基于光纤传感器的陶瓷基复合材料结构温度测试方法技术

本发明专利技术涉及一种基于光纤传感器的陶瓷基复合材料结构温度测试方法，属于航空发动机测试技术领域。该方法是在陶瓷基复合材料基材的曲面零件表面，制备耐高温陶瓷复合涂层对柔性光纤传感器进行安装固定，通过预先对光纤传感器测试数据标定获得的温度拟合曲线，实现对复合材料基材零件的结构温度测试。该方法可用于下一代航空发动机用陶瓷基复合材料曲面零件高温工作环境下的结构温度测试，为相关材料和部件的开发、验证和改进提供有效地数据支撑。验证和改进提供有效地数据支撑。验证和改进提供有效地数据支撑。

【技术实现步骤摘要】
基于光纤传感器的陶瓷基复合材料结构温度测试方法


[0001]本专利技术涉及一种基于光纤传感器的陶瓷基复合材料结构温度测试方法，能够实现对复合材料基材零件在航空发动机高温工作环境下的结构温度测试，属于航空发动机测试


技术介绍

[0002]当前航空发动机研制中，开始研制使用碳化硅陶瓷基复合材料(CMC
‑
SiC)作为发动机中等载荷静止部件如燃烧室、导向叶片、涡轮外环和尾喷管等材料，以满足航空领域对更高推重比、更低耗油率、更高稳定性发动机的研发需求。作为最新一代发动机的使用材料，碳化硅陶瓷基复合材料具有高比强、高比模、高硬度、耐磨损、耐腐蚀的优异力学性能，和高温抗氧化、抗烧蚀、高温热稳定性好、纤维和基体间热应力小的优异高温稳定性能，但是也存在使用上的很多问题，如基于碳化硅陶瓷基复合材料的热端部件长期工作在高温氧化环境下，经受强烈的热应力，承受各种环境侵蚀，纤维性能变化较大；缺乏特定应用条件下的测试数据作为设计输入；结构变化具有很大的随机性，作为发动机热端部件使用时不能采用惯用的确定性设计方法，必须以实际测试数据为依据进行可靠性分析，从而为相关材料和部件的开发、验证和改进提供支撑。
[0003]为准确获得热端部件的寿命就需要获得热端部件的温度分布情况，但是当前热端部件的高温温度测试难度较大。接触法常用的示温漆一般属于定性测量，测温精度较低，同时只能获得最高温度；基于电阻等的温度测量方法，则存在受发动机三高环境电磁干扰严重的问题。光纤传感器具有耐高温、尺寸小、抗电磁干扰等显著优势，可有效用于基于碳化硅陶瓷基复合材料的热端部件的结构温度测试，其灵活的柔性传感器结构设计和安装方式更可适用于涡轮叶片等多种曲面零件的表面形状，而通过采用等离子喷涂工艺制备热膨胀系数匹配性良好的耐高温陶瓷复合涂层对柔性光纤传感器进行安装固定，所制备的耐高温陶瓷复合涂层与基体之间具有良好的热膨胀系数匹配和结合强度，提高了光纤传感器在陶瓷基复合材料曲面零件表面的高可靠性安装和准确测试。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种基于光纤传感器的陶瓷基复合材料结构温度测试方法；该方法是在陶瓷基复合材料基材的曲面零件表面，制备耐高温陶瓷复合涂层对柔性光纤传感器进行安装固定，通过预先对光纤传感器测试数据标定获得的温度拟合曲线，实现对复合材料基材零件的结构温度测试。
[0005]基于光纤传感器的陶瓷基复合材料结构温度测试方法，包括如下步骤：
[0006]步骤一、对待安装的光纤传感器进行温度标定，获得标定曲线；
[0007]1)、将标准温度传感器与光纤传感器放置于高温炉中，确保两者处于同一等温线上，光纤传感器连接解调仪表及上位机，标准温度传感器连接温度计；
[0008]2)、设置多个标定温度点；在各标定温度点下，记录标准温度传感器温度示值与光
纤传感器输出光学量数值；自然降温至室温；重复测试多次以上；
[0009]3)、对步骤一2)得到的多组标准热电偶示值与光纤传感器的输出光学量数值进行二次项拟合，得到温度
‑
光学量函数关系式：
[0010]λ
n
＝a
n
T2+b
n
T+c
n
[0011]式中：λ
n
为光纤传感器的输出光学量数值，T为标准热电偶示值，n为标定试验循环次数；a
n
、b
n
、c
n
为系数；
[0012]将标定温度点分别带入到每一次的试验的温度
‑
输出光学量函数关系式中，得到标定点下的光纤传感器的输出光学量数值，对光纤传感器的输出光学量数值取平均值，标定温度点与对应温度点下的光纤传感器的输出光学量数值平均值二次项拟合，得到光纤传感器的标定曲线：
[0013]λ＝Aλ2+Bλ+C；
[0014]式中，λ为光纤传感器的输出光学量数值；A、B、C为传感器标定曲线函数系数。
[0015]步骤二、通过基于等离子的热喷涂安装工艺将柔性光纤传感器固定安装在零件表面；
[0016]预处理：对零件进行清洁处理，使用酒精对零件待安装区域进行刷洗，刷洗后使用清洁压缩空气吹干。
