周 峰 歐陽(yáng)永杰 王龍南 童 劍 張一飛

（1、中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002 2、重慶大學(xué)光電工程學(xué)院，重慶 400044 3、北京飛機(jī)維修工程有限公司，北京 100621）

1 概述

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制是一項(xiàng)涉及空氣動(dòng)力學(xué)、工程熱物理、傳熱傳質(zhì)、機(jī)械、強(qiáng)度、傳動(dòng)、密封、電子、自動(dòng)控制等多學(xué)科的復(fù)雜綜合性系統(tǒng)工程，必須依托先進(jìn)的測(cè)試方法，進(jìn)行大量的試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證性能及可靠性。在發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程中，渦輪葉片、燃燒室機(jī)匣、渦流器等高溫構(gòu)件燒蝕甚至斷裂等故障的發(fā)生，滑油系統(tǒng)故障、軸承異常磨損、封嚴(yán)裝置碰磨等現(xiàn)象也時(shí)常出現(xiàn)，這些故障通常會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件、盤(pán)腔溫度異常升高，甚至損壞構(gòu)件表面；很多發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高、尺寸小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)于轉(zhuǎn)子構(gòu)件、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的熱端部件表面溫度測(cè)試（如狹小腔體的溫度測(cè)試），很難獲取溫度數(shù)據(jù)，這使得高溫測(cè)量成為發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試中難度較大、最迫切需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一，也使得各個(gè)研究機(jī)構(gòu)不斷創(chuàng)新和改進(jìn)溫度測(cè)試技術(shù)的方法和手段。

晶體測(cè)溫技術(shù)是一種近年來(lái)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試領(lǐng)域興起的以輻照缺陷的熱穩(wěn)定性為基礎(chǔ)建立起來(lái)的溫度測(cè)試技術(shù)，最早由蘇聯(lián)庫(kù)爾恰托夫研究所發(fā)明，當(dāng)時(shí)晶體材質(zhì)選用的是金剛石，測(cè)溫范圍為（100～1000）℃，精度為±10%，二十世紀(jì)后俄羅斯、美國(guó)將這種技術(shù)發(fā)揚(yáng)光大，推出第二代輻照晶體，采用碳化硅代替金剛石，測(cè)溫范圍擴(kuò)展為（150～1400）℃，精度也大幅度提升。目前，晶體測(cè)溫技術(shù)已成為國(guó)外航空領(lǐng)域重要的測(cè)溫手段，利用該技術(shù)進(jìn)行測(cè)溫的國(guó)家已從原來(lái)的俄羅斯和美國(guó)，逐漸發(fā)展到烏克蘭、德國(guó)、日本和瑞士等國(guó)家，他們都有一批專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員從事測(cè)溫晶體的制造、標(biāo)定、應(yīng)用研究工作，發(fā)展至今已經(jīng)形成了完善的研發(fā)及應(yīng)用體系，其中SIEMENS 公司在SGT-800 燃?xì)廨啓C(jī)上布設(shè)1975個(gè)晶體測(cè)點(diǎn)成功測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)熱區(qū)溫度更是成為行業(yè)應(yīng)用典范。

國(guó)內(nèi)的晶體測(cè)溫技術(shù)研究起步較晚，2009 年國(guó)內(nèi)天津大學(xué)學(xué)者報(bào)告首次出現(xiàn)相關(guān)技術(shù)介紹，2013 年王鵬飛等人首次利用衍射峰半高寬的退火回復(fù)規(guī)律開(kāi)發(fā)出國(guó)內(nèi)的輻照碳化硅晶體，可實(shí)現(xiàn)（500～1400）℃范圍內(nèi)的最高溫度測(cè)量[1]。隨后國(guó)內(nèi)晶體測(cè)溫技術(shù)發(fā)展迅速，中國(guó)航發(fā)動(dòng)力所等發(fā)動(dòng)機(jī)研究單位積極開(kāi)展該技術(shù)的應(yīng)用探索，在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中積累了大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，初步形成研發(fā)和應(yīng)用體系，目前正在完善行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范[2]。

