導(dǎo)語(yǔ)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片測(cè)溫技術(shù)能夠揭示渦輪葉片的溫度分布情況关翎，對(duì)其開(kāi)展性能評(píng)估、失效分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義鸠信。渦輪進(jìn)口溫度的不斷提升對(duì)應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的測(cè)溫技術(shù)提出了更高的要求∽萸蓿現(xiàn)有的航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片接觸式測(cè)溫技術(shù)可采集葉片表面溫度和近表面氣流溫度，本文主要介紹了三種應(yīng)用于渦輪葉片的接觸式測(cè)溫技術(shù)星立，包括薄膜熱電偶爽茴、測(cè)溫晶體和示溫漆，簡(jiǎn)要說(shuō)明了三種測(cè)溫技術(shù)的工作原理绰垂，歸納了國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀室奏，總結(jié)了各自的優(yōu)勢(shì)與不足火焰，并對(duì)其發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為航空飛行器的“心臟”胧沫，集中體現(xiàn)了國(guó)家科技水平塘憨、工業(yè)設(shè)計(jì)制造水平和國(guó)防實(shí)力［1］。高馬赫數(shù)智础、高推重比和高渦輪進(jìn)口溫度現(xiàn)已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)重點(diǎn)發(fā)展方向［2-3］士到。推重比為10的第四代發(fā)動(dòng)機(jī)一級(jí)渦輪進(jìn)口溫度已達(dá)1 973 K［2，4］助安，未來(lái)推重比為15 的第五代發(fā)動(dòng)機(jī)一級(jí)渦輪進(jìn)口溫度預(yù)計(jì)可達(dá)到2 000～2 250 K［2］辰诱。渦輪葉片作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)重要的熱端動(dòng)力輸出部件，在高溫莽裤、高壓的環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間工作易出現(xiàn)損傷失效拱缆，威脅到發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行［1，4］店烛。因此影凿，測(cè)量工作狀態(tài)下渦輪葉片表面或近表面溫度，探究渦輪葉片的溫度分布情況和耐高溫性能茎贩，可以為渦輪葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和服役工況提供重要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和評(píng)價(jià)依據(jù)第勉，保證發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性的同時(shí)降低了研發(fā)測(cè)試成本偶画。

按照傳感器與待測(cè)對(duì)象是否接觸將航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片測(cè)溫技術(shù)分為接觸式和非接觸式兩大類咱取。接觸式測(cè)溫技術(shù)主要通過(guò)溫度傳感器與被測(cè)對(duì)象直接接觸至熱平衡，已知測(cè)量信號(hào)值與溫度之間的映射關(guān)系反推得到測(cè)溫結(jié)果顺呕，簡(jiǎn)單可靠且測(cè)量精度較高必搞，但兩種介質(zhì)接觸可能會(huì)影響待測(cè)對(duì)象表面溫度場(chǎng)分布［5］必指。非接觸式測(cè)溫技術(shù)無(wú)需與待測(cè)對(duì)象接觸，可應(yīng)用于遠(yuǎn)距恕洲、帶電塔橡、含腐蝕性成分的環(huán)境，但測(cè)量結(jié)果易受環(huán)境因素干擾霜第，測(cè)溫精度波動(dòng)較大［6］葛家。在實(shí)際航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，接觸式測(cè)溫技術(shù)應(yīng)用廣泛泌类。

本文主要針對(duì)三種航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片接觸式測(cè)溫技術(shù)進(jìn)行介紹癞谒，包括薄膜熱電偶、測(cè)溫晶體和示溫漆三種刃榨。對(duì)三種測(cè)溫技術(shù)的工作原理進(jìn)行了概述弹砚，歸納了其國(guó)內(nèi)外發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀，總結(jié)了各自的優(yōu)勢(shì)與不足，并基于現(xiàn)有研究水平展望了未來(lái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)溫技術(shù)的發(fā)展方向虫棚。

1 薄膜熱電偶

1.1 測(cè)溫原理

薄膜熱電偶是基于塞貝克效應(yīng)的一種無(wú)源傳感器辽画，如圖1 所示。兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體作為電極連接組成閉合回路黔琢，一端稱為熱端也即測(cè)量端顺诽，另一端稱為冷端也即參考端。使用時(shí)將兩導(dǎo)體的一端進(jìn)行焊接作為熱端固定至待測(cè)點(diǎn)位坯公，冷端分別接入測(cè)量?jī)x表中韵披。當(dāng)冷端和熱端存在溫度差時(shí)，電極之間產(chǎn)生熱電勢(shì)酷匹。由于熱電勢(shì)的大小只與電極材料和冷熱端溫度差有關(guān)镇锣，因此可以根據(jù)熱電勢(shì)與溫度之間的映射關(guān)系得到測(cè)溫結(jié)果。薄膜熱電偶相較傳統(tǒng)熱電偶最大區(qū)別在于電極呈薄膜狀硼琢，可以減少對(duì)接觸面溫度場(chǎng)分布的干擾一宁，在保證測(cè)溫精度的同時(shí)也提高了響應(yīng)速度。

