國外航空發(fā)動機薄膜熱電偶技術發(fā)展研究

黃春峰，蔣明夫，毛茂華

（中航工業(yè)中國燃氣渦輪研究院，四川江油 621703）

0 引言

在航空發(fā)動機渦輪、燃燒室等高溫部件冷卻設計的效果以及熱障涂層的性能試驗研究中，準確測量高溫零件的表面溫度是非常關鍵和必要的。對此，國外發(fā)展了1種薄膜熱電偶測溫技術，并成功應用于渦輪熱葉柵試驗中[1-2]。研究成果表明，裸露的薄膜熱電偶技術是高溫高速流場條件下轉子部件表面溫度測量的理想方法。對于壁面結構很小（如葉片排氣邊鄰近區(qū)域）或壁面打孔進行外部氣膜冷卻的區(qū)域，濺射式薄膜熱電偶是直接測量表面溫度的實用工具，尤其是在研究性測量中。非常薄的薄膜熱電偶（總厚度小于15 μm）不會對熱流道和壁厚或冷卻流型產(chǎn)生擾動，可以顯著地提高局部溫度測量的精度。濺射式薄膜傳感器的壽命已超過常規(guī)嵌入式傳感器的壽命[3]。

在國外，薄膜熱電偶溫度傳感器已逐漸替代傳統(tǒng)的壁溫熱電偶，最近幾十年，世界各地許多學者對薄膜熱電偶的結構、制備方法、性能和應用前景進行了大量研究工作，并取得了令人鼓舞的進展[4-5]。薄膜熱電偶技術日益成熟，迅速成為1種可靠的試驗技術。

1 薄膜熱電偶的性能和技術特點

1.1 薄膜熱電偶的性能特點

與普通熱電偶的原理一樣，薄膜熱電偶也是基于物質的熱電效應原理，用于測量瞬變溫度的1種接觸測量儀器。其測溫原理為熱電效應(或塞貝克效應):當2種不同的金屬組成的閉合回路兩端存在溫差時，在回路中產(chǎn)生熱電勢。由于薄膜熱電偶的熱接點多為μm級的薄膜，其性能獨特，具有體積?。崛萘啃。?、靈敏度高、便于安裝、溫度測量范圍寬、動態(tài)響應時間短、響應快、集成度高和穩(wěn)定性強等優(yōu)點，特別適于測量物體表面和小間隙場所快速變化的溫度，滿足溫度傳感器技術小型化、集成化、陣列化、多功能化、智能化、系統(tǒng)化及網(wǎng)絡化的發(fā)展趨勢。近年來廣泛應用于航空發(fā)動機熱端部件的瞬態(tài)溫度測試，以及燃氣渦輪元件附面層行為的監(jiān)測。

薄膜熱電偶是采用真空蒸鍍、真空濺射、化學涂層或電鍍等技術，將2種金屬薄膜直接鍍制在金屬表面，形成沉積有絕緣材料層的薄膜傳感器。與傳統(tǒng)熱電偶相比，薄膜熱電偶可以隨意安排在被測表面上，工作壽命長，測量端部小（測量膜厚度可小至μm級），熱容量小，可用于微小面積上的溫度測量；響應速度快，時間常數(shù)可達μm級，可實現(xiàn)動態(tài)溫度測量；受金屬表面換熱和流場干擾影響小，避免了常規(guī)熱電偶測量位置不準確、蠕變滯后等弊端。

1.2 薄膜熱電偶的技術特點

1.2.1 結構特點

薄膜熱電偶由中間合金膜、介質膜和測量膜3層薄膜構成，如圖1所示。前2種膜構成測量膜與葉片基體之間的電氣絕緣，而測量膜構成傳感器的敏感元件。中間合金膜直接濺射（或沉積）在渦輪葉片表面，其合金與渦輪葉片材料成分相近。二者可通過部分化合結合，經(jīng)過熱處理，膜與葉片接觸處的界面上相互擴散和固相溶解，從而增加了膜與基體的結合力。與此同時，在該膜的表面會形成α-Al2O3膜，厚度僅為數(shù)百或數(shù)千埃。在這層膜上再沉積1層厚度為2 μm的Al2O3層。這2層薄膜成分相同、性質相近，因此可以牢固結合。界面C是Al2O3膜與測量膜的結合面。測量膜用貴金屬鉑銠10和鉑制成，這2種金屬與Al2O3膜不能形成化學鍵合。為了獲得附著力，采用真空濺射鍍膜的方法，使金屬以較大的能量機械地嵌入到較為粗糙的表面，使二者形成物理性質的結合[6]。

