【摘 要】
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航空发动机热端部件如涡轮叶片表面温度的准确测量对于验证发动机仿真模型的有效性、评估燃气的燃烧效率、评估热障涂层和冷却设计效果,对发动机的设计、试验、排故和维护都至关重要。SiC晶体测温方法具有尺寸小,可多点布测、无需复杂的引线,适合在高转速、空间狭小的半封闭空间等特殊部位的温度测量的优点。本文以航空发动机热端部件表面温度准确测量为背景,针对晶体测温判读技术,系统地开展了SiC微型晶体标定、判读算法
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航空发动机热端部件如涡轮叶片表面温度的准确测量对于验证发动机仿真模型的有效性、评估燃气的燃烧效率、评估热障涂层和冷却设计效果,对发动机的设计、试验、排故和维护都至关重要。SiC晶体测温方法具有尺寸小,可多点布测、无需复杂的引线,适合在高转速、空间狭小的半封闭空间等特殊部位的温度测量的优点。本文以航空发动机热端部件表面温度准确测量为背景,针对晶体测温判读技术,系统地开展了SiC微型晶体标定、判读算法及数据库建立等判读技术研究;并借鉴SiC晶体测温原理,创新性开展了AlN晶体薄膜的制备及测温判读技术研究;基于C#语言开发了微型测温晶体可视化判读软件。论文的主要工作如下:首先,开展了SiC微型晶体测温判读技术研究。将经过中子辐照的SiC晶体样品进行高温标定,标定温度为500-1400℃,时间为5-15分钟。采用拉曼光谱和X射线衍射对标定前后的样品进行相结构分析。拉曼光谱表征结果表明:高温标定后的SiC样品在790cm-1、973cm-1位置的峰随温度升高不断向右偏移,峰强降低。X射线衍射表征结果表明:SiC晶体的2θ衍射角随热处理温度和时间的增加呈现近似线性增大,衍射峰的半高宽(FWHM)随热处理温度和时间的增加呈现近似线性减小。这些现象说明,随着退火时间的累加以及退火温度的升高,辐照后的SiC晶体晶格内部缺陷逐渐减少,晶格从紊乱状态逐渐恢复为有序的结构。基于SiC标定样品的晶格参数与标定温度、时间的函数关系,利用MATLAB的多项式拟合建立了SiC测温晶体2θ和FWHM的温度判读算法,并绘制了2θ和FWHM标定曲线,建立了温度判读数据库。其次,开展了AlN晶体测温薄膜的制备及判读技术研究。采用中频磁控溅射,在Al2O3陶瓷片上制备出(002)弱C轴择优取向AlN薄膜。XRD结果表明:AlN薄膜衍射峰半峰宽较宽,为(002)弱择优取向,薄膜本征缺陷更多。经真空退火的AlN薄膜晶体的(002)衍射峰的2θ值仍随退火温度的升高与退火时间的累加逐渐增大,晶体内间隙原子填补空隙,晶格收缩,可作为温度判读依据。基于AlN薄膜的晶格参数(2θ)与退火温度、时间的函数关系,利用MATLAB多项式拟合建立2θ的温度判读算法,绘制了2θ标定曲线,建立了温度判读数据库。最后,根据SiC晶体与AlN晶体薄膜的测温判读算法,基于C#语言在WPF软件上进行了微型晶体温度判读软件的开发。设计了软件可视化界面与三个功能模块,分别为归一化时间历程曲线的处理模块、基于2θ温度判读模块、基于FWHM温度判读模块。利用三个功能模块,可以处理归一化时间历程曲线,利用内置函数与算法计算出被测样品在最高温度下的等效时间teqv以及最高温度Tmax。开发的微型晶体测温判读软件可以应用于SiC微型晶体与AlN晶体薄膜温度判读,该软件判读误差范围为0.16%~9.7%。
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