專利名稱：測量渦輪葉片隔熱層的損害的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及渦輪引擎的領域，更具體說，是涉及經(jīng)受高溫的這些渦輪引擎的部件的壽命的領域。
背景技術：
渦輪引擎的熱部分的部件，特別是渦輪葉片，在使用中受到極高的溫度條件，已設想保護措施使它們承受這些極端條件。在這些措施中包括涂層的沉積，稱作隔熱層，在它們的外表面，所述隔熱層保護它們在其中形成的金屬。隔熱層通常由大約100微米的陶瓷層組成，所述陶瓷層垂直地沉積到所述金屬層的表面上。幾十微米的鋁制襯層設置在陶瓷與金屬基底之間，通過在這兩個部件之間提供粘合連同葉片金屬的抗氧化保護完成隔熱層。陶瓷有僅具有較低熱膨脹的缺點，而形成葉片的基底由超耐熱合金型金屬制成，其具有較高的熱膨脹系數(shù)。熱膨脹系數(shù)的差異由柱形形式的陶瓷的形成補償，因為所述柱可相互分離以適應該基底的新寬度。這其中的一個結果是存在于在該渦輪引擎的射流中流動的氣體中氧氣與襯層的鋁接觸并逐漸氧化它。于是可觀察到隔熱層的老化，這取決于所產(chǎn)生的氧化鋁層的厚度。當其達到一定水平的損害時，該鋁襯層不再滿足其彈性功能，分層出現(xiàn)，隔熱層的剝落發(fā)生?；椎慕饘儆谑遣辉偈鼙Ｗo，葉片處于被非常迅速地退化的危險中。因此了解隔熱層的損害水平并阻止此剝落的出現(xiàn)是重要的。已設想許多監(jiān)測隔熱層狀態(tài)的技術，以得知一葉片是否可保持使用。在其中，僅在剝落已發(fā)生時探測缺陷的可視·檢查、紅外熱成像法或壓力光譜學(piezospectroscopy)是已知的。IR溫度記錄法直到現(xiàn)在還在使用，如專利申請EP 1494020的情況，通過它們改變產(chǎn)品的局部熱特性，僅用于探測鋁襯層中作為剝落預兆的分層。然而，其僅在缺陷已呈現(xiàn)時起作用。壓力光譜學測量在陶瓷隔熱層與鋁襯層之間的界面存在的應力。只要該隔熱層粘著到零件上，應力在此界面被測量，已知該障是完好的，然而應力的缺乏對應于在此界面上裂縫的出現(xiàn)。在此，探測僅發(fā)生在缺陷出現(xiàn)之后。現(xiàn)存的方法，僅通過探測一缺陷起作用，無法預測一部件的剩余壽命，也無法在損害變得很嚴重前對其進行干預。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是克服這些缺點，提供一種用于測量隔熱層老化的方法，其并不基于缺陷的先前呈現(xiàn)。為此，本發(fā)明的主題是一種用于評估設置在形成于一金屬基底中的部件上的隔熱層的損害的方法，所述隔熱層包括一鋁襯層和一陶瓷材料層，該陶瓷材料層具有垂直于所述基底的柱形結構，所述襯層位于所述基底與所述陶瓷層之間，所述部件設計為通過所述襯層的氧化與一氧化氣態(tài)介質和所述損害的發(fā)生器相接觸地使用，所述損害由存在于所述襯層中的被氧化金屬的厚度所限定，其特征在于，其包括一第一校準步驟，該第一校準步驟包括至少以下子步驟-選擇一定數(shù)量的校準元件，所述校準元件形成在所述基底中，并被所述隔熱層所覆蓋，所述元件受到由于暴露于表示所述使用的氧化條件中不同時間周期所導致的損害，-將所述校準元件暴露于一電磁輻射中一給定的時間周期，-對于各校準元件，測量在所述給定時間后，在該表面上獲得的溫度，-建立校準曲線，該校準曲線將所測量的溫度增加與所遭受的損害相聯(lián)系，和用于測量對所述元件的該隔熱層的損害的第二步驟，其包括以下子步驟-將所述待評估的元件暴露于所述輻射中以所述時間周期，-在所述給定時間后測量在該表面上所獲得的溫度， -在所述給定時間后將所測得的溫度增加繪制在所述校準曲線上，和-從所述校準曲線提取損害。