帶來幾百個(gè)甚至幾千個(gè)微應(yīng)變的測(cè)量誤差。

針對(duì)以上挑戰(zhàn)，薩頓采用強(qiáng)光光源或帶通濾波片阻隔紅外波段的熱輻射，在高溫環(huán)境箱內(nèi)安裝風(fēng)扇以使?fàn)t內(nèi)溫度保持均勻，減少“熱霧”影響。之后發(fā)現(xiàn)觀察窗口用光學(xué)玻璃的質(zhì)量對(duì)圖像也有影響，建議用光學(xué)級(jí)石英玻璃。此外，散斑漆顆粒隨著被測(cè)試樣表面溫度的升高發(fā)生氧化或燒蝕（如圖 4所示），也會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)失效。

2009年，格蘭特（Grant）等研究人員采用藍(lán)光光源和窄帶通濾波片來克服高溫?zé)彷椛?，?00°C的環(huán)境下測(cè)量了高溫合金RR1000的楊氏模量和熱膨脹系數(shù)。超過800°C時(shí)，樣品表面被快速氧化導(dǎo)致散斑變化，測(cè)量失敗，建議用真空環(huán)境可保持不被氧化表面散斑圖案，以減少“熱霧”帶來的誤差。近年來，北京航空航天大學(xué)的潘兵、美國(guó)的佐克（Zok）、法國(guó)的勒普萊（Leplay）等用藍(lán)光光源和窄帶通濾波片，即藍(lán)光DIC與高溫爐、輻射、激光和感應(yīng)加熱等設(shè)備相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了最高達(dá)1550°C的高溫變形測(cè)量。為克服熱輻射影響，有研究者搭建了基于紫外成像的高溫變形系統(tǒng)，測(cè)量了1400°C下氧化鋁陶瓷的二維全場(chǎng)變形。帕德博恩大學(xué)的托馬斯（Thomas）等人用2D-DIC技術(shù)對(duì)第三代鋁鈦合金700℃有氧環(huán)境下疲勞誘導(dǎo)的損傷積累進(jìn)行了演化監(jiān)測(cè)，成功地探測(cè)到裂紋萌生點(diǎn)。

3D-DIC方法在高溫變形測(cè)量應(yīng)用中的發(fā)展

2012年，有研究者發(fā)展了基于單色光照明和光學(xué)帶通濾波器成像的新型主動(dòng)成像3D-DIC系統(tǒng)，克服了高溫?zé)彷椛湟鸬摹皥D像退相關(guān)”效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了鉻鎳奧氏體不銹鋼板材1200℃下的全場(chǎng)熱變形測(cè)量。但基于同步雙相機(jī)的測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大，以及客觀存在的幾何差異、光強(qiáng)差異，因此雙相機(jī)同步觸發(fā)裝置和技術(shù)十分復(fù)雜，而發(fā)展一種基于單高速相機(jī)的3D-DIC方法成為較為可行的解決途徑。

近年來單相機(jī)測(cè)量系統(tǒng)研究工作已見文獻(xiàn)，例如，基于條紋投影和2D-DIC的三維位移測(cè)量方法；利用投影儀將不同顏色的散斑和條紋同時(shí)投影到物體表面，然后從采集到的彩色圖像中分離出散斑圖和條紋圖，最后用2D-DIC和條紋分析方法分別處理散斑圖像和條紋圖像以獲得物體表面的面內(nèi)位移和離面位移；基于2D-DIC和投影散斑的三維變形測(cè)量方法，通過投影和噴涂技術(shù)分別在試樣表面上投影和制作兩種不同顏色的散斑，然后通過分離彩色圖像獲得不同通道子圖像用于面內(nèi)和離面位移的計(jì)算。

以上幾種方法適用范圍較小、數(shù)據(jù)處理較為復(fù)雜，在實(shí)際測(cè)量中并不普遍。目前常見的單相機(jī)三維變形測(cè)量技術(shù)主要包括基于光柵衍射、棱鏡折射以及平面鏡反射的單相機(jī)三維數(shù)字圖像相關(guān)方法，構(gòu)建虛擬雙目立體視覺系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)三維變形測(cè)量。即在傳統(tǒng)2D-DIC系統(tǒng)中的相機(jī)和被測(cè)物體之間放置一個(gè)光學(xué)元件（如衍射光柵、雙棱鏡和平面鏡組，這三種方法優(yōu)缺點(diǎn)見表1），原有的成像光路被分成兩條光路。物體表面發(fā)出的光線通過這兩條不同光路到達(dá)相機(jī)靶面，形成兩個(gè)互不重疊的子圖像。通過分析這兩個(gè)子圖像獲得物體表面的三維形貌、位移和應(yīng)變信息。

表1 基于平面鏡反射、雙棱鏡折射和光柵衍射的立體視覺技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)

溫度非接觸測(cè)量技術(shù)現(xiàn)狀

非接觸輻射測(cè)溫技術(shù)主要分為被動(dòng)式和主動(dòng)式兩大類：基于目標(biāo)自發(fā)熱輻射強(qiáng)度的被動(dòng)式輻射測(cè)溫技術(shù)；通過外部光源作用下的目標(biāo)激發(fā)光譜主動(dòng)式輻射測(cè)溫技術(shù)。

