涡轮叶片发射率测量

冯 驰，刘思源

(哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院，哈尔滨 150001)

航空发动机工作在高温、高压等复杂极端环境中，在多次启停及长时间运行过后，必然使得发动机核心热部件表面隔热涂层脱落，甚至导致热端部件材料强度降低，最后发生结构性破坏，部件形变或断裂的严重后果.为维护发动机的健康状况，需要准确测量涡轮转子叶片表面温度，为发动机优化设计提供数据支持，提高涡轮转子叶片的可靠性，延长其使用寿命[1-3].

目前的测温方法主要分为接触式和非接触式测温.接触式测温应用广泛，优点在于设备简单，成本低.非接触式测温方法众多，具有响应时间短，测温方式灵活的特点[4-5].辐射测温作为非接触式测温的常用方法，在测温精度与可靠性方面不断取得提高，已经广泛应用于航天、冶金、能源等多个领域.但是辐射测温方法实际上测得的是被测物体向外辐射的能量，而非黑体表面的辐射能量与材料表面的发射率值有关，所以发射率模型极大的影响了辐射测温对真实温度 的估计.发射率不仅和材料成分及表面粗糙度等物理状态有关，同时还是温度及光谱波长的函数[6-7].因此，被测目标的发射率模型的建立直接影响辐射测温的测温精度.为降低涡轮叶片在高温高压环境下失效受损，通常会在叶片表面涂覆隔热涂层，如氧化锆(ZrO2)、氮化硅(Si3N4)、陶瓷基复合材料等，以降低叶片基底温度，延长涡轮叶片使用寿命.热障涂层(Thermal barrier coatings，TBCS)一方面会改变涡轮叶片表面粗糙度，影响叶片表面的散射系数，另一方面由于金属发射率和非金属发射率随温度、波长的变化特性相反，因此会显著改变叶片在不同温度及波长下的发射率.所以，在辐射测温波长范围内，热障涂层对叶片热量的辐射以及发射率的影响尤为重要.因此，研究热障涂层在叶片热辐射过程中的影响，对叶片表面辐射温度的准确测量有着越来越重要的作用.本文通过空气等离子喷涂技术制备0、35、70、150 μm涂层厚度的4种热障涂层样片，实验测量样片在500～900 ℃下的光谱发射率，得到了测试样片发射率与厚度及波长的关系.

1 样片的制备及其表面材料性质

样片以高温镍基合金为基底材料，主要合金元素是铬、钛、钽、钴等，具体金属组成的质量分数如表1所示.高温镍基合金基底具有良好的塑形和焊接性，能够在650～1 000 ℃高温环境下保持可靠的材料强度，同时具备一定的抗氧化腐蚀能力[8].

表1 样片基底合金主要成分质量分数

热障涂层通常包括由抗高温氧化的金属连接缓冲层与低导热性、高隔热性的陶瓷粉末涂层组成的体系，具有耐高温、抗氧化的材料特性，而且陶瓷材料所含离子键或共价键结构键能高，具有高熔点、高硬度、耐磨、耐腐蚀的稳定化学性质[9].根据几代陶瓷材料的筛选，氧化锆隔热涂层是目前使用最多、应用最广的陶瓷隔热涂层，具有导热性低、熔点高、能够抗烧结，加工制造工艺成熟的特点[10].氧化钇(Y2O3)作为稳定剂加入氧化锆陶瓷，可以提高热障涂层的致密性及硬度，同时避免高温下氧化锆同素异构的体积变化导致涂层脱落[11].本文样片表面的隔热涂层材料依据经验选择质量分数为7%的氧化钇稳定的氧化锆陶瓷粉末(7YSZ).

为了确定发射率与隔热涂层厚度的关系，需要准备不同厚度的样片.首先，将样片的基底材料切割成直径40 mm,厚度为5 mm的薄片，并使用粒度为60的氧化铝颗粒对样片基底进行喷砂处理，作为氧化锆涂层与基底的连接层.氧化锆陶瓷粉末通过空气等离子喷涂技术(Air plasma spraving，APS)，在标准喷涂条件下涂覆在样片表面.等离子喷涂的工作气体主要气体为氩气，次要气体为氢气，保持90mm喷涂距离，将氧化锆陶瓷粉末涂覆在测试样片表面.在上述喷涂条件下，将得到的样片进行压汞法测试，得到样片表面的孔隙率为15%.空气等离子喷涂得到的样片涂层厚度由间接测量方法确定，分别称量喷砂处理后的样片基底质量以及APS喷涂后的样片质量，由涂层面积(12.57)和涂层密度(4.88 g/cm3)计算得到涂层厚度.涂层密度由7YSZ密度(6.10 g/cm3)和测得的孔隙率计算得到.最后制得的4种厚度的7YSZ样片分别为0、35、70、150 μm.4种涂层在一次沉积过程中产生，避免多次生产过程造成孔隙率及表面裂纹的变化.将制得样片在空气中加热至900 ℃以上，并保持10 h，以使样片材料完全氧化，避免发射率测量实验中，样片在加热氧化过程产生CO2、水蒸气等气体吸收测试波段辐射能，影响光谱仪接收样片的辐射能.样片最终的表面结构如图1所示，最上一层是与高温流道直接接触，温度最高的7YSZ热障涂层.热障涂层下是经过高温长时间完全氧化过程形成的一层极薄的氧化层.氧化层下是热障涂层与基底的缓冲层，氧化铝与基底金属材料相互交叉紧密连接的连接层.连接层下是样片的基底结构层.

