涡轮丨西交&624所：航空发动机涡轮叶片接触式测温技术及其应用
航空发动机涡轮叶片测温技术能够揭示涡轮叶片的温度分布情况，对其开展性能评估、失效分析和优化设计具有重要意义。涡轮进口温度的不断提升对应用于航空发动机涡轮叶片的测温技术提出了更高的要求。现有的航空发动机涡轮叶片接触式测温技术可采集叶片表面温度和近表面气流温度，主要包括薄膜热电偶、测温晶体和示温漆等测温技术。
航空发动机作为航空飞行器的“心脏”，集中体现了国家科技水平、工业设计制造水平和国防实力。高马赫数、高推重比和高涡轮进口温度现已成为航空发动机重点发展方向。推重比为10的第四代发动机一级涡轮进口温度已达1973 K，未来推重比为15的第五代发动机一级涡轮进口温度预计可达到2000～2250 K。
涡轮叶片作为航空发动机重要的热端动力输出部件，在高温、高压的环境下长时间工作易出现损伤失效，威胁到发动机的正常运行。因此，测量工作状态下涡轮叶片表面或近表面温度，探究涡轮叶片的温度分布情况和耐高温性能，可以为涡轮叶片的结构设计和服役工况提供重要的试验数据和评价依据，保证发动机可靠性的同时降低了研发测试成本。
按照传感器与待测对象是否接触将航空发动机涡轮叶片测温技术分为接触式和非接触式两大类。
接触式测温技术主要通过温度传感器与被测对象直接接触至热平衡，已知测量信号值与温度之间的映射关系反推得到测温结果，简单可靠且测量精度较高，但两种介质接触可能会影响待测对象表面温度场分布。
非接触式测温技术无需与待测对象接触，可应用于远距、带电、含腐蚀性成分的环境，但测量结果易受环境因素干扰，测温精度波动较大。
在实际航空发动机试验中，接触式测温技术应用广泛。
测温原理
薄膜热电偶是基于塞贝克效应的一种无源传感器，如图1所示。两种不同材质的导体作为电极连接组成闭合回路，一端称为热端也即测量端，另一端称为冷端也即参考端。使用时将两导体的一端进行焊接作为热端固定至待测点位，冷端分别接入测量仪表中。当冷端和热端存在温度差时，电极之间产生热电势。由于热电势的大小只与电极材料和冷热端温度差有关，因此可以根据热电势与温度之间的映射关系得到测温结果。薄膜热电偶相较传统热电偶最大区别在于电极呈薄膜状，可以减少对接触面温度场分布的干扰，在保证测温精度的同时也提高了响应速度。
图1 涡轮叶片薄膜热电偶安装示意图
研究现状
航空发动机涡轮叶片表面为复杂曲面，通常采用高温胶或焊接方式进行热电偶的安装固定，但引入高温胶的同时也增加了热阻，影响测温精度。采用焊接方式固定热电偶仅适用于部分金属材料，应用范围受限。除此之外还有埋偶法，应用此方法需要在待测试件上开设预埋槽，破坏了机件结构完整性。
薄膜热电偶可以原位集成于涡轮叶片表面，对结构的破坏性相对较小，同时也降低了热电偶安装固定对试件温度分布的影响，有效提升了测温结果的可靠性，且能够应用于带有陶瓷涂层的叶片表面。得益于镀膜技术的发展，薄膜热电偶成功应用于航空发动机涡轮叶片表面进行温度测量。
20世纪50年代初期，D.Bendersky使用钢管、表面绝缘处理过的镍丝经蒸镀后制成厚度为1 μm的薄膜电极。真空蒸发镀膜是指在真空状态下对镀膜材料进行加热蒸发，使之以分子或原子形态进入空间后经沉积形成薄膜，操作简便但生成的薄膜附着力较小，力学强度不足。
