一种基于等离子喷涂的厚膜热电偶传感器制造方法技术

本发明专利技术属于航空测试技术领域，具体涉及一种基于等离子喷涂的厚膜热电偶传感器制造方法，是一种新型的热电偶结构形式。本发明专利技术通过对航空发动机涡轮叶片进行表面预处理；接着利用等离子喷涂将耐高温绝缘材料Al2O3粉末材料熔融后喷射到涡轮叶片基体上，完成绝缘层制备；然后利用等离子喷涂工艺分别喷涂热电偶功能层的正负极，使涂层与绝缘基体之间形成牢固的冶金结合，完成功能层制备；最后再次利用耐高温绝缘材料Al2O3粉末材料制备保护层。本发明专利技术基于等离子喷涂技术直接制备热电偶传感器于涡轮叶片表面，可用于精确测量与实时监测涡轮转子叶片的表面温度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于等离子喷涂的厚膜热电偶传感器制造方法
本专利技术属于航空测试
，具体涉及一种基于等离子喷涂的厚膜热电偶传感器制造方法。
技术介绍
涡轮是航空发动机三大关键部件之一。为了提高推重比，一个重要技术途径是提高涡轮前温度。通常燃烧室出口燃气温度分布不均匀,表现为具有高温核心的燃气流，这将导致涡轮进口处温度的非均匀性进一步增强。承受着巨大热负荷的涡轮转子叶片还在炽热的高温高压燃气流中高速旋转，非常大的热梯度将使涡轮叶片经受严重的热应力和应变，涡轮叶片的蠕变寿命将会大幅度下降。因此，为了提高叶片的安全工作可靠性，延长其寿命，就必须准确的测量及实时监测、研究分析涡轮叶片的温度分布，以便在叶片设计、材料、冷却、结构、工艺、安装上采取有效的措施，主动控制合理的温度分布。英﹑美﹑俄等航空技术发达国家投入了大量的人力物力研发用于涡轮部件温度测试的传感器和设备仪器，最常用的主要有铠装热电偶、红外传感器、晶体传感器及示温漆等，大都用于涡轮静止叶片。我国开展航空发动机涡轮叶片测试技术研究较晚，投入有限，测试技术水平较低，自主研发的用于涡轮部件温度测试的传感器和设备仪器较少。从国外引进的红外测温设备，由于红外传感器本身难以承受高的环境温度，需要冷却，冷却气流会破坏试验件流场和温度场分布；红外测温受发射率影响较大，存在测量误差大，温度分辨率及空间分辨率低等问题。而铠装热电偶测温技术，是一种浸入式测量方法，然而该方法破坏了叶片结构，叶片传热性能发生改变，降低了测量精度，且在叶片尾缘等厚度较薄的薄壁结构中无法埋设铠装热电偶进行测量；晶体测温与示温漆测温技术无需测试引线，但只能获得试验状态的最高温度，不能在试验过程中进行监测和测量。针对高压涡轮工作叶片温度测试的急迫需求及现有技术水平的局限性，急需寻求一种测量精度高，对试验件无破坏，对试验过程无影响的测试技术，该技术同时需具备实时监测及保证在恶劣工况下可靠工作等特点，满足发动机的研制需求。
技术实现思路
本专利技术的目的：为了解决涡轮叶片测温困难，对涡轮叶片结构破坏大，不能精确测量和实时监测问题。本专利技术利用等离子喷涂技术直接制备厚膜热电偶在涡轮叶片表面，对涡轮叶片无破坏，对试验过程无影响，厚膜热电偶涂层薄，附着牢靠，可有效完成高温、高压和高转速环境下涡轮叶片表面温度的精确测量和实时监测。本专利技术的技术方案：为了解决上述技术问题，本专利技术提供的一种基于等离子喷涂的厚膜热电偶传感器制造方法，先对涡轮叶片表面进行预处理，除去叶片表面各种异物，提供适合于涂装要求的良好基底；采用等离子喷涂Al2O3粉末材料完成绝缘涂层的制备，其后，采用等离子喷涂分别喷涂热电偶功能层的正负极，最后再次采用等离子喷涂Al2O3粉末材料完成对功能层的保护。