航空發動機薄膜熱電偶的研制范文

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摘要:針對航空發動機渦輪葉片表面溫度測試的迫切需求，采用薄膜沉積工藝，能夠在Ni基高溫合金表面制備熱電性能較好的中溫K型(NiCr/NiSi，＜600℃)、高溫R型(Pt—13%Rh/Pt，＜900℃)、超高溫(ITON/Pt，＜1100℃;InON/ITON，＞1200℃)等薄膜熱電偶。薄膜熱電偶由NiCrAlY過渡層、熱生長Al2O3層、Al2O3絕緣層、功能層和Al2O3保護層構成。通過靜態標定結果分析，其塞貝克系數分別達到38．26，10．60，78．60，123．10μV/℃，在惡劣環境下具有良好的穩定性和一致性，使用壽命均大于10h。

關鍵詞:薄膜熱電偶;熱電特性;靜態標定;塞貝克系數

引言

航空發動機作為現代航空飛行器的動力核心部件，正不斷向大推力、大推重比的方向發展，導致渦輪葉片表面、燃燒室內壁等部位的溫度越來越高。由于缺乏對渦輪葉片表面、燃燒室內壁溫度分布的了解［1］，渦輪葉片的冷卻效率及葉片局部熱點等問題一直存在，成為影響發動機性能和壽命提升的關鍵技術瓶頸。因此，實時、準確測量渦輪葉片表面溫度的分布狀態，對于航空發動機的設計和驗證實驗具有重大意義［2］。薄膜熱電偶具有不破壞測試部件結構、響應時間短、熱容量小、結構尺寸薄、對測試環境影響小、耐壓、耐熱、耐熱沖擊和抗剝離等［4］優點，在航空發動機渦輪葉片及燃燒室內壁表面等部位的溫度測量方面具有明顯的優勢。從20世紀80年代開始，國內外多家研究機構致力于研究航空發動機熱端部件表面溫度測量的薄膜傳感器。美國國家航空航天局的LeiJF等［5］、MartinLC等人［6］、WrbanekJD等人［7］和羅德島大學的TougasIM等人［8］就NiCr/NiSi，Pt-10%Rh/Pt，CrSi/TaC，Pt/Pd和In2O3/ITO等體系的薄膜熱電偶展開了多年的研究，并已應用于發動機熱端部件表面溫度的測試。國內，中國航發四川燃氣渦輪研究院與電子科技大學合作針對薄膜熱電偶開展了長期的研究，具體材料體系包括NiCr/NiSi(K型)［9］，Pt-10%Rh/Pt(S型)［9］，Pt-13%Rh/Pt(R型)［10］，ITO/Pt［11］，ITON/Pt［9］，InO/ITO［12］和InON/ITON［13］。目前，針對不同的燃氣溫度范圍，研制了若干種典型的薄膜熱電偶，包括中溫K型(NiCr/NiSi，＜600℃)、高溫R型(Pt-13%Rh/Pt，＜900℃)、超高溫(ITON/Pt，＜1100℃;InON/ITON，＞1200℃)等薄膜熱電偶，其使用壽命均大于10h。本文對這4種典型的薄膜熱電偶的制備工藝、靜態標定和熱電性能進行了總結，并利用相關技術成功研制了高溫合金部件表面的中溫、高溫、超高溫薄膜熱電偶。靜態標定結果表明，所有薄膜熱電偶在各自工作溫度范圍內均具有良好的線性度。

1實驗部分

1．1薄膜熱電偶的制備

薄膜熱電偶由NiCrAlY過渡層、熱生長Al2O3層、Al2O3絕緣層、熱電功能層(尺寸為63mm×1mm×1μm)和Al2O3保護層構成，結構如圖1所示。首先，先后采用丙酮、乙醇和去離子水對Ni基高溫合金基板的表面進行清洗，清洗后置于氮氣氣氛下干燥;再以Ni67Cr22Al10Y1合金為靶材，采用直流磁控濺射在Ni基高溫合金表面制備約15μm厚的NiCrAlY合金過渡層;然后將樣品置于真空熱處理爐內，在1000℃下真空處理6h，使NiCrAlY合金過渡層中的鋁元素向表面偏析，進而在相同溫度下通入氧氣，高溫氧化處理6h，使薄膜表面氧化形成約1．5μm厚的熱生長Al2O3層;再以純度為99．999%(重量百分比)的Al2O3顆粒為蒸鍍原料，采用電子束蒸發沉積約12μm厚的Al2O3絕緣層;采用高溫熱處理爐，在1000℃的大氣環境中將樣品退火處理2h;然后，采用掩模圖形化工藝和磁控濺射方法制備得到多種熱電功能層薄膜。其中，制備InON，ITON電極時，濺射氣氛為氮、氬氣氛，制備其余電極濺射氣氛僅為氬氣;采用電子束蒸發在熱電功能層薄膜表面沉積約3μm厚的Al2O3保護層。所制成的薄膜熱電偶樣品見圖2所示。