薄膜熱電偶的測量膜和引線材料根據(jù)測量溫度上限而選擇貴金屬鉑和鉑銠10（Pt-Pt10%Rh）。這2種材料比所有常規(guī)熱電偶材料成分簡單，由此減少了鍍膜時由于鍍膜材料成分偏析而引起熱電偶電動勢偏離標準分度值的可能性。熱電性能符合國際規(guī)定的薄膜熱電偶可方便地與2次儀表配套使用。

1.2.2 中間合金膜

中間合金膜是1層過渡膜，它把測量膜與葉片基體連在一起，既保證整個傳感器牢固地附著在葉片表面上，又要確保傳感器的測量膜與基體間的可靠電絕緣。其合金選擇與葉片成分相近的NiCOCrAlY，與葉片材料有很好的相容性，合金中的鋁是其中的重要成分，經(jīng)過高溫氧化處理，會在膜的表面上形成A12O3膜。中間合金膜具有良好的飛韌性和黏接性和高的介電常數(shù)，可以承受高溫燃氣的沖擊和腐蝕。在屈服極限內不會把熱應力和機械應力傳輸?shù)綀杂驳难趸X層上，使氧化鋁膜保持在強度和彎曲極限之內，這種鍍層已在航空發(fā)動機渦輪葉片上得到廣泛應用。

合金中加入Y（釔）后，經(jīng)熱處理，鍍層表面的釔下沉，與金屬中的其他成分結合形成深入到晶粒邊界中的爪，增強了膜與基體上的附著力。

1.2.3 薄膜熱電偶的引線

熱電偶引線與薄膜的焊接是薄膜熱電偶研制過程中的重要環(huán)節(jié)。薄膜熱電偶引出端與φ1套管熱電偶連接在一起接至2次儀表上。由于薄膜的體積和面積之比與套管熱電偶絲的體積和面積之比相差較大，二者很難焊接在一起，故需在二者之間焊接細絲。熱電偶引線與薄膜采用熱壓焊焊接，該焊接方法屬固相鍵合技術。在一定壓力下，材料會產(chǎn)生塑性變形和微小的結構破壞，并引起材料轉移。在加壓的同時加溫，使材料分子擴散作用增強，材料的轉移也加劇，從而使整個鍵合區(qū)域結構均勻。熱壓焊的實質是在足夠高的溫度下（低于焊接材料熔點）施加1個很大的壓力，使材料原子產(chǎn)生相互擴散，從而形成焊接。

熱電偶引線與薄膜的焊接完成之后，將引線另一端與長約0.6 m、直徑為1.5 mm的鉑銠10－鉑（或鎳鉻－鎳硅）鎧裝熱電偶的內偶絲焊接在一起，然后用高溫無機膠把裸露的偶絲引線覆蓋，最后用不銹鋼壓塊把鎧裝熱電偶前端牢牢地壓在薄膜熱電偶試件尾端，最終連接的薄膜熱電偶試件如圖2所示。

2 薄膜熱電偶的敏感薄膜制作方法

薄膜傳感器的測量精度、穩(wěn)定性和壽命等性能與其敏感膜的制備工藝、方法及流程有著密切關系。制作溫度敏感薄膜的方法很多，目前常用磁控濺射法、離子束輔助沉積法和化學氣相沉積法等[7]。

2.1 磁控濺射沉積法(MSD)

磁控濺射沉積法通過高壓電離Ar等惰性氣體，在電場作用下用Ar+離子和電子轟擊純度99.9%以上的靶材，并在靶材表面加入磁場，使得濺射出來的原子和離子沿著一定方向沉積到襯底，從而顯著提高薄膜沉積速度、效率和質量。其優(yōu)點在于氣壓低，沉積速率高，成膜質量好，便于大規(guī)模生產(chǎn)。浙江大學凌明芳等采用正交試驗法研制的S槍磁控濺射源制備出了Ni溫度敏感薄膜，且電阻溫度系數(shù)（TCR）達到6.180×10-3／℃。

