航空发动机薄膜热电偶的研制-精品文档.docx

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1、航空发动机薄膜热电偶的研制摘要:针对航空发动机涡轮叶片外表温度测试的迫切需求，采用薄膜沉积工艺，能够在Ni基高温合金外表制备热电性能较好的中温K型(NiCr/NiSi，600)、高温型(Pt13%h/Pt，900)、超高温(ITON/Pt，1100;InON/ITON，1200)等薄膜热电偶。薄膜热电偶由NiCrAlY过渡层、热生长Al2O3层、Al2O3绝缘层、功能层和Al2O3保护层构成。通过静态标定结果分析，其塞贝克系数分别到达3826，1060，7860，12310V/，在恶劣环境下具有良好的稳定性和一致性，使用寿命均大于10h。关键词:薄膜热电偶;热电特性;静态标定;塞贝克系数航空发

2、动机作为当代航空飞行器的动力核心部件，正不断向大推力、大推重比的方向发展，导致涡轮叶片外表、燃烧室内壁等部位的温度越来越高。由于缺乏对涡轮叶片外表、燃烧室内壁温度分布的了解1，涡轮叶片的冷却效率及叶片局部热门等问题一直存在，成为影响发动机性能和寿命提升的关键技术瓶颈。因而，实时、准确测量涡轮叶片外表温度的分布状态，对于航空发动机的设计和验证明验具有重大意义2。薄膜热电偶具有不毁坏测试部件构造、响应时间短、热容量小、构造尺寸薄、对测试环境影响小、耐压、耐热、耐热冲击和抗剥离等4优点，在航空发动机涡轮叶片及燃烧室内壁外表等部位的温度测量方面具有明显的优势。从20世纪80年代开场，国内外多家研究机构

3、致力于研究航空发动机热端部件外表温度测量的薄膜传感器。美国国家航空航天局的LeiJF等5、MartinLC等人6、WrbanekJD等人7和罗德岛大学的TougasIM等人8就NiCr/NiSi，Pt-10%h/Pt，CrSi/TaC，Pt/Pd和In2O3/ITO等体系的薄膜热电偶展开了多年的研究，并已应用于发动机热端部件外表温度的测试。国内，中国航发四川燃气涡轮研究院与电子科技大学合作针对薄膜热电偶开展了长期的研究，详细材料体系包括NiCr/NiSi(K型)9，Pt-10%h/Pt(S型)9，Pt-13%h/Pt(型)10，ITO/Pt11，ITON/Pt9，InO/ITO12和InON/

4、ITON13。目前，针对不同的燃气温度范围，研制了若干种典型的薄膜热电偶，包括中温K型(NiCr/NiSi，600)、高温型(Pt-13%h/Pt，900)、超高温(ITON/Pt，1100;InON/ITON，1200)等薄膜热电偶，其使用寿命均大于10h。本文对这4种典型的薄膜热电偶的制备工艺、静态标定和热电性能进行了总结，并利用相关技术成功研制了高温合金部件外表的中温、高温、超高温薄膜热电偶。静态标定结果表明，所有薄膜热电偶在各自工作温度范围内均具有良好的线性度。1实验部分11薄膜热电偶的制备薄膜热电偶由NiCrAlY过渡层、热生长Al2O3层、Al2O3绝缘层、热电功能层(尺寸为63m

5、m1mm1m)和Al2O3保护层构成，构造如图1所示。首先，先后采用丙酮、乙醇和去离子水对Ni基高温合金基板的外表进行清洗，清洗后置于氮气气氛下枯燥;再以Ni67Cr22Al10Y1合金为靶材，采用直流磁控溅射在Ni基高温合金外表制备约15m厚的NiCrAlY合金过渡层;然后将样品置于真空热处理炉内，在1000下真空处理6h，使NiCrAlY合金过渡层中的铝元素向外表偏析，进而在一样温度下通入氧气，高温氧化处理6h，使薄膜外表氧化构成约15m厚的热生长Al2O3层;再以纯度为99999%(重量百分比)的Al2O3颗粒为蒸镀原料，采用电子束蒸发沉积约12m厚的Al2O3绝缘层;采用高温热处理炉，

6、在1000的大气环境中将样品退火处理2h;然后，采用掩模图形化工艺和磁控溅射方法制备得到多种热电功能层薄膜。其中，制备InON，ITON电极时，溅射气氛为氮、氩气氛，制备其余电极溅射气氛仅为氩气;采用电子束蒸发在热电功能层薄膜外表沉积约3m厚的Al2O3保护层。所制成的薄膜热电偶样品见图2所示。12薄膜热电偶的静态标定采用静态标定法对薄膜热电偶进行标定，详细方法见相关文献14。标定时，薄膜热电偶电极的引脚处作为冷端，暴露在标定炉外，采用水冷夹具和循环冷却水对引脚进行冷却。热端的薄膜热电偶结点放置于标定炉内的恒温区。标定时，K型、型、ITON/Pt和InON/ITON薄膜热电偶的结点分别置于25

7、0600，3001000，3001100，3001000高温环境中。以01mm的铂丝作为导线，采用高温银浆将铂丝固定在薄膜热电偶的引脚处，进而实现信号的输出。2结果与讨论21K型薄膜热电偶K型薄膜热电偶在250600温度范围内进行静态标定的标定结果如图3(a)所示。从图中能够看出，K型薄膜热电偶2次循环标定的热电势输出曲线基本重合，一致性良好。K型薄膜热电偶的热电性能能够根据式(1)所示的函数进行二次多项式拟合。由于K型热电偶在热端与冷端温度差为0时应当没有热电势输出，因而设定二次多项式拟合的边界条件C为0E=A(T)2+BT+C(1)式中E为输出热电势，T为冷热端温差，A，B和C为系数。C=