圖1 渦輪葉片薄膜熱電偶安裝示意圖［7］

Fig.1 Schematic diagram of thin film thermocouple installed on turbine blade［7］

1.2 研究現(xiàn)狀

航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片表面為復(fù)雜曲面瞄邪，通常采用高溫膠或焊接方式進(jìn)行熱電偶的安裝固定距痪，但引入高溫膠的同時(shí)也增加了熱阻，影響測(cè)溫精度简软。采用焊接方式固定熱電偶僅適用于部分金屬材料蛮拔，應(yīng)用范圍受限。除此之外還有埋偶法痹升，應(yīng)用此方法需要在待測(cè)試件上開(kāi)設(shè)預(yù)埋槽建炫，破壞了機(jī)件結(jié)構(gòu)完整性。薄膜熱電偶可以原位集成于渦輪葉片表面疼蛾，對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞性相對(duì)較小肛跌，同時(shí)也降低了熱電偶安裝固定對(duì)試件溫度分布的影響，有效提升了測(cè)溫結(jié)果的可靠性察郁，且能夠應(yīng)用于帶有陶瓷涂層的葉片表面衍慎。得益于鍍膜技術(shù)的發(fā)展，薄膜熱電偶成功應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片表面進(jìn)行溫度測(cè)量皮钠。

20 世 紀(jì)50 年 代 初 期稳捆，D.Bendersky［8］使 用 鋼管、表面絕緣處理過(guò)的鎳絲經(jīng)蒸鍍后制成厚度為1 μm 的薄膜電極鳞芙。真空蒸發(fā)鍍膜是指在真空狀態(tài)下對(duì)鍍膜材料進(jìn)行加熱蒸發(fā)眷柔，使之以分子或原子形態(tài)進(jìn)入空間后經(jīng)沉積形成薄膜，操作簡(jiǎn)便但生成的薄膜附著力較小防弧，力學(xué)強(qiáng)度不足。使用濺射工藝制備薄膜，顯著提高了薄膜沉積速度历恨、沉積效率和質(zhì)量氯也。美國(guó)GE 公司使用濺射鍍膜方法制備了Au-Pd 薄膜熱電偶［9］，有效地將響應(yīng)時(shí)間縮短為140 μs啃栋。鑒于薄膜熱電偶測(cè)溫性能良好饮估、響應(yīng)速度快，R.Dila 等［10］提出在發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件上使用濺射工藝制備薄膜熱電偶殴据。為驗(yàn)證薄膜熱電偶高溫下的工作性能墙目，H.P.Grant 等［11］在渦輪葉片上集成了2 μm 的Pt/Pt10Rh 薄膜熱電偶，完成了1 250 K又信、1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下長(zhǎng)達(dá)60 h 的71 次熱循環(huán)試驗(yàn)胰绢，薄膜電極從試件表面脫落失效累計(jì)平均時(shí)間為47 h。英國(guó)羅羅公司研制了測(cè)量不確定度為±2%的Pt-Rh/Pt 薄膜熱電偶［12］抛冗，并進(jìn)行了高達(dá)1 200 ℃的導(dǎo)向葉片溫度分布測(cè)試切省。20 世紀(jì)末，美國(guó)NASA 的路易斯研究中心采用平行間隙焊接和濺射工藝制備出可以應(yīng)用于高溫合金帕胆、陶瓷和陶瓷復(fù)合材料以及金屬間化合物的Pt/Pt13Rh 薄膜熱電偶朝捆，如圖2（a）所示，在930 ℃懒豹、16 MPa 試驗(yàn)環(huán)境下對(duì)渦輪葉片進(jìn)行了熱震試驗(yàn)芙盘。經(jīng)試驗(yàn)證明，該型薄膜熱電偶可以在低于1 000 ℃的環(huán)境下監(jiān)測(cè)渦輪葉片溫度［13-14］脸秽。此外何陆，還將其應(yīng)用于陶瓷材料，完成了1 000～1 500 ℃豹储、150 h 穩(wěn)態(tài)高溫試驗(yàn)贷盲，進(jìn)一步驗(yàn)證了該薄膜熱電偶的工作穩(wěn)定性［15］。

國(guó)內(nèi)薄膜熱電偶的研制起步較晚剥扣。1992 年巩剖，沈陽(yáng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究所采用真空濺射鍍膜的方式［7］，在渦輪葉片表面集成了可以在最高溫度1 000 ℃下正常工作3 h钠怯、經(jīng)歷5 次以上冷熱循環(huán)的PtRh10/Pt 熱電偶佳魔，測(cè)溫誤差在±3%以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片表面薄膜熱電偶的原位集成福信；王亦然［16］使用磁控濺射方法在預(yù)處理后的渦輪葉片表面制備PtRh/Pt S 型熱電偶惧仪，經(jīng)靜態(tài)標(biāo)定試驗(yàn)得到該型熱電偶可以在300～1 000 ℃的溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)渦輪葉片表面溫度的測(cè)量。由于磁控濺射技術(shù)僅適用于導(dǎo)體材料蹲楷，為了實(shí)現(xiàn)在陶瓷基材料上制備薄膜蠕艳，劉海軍等［17］使用射頻磁控濺射和掩模圖形化技術(shù)在陶瓷基片上沉積Pt/ITO 薄膜熱電偶，經(jīng)退火5 h 后最大測(cè)量誤差僅為16.03 ℃，可以在400～1 100 ℃熱循環(huán)試驗(yàn)中穩(wěn)定工作約20 h磺则。射頻濺射技術(shù)可以在靶材上產(chǎn)生自偏壓效應(yīng)玩困，擊穿電壓和放電電壓顯著降低，實(shí)現(xiàn)了在非導(dǎo)體材料上進(jìn)行薄膜沉積牧俩。為了提升薄膜致密程度脉鼻，楊柯［18］使用射頻濺射在陶瓷基底上制備In2O3/ITO 薄膜熱電偶后也進(jìn)行了退火處理。

