航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫薄膜熱電偶研究概況*

（廈門大學(xué)航空航天學(xué)院，廈門 361102）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為航空飛行器的“心臟”，為飛行器飛行提供動(dòng)力。航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片受到高溫（＞1700℃）、高壓（＞50bar）、高轉(zhuǎn)速（＞20000r/min）[1–2]惡劣環(huán)境的作用，極易發(fā)生蠕變、燒蝕、疲勞斷裂等失效行為。高溫是航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片最主要的工作環(huán)境特征，葉片的疲勞斷裂與其密切相關(guān)[3–4]。我國空軍現(xiàn)役飛行事故大多與發(fā)動(dòng)機(jī)葉片疲勞斷裂失效有關(guān)。可見，渦輪葉片工作狀態(tài)的在線實(shí)時(shí)獲取一直是航空飛行器發(fā)展亟待解決的難題。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片溫度測取是其工作狀態(tài)監(jiān)測、健康管理的重要依據(jù)。多種測試方法和手段被嘗試，但難以解決問題。如通過在渦輪葉片表面開孔，將溫度傳感器直接安裝在渦輪葉片上獲取溫度參數(shù)的方法，對渦輪葉片本身造成傷害，同時(shí)造成開孔處應(yīng)力集中，降低渦輪葉片的使用壽命[5]；在渦輪葉片表面黏貼片式傳感器的方法會(huì)對氣流造成干擾，黏貼膠在高溫下工作一段時(shí)間后黏貼效果下降，葉片和片式傳感器貼合不緊密，甚至脫落，使測溫?cái)?shù)據(jù)結(jié)果不可靠[6]；示溫漆法測溫精度較低，且不具備實(shí)時(shí)性[7]；紅外熱成像法[8]、熱敏液晶顯示法[9]、光電法等[10]，由于葉片實(shí)際的狹小工作環(huán)境和測溫系統(tǒng)的復(fù)雜性，均不適用于渦輪葉片上溫度的測量。

為了解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片、燃燒室內(nèi)壁等狹小空間范圍的測溫難題，結(jié)合薄膜制備技術(shù)，出現(xiàn)了微納尺度的薄膜傳感器。相比較傳統(tǒng)的塊體式溫度傳感器，薄膜傳感器空間尺度小、熱容量小、響應(yīng)速度快，能適應(yīng)不同場合的測溫需要[11]；采用薄膜技術(shù)在被測零部件上直接制備薄膜傳感器，對工作氣流無干擾，且具有高機(jī)械強(qiáng)度，抗振動(dòng)和沖擊，實(shí)現(xiàn)薄膜傳感器與被測件的結(jié)構(gòu)一體化[12]；響應(yīng)時(shí)間為毫秒、微秒級(jí)，對工作溫度能實(shí)時(shí)響應(yīng)[13]。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上制備的薄膜溫度傳感器有薄膜RTD（Resistance Temperature Detector）[14]和薄膜熱電偶[15]，如圖1所示。本文主要介紹薄膜熱電偶研究進(jìn)展及其在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

薄膜熱電偶誕生于第二次世界大戰(zhàn)期間。早期的研究采用銅、康銅、鎳、鎳鉻合金、鎳鋁合金等普通廉價(jià)金屬[16]。但受限于傳感器的靈敏度、測溫量程等，很少實(shí)際應(yīng)用，研究者開始關(guān)注稀有金屬。NASA 的路易斯研究中心的Grant 等[17]研制了Pt/Pt10Rh 薄膜熱電偶，并在1250K 下進(jìn)行測試，整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，結(jié)果表明，這種薄膜熱電偶的平均失效時(shí)間為47h，但是由于高溫下薄膜中銠元素的氧化，會(huì)加大薄膜熱電偶的漂移率。隨后，Kreider[18]對Pt/Pt10Rh 薄膜熱電偶中的氧化機(jī)理做了研究，并研制了用于內(nèi)燃機(jī)燃燒室內(nèi)壁測溫的Pt/Pt10Rh 薄膜熱電偶，試驗(yàn)結(jié)果表明Pt/Pt10Rh 中的銠元素在700~800℃時(shí)產(chǎn)生氧化，表面制備氧化鋁保護(hù)層可以減輕氧化問題?？梢?，金屬薄膜熱電偶的高溫穩(wěn)定性依賴于表面氧化保護(hù)層。