在應用給定時間周期的輻射作用下溫度的升高表現(xiàn)出在由待評估部件所遭受的連續(xù)損害過程中已形成的氧化鋁層的厚度。利用在樣品上所進行的校準(已有損害的在前知識)，由一部件的隔熱層所遭受的損害可通過僅讀取所觀察到的溫度增加而確定。優(yōu)選地，所述輻射為可視范圍內的光輻射。在此頻率范圍內，所述陶瓷層是透明的，加熱裝置直接作用在氧化鋁層上。取決于氧化鋁層的厚度，作為其絕緣能力的結果，熱沿基底方向的發(fā)散可以或無法容易地發(fā)生，因此，更多或更少的熱被引向待評估部件的表面。有利地，所述輻射由至少一個鹵素燈的照明提供。這因而對應于貫穿整個可視范圍的具有聞福射能的燈。優(yōu)選地，對表面溫度的測量由在紅外區(qū)操作的相機執(zhí)行。本發(fā)明尤其涉及將上述方法應用于對渦輪引擎的渦輪葉片的損害的測量。


在參照附圖，對僅為示意性和非限定的通過示例所表示的本發(fā)明一個或更多實施例的詳細描述過程中，本發(fā)明將被更好地理解，其他目的、細節(jié)、特征和優(yōu)點將變得更清楚和明顯。在這些附圖中圖I是用于渦輪葉片的隔熱層的物理組成的示意圖；圖2是用于實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的用于評估一隔熱層損害的方法的一實驗結構的視圖；圖3是在實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的的方法的過程中，顯示作為幾個樣品的表面溫度的時間的函數(shù)的變化的視圖；圖4是顯示在實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的方法的過程中所達到的溫度與待評估樣品預先所遭受的損害之間的關系的視圖。
具體實施例方式參照圖1，可見一設置在一渦輪葉片的表面上的隔熱層的組成的截面圖。該葉片的金屬成分，典型為包含鎳的超耐熱合金，形成基底1，在該基底I上沉積一鋁層2，夾在基底I與陶瓷層4之間。該鋁層的作用是賦予該組件一定的彈性，以使其可吸收具有高熱膨脹的基底I與具有低熱膨脹的陶瓷4之間存在的熱膨脹差。陶瓷4具有柱形結構，這使得由于柱之間裂縫的出現(xiàn)而可橫向位移。然而，這種情況的一個結果是鋁與由在渦輪引擎的射流中流動的氣體所帶來的氧氣相接觸。鋁層2于是在一定厚度轉換為氧化鋁層3。該氧化鋁層的厚度為在高溫所消耗的時間的函數(shù)，這構成該隔熱層所遭受的損害的指示。本發(fā)明在于提供一種用于測量所述氧化鋁層3的厚度的技術?，F(xiàn)在參見圖2，可以看到一種裝置結構，其可利用根據(jù)本發(fā)明的方法進行分析一隔熱層在其壽命過程中所受到的損害。由例如圖I中所描述的待測損害隔熱層所覆蓋的元件10設置為面對一加熱系統(tǒng)11，加熱系統(tǒng)11在此顯示為兩個鹵素探照燈的形式。一用于測量該元件10表面溫度的裝置12與其相對設置，一用于記錄所測量溫度所經(jīng)過時間的變化的裝置(未示出)與該裝置相聯(lián)系。在所進行的實驗中，在無此基本結構的情況下，所述測量裝置12為具有未冷卻輻 射熱測量計的矩陣的熱感照相機，其具有50Hz的操作頻率和320X240的分辨率。圖3顯示由圖2中的裝置所測量，同時加熱一校準時間周期(典型為10秒)，隨后在其冷卻過程中的元件10的表面溫度Θ經(jīng)過時間的行為。