隨著微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electric-Mechanical System妨迈，簡(jiǎn)稱MEMS）的發(fā)展度姑，實(shí)現(xiàn)了在渦輪葉片表面利用光刻技術(shù)進(jìn)行微米至毫米尺寸微圖案的印制，使得監(jiān)控渦輪葉片榫槽邊緣及葉片尖端的溫 度 成 為 可 能呈枉。段 力 等［19］趁尼、Duan F L 等［20］使 用MEMS 技術(shù)在渦輪導(dǎo)向葉片表面制作微米量級(jí)的薄膜熱電偶，如圖2（b）所示碴卧，有效提高了定位精度弱卡，攻克了渦輪葉片大曲率位置微小區(qū)域薄膜熱電偶原位集成及溫度測(cè)量的問(wèn)題，通過(guò)高溫振動(dòng)沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證了該薄膜熱電偶具有穩(wěn)定的機(jī)械性能住册；Xie Z 等［21］提出了一種更為簡(jiǎn)便的薄膜制備方法婶博，如圖2（c）所示；Weng H 等［22］使用MEMS 技術(shù)在涂敷有熱障涂層的渦輪葉片表面安裝了薄膜熱電偶荧飞，并通過(guò)振動(dòng)沖擊凡人、熱震等試驗(yàn)證明了改進(jìn)后的熱障涂層以及薄膜熱電偶均具有穩(wěn)定的工作性能；張久斌［23］結(jié)合MEMS 工藝使用干法刻蝕和濕法腐蝕制備Pt/Pd 薄膜熱電偶和Pt/PtRh13 薄膜熱電偶叹阔，經(jīng)測(cè)試Pt/PtRh13 薄膜熱電偶可以在1 300 ℃下穩(wěn)定工作14 h挠轴；Ji Z 等［24］使用MEMS 和磁控濺射技術(shù)，在渦輪葉片表面原位集成了1 μm PtRh/Pt 薄膜熱電偶陣列耳幢，如圖3 所示岸晦，該陣列響應(yīng)時(shí)間為10 μs，通過(guò)多次高溫試驗(yàn)驗(yàn)證該陣列具有穩(wěn)定的測(cè)溫性能痪僵，并使用MEMS 技術(shù)在陶瓷基底上制備了可以測(cè)量1 500 ℃的薄膜熱電偶螃浑，測(cè)量誤差小于±0.2%，響應(yīng)時(shí)間為10 μs［25］暮诫，為下一代智能發(fā)動(dòng)機(jī)的高精度溫度測(cè)量提供了技術(shù)支持诵城。

圖2 不同制造工藝制備的薄膜熱電偶

Fig.2 Installing thin film thermocouples on the turbine blades by different methods

圖3 渦輪葉片表面薄膜熱電偶陣列［24］

Fig.3 Thin film thermocouple array on the surface of turbine blade［24］

除了使用廣泛的濺射技術(shù)以外，也有部分研究者采用了更為簡(jiǎn)化的鍍膜工藝進(jìn)行薄膜熱電偶的制備参唆。Xie Z 等［21慷组，26］針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜部件提出了一種手工繪制Pt/PtRh 薄膜熱電偶的方式，簡(jiǎn)化鍍膜工序躯殷，如圖2（c）所示溢棱，該熱電偶可以在1 000 ℃的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作繁莲，測(cè)溫誤差在±1%以內(nèi)。

為了進(jìn)一步提升薄膜熱電偶在高溫下工作的穩(wěn)定性刊搁，徐毅等［27］為渦輪葉片原位集成的薄膜熱電偶增設(shè)保護(hù)層石葫；陳寅之［28］在鎳基高溫合金上沉積 了10 μm NiCrAlY 薄 膜 和50 nm 鋁 薄 膜桃姐，并 對(duì)NiCrAlY 薄膜進(jìn)行析鋁處理钻局，有效提升了薄膜熱電偶絕緣層的附著性能。為了緩解電極材料在高溫下易氧化口柳、熱電性能衰減的問(wèn)題苹粟，可以使用銦錫氧化物（ITO）代替PtRh 薄膜制備ITO/Pt 薄膜熱電偶，添加氮化硅/ITO/氮化硅“三明治”結(jié)構(gòu)阻止氧元素?cái)U(kuò)散［9］跃闹。為了測(cè)量航空發(fā)動(dòng)機(jī)中由陶瓷基復(fù)合材料（Ceramic Matrix Composite嵌削，簡(jiǎn)稱CMC）制造的熱端部件表面溫度，K.Rivera 等［29］設(shè)計(jì)了一種ITO：SiC CMC 薄膜熱電偶望艺，并添加銦錫氧氮化物（ITNO）保護(hù)涂層苛秕，有效提升了其工作穩(wěn)定性≌夷考慮到引線暴露在高溫下可能導(dǎo)致信號(hào)傳輸不穩(wěn)定艇劫，在燃?xì)鉀_擊情況下易發(fā)生熔斷損壞，鄧進(jìn)軍等［30-31］在渦輪葉片上使用通孔引線技術(shù)惩激，結(jié)構(gòu)如圖4 所示店煞，為了保證引線和渦輪葉片鎳基合金基底相互絕緣，使用耐高溫的粘結(jié)材料將陶瓷管固定于孔內(nèi)风钻，抗震顷蟀、防腐性能極大提升。

