Фосфорная термометрия: методы измерения температуры поверхности и разработка термобарьерных покрытий-сенсоров.

Введение

Фосфорная термометрия – это оптический метод измерения температуры поверхности. Метод основан на использовании люминесценции, испускаемой фосфорным материалом. Фосфоры – это тонкие белые или пастельных оттенков неорганические порошки, которые могут быть возбуждены различными способами для люминесценции, то есть излучения света. Определенные характеристики излучаемого света изменяются в зависимости от температуры, включая яркость, цвет и длительность послесвечения. Последнее чаще всего используется для измерения температуры.

История

Первое упоминание об измерении температуры с использованием люминофора содержится в двух патентах, первоначально зарегистрированных Полом Нойбертом в 1932 году.

Зависимость от температуры линий выбросов: коэффициент интенсивности

Второй метод определения температуры основан на отношении интенсивностей двух отдельных линий излучения; изменение температуры покрытия отражается в изменении спектра фосфоресценции. Этот метод позволяет измерять распределение температуры по поверхности. Преимущество метода, основанного на отношении интенсивностей, заключается в том, что загрязненная оптика оказывает незначительное влияние на измерения, поскольку он сравнивает отношения между линиями излучения. Загрязненные поверхности или оптика оказывают одинаковое влияние на все линии излучения.

Термографическое применение фосфора в теплозащитном покрытии

Термобарьерное покрытие (TBC) позволяет компонентам газовых турбин выдерживать более высокие температуры в горячей части двигателей, сохраняя при этом приемлемый срок службы. Эти покрытия представляют собой тонкие керамические покрытия (в несколько сотен микрометров), обычно на основе оксидных материалов. Ранние работы рассматривали возможность интеграции люминесцентных материалов в качестве датчиков эрозии в ТБК. В 1998 году было введено понятие «теплозащитного сенсорного покрытия» (сенсор TBC) для определения температуры. Вместо нанесения слоя люминофора на поверхность, где необходимо измерить температуру, было предложено локально изменять состав TBC таким образом, чтобы оно выполняло функцию термографического люминофора, а также служило защитным тепловым барьером. Этот материал с двойной функциональностью позволяет измерять температуру поверхности, но также может обеспечить возможность измерения температуры внутри ТБК и на границе металл/покрытие, что позволяет создавать интегрированный теплопотокомер. Первые результаты, полученные с порошками циркония, стабилизированного иттрием, содопированного европием (YSZ:Eu), были опубликованы в 2000 году. В них также были продемонстрированы измерения под поверхностью, осуществляемые путем просмотра через 50-микронный недопированный слой YSZ и регистрации фосфоресценции тонкого (10 мкм) слоя YSZ:Eu (двухслойная система), расположенного под ним, с использованием метода ESAVD для нанесения покрытия. Первые результаты по физическому осаждению из паровой фазы TBC с использованием электронного луча были опубликованы в 2001 году. Исследуемым покрытием было однослойное покрытие из стандартного YSZ, содопированного диспрозием (YSZ:Dy). Первые работы по промышленным системам сенсорных покрытий, наносимых методом атмосферного плазменного напыления (APS), начались около 2002 года и были опубликованы в 2005 году. В них продемонстрированы возможности сенсорных покрытий APS для проведения двухмерных измерений температуры in situ в испытательных стендах с использованием высокоскоростной камеры. Кроме того, была продемонстрирована возможность измерения температуры сенсорными покрытиями APS при температурах выше 1400 °C. Были представлены результаты, полученные для многослойных сенсорных ТБК, позволяющих одновременно измерять температуру под поверхностью и на ней. Такое многослойное покрытие также может использоваться в качестве теплопотокомера для контроля теплового градиента и определения теплового потока через толщину ТБК в реальных условиях эксплуатации.

A thermal barrier coating (TBC) allows gas turbine components to survive higher temperatures in the hot section of engines, while having acceptable life times. These coatings are thin ceramic coatings (several hundred micrometers) usually based on oxide materials. Early works considered the integration of luminescent materials as erosion sensors in TBCs. The notion of a "thermal barrier sensor coating" (sensor TBC) for temperature detection was introduced in 1998. Instead of applying a phosphor layer on the surface where the temperature needs to be measured, it was proposed to locally modify the composition of the TBC so that it acts as a thermographic phosphor as well as a protective thermal barrier. This dual functional material enables surface temperature measurement but also could provide a means to measure temperature within the TBC and at the metal/topcoat interface, hence enabling the manufacturing of an integrated heat flux gauge. First results on yttria stabilized zirconia co doped with europia (YSZ:Eu) powders were published in 2000. They also demonstrated sub surface measurements looking through a 50 μm undoped YSZ layer and detecting the phosphorescence of a thin (10 μm) YSZ:Eu layer (bi layer system) underneath using the ESAVD technique to produce the coating. The first results on electron beam physical vapour deposition of TBCs were published in 2001. The coating tested was a monolayer coating of standard YSZ co doped with dysprosia (YSZ:Dy). First work on industrial atmospheric plasma sprayed (APS) sensor coating systems commenced around 2002 and was published in 2005. They demonstrated the capabilities of APS sensor coatings for in situ two dimensional temperature measurements in burner rigs using a high speed camera system. Further, temperature measurement capabilities of APS sensor coatings were demonstrated beyond 1400 °C. Results on multilayer sensing TBCs, enabling simultaneous temperature measurements below and on the surface of the coating, were reported. Such a multilayer coating could also be used as a heat flux gauge in order to monitor the thermal gradient and also to determine the heat flux through the thickness of the TBC under realistic service conditions.

Применение термографических фосфоров в ТБК

Хотя вышеупомянутые методы ориентированы на обнаружение температуры, включение фосфоресцирующих материалов в теплозащитное покрытие также может служить микрозондом для выявления механизмов старения или изменений других физических параметров, влияющих на локальное атомное окружение оптически активного иона. Было продемонстрировано обнаружение процессов горячей коррозии в YSZ, вызванной атакой ванадия.