[發明專利]一種提高光纖傳感器噴涂安裝中涂層結合強度的方法

在審

• 申請號: 202011430315.1
• 申請日: 2020-12-07
• 公開（公告）號: CN112593226A
• 公開（公告）日: 2021-04-02
• 發明（設計）人: 陳爽;隋廣慧;張欣穎
• 申請（專利權）人: 中國航空工業集團公司北京長城計量測試技術研究所
• 主分類號: C23C24/04
• 分類號: C23C24/04;C23C4/134;C23C4/06;C23C4/02;C23C28/02;G01D21/02
• 代理公司: 北京正陽理工知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 王松

本發明涉及一種提高光纖傳感器噴涂安裝中涂層結合強度的方法，屬于航空發動機測試領域。所述安裝方法首先使用大氣等離子噴涂工藝制備鎳基合金涂層(厚度100μm～300μm)對光纖傳感器涂層進行局部預固定，再使用高壓冷噴涂工藝制備鎳基合金涂層完成安裝，同時對預固定涂層進行夯實強化。基于該方法制備的復合涂層厚度在(0.4～2)mm之間可調，涂層孔隙率小于1％，結合強度大于60MPa，實現了光纖應變和溫度傳感器在航空發動機葉片上的可靠安裝，安裝成功率大于90％。通過該方法，可實現1050℃內航空發動機葉片表面長時間的應變和溫度測量，該方法也可用于其他類型發動機或高超飛行器等1050℃內其他熱端部件的表面應變和溫度測量。

技術領域

本發明涉及一種提高光纖傳感器噴涂安裝中涂層結合強度的方法，可用于1050℃以下航空發動機葉片表面長時間的應變及溫度測量，屬于航空發動機測試領域。

背景技術

航空發動機作為工作在高溫、高壓、高轉速環境下的動力機械，葉片等熱端部件承受著極為嚴酷、復雜的熱力載荷。高溫應變既是表征熱力載荷的關鍵設計參數，也是導致結構失效的主要原因。我國由于高溫應變測量手段的不完善，導致發動機熱端部件設計缺乏數據支撐，極大影響研制進度和使用安全。

目前，高溫應變片是發動機高溫應變測試中最常用的方法。高溫應變片是將電阻應變片安裝在被測零件表面，通過信號傳輸由信號采集與分析系統獲取應變片輸出值的變化，并換算成應變值，得到所需要的應變或應力值。應變片的優點是動靜應變均可測量、誤差較小，缺點是高溫下應變計的靈敏度系數改變、熱輸出和熱滯后增加，并且安裝后會影響被測零件的結構阻尼和頻率、以及強度和壽命。光纖傳感器由于具有耐高溫、尺寸小、抗電磁干擾等顯著優勢，已成為國際上解決高溫應變測量問題的重要發展趨勢。

對于接觸式應變傳感器而言，安裝方法是傳感器應用中的一個關鍵技術，以往以粘接和焊接為主。硅系粘接劑一般用于300℃以下的溫度環境，300℃以上普遍采用高溫陶瓷粘接劑，此類粘接劑通常需要進行多次高溫固化處理，與基底結合強度偏低，高溫作用和溫度循環下容易開裂甚至剝落，并且這類粘接劑在高溫狀態下的物理性能會發生變化，影響測量精度。而焊接安裝方法對零件等基體材料和焊接材料都要求較高，高溫狀態下焊接性不好，焊接點屬于測量中的薄弱環節。

相對傳統的膠粘和焊接技術，耐高溫、結合強度高、不需要進行高溫處理的噴涂方法在高溫應變測量領域開始了推廣應用。專利“一種光纖光柵高溫應變測試裝置及其安裝方法”(CN201310527017.8)發明了一種應用于結構熱試驗輻射熱環境下的光纖布拉格光柵高溫應變測試裝置及其安裝方法，該方法是用陶瓷膠制作安裝層，將光纖與石英管固定在被測零件表面，主要用于復合材料結構的高溫應變測量。

噴涂工藝的特點決定了涂層與零件的結合機理主要為機械咬合，因此零件表面處理以及涂層材料和工藝對涂層的結合強度有著重要的影響。據國內外研究進展和噴涂工藝技術特點，首選涂層材料是鎳基合金材料或者氧化鋯等陶瓷基材料。由于鎳基合金材料與高溫合金等金屬零件材料體系相近，熱膨脹性能接近，熱匹配性好，因此結合強度更高；并且相比于利用熱能熔化粒子的熱噴涂工藝，利用動能使粒子塑性變形的冷噴涂工藝制備的涂層更為致密，在高溫環境下不氧化，因此本專利將采用冷噴涂工藝制備高致密度鎳基合金涂層，實現光纖傳感器在航空發動機葉片等熱端部件上的可靠安裝,從而實現高溫應變及溫度測量。

發明內容

本發明的目的是提供一種提高光纖傳感器噴涂安裝中涂層結合強度的方法，主要應用但不限于航空發動機葉片的表面應變和溫度檢測。該安裝方法首先使用大氣等離子噴涂工藝制備鎳基合金涂層(厚度100μm～300μm)對光纖傳感器涂層進行局部預固定，再使用高壓冷噴涂工藝制備鎳基合金涂層完成安裝，同時對預固定涂層進行夯實強化。所制備的壓應力鎳基合金涂層，厚度在(0.4～2)mm可控，涂層孔隙率＜1％，組織致密均勻，整體結合強度大于60MPa，安裝成功率＞90％，降低了復合涂層的殘余內應力，具有良好的安裝效果、更高的可靠性和使用壽命。

本發明的目的是通過下述技術方案實現的：