圖4 渦輪葉片通孔結(jié)構(gòu)圖［30-31］

Fig.4 Structural diagram of the turbine blade through-hole［30-31］

從薄膜熱電偶發(fā)展歷程來(lái)看缎选，制備方法從原有的真空蒸發(fā)鍍膜發(fā)展至磁控濺射展管、射頻磁控濺射以及結(jié)合MEMS 微制造技術(shù)，逐步提升了薄膜熱電偶的質(zhì)量和性能否胜，同時(shí)也擴(kuò)大了薄膜熱電偶的應(yīng)用范圍瓣老。薄膜熱電偶電極材料抗氧化性能的提升、引線的安裝和保護(hù)以及薄膜層級(jí)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等叨林，也進(jìn)一步保證了薄膜熱電偶的高測(cè)量精度和工作穩(wěn)定性狞衷，促使其成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的重要方式之一。但是料鲫，薄膜熱電偶仍存在薄膜電極制備工藝復(fù)雜和造價(jià)高的問(wèn)題久耍，如何簡(jiǎn)化薄膜熱電偶制備方法也是后續(xù)研究重點(diǎn)之一。

2 測(cè)溫晶體

2.1 測(cè)溫原理

測(cè)溫晶體可以獲取一定試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)測(cè)量點(diǎn)位所經(jīng)歷的最高溫度肝慕。其工作原理是基于晶體材料的“溫度記憶效應(yīng)”［32-35］椭皿，即經(jīng)過(guò)高能粒子輻照后晶體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生輻照缺陷掐悄，缺陷程度由晶體的物性參數(shù)表示，例如電阻率刻渔、熱導(dǎo)率等帅刀。在經(jīng)歷高溫退火后缺陷逐漸恢復(fù)，根據(jù)退火溫度與晶體物性參數(shù)之間相互對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定關(guān)系便可獲取測(cè)量結(jié)果［36-38］远剩。為了方便使用扣溺，一般選擇易于測(cè)量的晶體參數(shù)進(jìn)行傳感器標(biāo)定。對(duì)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)后的測(cè)溫晶體進(jìn)行測(cè)試獲得晶體參數(shù)瓜晤，對(duì)照標(biāo)定曲線反推最高溫度值锥余。在應(yīng)用過(guò)程中，需要保證標(biāo)定用測(cè)溫晶體和試驗(yàn)用測(cè)溫晶體的一致性痢掠，這也是制備測(cè)溫晶體應(yīng)該關(guān)注的重要問(wèn)題之一驱犹。

2.2 研究現(xiàn)狀

晶體溫度傳感器尺寸小且無(wú)需引線易于安裝，對(duì)待測(cè)對(duì)象表面或近表面溫度場(chǎng)分布的影響小足画，多用于精確測(cè)量葉片各點(diǎn)位及近表面氣流在整個(gè)溫度歷程中的最高溫度雄驹，適用于高速旋轉(zhuǎn)等動(dòng)態(tài)測(cè)試場(chǎng)景［39］。國(guó)外大約于20 世紀(jì)70 年代開(kāi)展晶體測(cè)溫技術(shù)的研究淹辞，俄羅斯医舆、美國(guó)、烏克蘭等國(guó)家發(fā)展較早且體系成熟［38-41］桑涎。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究大約在20 世紀(jì)90 年代末起步彰莲，目前大多處于理論研究和實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證階段［39］。21 世紀(jì)以來(lái)烈瘸，中子物理泳疗、晶體增長(zhǎng)技術(shù)和X 射線輻照技術(shù)的發(fā)展和新型材料的開(kāi)發(fā)，如表1 所示范般，有效地促進(jìn)了晶體傳感器在測(cè)溫范圍驹莽、測(cè)溫精度、可靠性等多方面性能的提升钟展，現(xiàn)已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片測(cè)溫方式之一烙巩。

表1 測(cè)溫晶體性能參數(shù)