2.2 離子束輔助沉積法（IBAD）

離子束輔助沉積法在真空系統(tǒng)中使用輔助載能離于源，在氣相沉積的同時，利用高能離子術束轟擊薄膜沉積表面，對薄膜表面環(huán)境產(chǎn)生影響，從而改變沉積成分、結構和性質。其關鍵部件是用于產(chǎn)生寬束離子束的Kaufman離子源。該方法使用離子束轟擊薄膜表面，因此使薄膜的致密度、附著力、層結構等性能得到極大提高。周繼承等采用了雙離子束濺射輔助沉積法，在不銹鋼制襯底上制備了NiCr合金膜，結果表明，薄膜對基片具有較強的附著力和致密度，可用作壓力和熱電偶溫度敏感器件。

2.3 化學氣相沉積法（CVD）

與磁控濺射和離子輔助沉積法相比，化學氣相沉積法具有沉積溫度低，沉積速度快，易控制摻雜濃度等優(yōu)點，適合制備非金屬和氧化物薄膜。美國Michigan州立大學的Mohanwad Aslam等采用該方法在圓柱不銹鋼面上沉積了1層耐溫超過1000℃以上的金剛石薄膜溫度敏感電阻陣列。

3 薄膜熱電偶工藝方法及質量控制

3.1 工藝方法[8]

可采用真空濺射法將薄膜熱電偶直接鍍到被測葉片表面上。濺射時，真空容器中充有氧氣。鍍膜材料和被鍍工件各作鍍膜機的電極，2極間加高壓，并引起真空器的氧氣電離。荷能粒子轟擊裝有鍍膜材料的濺射靶后，材料以分子或原子團的形式從靶面上逸出，并濺落到被鍍工件上。鍍制不同薄膜要更換相應的靶材。采用的靶體中裝有磁控裝置，以便顯著提高濺射速率。鍍膜機配有直流電源（直流磁控濺射）和射頻電源（射頻磁控濺射）。直流磁控濺射用于濺射金屬材料，射頻磁控濺射用于濺射金屬和介質膜材料。

在每個葉片的葉盆（壓力面）和葉背上各安裝3支薄膜熱電偶，如圖3所示。為了檢驗介質膜的絕緣和測量膜材料不均勻性對熱電偶熱電勢的影響，在安排薄膜熱電偶的走向時，應將熱電偶膜以合適的方式引出。為確定測量精度，將葉片同一側薄膜熱電偶的熱接點都集中于1個小區(qū)域內，并在此安裝1支作為標準的套管熱電偶，以對比2種熱電偶的測量結果。在該區(qū)域內，每支熱電偶的熱接點相距為3～5 mm。

薄膜熱電偶的主要工藝過程包括：（1）欲鍍膜的葉片表面拋光、吹砂和清洗；（2）濺射沉積中間合金膜；（3）中間合金膜進行氫氣熱處理和高溫氧化熱處理；（4）濺射沉積Al2O3膜；（5）分別光刻和濺射鉑和鉑銠熱電偶；（6）將熱電偶膜尾端與細絲經(jīng)熱壓焊接連在一起，細絲另一端與套管熱電偶采用電弧焊連接。

3.2 質量控制

薄膜熱電偶的制作工藝較為復雜，任一工序的任何失誤都能造成最終產(chǎn)品的失敗。統(tǒng)計表明，在研制過程中，薄膜熱電偶損壞率約為40%。其主要損壞形式是薄膜熱電偶斷裂、膜與細絲引線開焊、測量膜與基體短路等。因此，要特別注重產(chǎn)品研制過程中的制造工藝、熱電偶焊接與裝配、考核試驗（標定試驗和熱疲勞試驗）的質量控制。在在標準情況下，采用測量薄膜熱電偶的電阻來保證其合適的阻值。

為了確定薄膜熱電偶的結構差異，應在實驗爐中進行性能試驗，考察端邊破壞的影響和微孔區(qū)密度的影響。端邊破壞引起薄膜氧化，從而降低了薄膜性能。

采用電鏡掃描詳細考察薄膜的結構，以確定缺陷密度。應防止氧化鋁微粒局部堆積或造成不均勻的孔隙度，通過分析確定由于濺射靶產(chǎn)生的氧化鋁微粒的雜質問題。

通過結構破壞分析方法提出工藝改進措施，改進后使薄膜熱電偶的成品率達到60%～90%。保證和維持產(chǎn)品質量,控制下限不能通過非結構破壞方法解決，該方法仍處于研究之中。采用熒光探測著色方法和橢圓對稱測量，可以在薄膜熱電偶生產(chǎn)的初期識別缺陷，進而予以修正。