此行為以五個樣品顯示，表示為圖中的“a”_ “e”，它們具有圓柱形樣品的相同形式，并覆蓋以隔熱層，所述隔熱層類似于所希望評估的在使用中的葉片上的隔熱層。這五個樣品經(jīng)歷不同的老化過程，對于五個所示的曲線分別對應于0、5、10、50或100標準老化周期。一個老化周期對應于溫度應用周期，隨后是冷卻周期，其假定為表示在飛行過程中一渦輪引擎的部件所遭受的損害。不同樣品10所經(jīng)歷的周期的數(shù)量于是表示配備有評估下隔熱層的渦輪葉片的操作的小時的一定數(shù)量。五個曲線中最高的曲線“a”對應于具有最低老化的樣品10，而最低的曲線“e”對應于具有最大損害的樣品。該五個曲線根據(jù)它們的漸減老化互相疊置。圖4顯示在取決于所經(jīng)歷老化周期的數(shù)量的對樣品10進行評估的所選時間后，由測量裝置12所測量的最大加熱△ Θ的值的諾模圖。在所觀察到的溫度最大值的值與由該部件所經(jīng)歷的周期的數(shù)量之間觀察到一規(guī)則的減少，因而觀察到一對一的聯(lián)系。溫度的一個且僅一個增加與所經(jīng)歷的周期的數(shù)量相聯(lián)系，相反，周期的一個數(shù)量可與溫度的增加相聯(lián)系?，F(xiàn)在將描述根據(jù)本發(fā)明的用于評估一隔熱層損害的方法的實施，使用圖2中的裝置結構，采用上文所描述的樣品10的實驗模型。通過打開紅外照相機12和給加熱裝置11加電而開始該過程。樣品10的加熱持續(xù)一預限定時間，例如大約10秒，隨后關閉，所述樣品隨后自然冷卻，如圖3中所示。在此整個時間過程中，該樣品的表面溫度由紅外照相機12測量。通過分析所制作的記錄，樣品10上所達到的最大溫度的值被精確測量，并繪制在圖表(圖4)上，給出所獲得的溫度的最大增量為所討論的樣品10先前所經(jīng)歷的老化周期的數(shù)量的函數(shù)。利用五個所評估的具有不同老化量的樣品，該所要求的方法在于建立圖4中的曲線，換句話說，建立在觀察一給定加熱時間的最大加熱與預先經(jīng)歷的老化之間存在的關系。此信息的收集當然可以樣品的最大數(shù)量和樣品老化周期的數(shù)量的最大變化而進行，以獲得更為精確的作為損害的函數(shù)的最大加熱的曲線，其不確定性邊際更好地得知。
使用此曲線，可通過使用相同裝置11對待測損害狀態(tài)的葉片進行加熱，加熱時間與用于建立曲線的時間相等，以測量所達到溫度的最大值。其所遭受的損害于是非常簡單地通過將所測得的值繪制在圖4中的曲線上，以及由此推導而獲得，橫坐標為所經(jīng)歷循環(huán)的數(shù)量。知道循環(huán)的數(shù)量，即可容易地由此推出該部件的剩余壽命，以將其送回繼續(xù)使用一段時間，或將其送修以再生其隔熱層。本發(fā)明所提供的優(yōu)點在于更好地使用葉片，僅確實損壞的葉片被送修，葉片得到適宜地使用。其結果是在失效或MTBF之間的平均 時間和/或檢修或TBO之間的平均時間的增加，這導致該渦輪引擎的所有權的總成本非常實質地減少。由本發(fā)明所實施的方法的原理是基于氧化鋁的厚度的測量，多虧用于葉片隔熱層的陶瓷所擁有的對可見光透明的性能。由鹵素燈所發(fā)出的可見光的光子穿過陶瓷層4，以到達氧化鋁層3使其加熱。由于氧化鋁是絕熱體，因此到達的熱傾向于優(yōu)選在陶瓷層4側部，而不是鋁層2和基底I的內部消散。此消散因此取決于存在于該隔熱層中的氧化鋁層的厚度，因此取決于該葉片預先經(jīng)歷的老化而不同地發(fā)生。