Table 1 Parameters of crystal temperature sensor

關(guān)于晶體測(cè)溫技術(shù)的研究，俄羅斯的庫(kù)爾恰托夫I.V.原子能研究所研制出具有較大測(cè)溫范圍和抗腐蝕性的立方體SiC 單晶（β 相）測(cè)溫晶體［48-50］肢钙；美 國(guó)LGTech-Link 公 司 研 制 的 測(cè) 溫 晶 體現(xiàn)已應(yīng)用于航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)距堂、燃?xì)廨啓C(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)遍削、渦輪增壓器和往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)等［39］吹夏。在實(shí)際應(yīng)用中，測(cè)溫晶體可以測(cè)量葉片表面及其近表面的氣流溫度子擅，渦輪葉片測(cè)溫晶體安裝方式如圖5所示弟孟，對(duì)渦輪葉片損傷失效分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)起到了重要作用贝咙。A.A.Volinsky 等［43］將3C-SiC測(cè)溫晶體安裝于渦輪葉片、輪盤(pán)以及噴管中進(jìn)行部件表面及氣流溫度測(cè)試拂募；(暫不可見(jiàn))voe 等［44］將測(cè)溫晶體膠粘在葉片表面庭猩，或插入葉片氣膜孔等孔洞處固定的陶瓷管中進(jìn)行溫度測(cè)量。AI-25TL 發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪導(dǎo)葉因氧化和積碳嚴(yán)重發(fā)生故障陈症，通過(guò)晶體測(cè)溫結(jié)果驗(yàn)證了改進(jìn)后的導(dǎo)向葉片結(jié)構(gòu)有效提高了系統(tǒng)冷卻效果［32］蔼水，如圖6 所示。I.V.Bachuchin等［42］提出了一種基于金剛石和SiC 材料的測(cè)溫晶體爬凑，在西門(mén)子公司額定功率47 MW 的航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性驗(yàn)證試驗(yàn)中徙缴，使用2 000 多個(gè)測(cè)溫晶體试伙、傳統(tǒng)熱電偶和示溫漆對(duì)葉片等熱端部件進(jìn)行溫度測(cè)量嘁信，該型測(cè)溫晶體經(jīng)過(guò)200～1 400 ℃溫度標(biāo)定后測(cè)溫誤差小于±10 ℃［51］；西門(mén)子石油燃?xì)夤緸榱蓑?yàn)證渦輪熱端部件耐熱性能疏叨，在渦輪部分安裝1 710 個(gè)測(cè)溫晶體潘靖，其中176 個(gè)用于測(cè)量靜葉和動(dòng)葉進(jìn)氣溫度，6 個(gè)用于測(cè)量動(dòng)葉冷氣道溫度蚤蔓，如圖7 所示泛汁，詳細(xì)描述了葉片表面溫度場(chǎng)分布情況和葉片近表面氣流溫度，為仿真模型計(jì)算提供了溫度數(shù)據(jù)［52］陶焙；霍尼韋爾公司某型發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)中發(fā)生了葉冠氧化斷裂寿经、TBC 涂層剝落和基底金屬損傷，之后在臺(tái)架試驗(yàn)中使用測(cè)溫晶體進(jìn)行故障原因分析听量，獲得的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)一步證實(shí)了計(jì)算流體力學(xué)分析的可靠性剖坟，并驗(yàn)證排故改進(jìn)措施的可行性［53-55］。

圖5 渦輪葉片測(cè)溫晶體安裝方式［42榕暴，44-45］

Fig.5 Installation of crystal temperature sensor on turbine blade［42绪桑，44-45］

圖6 渦輪葉片及其測(cè)溫結(jié)果［32］

Fig.6 Turbine blade and temperature measurement results［32］

圖7 渦輪葉片測(cè)溫晶體分布圖［52］

Fig.7 Distribution of crystal temperature sensor on turbine blade［52］

國(guó)內(nèi)測(cè)溫晶體研究起步較晚，現(xiàn)階段主要針對(duì)測(cè)溫晶體材料和制備方法進(jìn)行研究飘具。中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院研制了0.2 mm×0.3 mm×0.3 mm 微型SiC 測(cè) 溫 晶 體［45］猴试，測(cè) 溫 范 圍 為500～1 400 ℃，測(cè)量誤差小于±1.5%载易。為驗(yàn)證測(cè)溫晶體的性能粒惜，在高溫、高壓颈墅、高轉(zhuǎn)速和熱沖擊的條件下對(duì)安裝測(cè)溫晶體的渦輪葉片進(jìn)行試驗(yàn)蜡镶，結(jié)果顯示測(cè)溫晶體未有損耗。微型SiC 測(cè)溫晶體現(xiàn)已通過(guò)了工藝可靠性試驗(yàn)精盅、熱沖擊試驗(yàn)和抗離心力試驗(yàn)帽哑，并應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)研發(fā)中谜酒。為了進(jìn)一步提升晶體測(cè)溫能力，張志學(xué)等［47］成功研制了可以測(cè)量最高溫度為1 600 ℃的6H-SiC 測(cè)溫晶體妻枕，測(cè)溫晶體誤差小于±1%僻族；Ruan Y F 等［46］為了測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)部件的表面溫度，研制了一種以6HSiC 為材料屡谐、低中子輻照加工的新型測(cè)溫晶體述么，測(cè)溫范圍為700～1 300 ℃，測(cè)溫相對(duì)誤差小于5%愕掏。除了不斷發(fā)掘新型測(cè)溫晶體材料外度秘，李楊等［54］為解決國(guó)外“最高溫等效時(shí)間”標(biāo)定方法中參數(shù)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)完成測(cè)溫晶體的標(biāo)定和溫度判讀饵撑。

測(cè)溫晶體可以實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件表面各點(diǎn)位及近表面氣流的最高溫度測(cè)量剑梳，尤其是用于測(cè)量氣膜孔、榫頭等難以布置測(cè)溫傳感器的位置拙故。但測(cè)溫晶體制備過(guò)程要求嚴(yán)苛窃德，試驗(yàn)后還需要對(duì)測(cè)溫晶體進(jìn)行測(cè)試分析才能夠得到測(cè)量的溫度值。目前國(guó)外測(cè)溫晶體技術(shù)發(fā)展成熟亮倍，且已投入航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工程應(yīng)用中忆颇。與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)測(cè)溫晶體技術(shù)發(fā)展較為遲緩纠惧，主要集中于探索性試驗(yàn)研究卿截，部分研究技術(shù)成果已通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證階段并應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)測(cè)試中。未來(lái)需要針對(duì)測(cè)溫晶體的制備及使用規(guī)范等多個(gè)方面開(kāi)展進(jìn)一步的研究赛虽。