所述的一种基于等离子喷涂的厚膜热电偶传感器制造方法，包括如下步骤：步骤1：表面预处理；步骤2：绝缘层制备对不需喷涂绝缘层的部位用高温绝缘胶带保护后，使用高能等离子喷枪喷涂Al2O3粉末材料，喷嘴垂直于涡轮叶片表面，形成绝缘层；步骤3：功能层制备首先利用高温胶带将正极掩模板与叶片表面紧密贴合，固定牢靠；接着利用等离子喷涂工艺喷涂热电偶正极粉末材料，使热电偶正极粉末材料涂层与绝缘基体之间形成牢固的冶金结合；其后，去除正极掩模板，将负极掩模板与叶片表面紧密贴合，固定牢靠；最后利用等离子喷涂工艺喷涂热电偶负极粉末材料，使热电偶负极粉末材料涂层与绝缘基体之间形成牢固的冶金结合；完成功能层制备；步骤4：保护层制备首先除去负极掩模板，对功能层正负电极引线端采用所述的高温胶带进行保护。其后对厚膜热电偶再次等离子喷涂Al2O3粉末材料，使厚膜热电偶全部被陶瓷涂层覆盖保护；步骤5：测试引线引出首先利用热电偶裸丝通过平行微隙焊接工艺按照对应正负极完成与厚膜热电偶引线端连接；接着，对完成焊接的引线端再次采用等离子喷涂Al2O3粉末材料进行固定保护；其后，通过激光焊接技术完成热电偶裸丝与后端高温补偿导线连接；最后，将所述高温补偿导线通过引线轴接入滑环引电器或遥测系统进行信号传输。所述的一种基于等离子喷涂的厚膜热电偶传感器制造方法，所述步骤1具体包括：首先将涡轮叶片榫槽用高温胶带保护，其后对预喷涂厚膜热电偶位置进行喷砂；喷砂处理完成后，用吹净枪对涡轮叶片清洁处理，吹净残留砂粒；使用无水乙醇对涡轮叶片表面进行超声清洗；最后使用热风枪吹干试片表面。所述的一种基于等离子喷涂的厚膜热电偶传感器制造方法，所述步骤3中热电偶正极材料包括PtRh10合金粉末材料、PtRh13合金粉末材料、PtRh30合金粉末材料、Ni90Cr10合金粉末材料当中的一种；热电偶负极材料包括Pt金属粉末材料、PtRh6合金粉末材料、Ni97Si3合金粉末材料当中的一种。所述的一种基于等离子喷涂的厚膜热电偶传感器制造方法，步骤1中涡轮叶片表面喷砂处理，砂粒为棕刚玉，砂粒度约20目～30目，喷砂压力为0.6MPa。使用丙酮进行超声清洗时间不少于10min。所述的一种基于等离子喷涂的厚膜热电偶传感器制造方法，步骤2中所述等离子喷涂绝缘层是以等离子射流为热源，将Al2O3粉末瞬间加热、加速，熔融或半熔融状态的粒子以一定速度喷射至涡轮叶片表面，喷枪电流480A、电压70V、主气流量约50L/min，喷嘴垂直于涡轮叶片表面并距离约90mm左右，形成绝缘层，涂层厚度约30μm～50μm。所述的一种基于等离子喷涂的厚膜热电偶传感器制造方法，步骤3中所述等离子喷涂功能层是将热电偶正负极粉末材料分别用火焰熔融后喷射到绝缘层表面，喷涂工艺参数为：喷枪电流500A、电压65V、主气流量约50L/min，喷嘴垂直于涡轮叶片表面并距离约100mm，形成功能层，热电偶正负极宽度为1mm～2mm，涂层厚度为50μm～80μm。所述的一种基于等离子喷涂的厚膜热电偶传感器制造方法，步骤4中所述保护层厚度为30μm～50μm。所述的一种基于等离子喷涂的厚膜热电偶传感器制造方法，步骤5中所述热电偶裸丝直径为100μm；所述高温补偿导线内径为2×0.25mm，外径为0.9mm×1.5mm，耐温上限为700℃～800℃。所述滑环引电器根据实际测点数量选择相应通道数，一般为40通道、60通道及120通道。本专利技术的有益效果：本专利技术创新性地提出了一种基于等离子喷涂的厚膜热电偶传感器制造方法，该传感器由绝缘层、功能层及保护层多层结构组成，是一种新型的热电偶结构形式，除了继承热电偶测量精度高等特点外，还具有其独特优势。