2 晶體測(cè)溫技術(shù)簡(jiǎn)介

2.1 測(cè)溫原理

晶體測(cè)溫是一種用中子輻照過(guò)的晶體為信息載體，通過(guò)建立起物性（一般用輻照晶體的晶格常數(shù)表征）與經(jīng)歷最高溫度之間的函數(shù)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)最高溫度測(cè)量的技術(shù)。該技術(shù)基于輻照晶體自身“溫度記憶效應(yīng)”，本質(zhì)是利用晶體缺陷的熱穩(wěn)定性，在核反應(yīng)堆中對(duì)晶體進(jìn)行中子輻照，引入具有特定熱穩(wěn)定性的各種缺陷，在中子輻照過(guò)程中，離位峰效應(yīng)導(dǎo)致晶體局部區(qū)域產(chǎn)生大量缺陷，例如：間隙原子、空位、間隙原子團(tuán)、空位團(tuán)、空洞、位錯(cuò)、層錯(cuò)等，破壞晶體原子周期性排列的特點(diǎn)。隨著輻照注量的增大，離位峰發(fā)生的次數(shù)逐漸增加，非晶態(tài)區(qū)域的濃度也在不斷增大。當(dāng)輻照注量增大到非晶化閥值時(shí)，非晶態(tài)區(qū)域便可以疊加到一起，導(dǎo)致整個(gè)晶體發(fā)生晶態(tài)- 非晶態(tài)轉(zhuǎn)變，即輻照導(dǎo)致晶體晶格從有序性變?yōu)闊o(wú)序性，如圖1 所示[3]。

圖1 晶體經(jīng)中子輻照后的晶格變化示意圖

輻照后的晶體隨著自身經(jīng)歷的溫度升高，因輻照導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變化會(huì)漸漸恢復(fù)，晶體經(jīng)歷的最高溫度越高，晶體結(jié)構(gòu)的殘余缺陷濃度就越低，當(dāng)溫度升到晶體測(cè)溫上限，晶體將恢復(fù)到未輻照時(shí)的水平，變化示意圖如圖2所示。

圖2 輻照后晶體經(jīng)歷高溫后的晶格變化示意圖

綜上所述，晶體所經(jīng)歷的最高溫度和殘余缺陷濃度具有一一對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，通過(guò)標(biāo)定試驗(yàn)將二者的函數(shù)關(guān)系建立起來(lái)，擬合標(biāo)定曲線(xiàn)，利用晶體測(cè)溫時(shí)，獲取晶體經(jīng)歷高溫后的殘余缺陷濃度，反查標(biāo)定曲線(xiàn)就能確定其所經(jīng)歷的最高溫度，晶體就是通過(guò)這樣的方式進(jìn)行溫度測(cè)量的。

2.2 輻照晶體溫度傳感器

目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試使用的均為碳化硅輻照晶體溫度傳感器，屬于第二代產(chǎn)品，制作工序較為復(fù)雜。首先選取結(jié)晶質(zhì)量、表面粗糙度、位錯(cuò)密度、微管密度和晶體彎曲度等各項(xiàng)指標(biāo)滿(mǎn)足要求的碳化硅晶體，切割成大小合適的晶片，進(jìn)行退火處理，消除內(nèi)部固有缺陷；隨后將晶片放入核反應(yīng)堆進(jìn)行中子輻照，輻照過(guò)程要求中子總注量達(dá)到1020n/cm2，使其內(nèi)部產(chǎn)生缺陷，隨著輻照注量的增大，非晶態(tài)區(qū)域的濃度也在不斷增大，當(dāng)輻照注量增大到非晶化閥值時(shí)，就會(huì)發(fā)生晶態(tài)- 非晶態(tài)轉(zhuǎn)變；中子輻照完成后，使用特殊工藝將晶片切割成一個(gè)個(gè)微小尺寸的晶體，晶片切割的過(guò)程會(huì)使得部分小晶體發(fā)生崩邊、斷角的情況，篩選出完好的晶體，一部分用于標(biāo)定試驗(yàn)，一部分作為輻照晶體溫度傳感器[4]。

當(dāng)前市場(chǎng)上國(guó)外的輻照晶體溫度傳感器尺寸規(guī)格一般為0.2×0.2×0.38mm3，測(cè)溫范圍為（150～1400）℃，理想狀態(tài)時(shí)測(cè)溫精度可達(dá)±3.3℃，實(shí)際應(yīng)用中可達(dá)±5℃；國(guó)產(chǎn)的輻照晶體溫度傳感器尺寸規(guī)格一般為0.2×0.2×0.2mm3或0.3×0.3×0.3mm3，測(cè)溫范圍為（500～1400）℃，測(cè)溫精度可達(dá)±10℃。

2.3 技術(shù)特點(diǎn)

晶體測(cè)溫技術(shù)和其它表面溫度測(cè)試技術(shù)相比，僅需將輻照晶體傳感器安裝到待測(cè)點(diǎn)即可實(shí)施測(cè)溫，且尺寸較小，幾乎不占用空間，無(wú)需引線(xiàn)連接，無(wú)需考慮測(cè)溫環(huán)境是否狹窄、待測(cè)部位外形是否規(guī)則，對(duì)轉(zhuǎn)子部件及復(fù)雜部件的拐角、凸起、凹陷等部位均可實(shí)施測(cè)溫，還可以多點(diǎn)測(cè)量獲得部件在最大狀態(tài)下的溫場(chǎng)分布。