3 示溫漆

3.1 測(cè)溫原理

示溫漆主要由變色顏料拨蓖、基料（成膜物質(zhì)）、填料（助劑）和溶劑組成隧庐，當(dāng)涂敷有示溫漆的部件發(fā)生溫度變化時(shí)鼓临，變色顏料會(huì)產(chǎn)生一系列的物理和化學(xué)反應(yīng)，分子結(jié)構(gòu)或組成成分變化會(huì)引起顏色變化士袜，顯式地表現(xiàn)為試件表面的顏色變化［56-57］角黍。根據(jù)發(fā)生色變之后能否恢復(fù)分為可逆示溫漆和不可逆示溫漆，不可逆示溫漆多用于測(cè)量表面最高溫度蔫仙。根據(jù)變化產(chǎn)生顏色的數(shù)量分為單變色和多變色不可逆示溫漆兩種［58］料睛。單變色不可逆示溫漆多基于變色顏料的升華、晶格轉(zhuǎn)換摇邦、熱分解反應(yīng)恤煞、固相反應(yīng)、氧化反應(yīng)等進(jìn)行顯色［59］施籍；多變色不可逆示溫漆變色機(jī)理較為復(fù)雜居扒，主要包括物質(zhì)熱色連續(xù)變化和物質(zhì)之間的相互作用概漱，適用于獲取試件大面積溫度分布，可以用于發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)溫度測(cè)試中［56-57］喜喂。示溫漆漆質(zhì)細(xì)膩瓤摧，有明顯變色且變色穩(wěn)定，無(wú)需固定安裝玉吁，可以耐受氣流沖刷和結(jié)構(gòu)振動(dòng)照弥，對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)和工作狀態(tài)影響小，能夠用于高速旋轉(zhuǎn)进副、待測(cè)面積大壳晨、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的場(chǎng)景中。近年來(lái)遣抄，示溫漆廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片和渦輪盤(pán)等結(jié)構(gòu)的溫度測(cè)量意宝，判讀精度現(xiàn)已達(dá)到±5 ℃［60］。

3.2 研究現(xiàn)狀

單變色不可逆示溫漆發(fā)展較早且現(xiàn)國(guó)內(nèi)外研究較為成熟蚂霎，多變色不可逆示溫漆也在持續(xù)提升測(cè)溫性能和顯色能力竣恃，現(xiàn)已成功應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)溫度測(cè)試中。英國(guó)贷挠、俄羅斯、德國(guó)篱馅、法國(guó)春环、美國(guó)、日本及中國(guó)的示溫漆相關(guān)研制工作領(lǐng)先于其他國(guó)家展嘲。歐洲在高溫多變色示溫漆的研究和應(yīng)用處于世界領(lǐng)先地位沟密，日本側(cè)重研究低溫和可逆示溫漆及其應(yīng)用。國(guó)外對(duì)可逆示溫漆實(shí)行技術(shù)封鎖曾探，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究發(fā)展較晚痹换，鮮有相關(guān)公開(kāi)資料。

1938 年都弹，德國(guó)的I.G 法貝寧達(dá)斯公司開(kāi)始研制示溫涂料——熱色線［61］娇豫。為了測(cè)量航空發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速熱端部件表面的溫度分布，20 世紀(jì)50-70年代畅厢，國(guó)外對(duì)高溫不可逆測(cè)溫涂料進(jìn)行了大量研究冯痢。美國(guó)航空航天局NASA 為了獲取航空發(fā)動(dòng)機(jī)大面積部件的溫度分布，將示溫漆應(yīng)用于風(fēng)洞試驗(yàn)中［62］框杜；英國(guó)羅羅公司使用示溫漆來(lái)確定渦輪葉片等熱端部件的溫度分布情況［61］浦楣；英國(guó)Thermindex 公司、德國(guó)的Faber Castel 公司生產(chǎn)的單變色示溫漆無(wú)法獲得溫度分布線咪辱，故采取對(duì)同一試驗(yàn)件使用不同的示溫涂料振劳，測(cè)試后對(duì)測(cè)溫結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)定［61］椎组。20 世紀(jì)70 年代后，國(guó)外主要開(kāi)展低溫和可逆示溫漆的研究［63-64］历恐。除此之外庐杨，研究人員還針對(duì)示溫漆及其在運(yùn)動(dòng)部件上的粘附力問(wèn)題進(jìn)行了大量研究［61］。