8、0mV时二次多项式拟合得到的结果为，第1次标定时A，B分别为130105mV/2，04424mV/，第2次标定时A，B分别为128105mV/2，04395mV/。从拟合结果中能够发现，两次循环标定的热电势输出曲线经拟合分析后得到K型薄膜热电偶的塞贝克系数分别为3838V/和3814V/，平均塞贝克系数为3826V/，两次标定结果的塞贝克系数相差很小，且平均塞贝克系数较大。为了更直观描绘薄膜热电偶的热电特性，描绘了灵敏度系数K值9随热端温度变化的曲线，结果如图3(b)所示，能够看出，随着热端温度的升高K值呈现下降的趋势，在热端温度不高于380时，K型薄膜热电偶的K值能够保持在09以上，超过38

9、0后，也能到达08以上。22型薄膜热电偶型薄膜热电偶在3001000温度范围内进行静态标定的标定结果如图4(a)所示。能够看出，型薄膜热电偶的热电势输出经过第1次标定后愈加稳定。在热端温度为300900即冷热端温差为230750之间，第2和第3次标定的热电势输出曲线的线性度和重复性均较好。型薄膜热电偶的热电性能能够根据式(1)进行二次多项式拟合。C=0mV时，二次多项式拟合得到的结果为，第1次标定，A，B分别为469106mV/2，000605mV/;第2次标定A，B分别为420106/2，000603mV/;第3次标定A，B分别为413106mV/2，000592mV/。从拟合结果中能够发现

10、，随着标定次数的增加，型薄膜热电偶的塞贝克系数逐步降低，分别是1113，1044和1023V/，平均塞贝克系数为1060V/。这主要是由于标定经过也是热处理的经过，随着标定热处理的进行，Pth薄膜中h的氧化逐步加深，使得Pth合金外表中h的比例下降，进而导致塞贝克系数降低10。另外，二次项系数随标定次数的增加而降低，这讲明随着标定热处理的进行，型薄膜热电偶的线性度逐步提升，并趋于稳定。从图4(b)能够看到，随着热端温度的增大即冷热端温差的增大型薄膜热电偶的灵敏度K值变化非常小，始终在0809之间。而且经过第1次标定热处理后，后续标定结果间K值差异很小。23ITON/Pt薄膜热电偶ITON/Pt

11、薄膜热电偶在3001100温度范围内进行静态标定的标定结果如图5(a)所示。能够看出，经过第1次标定后热电势输出曲线的重复性较好，讲明ITON/Pt薄膜热电偶经过一次标定后的热电性能愈加稳定。第1次标定相当于对ITON薄膜进行了热处理，使ITON薄膜中的缺陷减少，进而改善了薄膜热电偶的热电性能。根据Kubakaddi模型15，ITON薄膜的塞贝克系数会随着冷热端温差的增大先增大再减小，而Pt薄膜的塞贝克系数近似线性变化。作为半导体材料，ITON的塞贝克系数要比Pt大2个数量级，因而，ITON/Pt薄膜热电偶的塞贝克系数随着冷热端温差的增大会先增大再减小，以致于热电势输出曲线呈现“S型变化，如图

12、5(b)所示。ITON/Pt薄膜热电偶的热电性能能够根据式(2)所示的函数进行三次多项式拟合E=A(T)3+B(T)2+CT+D(2)式中E为输出热电势;T为冷热端温差;A，B，C和D为系数。三次多项式拟合得到的结果如表1所示。能够发现，ITON/Pt薄膜热电偶的后四次标定结果的平均塞贝克系数为7860V/。24InON/ITON薄膜热电偶InON/ITON薄膜热电偶在3001000温度范围内进行静态标定的标定结果见图6(a)所示。从图中可知，In2O3/ITO薄膜热电偶经过第1次静态标定后，其热电势输出曲线的重复性和线性度较好，讲明其热电性能较稳定。由于InON和ITON薄膜中存在缺陷，经过

13、第1次静态标定循环时，高温热处理使薄膜内部的缺陷减少，进而使InON/ITON薄膜热电偶的热电性能愈加稳定。从图6(b)中可知，第1次标定结果薄膜热电偶的塞贝克系数起伏变化较大，以致于第1次标定的热电势输出曲线呈现“S型变化。而后3次标定，InON薄膜和ITON薄膜的稳定性更高，InON/ITON薄膜热电偶的塞贝克系数起伏变化较小，因而热电势输出曲线呈现出近线性变化。InON/ITON薄膜热电偶的热电性能能够根据式(2)所示的函数进行三次多项式拟合。三次多项式拟合得到的结果如表2所示。其中，三次和二次多项式的系数较小，讲明热电势输出曲线有较好的线性度。由拟合后得到4次标定结果的塞贝克系数知3次标定结果的塞贝克系数变化很小，讲明薄膜热电偶的热电性能在经历多个高温循环后仍然保持了较好的稳定性。后3次标定结果的平均赛贝克系数为12310V/。经过中国航发四川燃气涡轮研究院与电子科技大学长期合作，成功研制了高温合金部件外表的中温、高温、超高温薄膜热电偶。静态标定结果表明，所有薄膜热电偶在各自工作温度范围内均具有良好的线性度，同时在恶劣环境下具有很好的稳定性和重复性，使用寿命到达10h以上。薄膜热电偶的成功研制，将为航空发动机热端部件外表温度测量提供先进测试手段，为航空发动机的设计和实验验证提供有力的技术支撑。同时该项成果还能够广泛应用于其他高温部件的外表温度测试，具有广阔的应用前景。