渦輪葉片發射率測量

馮 馳，劉思源

(哈爾濱工程大學 信息與通信工程學院，哈爾濱 150001)

航空發動機工作在高溫、高壓等復雜極端環境中，在多次啟停及長時間運行過后，必然使得發動機核心熱部件表面隔熱涂層脫落，甚至導致熱端部件材料強度降低，最后發生結構性破壞，部件形變或斷裂的嚴重后果.為維護發動機的健康狀況，需要準確測量渦輪轉子葉片表面溫度，為發動機優化設計提供數據支持，提高渦輪轉子葉片的可靠性，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.接觸式測溫應用廣泛，優點在于設備簡單，成本低.非接觸式測溫方法眾多，具有響應時間短，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，已經廣泛應用于航天、冶金、能源等多個領域.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射率值有關，所以發射率模型極大的影響了輻射測溫對真實溫度 的估計.發射率不僅和材料成分及表面粗糙度等物理狀態有關，同時還是溫度及光譜波長的函數[6-7].因此，被測目標的發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，另一方面由于金屬發射率和非金屬發射率隨溫度、波長的變化特性相反，因此會顯著改變葉片在不同溫度及波長下的發射率.所以，在輻射測溫波長范圍內，熱障涂層對葉片熱量的輻射以及發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 ℃下的光譜發射率，得到了測試樣片發射率與厚度及波長的關系.

1 樣片的制備及其表面材料性質

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，具體金屬組成的質量分數如表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 ℃高溫環境下保持可靠的材料強度，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量分數

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構鍵能高，具有高熔點、高硬度、耐磨、耐腐蝕的穩定化學性質[9].根據幾代陶瓷材料的篩選，氧化鋯隔熱涂層是目前使用最多、應用最廣的陶瓷隔熱涂層，具有導熱性低、熔點高、能夠抗燒結，加工制造工藝成熟的特點[10].氧化釔(Y2O3)作為穩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的體積變化導致涂層脫落[11].本文樣片表面的隔熱涂層材料依據經驗選擇質量分數為7%的氧化釔穩定的氧化鋯陶瓷粉末(7YSZ).

為了確定發射率與隔熱涂層厚度的關系，需要準備不同厚度的樣片.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(Air plasma spraving，APS)，在標準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量以及APS噴涂后的樣片質量，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生，避免多次生產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，避免發射率測量實驗中，樣片在加熱氧化過程產生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.樣片最終的表面結構如圖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構層.

圖1 樣片結構

2 發射率測量原理

假設傅里葉紅外光譜儀的光譜響應是線性的，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，目標的光譜輻射亮度，Rλ、Sλ為光譜儀響應函數和背景函數.采用能量比較法測量材料表面的光譜發射率，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行掃描，分別得到光譜能量Vs(λ,T)、Vb(λ,T).

根據普朗克公式，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)是來自周圍環境溫度的光譜輻射.

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

(4)

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

V(λ,Ta)=Sλ

(5)

3 實驗部分

實驗設備如圖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成.在樣片側面距離涂層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型熱電偶監控樣片中心溫度，以控制樣片加熱爐使樣片穩定在實驗設計溫度.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計溫度下，樣片中心位置法向方向的光譜強度.

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波長范圍內的輻射強度.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行測量記錄.最后在室溫(20 ℃)下記錄環境背景的光譜輸出響應.

4 結果分析

4.1 發射率測量結果

在Matlab軟件中，對光譜儀輸出的數據進行處理，求解樣片表面發射率，得到無涂層樣片的表面發射率結果如表2所示.

表2 無涂層樣片實驗結果

一定溫度下，無涂層樣片基底的發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波長范圍發射率基本穩定在0.85.樣片基底發射率在相同波段范圍的發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范圍發射率基本不變.涂層厚度為150 μm的實驗可以最大限度表現涂層發射率隨溫度和光譜波長的變化規律，其試驗結果如表3所示.

表3 150 μm涂層樣片實驗結果

實驗結果表明涂層的發射率隨光譜長度的變化和樣片基底一致，成正比例關系.在500～650 ℃范圍內，相同波長下的發射率基本不變，超過650 ℃后，樣片發射率驟降至0.3附近，說明樣片在高溫下的發射率較低，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，四種涂層狀態樣片的發射率測試結果，見表4.

表4 四種涂層樣片實驗結果

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

4.2 數據擬合

輻射測溫方法的準確度很大程度上取決于發射率模型的有效性，為解決輻射測溫對真溫估計的準確性問題，國內外學者針對發射率材料發射率不確定性開展了大量研究.目前主流方法是建立相應材料的發射率假設模型，通過調整模型參數，得到發射率與溫度和波長的最佳函數關系.根據國內外研究現狀[14-15]，目前葉片表面發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涂層樣片的實驗結果，針對上述三種發射率模型進行數據擬合.式(6)、(7)、(8)分別對應模型1、2、3，通過Istopt軟件得到擬合結果和模型參數，擬合出三種模型下的ε(λ,T)函數曲線如圖3～5所示.

圖3 模型1擬合結果

圖4 模型2擬合結果

圖5 模型3擬合結果

對三種擬合結果的均方差、相關系數和決定系數進行統計，匯總出擬合效果見表5.

表5 擬合結果

通過相關系數和決定系數的比較，擬合結果顯示出一定溫度下，模型二的多項式函數對實驗數據的擬合度最好，均方差最小，最符合熱障涂層葉片表面的發射率與輻射波長的函數關系.因此，有涂層葉片的表面發射率模型可以假設為式(7)所示的多項式函數模型.擬合模型的參數見表6.

表6 模型參數

5 結 論

1)傅里葉紅外光譜儀可以有效獲取不同涂層狀態樣片表面輻射能量，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波長下的發射率.

2)一定溫度下，四種樣片發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射率隨溫度變化較小，有涂層樣片的發射率則隨溫度升高而顯著減小.

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