所述一种基于等离子喷涂的厚膜热电偶传感器具有不破坏涡轮叶片表面结构、不干扰附壁流场、可在薄壁结构上布置测点、可在陶瓷热障涂层表面布置测点等优点，填补了高离心载荷、高热力载荷下涡轮叶片温度实时监测与精确测量的空白，具有显著的军事、经济和社会效益。附图说明图1是本专利技术一种基于等离子喷涂的厚膜热电偶传感器示意图。具体实施方式下面通过具体实施方式对本专利技术作进一步的详细说明：本专利技术提供的一种基于等离子喷涂的厚膜热电偶传感器，其先对涡轮叶片表面进行预处理，除去叶片表面各种异物，提供适合于涂装要求的良好基底。接着，采用等离子喷涂Al2O3粉末材料完成绝缘涂层的制备，其后，采用等离子喷涂分别喷涂热电偶功能层的正负极，最后再次等离子喷涂Al2O3粉末材料完成对功能层的保护。所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于等离子喷涂的厚膜热电偶传感器制造方法，其特征在于：先对涡轮叶片表面进行预处理，除去叶片表面各种异物，提供适合于涂装要求的良好基底；采用等离子喷涂Al2O3粉末材料完成绝缘涂层的制备，其后，采用等离子喷涂分别喷涂热电偶功能层的正负极，最后再次采用等离子喷涂Al2O3粉末材料完成对功能层的保护。

【技术特征摘要】
1.一种基于等离子喷涂的厚膜热电偶传感器制造方法，其特征在于：先对涡轮叶片表面进行预处理，除去叶片表面各种异物，提供适合于涂装要求的良好基底；采用等离子喷涂Al2O3粉末材料完成绝缘涂层的制备，其后，采用等离子喷涂分别喷涂热电偶功能层的正负极，最后再次采用等离子喷涂Al2O3粉末材料完成对功能层的保护。2.根据权利要求1所述的一种基于等离子喷涂的厚膜热电偶传感器制造方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：表面预处理；步骤2：绝缘层制备对不需喷涂绝缘层的部位用高温绝缘胶带保护后，使用高能等离子喷枪喷涂Al2O3粉末材料，喷嘴垂直于涡轮叶片表面，形成绝缘层；步骤3：功能层制备首先利用高温胶带将正极掩模板与叶片表面紧密贴合，固定牢靠；接着利用等离子喷涂工艺喷涂热电偶正极粉末材料，使热电偶正极粉末材料涂层与绝缘基体之间形成牢固的冶金结合；其后，去除正极掩模板，将负极掩模板与叶片表面紧密贴合，固定牢靠；最后利用等离子喷涂工艺喷涂热电偶负极粉末材料，使热电偶负极粉末材料涂层与绝缘基体之间形成牢固的冶金结合；完成功能层制备；步骤4：保护层制备首先除去负极掩模板，对功能层正负电极引线端采用所述的高温胶带进行保护。其后对厚膜热电偶再次等离子喷涂Al2O3粉末材料，使厚膜热电偶全部被陶瓷涂层覆盖保护；步骤5：测试引线引出首先利用热电偶裸丝通过平行微隙焊接工艺按照对应正负极完成与厚膜热电偶引线端连接；接着，对完成焊接的引线端再次采用等离子喷涂Al2O3粉末材料进行固定保护；其后，通过激光焊接技术完成热电偶裸丝与后端高温补偿导线连接；最后，将所述高温补偿导线通过引线轴接入滑环引电器或遥测系统进行信号传输。3.根据权利要求2所述的一种基于等离子喷涂的厚膜热电偶传感器制造方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：首先将涡轮叶片榫槽用高温胶带保护，其后对预喷涂厚膜热电偶位置进行喷砂；喷砂处理完成后，用吹净枪对涡轮叶片清洁处理，吹净残留砂粒；使用丙酮对涡轮叶片表面进行超声清洗；最后使用热风枪吹干试片表面。4....

【专利技术属性】
技术研发人员：徐毅，熊庆荣，石小江，张浩，程新琦，
申请(专利权)人：中国航发四川燃气涡轮研究院，
类型：发明
国别省市：四川,51