其受到的老化越大，氧化鋁層的厚度越大，朝向陶瓷層引導的熱流越多；其結果是該部件的更高的表面溫度。通過熱感照相機12對葉片表面上溫度的測量于是給出預先經(jīng)歷老化的精確測量。此分析損害的方法使用可見光并使用陶瓷對此波長透明的特性進行了描述。其還可在圖4中圖的形式的適應后，使用在其他波長發(fā)射的輻射器來實施。在陶瓷對于所選擇波長不透明的情況下，溫度的消散由于氧化鋁的影響和其絕緣特性而將以不同形式發(fā)生；圖4中的曲線的形式于是也將不同。在任何情況下，陶瓷與基底之間氧化鋁的可變厚度的層的存在將在經(jīng)過一定時間后產(chǎn)生該部件表面溫度的行為的變化；于是它將在適合的實驗后在本領域普通技術人員的能力范圍內潛在地適合，以分析經(jīng)過一段時間后表面溫度的行為，以根據(jù)這些行為確定該隔熱層所受到的損害。
權利要求
1.一種用于評估設置在形成于一金屬基底(I)中的部件上的隔熱層的損害的方法，所述隔熱層包括一鋁襯層(2)和一陶瓷材料層(4)，該陶瓷材料層具有垂直于所述基底的柱形結構，所述襯層(2)位于所述基底(I)與所述陶瓷層(4)之間，所述部件設計為通過所述襯層的氧化與氧化氣態(tài)介質和所述損害的發(fā)生器相接觸地使用，所述損害由存在于所述襯層中的被氧化金屬的厚度所限定，其特征在于，其包括一第一校準步驟，該第一校準步驟包括至少以下子步驟 -選擇一定數(shù)量的校準元件(10)，所述校準元件形成在所述基底(I)中，并被所述隔熱層所覆蓋，所述元件受到由于暴露于表示所述使用的氧化條件中不同時間周期所導致的損害， -將所述校準元件(10)暴露于一電磁輻射中一給定的時間周期， -對于各校準元件(10)，測量在所述時間后，在該表面上獲得的溫度， -建立校準曲線，該校準曲線將所測量的溫度的增加與所遭受的損害相聯(lián)系， 和用于測量對所述元件的該隔熱層的損害的第二步驟，其包括以下子步驟 -將所述待評估的元件暴露于所述輻射中以所述給定的時間周期， -在所述時間后測量在該表面上所獲得的溫度， -在所述時間后將所測得的溫度的增加繪制在所述校準曲線上，和 -從所述校準曲線提取所述損害。
2.如權利要求I所述的方法，其中所述輻射為可視范圍內的光輻射。
3.如權利要求2所述的方法，其中所述輻射由至少一個鹵素燈(11)的照明提供。
4.如權利要求1-3中任何一項所述的方法，其中對表面溫度的測量由在紅外區(qū)操作的相機(12)執(zhí)行。
5.如權利要求1-4中任何一項所述的應用于渦輪引擎的渦輪葉片的方法。
全文摘要
用于評估應用于由金屬基底制成的部件上的隔熱層的損害的方法，所述隔熱層包括一鋁襯層和一柱形結構的陶瓷材料層，所述襯層位于所述基底與所述陶瓷層之間，其包括一第一校準步驟，該第一校準步驟包括選擇確定數(shù)量的校準元件，所述校準元件經(jīng)歷不同程度的損害，將所述校準元件暴露于輻射中一給定長度的時間，在該給定長度的時間后測量在該表面上獲得的溫度，建立一曲線，該曲線將溫度的增加與所損害相連，和測量對所述元件的該隔熱層的損害的第二步驟，其包括暴露于所述輻射中以所述長度的時間，測量所獲得的溫度，將溫度的增加與該校準曲線相聯(lián)系，從所述曲線提取損害水平。
文檔編號F01D5/28GK102933797SQ201180026186
公開日2013年2月13日 申請日期2011年5月27日 優(yōu)先權日2010年6月3日
發(fā)明者昆廷·米斯托拉 申請人:斯奈克瑪