一种提高光纤传感器喷涂安装中涂层结合强度的方法技术

本发明专利技术涉及一种提高光纤传感器喷涂安装中涂层结合强度的方法，属于航空发动机测试领域。所述安装方法首先使用大气等离子喷涂工艺制备镍基合金涂层(厚度100μm～300μm)对光纤传感器涂层进行局部预固定，再使用高压冷喷涂工艺制备镍基合金涂层完成安装，同时对预固定涂层进行夯实强化。基于该方法制备的复合涂层厚度在(0.4～2)mm之间可调，涂层孔隙率小于1％，结合强度大于60MPa，实现了光纤应变和温度传感器在航空发动机叶片上的可靠安装，安装成功率大于90％。通过该方法，可实现1050℃内航空发动机叶片表面长时间的应变和温度测量，该方法也可用于其他类型发动机或高超飞行器等1050℃内其他热端部件的表面应变和温度测量。

【技术实现步骤摘要】
一种提高光纤传感器喷涂安装中涂层结合强度的方法
本专利技术涉及一种提高光纤传感器喷涂安装中涂层结合强度的方法，可用于1050℃以下航空发动机叶片表面长时间的应变及温度测量，属于航空发动机测试领域。
技术介绍
航空发动机作为工作在高温、高压、高转速环境下的动力机械，叶片等热端部件承受着极为严酷、复杂的热力载荷。高温应变既是表征热力载荷的关键设计参数，也是导致结构失效的主要原因。我国由于高温应变测量手段的不完善，导致发动机热端部件设计缺乏数据支撑，极大影响研制进度和使用安全。目前，高温应变片是发动机高温应变测试中最常用的方法。高温应变片是将电阻应变片安装在被测零件表面，通过信号传输由信号采集与分析系统获取应变片输出值的变化，并换算成应变值，得到所需要的应变或应力值。应变片的优点是动静应变均可测量、误差较小，缺点是高温下应变计的灵敏度系数改变、热输出和热滞后增加，并且安装后会影响被测零件的结构阻尼和频率、以及强度和寿命。光纤传感器由于具有耐高温、尺寸小、抗电磁干扰等显著优势，已成为国际上解决高温应变测量问题的重要发展趋势。对于接触式应变传感器而言，安装方法是传感器应用中的一个关键技术，以往以粘接和焊接为主。硅系粘接剂一般用于300℃以下的温度环境，300℃以上普遍采用高温陶瓷粘接剂，此类粘接剂通常需要进行多次高温固化处理，与基底结合强度偏低，高温作用和温度循环下容易开裂甚至剥落，并且这类粘接剂在高温状态下的物理性能会发生变化，影响测量精度。而焊接安装方法对零件等基体材料和焊接材料都要求较高，高温状态下焊接性不好，焊接点属于测量中的薄弱环节。相对传统的胶粘和焊接技术，耐高温、结合强度高、不需要进行高温处理的喷涂方法在高温应变测量领域开始了推广应用。专利“一种光纤光栅高温应变测试装置及其安装方法”(CN201310527017.8)专利技术了一种应用于结构热试验辐射热环境下的光纤布拉格光栅高温应变测试装置及其安装方法，该方法是用陶瓷胶制作安装层，将光纤与石英管固定在被测零件表面，主要用于复合材料结构的高温应变测量。喷涂工艺的特点决定了涂层与零件的结合机理主要为机械咬合，因此零件表面处理以及涂层材料和工艺对涂层的结合强度有着重要的影响。据国内外研究进展和喷涂工艺技术特点，首选涂层材料是镍基合金材料或者氧化锆等陶瓷基材料。由于镍基合金材料与高温合金等金属零件材料体系相近，热膨胀性能接近，热匹配性好，因此结合强度更高；并且相比于利用热能熔化粒子的热喷涂工艺，利用动能使粒子塑性变形的冷喷涂工艺制备的涂层更为致密，在高温环境下不氧化，因此本专利将采用冷喷涂工艺制备高致密度镍基合金涂层，实现光纤传感器在航空发动机叶片等热端部件上的可靠安装,从而实现高温应变及温度测量。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种提高光纤传感器喷涂安装中涂层结合强度的方法，主要应用但不限于航空发动机叶片的表面应变和温度检测。该安装方法首先使用大气等离子喷涂工艺制备镍基合金涂层(厚度100μm～300μm)对光纤传感器涂层进行局部预固定，再使用高压冷喷涂工艺制备镍基合金涂层完成安装，同时对预固定涂层进行夯实强化。所制备的压应力镍基合金涂层，厚度在(0.4～2)mm可控，涂层孔隙率＜1％，组织致密均匀，整体结合强度大于60MPa，安装成功率＞90％，降低了复合涂层的残余内应力，具有良好的安装效果、更高的可靠性和使用寿命。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的：一种提高光纤传感器喷涂安装中涂层结合强度的方法，包括如下步骤：(1)预处理：对零件进行清洁处理，使用酒精或丙酮对零件待安装区域进行刷洗，刷洗后使用压缩空气吹干；使用吹砂防护胶带对零件不安装部位进行遮蔽防护，通过多轴机械手(也可采用手工)夹持的压入式吹砂枪对待安装区域进行吹砂粗化，吹砂后使用压缩空气对待安装区域进行吹扫清洁，去除防护胶带，使用酒精(或丙酮)对零件进行超声波浸泡清洗后压缩空气吹干。得到洁净粗化表面。(2)光纤传感器喷涂前保护：使用无残胶纸胶带将光纤安装部位两边固定，保持光纤整体保持平整，再使用高温胶带和喷涂防护工装覆盖美纹胶带表面和光纤的其他部分。(3)传感器预固定：通过多轴机械手夹持的大气等离子喷枪在待安装区域喷涂，涂层材料采用抗腐蚀，抗热震性能好的多元镍基合金粉末，喷涂功率(40～80)kW，主气流量(40～80)l/min，次气流量(5～20)l/min，送粉量(50～150)g/min，载气流量(4～15)l/min，喷涂距离(120～200)mm。涂层厚度(0.1～0.3)mm，喷涂过程中使用压缩空气对零件其他部分进行冷却，基体温度控制在(150℃±20℃)。(4)涂层制备：通过多轴机械手夹持的冷喷涂喷枪在零件表面的待安装区域喷涂光纤安装涂层，涂层材料采用抗腐蚀、抗热震性能好的镍基合金粉末，氮气压力(40～50)bar，氮气流量(75～95)m3/h，氮气温度(900～1100)℃，喷涂距离(20～40)mm，喷枪移动速度(300～600)mm/s，喷枪步距(1～3)mm，载气流量(3～6)m3/h，送粉量(50～150)g/min，涂层厚度(0.3～1.8)mm。(5)后处理：将所有喷涂防护去除，检查光纤安装部位及区域，使用酒精或丙酮擦洗胶带残留物，用压缩空气吹干后包装，完成光纤传感器安装。(6)检测：对涂层性能进行检测，包括结合强度以及抗热震性。有益效果本专利技术涉及一种提高光纤传感器喷涂安装中涂层结合强度的方法，属于航空发动机测试领域。该方法是在镍基高温合金、钛合金等航空发动机叶片表面，采用复合冷喷涂工艺制备高致密度镍基合金涂层。基于该方法制备的涂层，厚度在(0.4～2)mm可控，涂层孔隙率＜1％，组织致密均匀，整体结合强度大于60MPa，实现了光纤应变和温度传感器在航空发动机叶片上的可靠安装，安装成功率大于90％。通过该方法，可实现1050℃内航空发动机叶片表面长时间的应变及温度测量，该方法也可用于其他类型发动机或高超飞行器等1050℃内其他热端部件的表面应变和温度测量。附图说明图1为本专利技术安装方法工艺路线图；图2为本专利技术光纤传感器安装结构示意图；图3为本专利技术光纤传感器安装后涂层结构照片；其中，1-零件，2-涂层，3-光纤传感器，4–预固定层。具体实施方式下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术的保护范围。实施例1：GH3536叶片零件1表面镀金光纤传感器3安装一种提高光纤传感器喷涂安装中涂层结合强度的方法，如图1所示，包括如下步骤：1)预处理：佩戴洁净医用橡胶手套，用软毛刷和酒精将GH3536叶片零件1刷洗后压缩空气吹干，使用DEWERE6475-05胶带对GH3536叶片不安装部位进行遮蔽防护，将GH本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提高光纤传感器喷涂安装中涂层结合强度的方法，包括预处理、光纤传感器喷涂前保护、传感器预固定和后处理；其特征在于：还包括涂层制备；/n所述涂层制备步骤位于传感器预固定和后处理之间；/n所述涂层制备方法为：通过多轴机械手夹持的冷喷涂喷枪在零件表面的待安装区域喷涂光纤安装涂层，涂层材料采用抗腐蚀、抗热震性能好的镍基合金粉末，氮气压力40～50bar，氮气流量(75～95)m