使用溅射工艺制备薄膜，显著提高了薄膜沉积速度、沉积效率和质量。美国GE公司使用溅射镀膜方法制备了Au-Pd薄膜热电偶，有效地将响应时间缩短为140 μs。鉴于薄膜热电偶测温性能良好、响应速度快，R.Dila等提出在发动机热端部件上使用溅射工艺制备薄膜热电偶。
为验证薄膜热电偶高温下的工作性能，H.P.Grant等在涡轮叶片上集成了2 μm的Pt/Pt10Rh薄膜热电偶，完成了1250 K、1个标准大气压下长达60小时的71次热循环试验，薄膜电极从试件表面脱落失效累计平均时间为47小时。英国罗罗公司研制了测量不确定度为±2%的Pt-Rh/Pt薄膜热电偶，并进行了高达1200 ℃的导向叶片温度分布测试。
图2 不同制造工艺制备的薄膜热电偶
除了使用广泛的溅射技术以外，也有部分研究者采用了更为简化的镀膜工艺进行薄膜热电偶的制备。Xie Z等针对航空发动机内部结构复杂部件提出了一种手工绘制Pt/PtRh薄膜热电偶的方式，简化镀膜工序，如图2c所示，该热电偶可以在1 000 ℃的温度范围内稳定工作，测温误差在±1%以内。
为了进一步提升薄膜热电偶在高温下工作的稳定性，徐毅等为涡轮叶片原位集成的薄膜热电偶增设保护层；陈寅之在镍基高温合金上沉积了10 μm NiCrAlY薄膜和50 nm铝薄膜，并对NiCrAlY薄膜进行析铝处理，有效提升了薄膜热电偶绝缘层的附着性能。
为了缓解电极材料在高温下易氧化、热电性能衰减的问题，可以使用铟锡氧化物（ITO）代替PtRh薄膜制备ITO/Pt薄膜热电偶，添加氮化硅/ITO/氮化硅“三明治”结构阻止氧元素扩散。
为了测量航空发动机中由陶瓷基复合材料（CMC）制造的热端部件表面温度，K.Rivera等设计了一种ITO：SiC CMC薄膜热电偶，并添加铟锡氧氮化物（ITNO）保护涂层，有效提升了其工作稳定性。
考虑到引线暴露在高温下可能导致信号传输不稳定，在燃气冲击情况下易发生熔断损坏，邓进军等在涡轮叶片上使用通孔引线技术，结构如图4所示，为了保证引线和涡轮叶片镍基合金基底相互绝缘，使用耐高温的粘结材料将陶瓷管固定于孔内，抗震、防腐性能极大提升。
测温原理
研究现状
表1 测温晶体性能参数
图5 涡轮叶片测温晶体安装方式
A.A.Volinsky等将3C-SiC测温晶体安装于涡轮叶片、轮盘以及喷管中进行部件表面及气流温度测试；J.Devoe等将测温晶体胶粘在叶片表面，或插入叶片气膜孔等孔洞处固定的陶瓷管中进行温度测量。AI-25TL发动机涡轮导叶因氧化和积碳严重发生故障，通过晶体测温结果验证了改进后的导向叶片结构有效提高了系统冷却效果，如图6所示。
测温原理
研究现状
单变色不可逆示温漆发展较早且现国内外研究较为成熟，多变色不可逆示温漆也在持续提升测温性能和显色能力，现已成功应用于航空发动机相关温度测试中。英国、俄罗斯、德国、法国、美国、日本及中国的示温漆相关研制工作领先于其他国家。欧洲在高温多变色示温漆的研究和应用处于世界领先地位，日本侧重研究低温和可逆示温漆及其应用。国外对可逆示温漆实行技术封锁，国内相关研究发展较晚，鲜有相关公开资料。
国内外部分型号示温漆测温性能参数对比如图8所示，国外不可逆示温漆性能参数如表2所示，可以看出：国外不可逆示温漆普遍具有更大的测温范围、更短的响应时间、更多的变色点数和更小的示温误差。