[0017]过渡层制备：使用金属遮蔽工装对零件不安装区域进行遮蔽防护，通过连接工装安装在低压等离子喷涂系统真空舱内的零件转台或旋转轴上，采用热膨胀系数比基材稍大且高温抗氧化、抗渗透性能良好的纯Si粉，通过机械手夹持的低压等离子喷枪在零件表面的待安装区域喷涂Si过渡层，喷涂至设定的涂层厚度。
[0018]过渡层热处理：零件过渡层喷涂完成后，去除防护工装，放入真空热处理炉内进行真空扩散处理。
[0019]中间层制备：按照设计需要进行中间层制备(也可无中间层)，通过多轴机械手夹持的大气等离子喷枪在零件表面的待安装区域喷涂中间层，涂层材料采用热膨胀系数高于Si过渡层、热稳定性较高的3Al2O3‑
2SiO2粉末，喷涂过程中使用压缩空气对零件其他部分进行冷却，喷涂至设定的涂层厚度。
[0020]光纤传感器保护与固定：使用无残胶石棉胶带将光纤安装部位在待安装区域内两边固定，保持光纤整体平整，再使用热喷涂高温胶带和防护工装覆盖石棉胶带表面和光纤的其他部分。
[0021]安装面层制备：通过多轴机械手夹持的大气等离子喷枪在零件表面的待安装区域喷涂光纤安装面层，涂层材料采用热膨胀系数高于Si过渡层和3Al2O3‑
2SiO2中间层、隔热和抗CMAS腐蚀性能良好的硅酸盐陶瓷粉末，喷涂过程中使用压缩空气对零件其他部分进行冷却，喷涂至设定的涂层厚度。
[0022]后处理：将所有喷涂防护物去除，检查光纤安装部位及区域，使用酒精擦洗胶带残留物，用压缩空气吹干后包装，完成光纤传感器安装。
[0023]步骤三、利用高温炉对安装有光纤传感器的零件进行温度加载和测试；
[0024]将零件置于高温炉中，进行温度加载，记录各温度点下的传感器输出的光学量数值。
[0025]步骤四、数据处理，计算得到零件结构温度。
[0026]将步骤三得到的光学量数值代入步骤一得到的标定曲线中，得到该输出光学量数值对应的温度值，即该零件结构的温度。
[0027]还可以在步骤三的零件背面同时安装标准热电偶，所述标准热电偶采集到的温度用于与步骤四光纤传感器计算得到的温度进行对比，以验证光纤传感器测试与计算结果的准确性。
[0028]有益效果
[0029]1、本专利技术涉及基于光纤传感器的陶瓷基复合材料结构温度测试方法，属于航空发动机测试
该方法是在陶瓷基复合材料基材的曲面零件表面，采用等离子喷涂工艺制备耐高温陶瓷复合涂层对柔性光纤传感器进行安装固定，并通过对光纤传感器测试数据的标定，给出不同温度点下的温度拟合曲线，实现对复合材料基材零件的结构温度测试。
[0030]2、本专利技术的述方法制备的耐高温陶瓷复合安装涂层与基体之间具有良好的热膨胀系数匹配和结合本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于光纤传感器的陶瓷基复合材料结构温度测试方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、对待安装的光纤传感器进行温度标定，获得标定曲线；1)、将标准温度传感器与光纤传感器放置于高温炉中，确保两者处于同一等温线上，光纤传感器连接解调仪表及上位机，标准温度传感器连接温度计；2)、设置多个标定温度点；在各标定温度点下，记录标准温度传感器温度示值与光纤传感器输出光学量数值；自然降温至室温；重复测试多次以上；3)、对步骤一2)得到的多组标准热电偶示值与光纤传感器的输出光学量数值进行二次项拟合，得到温度
‑
光学量函数关系式：λ
n
＝a
n
T2+b
n
T+c
n
式中：λ
n
为光纤传感器的输出光学量数值，T为标准热电偶示值，n为标定试验循环次数；a
n
、b
n
、c
n
为系数；将标定温度点分别带入到每一次的试验的温度
‑
输出光学量函数关系式中，得到标定点下的光纤传感器的输出光学量数值，对光纤传感器的输出光学量数值取平均值，标定温度点与对应温度点下的光纤传感器的输出光学量数值平均值二次项拟合，得到光纤传感器的标定曲线：λ＝Aλ2+Bλ+C；式中，λ为光纤传感器的输出光学量数值；A、B、C为传感器标定曲线函数系数。步骤二、通过基于等离子的热喷涂安装工艺将柔性光纤传感器固定安装在零件表面；步骤三、利用高温炉对安装有光纤传感器的零件进行温度加载和测试；将零件置于高温炉中，进行温度加载，记录各温度点下的传感器输出的光学量数值；步骤四、数据处理，计算得到零件结构温度；将步骤三得到的光学量数值代入步骤一得到的标定曲线中，得到该输出光学量数值对应的温度值，即该零件结构的温度。2.如权利要求1所述基于光...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈爽，张欣颖，隋广慧，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所，
类型：发明
国别省市：