4 薄膜熱電偶技術的應用與發(fā)展

4.1 國外薄膜熱電偶研究[9-12]

（1）英國RR公司

早在1996年，RR公司采用Pt-Rh/Pt薄膜熱電偶測量了薄壁導向器葉片高達1200℃的溫度分布。薄膜傳感器成功地以薄膜形式直接沉積在試驗渦輪導向葉片上。傳感器采用最佳材料加工而成，并充分利用光刻加工的卓越的分辨能力，在只有35 mm的弦的葉片上沉積了16個傳感器，傳感器之間的最小間隔為2 mm。臺架試驗葉片上的傳感器展示出其優(yōu)秀的過熱能力、頻率響應和噪聲特性。目前，RR公司現(xiàn)已建有生產(chǎn)薄膜溫度傳感器的室內設備，研制的薄膜熱電偶已在燃氣渦輪發(fā)動機上得到應用，其測量不確定度為±2%。

（2）美國PW公司

PW公司研制了膜厚為2～12 μm、基底材料為FeCrAlY的Pt/Pt-10%Rh（S型）濺射式薄膜熱電偶，該熱電偶能承受高達1093℃的高溫爐試驗和高壓燃燒室氣流試驗，其熱電勢在S型熱電偶分度誤差的1.5%以內，壽命可達50 h。試驗結果表明，熱電偶的偏差小于276℃/h，已成功應用于新型發(fā)動機燃燒室和渦輪研制。

（3）美國NASA劉易斯研究中心（LeRC）

NASA LeRC研究中心針對航空航天等惡劣環(huán)境下的測溫需要，專門建立了1個薄膜傳感器試驗室。為了檢驗和掌握薄膜熱電偶試驗技術，該中心把這種傳感器應用到發(fā)動機測試之前，先在1個可控的試驗環(huán)境中進行試驗。在超耐熱合金、Si2N4、SiC、Al2O3陶瓷等不同襯底下，通過濺射沉積厚約5～8 μm的 Pt和 Ptl3-Rh、Pdl4-Cr等合金膜，以此作為熱電偶的2極，研制出了測溫范圍達到1100℃以上，精度為±0.3℃的高溫薄膜溫度與張力復合傳感器。該研究成果表明：（1）驗證了薄膜熱電偶應用于局部傳熱測量中的技術；（2）薄膜技術和使薄膜與粗引線連接的新方法可以成功地把薄膜熱電偶應用于發(fā)動機部件試驗；（3）證明了最近設計的換熱試驗裝置適合于測量發(fā)動機內狹窄冷卻流道中的換熱；（4）局部換熱數(shù)據(jù)表明冷卻流道進口區(qū)的熱流量明顯增大；（5）所測的熱流量將作為檢查高長、寬比的狹窄矩形流道中換熱分析預測的數(shù)據(jù)庫測量結果進一步堅定了LeRC把薄膜熱電偶用于即將在NASALeRC進行的渦輪加熱試驗中的信心。

（4）美國空軍研究實驗室（AFRL）

據(jù)美國空軍研究實驗室2005～2006年報告表明，在對F119發(fā)動機的試驗中發(fā)現(xiàn)其高壓渦輪盤榫槽的前緣位置出現(xiàn)了熱應力導致的裂紋，大大縮短了高壓渦輪盤的壽命。而目前的工程模型無法準確預測此位置上的傳熱。為此，美國空軍研究實驗室開發(fā)了1種新的高密度熱通量多重薄膜傳感器陣列，并將其安裝在F119發(fā)動機高壓渦輪轉子位于工作葉片底部供應冷卻氣流的小腔內部，如圖4所示。這是首次嘗試在真實的、全速旋轉的帶冷卻渦輪的榫槽內側進行多點非接觸式表面熱通量測量。在4個榫槽位置采用不同的傳感器安裝布局來測量表面熱通量。把導線穿過輪盤接到輪轂處，并與1個含300個接觸點的滑環(huán)相連接。這一敏捷作戰(zhàn)支持（ACS）方法的最終目標是了解榫槽處的傳熱，以便進行設計優(yōu)化，提高低周疲勞和破裂壽命的預測精度，并將高壓渦輪盤壽命延長至8650次循環(huán)。