表1 晶體測(cè)溫與常規(guī)測(cè)溫方法的對(duì)比

3 晶體測(cè)溫流程

使用輻照晶體溫度傳感器進(jìn)行測(cè)溫時(shí)，需要先選取部分同批次的傳感器進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，擬合標(biāo)定曲線(xiàn)，作為后期溫度判讀的標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)；試驗(yàn)前，先根據(jù)試驗(yàn)技術(shù)要求評(píng)估試驗(yàn)件待測(cè)測(cè)點(diǎn)位置是否能夠開(kāi)槽布設(shè)輻照晶體溫度傳感器，經(jīng)過(guò)安全性分析后確定具體測(cè)試方案；根據(jù)測(cè)試方案使用電火花在試驗(yàn)件測(cè)點(diǎn)位置上開(kāi)槽，安裝好傳感器，用高溫膠封裝好；根據(jù)試驗(yàn)大綱進(jìn)行晶體測(cè)溫試驗(yàn)，試驗(yàn)中必須保證最高溫度時(shí)間要求；試驗(yàn)結(jié)束后通過(guò)特殊的工序?qū)鞲衅鞑鸪?，最后依照?biāo)定曲線(xiàn)進(jìn)行溫度判讀。整個(gè)測(cè)溫流程如圖3 所示。

圖3 晶體測(cè)溫流程示意圖

4 傳感器的安裝與拆除

由于輻照晶體傳感器自身的特殊性，它的安裝與拆除便成為晶體測(cè)溫過(guò)程中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到傳感器的成活率和試驗(yàn)的成功率，需要工程經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)人員，配備專(zhuān)用的精細(xì)工具，嚴(yán)格按照規(guī)定操作流程操作實(shí)施。

傳感器安裝前，需采用電火花工藝在試驗(yàn)件具體測(cè)點(diǎn)位置表面開(kāi)圓槽，完成后清洗圓槽并擦拭干凈于自然條件下風(fēng)干。安裝時(shí)，將試驗(yàn)件置于高倍顯微鏡下，鏡頭對(duì)準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)位置，調(diào)節(jié)粗準(zhǔn)焦螺旋和燈光，在顯微鏡下觀(guān)察找到測(cè)點(diǎn)位置圓槽，使用專(zhuān)用鑷子等工具將輻照晶體溫度傳感器裝至測(cè)點(diǎn)位置的圓槽中，如圖4 所示。隨后調(diào)制好高溫膠，填充圓槽的剩余空間，盡量一次性填充并抹平到位，避免重復(fù)操作，待高溫溫膠完全凝固后，將試驗(yàn)件裝配后再開(kāi)展試驗(yàn)。

圖4 晶體安裝示意圖

晶體測(cè)溫試驗(yàn)結(jié)束后，發(fā)動(dòng)機(jī)分解，取下裝有輻照晶體傳感器的試驗(yàn)件，置于水中，水的深度必須浸沒(méi)測(cè)點(diǎn)位置，浸泡時(shí)間為24～48 小時(shí)，高溫膠遇水失去活性喪失固化能力，浸泡后將試驗(yàn)件取出擦拭干凈，再次置于高倍顯微鏡下，調(diào)節(jié)粗準(zhǔn)焦螺旋和燈光，在顯微鏡下觀(guān)察找到測(cè)點(diǎn)位置圓槽，用專(zhuān)用工具刮落圓槽內(nèi)的高溫膠直至晶體完全露出，使用專(zhuān)用鑷子將輻照晶體溫度傳感器取出并存放到專(zhuān)用盒子內(nèi)，做好標(biāo)記[5]。

5 晶體的標(biāo)定與判讀

晶體的標(biāo)定是溫度判讀的依據(jù)，是整個(gè)晶體測(cè)溫過(guò)程中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到測(cè)溫的準(zhǔn)確性。標(biāo)定過(guò)程即是對(duì)晶體進(jìn)行一系列熱處理的過(guò)程，選用和發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)溫試驗(yàn)同一批但不用于試驗(yàn)的晶體，進(jìn)行高溫退火處理，溫度區(qū)間（450～1450）℃，溫度間隔20℃，進(jìn)行退火保溫，時(shí)間統(tǒng)一選擇5 分鐘，不同的晶體經(jīng)歷了不同的溫度退火，輻照缺陷回復(fù)也各不相同，退火溫度越高殘余輻照缺陷濃度越低，晶體原子排列的有序度越高，晶格越接近未輻照晶體的水平；退火完成后使用X 射線(xiàn)衍射儀測(cè)量各不同溫度下的晶體輻照缺陷回復(fù)率，每一個(gè)溫度對(duì)應(yīng)一組回復(fù)率數(shù)據(jù)，依據(jù)這些數(shù)據(jù)，擬合成標(biāo)定曲線(xiàn)，如圖5 所示[4]。