1．2薄膜熱電偶的靜態標定

采用靜態標定法對薄膜熱電偶進行標定，具體方法見相關文獻［14］。標定時，薄膜熱電偶電極的引腳處作為冷端，暴露在標定爐外，采用水冷夾具和循環冷卻水對引腳進行冷卻。熱端的薄膜熱電偶結點放置于標定爐內的恒溫區。標定時，K型、R型、ITON/Pt和InON/ITON薄膜熱電偶的結點分別置于250～600℃，300～1000℃，300～1100℃，300～1000℃高溫環境中。以Φ0．1mm的鉑絲作為導線，采用高溫銀漿將鉑絲固定在薄膜熱電偶的引腳處，從而實現信號的輸出。

2結果與討論

2．1K型薄膜熱電偶

K型薄膜熱電偶在250～600℃溫度范圍內進行靜態標定的標定結果如圖3(a)所示。從圖中可以看出，K型薄膜熱電偶2次循環標定的熱電勢輸出曲線基本重合，一致性良好。K型薄膜熱電偶的熱電性能可以按照式(1)所示的函數進行二次多項式擬合。由于K型熱電偶在熱端與冷端溫度差為0℃時應當沒有熱電勢輸出，因此設定二次多項式擬合的邊界條件C為0E=A(ΔT)2+BΔT+C(1)式中E為輸出熱電勢，ΔT為冷熱端溫差，A，B和C為系數。C=0mV時二次多項式擬合得到的結果為，第1次標定時A，B分別為－1．30×10－5mV/℃2，0．4424mV/℃，第2次標定時A，B分別為－1．28×10－5mV/℃2，0．4395mV/℃。從擬合結果中可以發現，兩次循環標定的熱電勢輸出曲線經擬合分析后得到K型薄膜熱電偶的塞貝克系數分別為38．38μV/℃和38．14μV/℃，平均塞貝克系數為38．26μV/℃，兩次標定結果的塞貝克系數相差很小，且平均塞貝克系數較大。為了更直觀描述薄膜熱電偶的熱電特性，描繪了靈敏度系數K值［9］隨熱端溫度變化的曲線，結果如圖3(b)所示，可以看出，隨著熱端溫度的升高K值呈現下降的趨勢，在熱端溫度不高于380℃時，K型薄膜熱電偶的K值可以保持在0．9以上，超過380℃后，也能達到0．8以上。

2．2R型薄膜熱電偶

R型薄膜熱電偶在300～1000℃溫度范圍內進行靜態標定的標定結果如圖4(a)所示。可以看出，R型薄膜熱電偶的熱電勢輸出經過第1次標定后更加穩定。在熱端溫度為300～900℃即冷熱端溫差為230～750℃之間，第2和第3次標定的熱電勢輸出曲線的線性度和重復性均較好。R型薄膜熱電偶的熱電性能可以按照式(1)進行二次多項式擬合。C=0mV時，二次多項式擬合得到的結果為，第1次標定，A，B分別為4．69×10－6mV/℃2，0．00605mV/℃;第2次標定A，B分別為4．20×10－6/℃2，0．00603mV/℃;第3次標定A，B分別為4．13×10－6mV/℃2，0．00592mV/℃。從擬合結果中可以發現，隨著標定次數的增加，R型薄膜熱電偶的塞貝克系數逐漸降低，分別是11．13，10．44和10．23μV/℃，平均塞貝克系數為10．60μV/℃。這主要是由于標定過程也是熱處理的過程，隨著標定熱處理的進行，PtRh薄膜中Rh的氧化逐漸加深，使得PtRh合金表面中Rh的比例下降，從而導致塞貝克系數降低［10］。另外，二次項系數隨標定次數的增加而降低，這說明隨著標定熱處理的進行，R型薄膜熱電偶的線性度逐漸提升，并趨于穩定。從圖4(b)可以看到，隨著熱端溫度的增大即冷熱端溫差的增大R型薄膜熱電偶的靈敏度K值變化非常小，始終在0．8～0．9之間。而且經過第1次標定熱處理后，后續標定結果間K值差異很小。