國(guó)內(nèi)從20 世紀(jì)60 年代開(kāi)始進(jìn)行示溫漆研究夹供。研究初期律愉，重點(diǎn)解決國(guó)產(chǎn)單變色不可逆示溫漆變色不清、等溫線辨識(shí)難的問(wèn)題喂磷。自行設(shè)計(jì)了不可逆示溫漆配方俘巡，建立了基于等溫線辨識(shí)的全量程標(biāo)定方法，研制出了示溫誤差為±5 ℃的單變色不可逆示溫漆欲访，以及示溫誤差為±10 ℃的多變色不可逆示溫漆变抛，測(cè)溫范圍覆蓋100～1 100 ℃［65］。目前國(guó)內(nèi)也開(kāi)展了靈敏度高宏动、精度高涡拾、響應(yīng)快的熔融型單變色不可逆示溫漆的相關(guān)研究，現(xiàn)有成果的一般測(cè)溫范圍為40～260 ℃［57］斜孩。北方涂料工業(yè)研究設(shè)計(jì)院對(duì)示溫漆的研究處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平［57胆褪，65］，現(xiàn)其研制的多變色不可逆示溫漆測(cè)溫范圍可以達(dá)到150～1350 ℃臀胞，但單品種測(cè)溫跨度只有350～400 ℃狰绪，變色點(diǎn)數(shù)一般只有4～5 個(gè)；此外蛋济，還研制了SW-S 單變色不可逆示溫漆系列和SM-M 多變色不可逆示溫涂料系列棍鳖，可以用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的溫度測(cè)量［57，65］碗旅。當(dāng)使用變色點(diǎn)數(shù)少渡处、測(cè)溫范圍大的示溫漆時(shí)，通過(guò)示溫漆顏色變化判讀溫度值時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的誤差祟辟。因此如何縮小示溫漆顏色變化的間隔医瘫、增加變色點(diǎn)數(shù)來(lái)提升測(cè)溫精度也是研究的重點(diǎn)之一［57］。

國(guó)內(nèi)外部分型號(hào)示溫漆測(cè)溫性能參數(shù)對(duì)比如圖8 所示川尖，國(guó)外不可逆示溫漆性能參數(shù)如表2 所示登下，可以看出：國(guó)外不可逆示溫漆普遍具有更大的測(cè)溫范圍、更短的響應(yīng)時(shí)間叮喳、更多的變色點(diǎn)數(shù)和更小的示溫誤差被芳。

圖8 國(guó)內(nèi)外部分牌號(hào)示溫漆性能參數(shù)［57，61］

Fig.8 Performance of some temperature sensitive paint at home and abroad［57，61］

表2 國(guó)外不可逆示溫漆參數(shù)［57畔濒，66］

Table 2 Parameters of irreversible temperature sensitive paint［57剩晴，66］

將示溫漆涂敷于渦輪葉片表面獲得區(qū)域溫度分布，可以驗(yàn)證相關(guān)理論研究及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的合理性恬皆。P.S.Mandavkar 等［67］通過(guò)對(duì)葉片熱輪廓圖像捕捉砰声，研究葉片氣膜孔冷卻效果；熊慶榮等［68］使用自主研發(fā)的示溫漆獲取高壓渦輪導(dǎo)向葉片表面溫度分布众附，判讀精度達(dá)到±10 ℃沉南，如圖9 所示。

圖9 高壓渦輪導(dǎo)葉各區(qū)域試驗(yàn)前后顏色分布［68］

Fig.9 Color distribution of high-pressure turbine guide vane before and after tests［68］

李楊等［69］使用多種單變色和多變色示溫漆完成了某大型運(yùn)輸機(jī)輔助動(dòng)力裝置渦輪葉片的溫度測(cè)量刮跟，包括一劣晾、二、三級(jí)渦輪葉片及葉盆和葉背的表面溫度唬垦，驗(yàn)證了渦輪葉片理論溫度分布莫诺。在高溫燃?xì)鉀_刷下，航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片易出現(xiàn)裂紋些吨、變形畸玲、燒蝕等損傷，嚴(yán)重威脅航空飛行器的安全及可靠性林葬。示溫漆測(cè)溫技術(shù)有助于進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的損傷失效分析揭胶。國(guó)外研制的第一代多變色示溫涂料TP5、TP6 對(duì)早期的航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪葉片冷卻方案的設(shè)計(jì)驗(yàn)證起到了重要作用隔心，TP 系列示溫漆發(fā)展至今大多適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的溫度測(cè)量白群，如表3 所示。

表3 國(guó)外部分示溫漆應(yīng)用環(huán)境［61］

Table 3 Application environment of some foreign temperature sensitive paints［61］

P.L.Rupesh 等［70］使用量程為350～1 270 ℃的MC350-8 示溫漆進(jìn)行葉片表面溫度分析硬霍，經(jīng)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)高溫下材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生蠕變，長(zhǎng)期處于惡劣工況下易發(fā)生斷裂笼裳。

示溫漆的研制對(duì)測(cè)量航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件區(qū)域溫度分布具有重要意義唯卖，能夠輔助進(jìn)行故障分析。目前國(guó)內(nèi)外均已有成熟的示溫漆產(chǎn)品系列躬柬，經(jīng)對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)拜轨，國(guó)外示溫漆在測(cè)溫范圍、測(cè)溫精度允青、響應(yīng)速度等方面優(yōu)于國(guó)產(chǎn)示溫漆橄碾。在可逆示溫漆和熔融型示溫漆研究方面，國(guó)內(nèi)仍處于起步階段颠锉，技術(shù)方面受到日本和歐美國(guó)家及地區(qū)的封鎖法牲，因此需要加大設(shè)備投入，進(jìn)行自主設(shè)計(jì)研究，爭(zhēng)取早日突破關(guān)鍵技術(shù)的壁壘牡泡。