輻射測(cè)溫技術(shù)的方法原理

被動(dòng)式輻射測(cè)溫技術(shù)發(fā)展初期為單光譜（單色測(cè)溫法）技術(shù)，通過單個(gè)光譜（波段或波長(zhǎng)）的熱輻射強(qiáng)度測(cè)量，獲得目標(biāo)溫度。雙光譜（雙色/比色測(cè)溫法）輻射測(cè)溫技術(shù)主要針對(duì)目標(biāo)表面發(fā)射率變化或未知，或測(cè)量光路中存在灰塵、部分遮擋等測(cè)量環(huán)境，具有很強(qiáng)的目標(biāo)與環(huán)境適應(yīng)性。比色測(cè)溫采用信號(hào)比值的處理方式，測(cè)量靈敏度要小于單色測(cè)溫的靈敏度，此外，隨著測(cè)量光譜擴(kuò)展至長(zhǎng)波紅外時(shí)，比色測(cè)溫的靈敏度也會(huì)顯著降低，因此比色測(cè)溫技術(shù)多采用0.7～2.5μm近紅外光譜，適用于300℃以上的中高溫測(cè)量。多光譜輻射測(cè)溫技術(shù)通過多個(gè)光譜下的輻射強(qiáng)度測(cè)量，結(jié)合特定的光譜發(fā)射率函數(shù)，構(gòu)建多波長(zhǎng)輻射測(cè)量方程，實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。多波長(zhǎng)的優(yōu)化選擇可避免輻射測(cè)量中的干擾譜線，具有更好的適應(yīng)性。

主動(dòng)式輻射測(cè)溫技術(shù)以熒光測(cè)溫技術(shù)為主，優(yōu)點(diǎn)在于熒光信號(hào)與溫度強(qiáng)相關(guān)，不依賴于目標(biāo)表面的發(fā)射率以及絕對(duì)輻射強(qiáng)度，不受相關(guān)環(huán)境因素干擾，一定程度上避免了熱輻射光學(xué)測(cè)溫的局限性問題，測(cè)溫范圍寬、重復(fù)性好、精度極高，不干擾被測(cè)表面溫度場(chǎng)，具有靈敏的發(fā)射光譜、空間分辨率和高效發(fā)光特性，已成為新型傳感器技術(shù)的重要手段。

輻射測(cè)溫技術(shù)在應(yīng)用中的發(fā)展

對(duì)于主動(dòng)式輻射測(cè)溫技術(shù)，河北工程大學(xué)、中北大學(xué)、上海交通大學(xué)等國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)在中低溫量程的熒光測(cè)溫技術(shù)方面開展了相關(guān)研究工作，尚未實(shí)現(xiàn)渦輪葉片上的工程應(yīng)用。羅羅公司研制了采用266nm 高功率脈沖激光器測(cè)量渦輪葉片表面溫度的熒光測(cè)溫系統(tǒng)。普惠公司在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)熒光測(cè)溫技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合研制了基于光纖傳輸?shù)臒晒鉁y(cè)溫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了燃燒環(huán)境下1200℃靜子葉片溫度測(cè)量。艾利遜公司研制了基于266nm 激光激勵(lì)下的Y2O3:Eu 熒光衰減壽命的渦輪葉片光纖傳感測(cè)溫系統(tǒng)，溫度測(cè)量范圍200 ～1000℃。美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）格倫研究中心開展了GAP:Cr、GdAlO3:Cr、YAG:Tm 等多種類熒光的衰減壽命測(cè)溫試驗(yàn)研究，基于355nm 激光激發(fā)YAG:Tm熒光所產(chǎn)生的365nm 和456nm 熒光發(fā)射光譜測(cè)溫上限達(dá)到1400℃。英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)開展了高溫?zé)晒獠牧象w系應(yīng)用于渦輪葉片高溫測(cè)量性能研究。

被動(dòng)式輻射測(cè)溫技術(shù)可分為逐點(diǎn)和全場(chǎng)溫度測(cè)量。逐點(diǎn)溫度測(cè)量采用單像元的光電或熱電傳感器，適用于動(dòng)態(tài)溫度的在線監(jiān)測(cè)，在高速/超高速輻射測(cè)溫中有很好的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。比色與多光譜測(cè)溫一般為點(diǎn)目標(biāo)輻射測(cè)量，適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、高速飛行器等的高溫部件測(cè)溫。全場(chǎng)溫度測(cè)量一般采用紅外熱像儀，是一種面成像輻射測(cè)溫儀，主要分為制冷/非制冷、中波/長(zhǎng)波、高/低分辨率、顯微/常規(guī)成像等各種規(guī)格。對(duì)于曲面目標(biāo)或者三維目標(biāo)溫度場(chǎng)測(cè)量，面成像測(cè)溫儀需考慮方向發(fā)射率的輻射校準(zhǔn)以及空間投影的幾何校準(zhǔn)。

