熱電法在表征渦輪葉片滲鋁硅層厚度中的應(yīng)用

熊 瑛，張海軍，趙秀梅，段建剛

（1.沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限責(zé)任公司，沈陽 110043；2.中國人民解放軍駐沈陽黎明公司軍事代表室，沈陽 110043）

作為現(xiàn)代動力裝置的各種燃?xì)廨啓C，特別是航空發(fā)動機渦輪葉片，燃機的渦輪葉片，長期承受燃?xì)飧g和高溫的氧化，通常從表面開始破壞，解決這個問題的主要措施是在合金表面制備防護涂層[1]，以增強發(fā)動機渦輪葉片服役過程中的耐腐蝕性。滲鋁硅層由于有著良好的抗高溫氧化、抗腐蝕和耐磨性能，廣泛用于渦輪葉片的高溫防腐。通常在渦輪葉片葉身表面滲入一定厚度的鋁硅耐蝕層才能達到延長葉片使用壽命的目的，但是渦輪葉片位于發(fā)動機高溫處，受高溫氣流的沖蝕，一定時間后滲鋁硅層不可避免地都會有一定程度的減薄或局部脫落，失去對葉片的保護作用，故發(fā)動機到壽大修時，要求對分解下的渦輪葉片進行滲鋁硅層厚度的檢查工作，以期找到滲鋁硅層不合要求的葉片重新進行滲鋁硅處理，達到對葉片高溫防護的要求。

熱電法是利用材料的熱電性質(zhì)對不同材料進行區(qū)分[2]，利用熱電法可以很容易區(qū)分出來不同的金屬，而滲鋁硅層屬于金屬間化合物（半導(dǎo)體）[3]，不同的滲鋁硅層成分配比及厚度會影響熱電材料高溫區(qū)和低溫區(qū)之間的電位差，導(dǎo)致熱電檢查結(jié)果發(fā)生很大的變化，因此弄清熱電法在渦輪葉片滲鋁硅層厚度表征中的應(yīng)用規(guī)律，以便準(zhǔn)確可靠地用熱電法檢查渦輪葉片滲鋁硅層厚度，有非常重要的工程應(yīng)用價值。

1 熱電檢測工作原理

熱電性是金屬及其合金的主要物理性能之一，它與材料的成份和組織有密切的關(guān)系。把兩種不同的金屬A與B連成一閉合回路（圖1），若兩個接觸點處的溫度T1和T2不同，則回路中將有一個電勢E產(chǎn)生，近而產(chǎn)生熱電流流動，這個熱電現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。

熱電檢測的物理本質(zhì)是：A與B兩種金屬互相接觸時，它們之間要產(chǎn)生一個接觸電勢。造成電勢的原因有兩個：一是兩個金屬有不同的自由電子密度；二是兩個金屬的電子有不同的逸出功。

兩種不同金屬所產(chǎn)生的接觸勢V為：

式中，VA、VB分別為A及B兩種金屬的逸出電勢；nA、nB分別為A與B金屬的自由電子密度；K是波曼常數(shù)；T是絕對溫度；e是電子的電荷。

圖1 熱電檢測原理Fig.1 Principle of thermoelectric detection

2 試樣的制作

試樣制作應(yīng)滿足金相測量和熱電法測量的要求，故選取工作300h的渦輪葉片和新品葉片作為試樣原料，采用線切割的方法進行切割。為驗證葉片的結(jié)構(gòu)形狀對熱電法讀數(shù)的影響，在試樣切割前與切割后分別對同一位置進行熱電測量，切割前后讀數(shù)一致，說明切割后的試樣可以取代真實葉片，通過試樣得到的規(guī)律適用于真實葉片。最終依據(jù)試驗方案制備3套試樣為：（1）工作300h的渦輪葉片試樣兩組；（2）新品渦輪葉片試樣3組；（3）工作300h后拋光再滲鋁硅的葉片試樣、工作300h葉片試樣和工作300h拋光的葉片試樣各一組。

3 試驗與討論

3.1 工作300h的渦輪葉片試樣

選取某蠟?zāi)Ｌ枩u輪葉片切取2個截面A1、A2，每個截面各選取11個位置如圖2所示，保持環(huán)境溫度為25℃，熱電測量時熱端探頭與測量位置成90°，對每個位置采用熱電測量和金相測量一一對應(yīng)的方法，得到11個位置處的熱電勢值與滲層厚度。A1截面的測量數(shù)據(jù)見表1，其中滲層厚度為金相讀數(shù)后求平均值所得，繪制滲層厚度與熱電勢的變化規(guī)律曲線如圖3所示。