圖5 標(biāo)定曲線(xiàn)示意圖

晶體的判讀與標(biāo)定密切相關(guān)，測(cè)溫試驗(yàn)結(jié)束后，從試驗(yàn)件中取出輻照晶體溫度傳感器，使用X 射線(xiàn)衍射儀獲取其晶體輻照缺陷回復(fù)率，反查擬合標(biāo)定曲線(xiàn)，找到對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，其縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的溫度值即為該輻照晶體溫度傳感器經(jīng)歷的最高溫度。

6 應(yīng)用實(shí)例

在某型發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)中，采用輻照晶體傳感器測(cè)試燃燒室火焰筒、渦輪轉(zhuǎn)子葉片的表面溫度，了解其高溫點(diǎn)分布情況。燃燒室火焰筒測(cè)15 個(gè)測(cè)點(diǎn)，用熱電偶測(cè)溫方法進(jìn)行對(duì)比，晶體測(cè)點(diǎn)與熱電偶測(cè)點(diǎn)盡可能接近，渦輪轉(zhuǎn)子葉片測(cè)9 個(gè)點(diǎn)，用示溫漆測(cè)溫方法進(jìn)行對(duì)比，晶體測(cè)點(diǎn)在示溫漆測(cè)量區(qū)域內(nèi)。試驗(yàn)根據(jù)圖3 流程進(jìn)行，傳感器安裝完畢后，發(fā)動(dòng)機(jī)按照試驗(yàn)大綱進(jìn)行試驗(yàn)，在最大狀態(tài)停留5 分鐘（和晶體標(biāo)定時(shí)間一致），試驗(yàn)完成后將輻照晶體傳感器拆除依照標(biāo)定曲線(xiàn)進(jìn)行溫度判讀。

根據(jù)判讀結(jié)果，燃燒室火焰筒晶體壁溫測(cè)點(diǎn)溫度值與熱電偶測(cè)點(diǎn)最大狀態(tài)溫度值接近，最大相差8℃，最小相差3℃，渦輪轉(zhuǎn)子葉片晶體壁溫測(cè)點(diǎn)溫度值包含在示溫漆溫度判讀區(qū)間內(nèi)。通過(guò)試驗(yàn)可以看出，晶體測(cè)溫技術(shù)在特殊區(qū)域應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯、可操作性強(qiáng)、測(cè)溫精度較高，在發(fā)動(dòng)機(jī)溫度測(cè)試領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。

7 注意事項(xiàng)

晶體測(cè)溫技術(shù)是工程性比較強(qiáng)的技術(shù)，在工程應(yīng)用會(huì)出現(xiàn)很多實(shí)際問(wèn)題，需要去注意：（1）試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，使用電火花在試驗(yàn)件上測(cè)點(diǎn)位置開(kāi)圓槽時(shí)，圓槽底部會(huì)有毛刺，有可能會(huì)對(duì)輻照晶體溫度傳感器造成損壞，所以必須保證圓槽底部平整。（2）試驗(yàn)過(guò)程中必須保證在最大狀態(tài)持續(xù)停留時(shí)間與標(biāo)定曲線(xiàn)時(shí)間一致，一般為5 分鐘，若不一致，將無(wú)法保證測(cè)溫精度。（3）試驗(yàn)過(guò)程中和試驗(yàn)結(jié)束試驗(yàn)件分解時(shí)，輻照晶體溫度傳感器測(cè)點(diǎn)位置不能浸泡水。（4）輻照晶體溫度傳感器拆除時(shí)，將試驗(yàn)件浸泡在水中，測(cè)點(diǎn)位置圓槽開(kāi)口需朝上，否則可能造成傳感器丟失。

8 發(fā)展與展望

最近幾年微型晶體測(cè)溫技術(shù)的發(fā)展有很大的突破，但是航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)測(cè)試技術(shù)的要求越來(lái)越高，還需要從下面幾個(gè)方面來(lái)進(jìn)行研究：（1）適應(yīng)新一代發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試需求，拓寬測(cè)溫范圍，提高測(cè)溫精度。（2）與示溫漆測(cè)溫、紅外測(cè)溫等其他測(cè)溫方法搭配使用，相互驗(yàn)證。（3）制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，為晶體測(cè)溫技術(shù)的工程推廣應(yīng)用提供技術(shù)指導(dǎo)。（4）探索在陶瓷基等新一代非金屬高溫復(fù)合材料上實(shí)施晶體測(cè)溫的技術(shù)途徑。