結構- 功能一體化熱電涂層測溫技術

■ 徐毅 劉先富 李楊 趙帥 程新琦 彭晉 程亮 郭光輝 /中國航發渦輪院

熱電涂層測溫技術是一種采用噴涂工藝將熱敏材料與熱端部件一體化集成，實現熱端部件表面溫度實時監控與精確測量的新型測溫技術。該技術已成功應用于高溫、高轉速、復雜的氣動激振力及大離心載荷下的多型發動機全工況渦輪葉片表面溫度測量，為發動機渦輪葉片熱分析和結構改進設計提供試驗數據支撐。

渦輪葉片在復雜的氣動、熱力及離心負荷的惡劣環境下，其工作的安全性和可靠性受到嚴重影響，研制過程中容易出現局部燒蝕、斷裂等現象。通過測量渦輪葉片表面溫度，能夠知悉葉片熱應力水平，優化冷卻結構設計，延長葉片壽命。但是，測量渦輪葉片的溫度也面臨高溫、高壓、振動、高速旋轉等惡劣環境。渦輪葉片常規測溫方法主要依賴“埋入式”測量技術，在葉片表面開槽，將鎧裝熱電偶埋入溝槽內進行測量，該方法存在破壞試驗件、干擾流場、熱障涂層及薄壁結構無法埋設等缺點。而其他測溫技術也存在相應不足，例如，示溫漆只能顯示試驗過程的最高溫度，紅外輻射測溫由于發射率難以準確獲取導致測量精度不高。中國航發渦輪院的創新團隊針對發動機研制過程中對溫度測量的迫切需求及現有技術的局限性，提出結構-功能一體化熱電涂層測溫技術，即通過熱噴涂工藝，將溫度敏感材料以涂層的形式沉積在渦輪葉片表面，構建由絕緣層、溫感功能層及防護層組成的“漸變緩沖層”結構（見圖1），制備結構-功能一體化熱電涂層溫度傳感器。

圖1 熱電涂層結構組成示意圖

總體方案

結構-功能一體化熱電涂層測溫技術分為集成敏感涂層沉積、制造與標定、應用驗證等三個方面。總體方案如圖2所示。

圖2 熱電涂層測溫技術方案

集成敏感涂層沉積技術

集成敏感涂層沉積技術包括試驗件表面預處理、絕緣層制備、功能層沉積、防護層高溫防護及制備、多涂層厚度均勻性控制和界面高溫互擴散特性研究等幾個方面。

試驗件表面預處理

為了提高熱電涂層附著性能和存活率，經過多輪試制及驗證，確定了由多種方法相結合的預處理方法，主要分為噴砂處理和表面清洗兩部分。

噴砂處理是選用主要成分為Al2O3的白剛玉，顆粒度為20～60目，按SDZ01.1的規范執行，處理后基底表面應達到GB8923規定Sa級要求。

表面清洗是首先依次使用丙酮、無水乙醇和去離子水，進行10 min超聲清洗；然后使用熱風槍吹干試驗件表面；最后使用吹凈槍對試驗件清潔處理，吹凈殘留砂粒。

絕緣層制備技術

絕緣層是提供溫感材料與高溫合金基片之間電學隔離的涂層，其絕緣性能及高溫性能直接影響到熱電涂層器件的工作狀態及結構強度。通過多種常見絕緣材料物理參數對比分析，確定了以氧化鋁作為最佳絕緣材料。根據使用要求，確定了電子束蒸發法、空氣噴涂及火焰噴涂等制備方法。為確定最優制備方法，進行了模擬加溫試驗考核、絕緣性能測試、樣品高溫微觀形貌檢測性能考核試驗。結果表明：用火焰噴涂制備的涂層經過不同溫度循環測試后，表面形貌無明顯變化，未出現明顯缺陷或裂紋，附著牢靠、高溫下絕緣電阻能滿足試驗需求。

功能層沉積工藝

為滿足發動機測溫范圍的試驗要求，選擇NiCr/NiSi作為溫感涂層材料。該類合金材料在溫度范圍內組織結構穩定、無相變，電阻溫度系數穩定，重復性好。根據技術方案，確定了兩種功能層沉積技術方案。

一是絲材型，采用平行焊接工藝將直徑為100μm的Ⅰ級標準熱電偶裸絲測量端焊接在試驗件表面測點處；其后端用寬度為窄帶狀的高溫膠帶固定，使其緊密貼合；采用火焰（或等離子）進行噴涂固定，厚度為120～150μm（見圖3）。

二是涂層型，為減小涂層總厚度，增強可靠性，利用熱噴涂技術直接沉積溫感材料于絕緣層表面，使溫感材料以涂層化形式沉積。通過研究噴涂系統給進速率、氣壓、溫度等工藝條件對涂層成分、微觀結構、電阻率、塞貝克（Seebeck）系數、電阻溫度系數等性能的影響規律，優化制備工藝參數，制備樣品如圖4所示。