3.2 新品渦輪葉片試樣

制作 3 片低壓渦輪葉片C1、C2、C3，分別進行不同時間的滲鋁硅處理，其中C1葉片滲鋁硅時間為70min，C2葉片滲鋁硅時間為80min，C3葉片滲鋁硅時間為100min。將C1、C2、C3葉片解剖制作 3 組試樣后，保持環(huán)境溫度為25℃，熱電測量時熱端探頭與測量位置成90°，對圖4所示截面上7個位置采用熱電測量與金相測量一一對應(yīng)的方法，得到7個位置處的熱電勢值與滲層厚度，其中滲層厚度為金相讀數(shù)后求平均值所得，繪制滲層厚度與熱電勢的變化規(guī)律曲線如圖5所示。

圖2 葉片測量位置選擇示意圖Fig.2 Sketch map of measurement position of blade

表1 葉片A1截面測量數(shù)據(jù)

圖3 工作300h葉片滲層厚度與熱電勢的規(guī)律曲線Fig.3 Rule curve of thermoelectric potential and layer thickness of blade working 300 hours

圖4 C1、C2、C3試樣測量位置示意圖Fig.4 Sketch map of measurement position of C1、C2、C3 samples

圖5 新品葉片滲層厚度與熱電勢的規(guī)律曲線Fig.5 Rule curve of thermoelectric potential and layer thickness of new blade

3.3 3組不同狀態(tài)下的葉片試樣

在工作300h后拋修再滲鋁硅的葉片試樣、工作300h葉片試樣和工作300h拋光的葉片試樣上各選取7個位置，如圖6所示，保持環(huán)境溫度為25℃，熱電測量時熱端探頭與測量位置成90°，對每個位置采用熱電測量與金相測量一一對應(yīng)的方法，得到7個位置處的熱電勢值與滲層厚度，其中滲層厚度為金相讀數(shù)后求平均值所得，繪制滲層厚度與熱電勢的變化規(guī)律曲線如圖7所示。

3.4 試樣截面滲層觀察試驗及分析

將新品葉片試樣與工作300h葉片試樣在電鏡下進行觀察，并分別在滲層區(qū)域內(nèi)外選擇兩個位置點進行能譜分析，新品葉片試樣對應(yīng)的能譜成分含量見表2、表3；工作300h葉片試樣對應(yīng)的能譜成分含量見表4、表5?？梢钥闯鰸B鋁硅層內(nèi)層Al元素含量高于外層，內(nèi)層Si元素含量高于外層，其他元素的含量為葉片基體與滲鋁硅原料互擴散后引起的（主要元素為基體Ni元素），工作300h后Al元素有一定程度的下降。從滲鋁硅層的成分可以看出，滲鋁硅層基本上以金屬間化合物為主，金屬間化合物的熱電性質(zhì)與成分配比有關(guān)，不同的成分配比對應(yīng)不同的滲鋁硅層厚度，從圖3、圖5、圖7得到的規(guī)律曲線可以看出滲層厚度越大，熱電勢值越小。

圖6 3組不同狀態(tài)下的葉片試樣測量位置示意圖Fig.6 Sketch map of measurement position of blade samples in 3 states

圖7 3組不同狀態(tài)下的葉片滲層厚度與熱電勢的規(guī)律曲線Fig.7 Rule curve of thermoelectric potential and layer thickness of blades in 3 states

表2 外層能譜成分含量（新品葉片）

表3 內(nèi)層能譜成分含量（新品葉片）

表4 外層能譜成分含量（工作300h葉片）

表5 內(nèi)層能譜成分含量（工作300h葉片）

3.5 熱電法檢測的影響因素

3.5.1 熱端探頭與檢測位置角度變化的影響

熱電法檢測葉片表面滲鋁硅層時，采用熱端探頭直接接觸葉片進行檢查，熱端探頭與葉片接觸為面接觸，當(dāng)熱端探頭與葉片檢測位置角度變化時，面接觸的情況會發(fā)生變化，導(dǎo)致熱電檢測讀數(shù)產(chǎn)生變化，進而帶來檢測誤差。