表2 国外不可逆示温漆参数
图9 高压涡轮导叶各区域试验前后颜色分布
示温漆测温技术有助于进行航空发动机热端部件的损伤失效分析。国外研制的第一代多变色示温涂料TP5、TP6对早期的航空发动机高压涡轮叶片冷却方案的设计验证起到了重要作用，TP系列示温漆发展至今大多适用于航空发动机涡轮叶片的温度测量，如表3所示。
示温漆的研制对测量航空发动机热端部件区域温度分布具有重要意义，能够辅助进行故障分析。目前国内外均已有成熟的示温漆产品系列，经对比不难发现，国外示温漆在测温范围、测温精度、响应速度等方面优于国产示温漆。在可逆示温漆和熔融型示温漆研究方面，国内仍处于起步阶段，技术方面受到日本和欧美国家及地区的封锁，因此需要加大设备投入，进行自主设计研究，争取早日突破关键技术的壁垒。
航空发动机涡轮叶片测温技术对涡轮叶片结构设计方案的验证和性能评定具有重要参考价值和指导意义。随着国内外航空发动机相关测温技术的进步，测温范围和测温精度都得到了显著提升。下一代航空发动机性能的提升对测温技术的要求也更加严苛，测温技术仍需进一步升级。
现有薄膜热电偶可以高精度实时测量涡轮叶片表面微小面积温度，国内外薄膜热电偶在工作寿命方面存在较大差异，需要对薄膜制备严格把关，改进现有镀膜技术提高薄膜质量和附着强度，继而保证薄膜热电偶工作的稳定性。
目前薄膜制备工序复杂且制造成本高是限制薄膜热电偶被广泛应用于工程实践的重要因素。因此在保证薄膜热电偶质量的前提下可以考虑简化现有的镀膜工艺从而降低造价，例如结合3D打印等智能制造技术进行薄膜制备，或者使用智能机器人进行薄膜绘制等。
除此之外，研究新型抗氧化、耐高温、灵敏度高的电极材料和设计薄膜层间结构，解决材料间热膨胀系数差异带来的薄膜失效脱落也是薄膜热电偶的研究重点。
相较热电偶来说，测温晶体更适合测量涡轮叶片气膜孔处、近表面气流的温度。由于其具有较高的测温上限和稳定性，航空发动机涡轮进口温度的提升也增加了对测温晶体的需求。
未来首先应针对如何提升测温晶体的测温性能加以研究，包括测温晶体材料的研发、测温晶体制备方法、标定技术等。此外，国内应完善测温晶体行业的制度规范，制定统一标准，推动测温晶体批量化生产制造，加速测温晶体广泛应用于航空发动机相关温度测试中。
示温漆在获取航空发动机涡轮叶片表面温度分布时无需高密度安装温度传感器，涂敷操作方便，结果直观，具有其独特的测温优势。目前国内各型示温漆测温能力与国外相比在测温范围、变色点数方面相差较大，尤其是可逆示温漆研究结果较少。
未来应优化现有的不可逆示温漆，在原有配方基础上进行改良以提升测温范围、变色点数和颜色 区分度。继续发展具有高灵敏度、高精度和响应快的熔融型单变色不可逆示温漆。研究可逆示温漆应从材料变色机理方面入手，夯实理论基础，并开展相关实验进行方案验证，致力于打破目前技术封锁的局面。
同时，温度判读技术的选择在很大程度上影响示温漆测温结果的准确度，随着计算机视觉技术的发展，未来可以通过计算机图像处理技术进行图像颜色的校正统一和测温结果的判读，减少环境光照和人为主观因素对结果的影响。
以上三种测温技术各自具有其不可替代的测温优势，仍有待进一步研究以实现性能上的提升，未来，随着新型敏感材料的研发和制造技术的发展，上述接触式测温技术将迎来更为广阔的应用前景。