防護層高溫防護機制及制備技術

高溫防護層直接影響高溫高速強氧化氣流環境下熱電涂層的工作可靠性和壽命。采用與絕緣層相同的材料，可有效避免不同涂層間因材料熱膨脹系數不同而導致的涂層開裂，實現與功能層之間的良好界面匹配，提高附著力，防護層制備完成情況如圖5所示。

多涂層厚度均勻性控制及界面高溫互擴散特性

在涂層制備過程中，采用膜厚儀對涂層厚度進行實時監控，分析多涂層界面結構特征，以及界面高溫互擴散行為與涂層功能特性的關系。通過調控界面狀態提高異質材料疊層間結合強度，形成熱電涂層異質材料疊層間熱/力最優匹配。掌握工藝條件對多涂層集成后的界面結構、附著強度、絕緣特性、敏感特性和防護性能的影響規律，在工藝和多個涂層綜合性能間取得平衡（見圖6）。

圖3 標準微細偶絲型樣品

圖4 涂層型樣品

圖5 防護層制備完成圖

圖6 多涂層界面高溫互擴散特性研究

熱電涂層制造技術及性能標定

熱電涂層圖形化技術研究

采用金屬掩模圖形化工藝對熱電涂層進行圖形化，并采用激光修調方法進行高精度尺寸和阻值控制，在葉片表面制備出與葉片同形的熱電涂層圖形，根據測試部件的不同，設計了非碰底型和碰底型兩種圖形化結構，其中非碰底型適用于熱障涂層等非金屬材料，碰底型適用于高溫合金材料。

熱電涂層與信號引出線的連接技術研究

采用平行微隙焊接工藝完成涂層與后端高溫導線的連接，利用熱噴涂氧化鋁將外接高溫引線和熱電涂層焊盤牢固連接，實現溫感信號可靠引出。先制備氧化物緩沖層，在其上再制備信號引出線，既有利于改善絕緣性，也可提高附著強度，改善耐沖刷能力。

熱電涂層敏感性能標定

采用靜態標定法考核熱電涂層熱電性能和試驗溫度的關系，研究數據精度修正方法，獲得其Seebeck系數、靈敏度系數等性能參數。

絲材型熱電涂層由于采用I級標準熱電偶絲，經靜態標定，滿足I級熱電偶允差等級。涂層型采用熱噴涂工藝制備，由于在制備中溫感材料成分會在高溫中部分氧化導致成分偏析，經對比標定發現，Seebeck系數低于標準鎧裝熱電偶，但重復性較好。通過3次樣條插值擬合，修正后測量誤差不超過1%。

涂層影響因素分析

熱電涂層總厚度不超過150μm，為了評估涂層結構對測試結果的影響，基于瞬態熱/流耦合理論，采用有限元/邊界元方法，對不同類型的直板葉片進行瞬態熱沖擊數值仿真，針對涂層葉片和光滑葉片在同樣邊界條件下展開測點溫度變化研究，分析氣動、涂層及葉片結構對測點溫度的影響。由分析結果可知，當進行瞬態測試時，熱電涂層測量結果會略低于實際葉片表面溫度。當試驗件達到熱平衡后沒有差別，不同葉片測量結果相同。

試驗驗證

所研制的熱電涂層通過大量的試驗考核，包括耐高溫絕緣材料試驗、涂覆性能試驗、模擬加溫試驗、高速輪盤旋轉試驗、高溫燃氣沖擊試驗等，達到以下技術指標：測溫范圍為25～1200℃；測量不確定度為±1%FS；存活率≥90%；適用葉片表面Ra≤10μm；熱電特性一致性為分散度≤10%；可靠性為當1200℃燃氣沖擊20次以上時不脫落。

進而將熱電涂層測試技術應用于渦輪葉片冷效試驗及發動機高空模擬試驗，成功獲取了渦輪轉子葉片葉盆、前緣及伸根的表面全工況溫度數據，為排故工作及部件改進設計提供了有效數據。

結束語

創新團隊提出的熱電涂層測溫技術，通過將溫感材料與被測試驗件的一體化集成，實現了航空發動機熱端部件表面的在線精確測量。該技術的成功應用可為發動機渦輪葉片表面溫度評估、發動機葉片熱分析和結構改進設計提供強大的試驗數據支撐。該技術不僅可應用于航空發動機的渦輪葉片、熱障涂層、燃燒室火焰筒、燃燒室冷卻試驗件、燃燒室機匣、渦輪機匣、渦輪盤表面溫度精確測量，還可以應用于其他軍民用高溫、高速旋轉件和薄壁件，復雜構件及鎧裝熱電偶不易安裝位置的表面溫度測試，具有極大的工程應用價值，這一技術的推廣使用將產生良好的經濟效益。