图1 样片结构

2 发射率测量原理

假设傅里叶红外光谱仪的光谱响应是线性的，光谱仪得到的光谱能量为[12-13]：

V(λ,T)=Rλ·L(λ,Ts)+Sλ

(1)

其中：L(λ,Ts)为温度Ts下，目标的光谱辐射亮度，Rλ、Sλ为光谱仪响应函数和背景函数.采用能量比较法测量材料表面的光谱发射率，必须保持光谱仪探头与样片之间的光路不变，对黑体和样片分别进行扫描，分别得到光谱能量Vs(λ,T)、Vb(λ,T).

根据普朗克公式，L(λ,Ts)可写为：

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是样片和黑体在温度Ts下的发射率，Ls(λ,Ts)、Lb(λ,Ts)是样本和黑体的光谱辐射，L(λ,Ta)是来自周围环境温度的光谱辐射.

可以合理认为黑体和样片的环境温度是相同的，将式(2)、(3)联立，代入式(1)整理后得到：

(4)

在实验环境温度下，光谱仪的输出仅为环境光谱响应，从而可以得到实验背景函数Sλ：

V(λ,Ta)=Sλ

(5)

3 实验部分

实验设备如图2所示，主要包括样片加热炉、黑体炉、傅里叶红外光谱仪(FTIR)、光谱辐射接收器、热电偶传感器.

图2 实验装置

样片加热炉主要由氮化硅加热器和陶瓷绝缘材料构成.在样片侧面距离涂层2 mm位置，加工一个20 mm深度，平行于涂层表面的热电偶孔，从而使用K型热电偶监控样片中心温度，以控制样片加热炉使样片稳定在实验设计温度.光谱辐射接收探头通过支架固定在样片正前方约60 mm位置处，此时探头的接收光路聚焦在样片表面中心，形成直径约3 mm的点.热电偶测温点与辐射探头接收点在样片表面法向基本重合，从而使得探头接收到实验设计温度下，样片中心位置法向方向的光谱强度.

实验时，首先将四种样片加热至500、550、600、650、700、750 ℃附近，待热电偶显示温度稳定约5 min后，记录热电偶显示温度以及光谱仪积分时间，并使用FTIR光谱仪记录样片在1.2～2.0 μm波长范围内的辐射强度.然后将黑体加热样片试验温度，按相同的积分时间对黑体辐射进行测量记录.最后在室温(20 ℃)下记录环境背景的光谱输出响应.

4 结果分析

4.1 发射率测量结果

在Matlab软件中，对光谱仪输出的数据进行处理，求解样片表面发射率，得到无涂层样片的表面发射率结果如表2所示.

表2 无涂层样片实验结果

一定温度下，无涂层样片基底的发射率随光谱波长的增大而增大，在1.3～1.9 μm范围变化较快，在1.9～2.3 μm波长范围发射率基本稳定在0.85.样片基底发射率在相同波段范围的发射率有随温度增大而增加的趋势，同样在在1.3～1.9 μm范围变化较大，1.9～2.3 μm范围发射率基本不变.涂层厚度为150 μm的实验可以最大限度表现涂层发射率随温度和光谱波长的变化规律，其试验结果如表3所示.

表3 150 μm涂层样片实验结果

实验结果表明涂层的发射率随光谱长度的变化和样片基底一致，成正比例关系.在500～650 ℃范围内，相同波长下的发射率基本不变，超过650 ℃后，样片发射率骤降至0.3附近，说明样片在高温下的发射率较低，对辐射测温精度影响极大.

综合650 ℃下无涂层(0 μm)、35 μm、70 μm、150 μm，四种涂层状态样片的发射率测试结果，见表4.

表4 四种涂层样片实验结果

从实验结果可知，氧化锆陶瓷粉末的发射率远低于样片基底的发射率.涂层越厚，样片表面发射率越低，随着波长的增加，发射率随厚度的变化率逐渐降低.

4.2 数据拟合

辐射测温方法的准确度很大程度上取决于发射率模型的有效性，为解决辐射测温对真温估计的准确性问题，国内外学者针对发射率材料发射率不确定性开展了大量研究.目前主流方法是建立相应材料的发射率假设模型，通过调整模型参数，得到发射率与温度和波长的最佳函数关系.根据国内外研究现状[14-15]，目前叶片表面发射率模型主要有以下三种：

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涂层样片的实验结果，针对上述三种发射率模型进行数据拟合.式(6)、(7)、(8)分别对应模型1、2、3，通过Istopt软件得到拟合结果和模型参数，拟合出三种模型下的ε(λ,T)函数曲线如图3～5所示.

图3 模型1拟合结果

图4 模型2拟合结果

图5 模型3拟合结果

对三种拟合结果的均方差、相关系数和决定系数进行统计，汇总出拟合效果见表5.

表5 拟合结果

通过相关系数和决定系数的比较，拟合结果显示出一定温度下，模型二的多项式函数对实验数据的拟合度最好，均方差最小，最符合热障涂层叶片表面的发射率与辐射波长的函数关系.因此，有涂层叶片的表面发射率模型可以假设为式(7)所示的多项式函数模型.拟合模型的参数见表6.

表6 模型参数

5 结 论

1)傅里叶红外光谱仪可以有效获取不同涂层状态样片表面辐射能量，与同温度下黑体辐射能比较计算，可以有效的得到测试样片在1.2～2.5 μm波长下的发射率.

2)一定温度下，四种样片发射率都随辐射波长的增加而缓慢减小，并且随着叶片涂层厚度的增加而逐渐减小.在同一辐射波长下，无涂层样片基底的发射率随温度变化较小，有涂层样片的发射率则随温度升高而显著减小.

3)通过对涂层样片发射率数据进行拟合处理，得到了拟合效果好的二次多项式发射率模型及参数，后续可将次发射率模型应用于多光谱辐射测温，对数据进行修正，使测温结果更加接近涡轮叶片表面的真实温度.