4 展望

隨著國(guó)內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)測(cè)溫技術(shù)的進(jìn)步姥勤，測(cè)溫范圍和測(cè)溫精度都得到了顯著提升。下一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提升對(duì)測(cè)溫技術(shù)的要求也更加嚴(yán)苛尔产，測(cè)溫技術(shù)仍需進(jìn)一步升級(jí)施俩。

現(xiàn)有薄膜熱電偶可以高精度實(shí)時(shí)測(cè)量渦輪葉片表面微小面積溫度，國(guó)內(nèi)外薄膜熱電偶在工作壽命方面存在較大差異每此，需要對(duì)薄膜制備嚴(yán)格把關(guān)披蛔，改進(jìn)現(xiàn)有鍍膜技術(shù)提高薄膜質(zhì)量和附著強(qiáng)度，繼而保證薄膜熱電偶工作的穩(wěn)定性形维。目前薄膜制備工序復(fù)雜且制造成本高是限制薄膜熱電偶被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐的重要因素幻役。因此在保證薄膜熱電偶質(zhì)量的前提下可以考慮簡(jiǎn)化現(xiàn)有的鍍膜工藝從而降低造價(jià)，例如結(jié)合3D 打印等智能制造技術(shù)進(jìn)行薄膜制備齿喧，或者使用智能機(jī)器人進(jìn)行薄膜繪制等妥析。除此之外，研究新型抗氧化轻欣、耐高溫省咨、靈敏度高的電極材料和設(shè)計(jì)薄膜層間結(jié)構(gòu)，解決材料間熱膨脹系數(shù)差異帶來(lái)的薄膜失效脫落也是薄膜熱電偶的研究重點(diǎn)玷室。

相較熱電偶來(lái)說(shuō)零蓉，測(cè)溫晶體更適合測(cè)量渦輪葉片氣膜孔處、近表面氣流的溫度穷缤。由于其具有較高的測(cè)溫上限和穩(wěn)定性敌蜂，航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口溫度的提升也增加了對(duì)測(cè)溫晶體的需求。未來(lái)首先應(yīng)針對(duì)如何提升測(cè)溫晶體的測(cè)溫性能加以研究津肛，包括測(cè)溫晶體材料的研發(fā)章喉、測(cè)溫晶體制備方法、標(biāo)定技術(shù)等身坐。此外秸脱，國(guó)內(nèi)應(yīng)完善測(cè)溫晶體行業(yè)的制度規(guī)范，制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)部蛇，推動(dòng)測(cè)溫晶體批量化生產(chǎn)制造摊唇，加速測(cè)溫晶體廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)溫度測(cè)試中。

示溫漆在獲取航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片表面溫度分布時(shí)無(wú)需高密度安裝溫度傳感器涯鲁，涂敷操作方便巷查，結(jié)果直觀，具有其獨(dú)特的測(cè)溫優(yōu)勢(shì)用兵。目前國(guó)內(nèi)各型示溫漆測(cè)溫能力與國(guó)外相比在測(cè)溫范圍神肖、變色點(diǎn)數(shù)方面相差較大白叫，尤其是可逆示溫漆研究結(jié)果較少。未來(lái)應(yīng)優(yōu)化現(xiàn)有的不可逆示溫漆叶偶，在原有配方基礎(chǔ)上進(jìn)行改良以提升測(cè)溫范圍跃渠、變色點(diǎn)數(shù)和顏色區(qū)分度。繼續(xù)發(fā)展具有高靈敏度锯运、高精度和響應(yīng)快的熔融型單變色不可逆示溫漆沛四。研究可逆示溫漆應(yīng)從材料變色機(jī)理方面入手，夯實(shí)理論基礎(chǔ)蛔颖，并開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行方案驗(yàn)證糊晋，致力于打破目前技術(shù)封鎖的局面。同時(shí)政拾，溫度判讀技術(shù)的選擇在很大程度上影響示溫漆測(cè)溫結(jié)果的準(zhǔn)確度际器，隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)可以通過(guò)計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)進(jìn)行圖像顏色的校正統(tǒng)一和測(cè)溫結(jié)果的判讀贸桶，減少環(huán)境光照和人為主觀因素對(duì)結(jié)果的影響舅逸。

5 結(jié)束語(yǔ)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片測(cè)溫技術(shù)對(duì)渦輪葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的驗(yàn)證和性能評(píng)定具有重要參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。測(cè)溫技術(shù)在使用過(guò)程中應(yīng)具有高溫工作穩(wěn)定性和優(yōu)異的測(cè)量精度皇筛，并盡量減小對(duì)待測(cè)對(duì)象溫度場(chǎng)分布的干擾琉历。本文總結(jié)了薄膜熱電偶、測(cè)溫晶體和示溫漆這三種接觸式測(cè)溫技術(shù)的研究情況和應(yīng)用現(xiàn)狀水醋，并基于其現(xiàn)有不足展望了未來(lái)的發(fā)展方向旗笔。由于三種測(cè)溫技術(shù)各自具有其不可替代的測(cè)溫優(yōu)勢(shì)，仍有待進(jìn)一步研究以實(shí)現(xiàn)性能上的提升拄踪。未來(lái)蝇恶，隨著新型敏感材料的研發(fā)和制造技術(shù)的發(fā)展，上述接觸式測(cè)溫技術(shù)將迎來(lái)更為廣闊的應(yīng)用前景惶桐。

（《航空工程進(jìn)展》作者：胡娜 趙偉 晉小超 范學(xué)領(lǐng)）

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