【技术特征摘要】
1.一种提高光纤传感器喷涂安装中涂层结合强度的方法，包括预处理、光纤传感器喷涂前保护、传感器预固定和后处理；其特征在于：还包括涂层制备；
所述涂层制备步骤位于传感器预固定和后处理之间；
所述涂层制备方法为：通过多轴机械手夹持的冷喷涂喷枪在零件表面的待安装区域喷涂光纤安装涂层，涂层材料采用抗腐蚀、抗热震性能好的镍基合金粉末，氮气压力40～50bar，氮气流量(75～95)m3/h，氮气温度(900～1100)℃，喷涂距离(20～40)mm，喷枪移动速度(300～600)mm/s，喷枪步距(1～3)mm，载气流量(3～6)m3/h，送粉量(50～150)g/min，涂层厚度(0.3～1.8)mm。


2.如权利要求1所述方法，其特征在于：所述预处理方法为：对零件进行清洁处理，使用酒精或丙酮对零件待安装区域进行刷洗，刷洗后使用压缩空气吹干；使用吹砂防护胶带对零件不安装部位进行遮蔽防护，通过多轴机械手(也可采用手工)夹持的压入式吹砂枪对待安装区域进行吹砂粗化，吹砂后使用压缩空气对待安装区域进行吹扫清洁，去除防护胶带，使用酒精(或丙...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈爽，隋广慧，张欣颖，
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：北京;11