在F135發(fā)動機耐久性試驗中，其高壓渦輪工作葉片緣板上熱應力過大為此，美國空軍研究實驗室開發(fā)了獨特的先進薄膜傳熱測量儀，并設計加工了新型雙面白金薄膜量計陣列。這種非接觸式傳感器如圖5所示，該傳感器是用厚度為600×10-10m的白金膜噴鍍在50 μm厚的軟聚酰亞胺薄片的雙面而制成的。將這種雙面薄膜量計陣列用于高壓渦輪工作葉片緣板（如圖6所示）表面，不會引起氣流表面分離，也不用對試驗葉片進行任何加工。此技術為關鍵而復雜的流動區(qū)域提供了1種非接觸式測量方法，能夠針對帶冷卻的渦輪部件上普遍存在的更加復雜的3維導熱問題，獲取準確的附面層狀態(tài)。這種測量儀為F135發(fā)動機及其他先進的軍用推進系統(tǒng)的試驗提供了有利支持。

圖4 F119發(fā)動機高壓渦輪盤傳感器安裝

（5）美國NASAGRC和索拉渦輪公司

美國NASA GRC和索拉渦輪公司合作研究，把K型薄膜熱電偶用于渦輪葉柵試驗，并在NASA GRC傳熱試驗裝置上進行驗證，獲得良好的試驗結果。敷設薄膜熱電偶的渦輪葉片在索拉公司渦輪熱葉柵裝置上進行試驗，所得到薄膜熱電偶的數(shù)據(jù)可用來驗證索拉公司高溫計的校準。試驗證明，薄膜熱電偶能夠承受高達870 K的工業(yè)試驗溫度。

由LepicovskyJ帶領進行的上述試驗的主要目的是研究在渦輪葉片上安裝薄膜熱電偶，在900 K的燃氣溫度環(huán)境中進行熱葉柵試驗獲取表面溫度，用薄膜熱電偶現(xiàn)場校準紅外高溫計探頭。設計制造單點和多點薄膜熱電偶，在已知的流場條件下在傳熱設備上進行驗證試驗，以改善薄膜熱電偶黏接工藝，在金屬曲面上試驗噴涂薄膜涂層的各種方法。

4.2 需要解決的技術問題

（1）溫度敏感膜的測溫范圍、測溫精度及阻溫系數(shù)還有待優(yōu)化，需要尋求更為穩(wěn)定、測溫范圍更高的功能薄膜材料，以及開展合金薄膜熱電偶和金屬間化合物薄膜熱敏電阻研究。

（2）穩(wěn)定性和可靠性在薄膜溫度傳感器技術中極其關鍵，目前仍需改善高溫下溫漂對傳感器件測溫的影響，提高器件的穩(wěn)定性，增強敏感膜與襯底間的絕緣度和附著力，開發(fā)出高溫下性能更為優(yōu)越的絕緣薄膜。

（3）動態(tài)響應時間短是薄膜熱電偶的最重要特征之一。在瞬態(tài)溫度測量中，若傳感器動態(tài)性能不佳，就無法快速、準確地反映被測溫度的變化，因而，需要對傳感器的動態(tài)性能進行研究，動態(tài)響應時間作為評價薄膜熱電偶動態(tài)性能的主要指標，應該得到廣泛關注。

（4）高溫薄膜溫度傳感器芯片的物理和化學機理尚不明晰，特別是敏感膜在高溫下的電學特性，以及與襯底及絕緣膜之間的動力學和化學相互作用還需進一步研究。

5 結束語

現(xiàn)代航空渦輪葉片上傳熱和表面溫度分布的分析和計算，要求對預測結果進行試驗驗證。但是，現(xiàn)有的常規(guī)試驗技術不能滿足這一需要，而將先進的光學技術應用于狹窄的冷卻流道內困難較大。

國內外的研究表明，目前，先進的薄膜熱電偶技術是成功解決發(fā)動機渦輪動葉和靜葉表面溫度測量的理想方法，憑借其優(yōu)異的性能和技術特點，能夠承受惡劣的航空發(fā)動機試驗環(huán)境，可用于高達1200℃的研究試驗，不會對附著流的流譜或熱流軌跡及厚壁產(chǎn)生擾動，顯著地提高局部溫度測量的精度，用于測量渦輪發(fā)動機熱端部件的表面瞬態(tài)溫度和局部換熱率測量的精度可達±2%，從而對渦輪葉柵的壽命預估和冷卻結構設計提供重要依據(jù)。

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