2．3ITON/Pt薄膜熱電偶

ITON/Pt薄膜熱電偶在300～1100℃溫度范圍內進行靜態標定的標定結果如圖5(a)所示。可以看出，經過第1次標定后熱電勢輸出曲線的重復性較好，說明ITON/Pt薄膜熱電偶經過一次標定后的熱電性能更加穩定。第1次標定相當于對ITON薄膜進行了熱處理，使ITON薄膜中的缺陷減少，從而改善了薄膜熱電偶的熱電性能。根據Kubakaddi模型［15］，ITON薄膜的塞貝克系數會隨著冷熱端溫差的增大先增大再減小，而Pt薄膜的塞貝克系數近似線性變化。作為半導體材料，ITON的塞貝克系數要比Pt大2個數量級，因此，ITON/Pt薄膜熱電偶的塞貝克系數隨著冷熱端溫差的增大會先增大再減小，以致于熱電勢輸出曲線呈現“S”型變化，如圖5(b)所示。ITON/Pt薄膜熱電偶的熱電性能可以按照式(2)所示的函數進行三次多項式擬合E=A(ΔT)3+B(ΔT)2+CΔT+D(2)式中E為輸出熱電勢;ΔT為冷熱端溫差;A，B，C和D為系數。三次多項式擬合得到的結果如表1所示。可以發現，ITON/Pt薄膜熱電偶的后四次標定結果的平均塞貝克系數為78．60μV/℃。

2．4InON/ITON薄膜熱電偶

InON/ITON薄膜熱電偶在300～1000℃溫度范圍內進行靜態標定的標定結果見圖6(a)所示。從圖中可知，In2O3/ITO薄膜熱電偶經過第1次靜態標定后，其熱電勢輸出曲線的重復性和線性度較好，說明其熱電性能較穩定。由于InON和ITON薄膜中存在缺陷，經過第1次靜態標定循環時，高溫熱處理使薄膜內部的缺陷減少，從而使InON/ITON薄膜熱電偶的熱電性能更加穩定。從圖6(b)中可知，第1次標定結果薄膜熱電偶的塞貝克系數起伏變化較大，以致于第1次標定的熱電勢輸出曲線呈現“S”型變化。而后3次標定，InON薄膜和ITON薄膜的穩定性更高，InON/ITON薄膜熱電偶的塞貝克系數起伏變化較小，因此熱電勢輸出曲線呈現出近線性變化。InON/ITON薄膜熱電偶的熱電性能可以按照式(2)所示的函數進行三次多項式擬合。三次多項式擬合得到的結果如表2所示。其中，三次和二次多項式的系數較小，說明熱電勢輸出曲線有較好的線性度。由擬合后得到4次標定結果的塞貝克系數知3次標定結果的塞貝克系數變化很小，說明薄膜熱電偶的熱電性能在經歷多個高溫循環后仍然保持了較好的穩定性。后3次標定結果的平均賽貝克系數為123．10μV/℃。

3結論

經過中國航發四川燃氣渦輪研究院與電子科技大學長期合作，成功研制了高溫合金部件表面的中溫、高溫、超高溫薄膜熱電偶。靜態標定結果表明，所有薄膜熱電偶在各自工作溫度范圍內均具有良好的線性度，同時在惡劣環境下具有很好的穩定性和重復性，使用壽命達到10h以上。薄膜熱電偶的成功研制，將為航空發動機熱端部件表面溫度測量提供先進測試手段，為航空發動機的設計和實驗驗證提供有力的技術支撐。同時該項成果還可以廣泛應用于其他高溫部件的表面溫度測試，具有廣闊的應用前景。

作者：楊柯 蔣洪川 趙曉輝 單位：中國航發四川燃氣渦輪研究院