總之，具有多光譜與場(chǎng)測(cè)量功能的輻射測(cè)溫儀是輻射測(cè)溫技術(shù)的發(fā)展方向，兼顧了光譜與空間測(cè)量需求，具有比色/多光譜測(cè)溫儀、面成像測(cè)溫儀的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)未知發(fā)射率目標(biāo)的溫度場(chǎng)測(cè)量。

應(yīng)變/溫度同步測(cè)試工程實(shí)現(xiàn)的技術(shù)挑戰(zhàn)

實(shí)現(xiàn)應(yīng)變場(chǎng)和溫度場(chǎng)的同步測(cè)試包括獲取渦輪葉片應(yīng)變、溫度分布及變化歷程和反映渦輪葉片熱應(yīng)力與機(jī)械應(yīng)力的耦合作用等目標(biāo)，達(dá)成上述目標(biāo)面臨以下幾個(gè)方面的技術(shù)挑戰(zhàn)。

同步技術(shù)

同步測(cè)試技術(shù)是獲得渦輪葉片表面溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及其變化歷程的關(guān)鍵，也是開展進(jìn)一步仿真驗(yàn)證和壽命評(píng)估的基礎(chǔ)。

一是散斑漆對(duì)溫度場(chǎng)測(cè)量的影響分析和修正技術(shù)。應(yīng)變場(chǎng)測(cè)量時(shí)在被測(cè)目標(biāo)上噴涂的散斑漆改變了目標(biāo)本身的表面狀態(tài)，影響了發(fā)射率和輻射測(cè)溫結(jié)果。不同類型、不同顏色散斑漆的發(fā)射率不同，不同的溫度、工作環(huán)境和燒蝕狀態(tài)下也有一定差異，必須分析散斑漆對(duì)溫度場(chǎng)測(cè)量的影響，建立修正方法對(duì)測(cè)量結(jié)果修正。

二是發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的機(jī)械應(yīng)變解耦技術(shù)。葉片工作時(shí)承受著熱、離心和氣動(dòng)載荷的耦合作用。首先通過計(jì)算將熱應(yīng)變從總應(yīng)變場(chǎng)中分離，然后針對(duì)葉片由離心力及氣動(dòng)力產(chǎn)生的應(yīng)變?cè)囼?yàn)測(cè)量的解耦問題開展葉片機(jī)械應(yīng)變?cè)囼?yàn)測(cè)量解耦研究，通過不確定度理論去除應(yīng)變測(cè)量結(jié)果中由測(cè)量誤差引入的抖動(dòng)，基于修正后的應(yīng)變測(cè)量結(jié)果提出離心和氣動(dòng)應(yīng)變的解耦模型。

環(huán)境適應(yīng)性

高溫環(huán)境會(huì)造成散斑熱氧化，致使散斑漆的原始灰度或形貌發(fā)生變化，制備抗高溫氧化且有較強(qiáng)穩(wěn)定性的高溫散斑漆是一個(gè)挑戰(zhàn)。為保證高質(zhì)量試驗(yàn)圖像獲取，實(shí)驗(yàn)過程中散斑顆粒應(yīng)穩(wěn)定附著在渦輪葉片表面，不能發(fā)生滑動(dòng)或脫落，獲取高強(qiáng)度黏結(jié)力的高溫散斑材料是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理

應(yīng)力和溫度高速相機(jī)用于測(cè)試數(shù)據(jù)的全采樣工況，采樣頻率高達(dá)20000幀/s，數(shù)據(jù)量可達(dá)80GB/s，連續(xù)采樣時(shí)間5min，總數(shù)據(jù)量可達(dá)24TB，數(shù)據(jù)規(guī)模對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和后繼計(jì)算壓力過大；而應(yīng)變計(jì)算模塊單機(jī)處理能力只有10000幀/h，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算的時(shí)長(zhǎng)難于滿足試驗(yàn)分析要求。因此，降低存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量和提升應(yīng)力采樣的解算速率是非接觸測(cè)量過程的一個(gè)難點(diǎn)問題。

結(jié)束語

綜上所述，為實(shí)現(xiàn)在渦輪葉片上的工程應(yīng)用，應(yīng)針對(duì)非接觸應(yīng)變/溫度場(chǎng)同步測(cè)試技術(shù)開展特征模擬件實(shí)驗(yàn)室工況和真實(shí)構(gòu)件典型工況的逐級(jí)、多層次、充分、有效的驗(yàn)證。根據(jù)渦輪葉片的氣動(dòng)外形，設(shè)計(jì)專用試驗(yàn)裝置和專用測(cè)試窗口，結(jié)合接觸式測(cè)試和仿真結(jié)果對(duì)比分析，驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)強(qiáng)時(shí)變、大梯度應(yīng)力/溫度場(chǎng)的測(cè)試精度，以及高溫高速燃?xì)飧蓴_、強(qiáng)背景輻射和目標(biāo)葉片高速旋轉(zhuǎn)、振動(dòng)等發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件的適應(yīng)性和有效性，對(duì)熱端部件多場(chǎng)耦合仿真分析方法進(jìn)行多層次驗(yàn)證/修正，為熱端部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度壽命評(píng)估提供支撐。