不可逆示温涂料的发展及应用

0 前 言
示温涂料是一种以颜色变化来指示物体表面温度变化及分布的特种功能性涂料,它是一种重要的非干涉式表面温度测量方法。其使用方便,成本低廉,广泛应用于航空、汽车、工业管道等多个领域的表面温度测试。示温涂料分为可逆示温涂料和不可逆示温涂料,本文主要介绍不可逆示温涂料的发展、研制和应用。不可逆示温涂料又分可为单变色不可逆示温涂料和多变色不可逆示温涂料。其中,单变色不可逆示温涂料指随温度变化颜色仅发生一次变化且颜色变化不可逆转;多变色不可逆示温涂料指随温度变化颜色连续发生多次(二次及以上)变化且颜色变化不可逆转。用单、多变色不可逆示温涂料测量发动机高温部件的表面温度是西方发达国家普遍采用的测温技术,因为这种测温技术可以获得所测试部件的温度场分布,而采用常规测量技术要得到这样的结果几乎是不可能的,特别是在高速旋转的部件上使用时不受任何限制,使它比热电偶更具优势。不可逆示温涂料在测试方法和测试手段上的优越性具有广阔的应用前景和极大的应用价值。示温涂料测温属于非干涉式测量,不影响被测试件的气动和传热特性,不损坏被测试验件的结构,具有直观形象的温度场颜色显示,不需要信号的物理传输介质就能实现高速旋转件如涡轮转子叶片表面温度场测量的技术特点,同时还具有恶劣环境中使用的技术优点,为各行业温度测试工程人员所接受。不可逆示温涂料在石油化工行业中可用于管道表面温度测量,在军事领域可用于航空发动机等高温部件试验测试工作,在汽车行业可用于汽油机活塞表面温度测量,具有广阔的应用领域和显著的军事、经济及社会效益。

1 不可逆示温涂料的发展
最早出现的示温涂料是1938年德国I . G法贝宁达斯公司的热色线(Thermcolor line)。20世纪40年代,示温涂料的研究和应用有了很大的发展,其主要为高温单变色和高温多变色不可逆示温涂料。在20世纪50~70年代,为满足航空发动机及炮弹等动态部件测温及超温报警的需要,国外对示温涂料(特别是高温不可逆示温涂料)进行了大量的研究工作。20世纪70年代以后,则逐渐转向低温及可逆示温涂料的研究。单变色不可逆示温涂料是最早研制和应用的示温涂料。德国的单变色不可逆示温涂料的温度范围在30~650 ℃,示温误差小于6 ℃;英国的Headland工程研究部研制的系列示温涂料,能测出±5 ℃的变化,从50~520 ℃有13个品种。各国也很重视多变色不可逆示温涂料的研制。已有几十个品种,温度跨度为60~1 300 ℃。如德国研制出9种双变色示温涂料,温度范围55~1 300 ℃;5种三变色示温涂料范围为65~340 ℃。如英国生产的型号分别为T P6、T P7、T P8的六变色、七变色、八变色的示温涂料,测温范围分别为500~1 150 ℃、600~1 070 ℃、420~910 ℃。

20世纪50年代,英国R R公司在发动机的研究中就广泛采用示温涂料来确定燃烧室和涡轮部件的温度分布。在以前的技术中,所采用的示温涂料主要来自英国的Thermindex公司、德国的Faber Castel公司。然而,这些涂料只能给出单一的温度显示。因此,要获得部件温度分布线就必须采用多种涂料,例如,在相同标定的5个涡轮叶片上采用5种不同的示温涂料,用5个温度值来反映叶片的综合结果,在旋转部件上可以获得富有意义的信息。60年代中期,R􀀀R公司开始研究多变色示温涂料来满足R B211研究计划对示温涂料的不断需求。早期的H P(高压)喷管导向叶片和H P涡轮叶片冷却计划的实施,很大程度上就是依赖第一代两种多变色高温示温涂料TP5、TP6所获得的信息。在国内,对示温涂料的研究起始于20世纪60年代,到90年代初研制了几种用于发动机高温部件测量的不可逆示温涂料,为我国航空发动机表面温度测量做出了巨大的贡献。但由于颜色不够分明,判读是以颜色为基准,判断误差大(±80 ℃以上),加之用量小,技术发展缓慢,到90年代中期,由于不适应表面温度测试技术的发展,逐步被淘汰。由于西方在先进技术上对我国的封锁,为打破国外的技术垄断,解决国内在航空发动机等热力机械热端部件表面温度测量方面的技术难题,中航工业燃气涡轮研究院从20世纪90年代初开始了对不可逆示温涂料的研究工作,为完成多型航空发动机的壁面温度测试,以及为国内各研究院、所急需的在研、在役项目高温部件测量提供技术支持,节约试验经费,缩短研制周期而启动不可逆示温涂料测温技术的研究。