3.5.2 環(huán)境溫度的影響

由于熱電法本身是利用溫度差形成的熱電勢來表征不同材料的熱電性質(zhì)，故環(huán)境溫度對熱電儀的準(zhǔn)確讀數(shù)影響較大。為驗證環(huán)境溫度對檢測的影響，通過改變溫度對同一試樣的3個部位進行測量，得到溫度變化對檢測讀數(shù)的影響如圖8所示，可以看出隨著溫度升高熱電檢測讀數(shù)減小。

3.5.3 零件表面異物的影響

零件表面存在異物（譬如油層）會影響材料的熱電性質(zhì)從而影響熱電檢測結(jié)果，為了驗證油層對熱電檢測讀數(shù)的影響，對同一試樣的3個部位分別在有油層和無油層情況下進行測量，得到油層對檢測讀數(shù)的影響如圖9所示，可以看出有油層時熱電檢測讀數(shù)變大。

3.6 熱電法檢測讀數(shù)的誤差分析

從熱電法檢測的影響因素來看，熱電法檢測讀數(shù)的誤差主要來源于3種原因：（1）熱端探頭與葉片檢測位置的接觸角度；（2）環(huán)境溫度的波動；（3）表面異物的影響。為此選取葉片A1截面對熱電法檢測誤差進行分析，主要進行3項試驗：（1）保持環(huán)境溫度為25℃，在熱端探頭與葉片測量位置分別成90°、70°、45°情況下進行熱電測量，得到不同角度的熱電勢值，誤差變化如圖10 所示；（2）在環(huán)境溫度分別為 23℃、25℃、28℃、30℃時保持熱端探頭接觸面與葉片測量位置成90°進行熱電測量，得到不同溫度的熱電勢值，誤差變化如圖11所示；（3）在葉片表面有油層和無油層的情況下，在環(huán)境溫度為25℃時，保持熱端探頭接觸面與葉片測量位置成90°進行熱電測量，得到不同表面情況下的熱電勢值，誤差變化如圖12所示。

圖8 環(huán)境溫度對熱電儀讀數(shù)的影響Fig.8 Influence of environment temperature on thermoelectric reading

圖9 油層對熱電儀讀數(shù)的影響（測量溫度為30℃）Fig.9 Influence of oil layer on thermoelectric reading（measurement temperature is 30℃）

圖10 探頭角度變化引起的熱電讀數(shù)誤差Fig.10 Thermoelectric reading error caused by the change of probe angle

圖11 環(huán)境溫度變化引起的熱電讀數(shù)誤差Fig.11 Thermoelectric reading error caused by the change of environment temperature

圖12 異物引起的熱電讀數(shù)誤差Fig.12 Thermoelectric reading error caused by foreign matter

從圖10、圖11、圖12得出：（1）表面異物帶來的誤差在7～8mV左右，因此在葉片進行滲鋁硅層熱電檢查前應(yīng)保持葉片表面清潔；（2）環(huán)境溫度波動在2～3℃之間時，熱電讀數(shù)誤差在1～2mV左右，因此在葉片進行滲鋁硅檢測時應(yīng)將環(huán)境溫度的波動控制在2～3℃之內(nèi)；（3）熱端探頭與葉片檢測位置的接觸角度相差45°時熱電讀數(shù)誤差在4～5mV左右，相差20°時熱電讀數(shù)誤差在1～2mV左右，因此在葉片進行滲鋁硅檢測時應(yīng)盡可能地保證熱端探頭與葉片檢測位置垂直。

4 結(jié)論

（1）通過上文試驗得出了滲鋁硅層熱電檢查的基本規(guī)律，滲鋁硅層厚度越大，熱電儀讀數(shù)越小，但是滲鋁硅層厚度與熱電儀讀數(shù)即熱電勢并沒有確定的函數(shù)關(guān)系，因此不能直接根據(jù)熱電儀讀數(shù)得出滲層厚度，工程應(yīng)用中必須依據(jù)標(biāo)定的葉片對比試樣采用熱電法對滲層厚度的合格與否進行當(dāng)量判定。

（2） 熱電法檢測讀數(shù)受多種因素影響，檢測時易帶來誤差，故在實際檢測時應(yīng)最大限度地控制各種因素帶來的誤差，盡可能地使所有檢測工作在同一條件下進行，方可保證檢測準(zhǔn)確可靠。

（3） 熱電法檢查滲鋁硅層的基本規(guī)律可推廣到金屬表面Al-Cr、Cr-Al-Si 和Pt-Al等涂層厚度的檢查，具有很高的工程推廣價值。

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