针对国外技术封锁和国内示温涂料应用效果差的情况下,中航工业燃气涡轮研究院成立了不可逆示温涂料研发团队,开展了不可逆示温涂料相关技术研究,建立了不可逆示温涂料实验室,研发了不可逆示温涂料标定设备,采用等温线标定技术对新配制的示温涂料进行标定,重点突破配方的研制和实际使用后变色不清、等温线难辨等技术难点,通过多年的技术积累,自行设计了不可逆示温涂料配方,国内首创的采用基于等温线辨识的全量程标定方法,已研制出单变色不可逆示温涂料测温精度±5 ℃、多变色不可逆示温涂料测温精度±10 ℃的系列产品,测温范围100~1 100 ℃。通过对不可逆示温涂料的研究,已研制出具有自主知识产权的系列化产品,产品性能指标达到国际同类产品先进水平。所研制的单、多变色不可逆示温涂料在航空发动机、燃气轮机及活塞发动机等多个行业领域高温部件的壁面温度测试中取得了成功应用。

2 不可逆示温涂料的研制
经过不可逆示温涂料的变色机理的理论研究,通过对国内已有变色、体质和功能颜料、基料、填料和稀释剂等进行筛选。首先进行配方实验,针对不同的配方进行相关的显色、遮盖力、附着力以及测温影响因素等试验研究,将配制的不可逆示温涂料利用空气喷涂法涂覆于标准试片上,再通过反复的全量程标定试验和真实环境的考核不可逆示温涂料的测温性能来最终确定示温涂料的配方。已研制出多种单、多变色不可逆示温涂料,其主要技术指标和特点如下:

2.1 主要技术指标
(1)测温范围:100~1 100 ℃。
(2)测温精度:单变色±5 ℃、多变色±10 ℃。

2.2 主要技术特点
(1)可测量表面温度场连续分布,结果准确、直观,变色清晰、稳定,易于判读和长期保存。
(2)可用于其他测温传感器或测温方法不便实施的恶劣环境下测量,如:运动部件表面、大面积表面、复杂物体表面等。
(3)不破坏被测试件的结构和工作状态,不影响被测试件的气动和传热特性,被测试件可反复使用。
(4)具有反应不可逆的特点,将保持所经历最高温度对应的颜色,可作为被测温度变化的永久性记录。
(5)使用简单、方便,试验周期短,应用成本低。
(6)还可用于燃气轮机、工业管道、陶瓷和塑料的表面温度测量,应用涉及领域广。
不可逆示温涂料的部分标定试片如图1所示。

3 不可逆示温涂料的应用
不可逆示温涂料用来测量航空发动机、燃气轮机、活塞式发动机等高温分布具有突出的优点,如:使用方便,不破坏物体表面形状,不改变气流状态;可以完成其他方法无法测量的零部件表面温度测试等。由于不可逆示温涂料与一般测温方式相比有许多特点,目前,示温涂料作为一种非干涉测温手段,在工业、国防、研究工作等各方面广泛应用。对测量高温高速旋转构件和复杂构件的表面温度以及显示大面积温度分布有独到之处。研制的不可逆示温涂料成功应用于多型航空发动机壁面温度测试,为国内飞机及航空发动机的研制提供了必要的技术支持,为新一代军民用航空发动机研制奠定了坚实的基础;成功应用于国家863计划某型燃机项目,为其燃烧室的高效复合冷却设计的诊断和优化提供了测试手段;成功应用于汽油机活塞超温问题的诊断测量,成功解决了活塞烧结、气缸咬合等难题。以自行研制的不可逆示温涂料应用于某发动机燃烧室的成功测试案例,讲述了其广阔的应用前景。测试前示温涂料颜色如图2所示,采用两种多变色不可逆示温涂料。测试后测温判读结果如图3所示。测温判读结果表明,在航空煤油燃烧的燃气环境下,示温涂料没有发生脱落现象,成功录取了壁面温度的分布情况,高低温分布区域与理论预估相吻合。


4 结 语
研制的不可逆示温涂料已成功在多个军民技术领域得到了广泛的应用。国内首创的提出了基于等温线辨识的标定、判读方法、编制了《示温漆测温工艺规范》(Q /11S313-2004),大大提高了测量精度,突破了国内示温涂料精度低、附着力弱、显色效果不佳和判读困难等关键技术,具有极大的工程实图3 测试结果用价值。最近几年国内经济和科学技术的发展,推动了不可逆示温涂料的发展,而且在某些领域和高新技术中,不可逆示温涂料已成为不可代替的材料。不可逆示温涂料目前在兵器、航空航天、机械、发动机及电机等领域都有广泛的应用。不可逆示温涂料的广泛应用前景,随着科技进步,对不可逆示温涂料的测温精度提出了更高的要求。以航空领域为例,现代航空发动机设计朝着“三高”(即高涡轮前温度、高增压比和高转速)的方向发展,且采用了大量新方法、新技术、新材料及新结构,对发动机温度测试工作提出了更高的要求,因此需研制测温范围更广,测温精度更高的不可逆示温涂料来满足航空发动机对壁面温度的示温涂料不断需求。目前,不可逆示温涂料还有以下几个主要方向需进行深入研究:
(1)纳米不可逆示温涂料研究。相比于传统的示温涂料,纳米示温涂料在性能方面有显著的提高。纳米示温涂料在颜料、填料的细度、附着力、涂层显色方面均优于现有示温涂料,能够有效地提高测量精度。
(2)高、低温示温涂料研制。研制测温温度更高/更低的、测温精度更高的单、多变色不可逆示温涂料能够进一步扩大示温涂料的推广应用范围。
(3)在涡轮叶片测温中的应用。在高温、高速气流状态下应用单、多变色不可逆示温涂料进行测温是一个难点,故进行该项研究对示温涂料技术的发展具有重要的意义。

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