據(jù)報(bào)道，貴金屬薄膜熱電偶的最高使用溫度為1200℃[15]。而航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度已經(jīng)達(dá)到1700℃[19]，貴金屬薄膜熱電偶難以適應(yīng)。為提高薄膜熱電偶對高溫惡劣環(huán)境的適用性，必須尋找新的耐高溫材料。陶瓷材料因其熔點(diǎn)高，且在高溫下具有良好的穩(wěn)定性，被大量研究[20]。Wrbanek 等[21]采用CrSi2、TaC、Pt13Rh 和Pt 等材料制備薄膜熱電偶，如圖3所示。其中TaC 和鉑構(gòu)成的薄膜熱電偶在900℃內(nèi)具有良好的線性輸出，塞貝克系數(shù)為102μV/℃，而CrSi2和鉑構(gòu)成的薄膜熱電偶在600℃下線性輸出僅為–4.3μV/℃。兩種熱電偶在測溫范圍內(nèi)均存在一定的線性偏差，推測這是由于材料氧化造成的。Bhatt 等[22]采用射頻濺射制備TiC/TaC 薄膜熱電偶，研究濺射功率、氣壓和基底溫度等工藝參數(shù)對TiC、TaC 薄膜方阻的影響，發(fā)現(xiàn)通過減小薄膜方阻，可以提升熱電偶的靈敏度。TiC/TaC 薄膜熱電偶可以在1350K 的高溫環(huán)境中開展試驗(yàn)測試，但輸出信號(hào)較小，不超過5mV，如圖4所示，實(shí)際難以應(yīng)用。

圖1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片上制備薄膜溫度傳感器Fig.1 Thin film temperature sensors prepared on turbine blade of aero-engine

圖2 Pt/Pt10Rh薄膜熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of Pt/Pt10Rh thin film thermocouple

圖3 CrSi2、TaC、Pt13Rh和Pt組成的薄膜熱電偶Fig.3 Thin film thermocouples composed of CrSi2,TaC,Pt13Rh and Pt

圖4 TiC/TaC薄膜熱電偶的熱電輸出Fig.4 Thermoelectric output of TiC/TaC thin film thermocouple

薄膜熱電偶靈敏度的提升與薄膜制備工藝密切相關(guān)。調(diào)整薄膜制備工藝，改變薄膜熱電偶材料的載流子濃度及遷移率，可獲得不同靈敏度的薄膜熱電偶。Kreider[23]采用不同工藝參數(shù)制備了ITO/Pt 和ATO/Pt 薄膜熱電偶，測試結(jié)果顯示，不同制備工藝參數(shù)下的ITO、ATO 薄膜電阻率不同，導(dǎo)致ITO、ATO 薄膜塞貝克系數(shù)在12~80μV/℃的范圍內(nèi)變化。在致力于耐高溫高靈敏度的薄膜熱電偶的研制中，Gregory 等[24]取得了突破性成就，研究了由氮摻雜ITO、氧摻雜ITO、氧化鋁摻雜ZnO 等構(gòu)成的薄膜熱電偶，其中，由氮摻雜ITO 和氧摻雜ITO 在1200℃測試溫度范圍內(nèi)具有良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性，但靈敏度只有6μV/℃，與普通金屬相差無幾；氧化鋁摻雜ZnO 和ITO 構(gòu)成的薄膜熱電偶在低溫下輸出較大，但缺乏高溫穩(wěn)定性。Chen 等[25]對此進(jìn)行更深入探究，采用射頻濺射制備雙陶瓷薄膜熱電偶并進(jìn)行性能測試，其測試系統(tǒng)如圖5（a）所示，通過對比不同組分的ITO（In2O3∶SnO2=95%∶5%和In2O3∶SnO2= 90%∶10%）和In2O3構(gòu)成熱電偶的測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)這兩種雙陶瓷熱電偶在1275℃下3 次循環(huán)測試都具有良好的輸出重復(fù)性，且平均塞貝克系數(shù)均超過160μV/℃，且 ITO（In2O3∶SnO2=95%∶5%）和In2O3構(gòu)成的熱電偶比ITO（In2O3∶SnO2=90%∶10%）和In2O3構(gòu)成的熱電偶的靈敏度大，如圖5（b）所示，同時(shí)指出根本原因在于載流子濃度的差異，3 種材料載流子濃度由高到低順序如下：ITO（In2O3∶SnO2=95%∶5%）＞ITO（In2O3∶SnO2=90%∶10%）＞In2O3，因此ITO （In2O3∶SnO2=95%∶5%）和In2O3構(gòu)成的薄膜熱電偶塞貝克系數(shù)更大。自此，ITO、In2O3等陶瓷材料成為當(dāng)前薄膜熱電偶的熱點(diǎn)材料。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對于薄膜熱電偶的研究起步較晚，但也有一些成果。在高溫對薄膜作用機(jī)制研究方面，王超杰等[26]對薄膜熱電偶在高溫下的氧化機(jī)理做了探究，指出金屬薄膜氧化速度隨著溫度升高呈指數(shù)關(guān)系遞增。通過在NiCr/NiSi 薄膜熱電偶表面制備SiO2和SiOxNy薄膜，降低氧在金屬薄膜中的擴(kuò)散速度，提升薄膜傳感器的高溫抗氧化性。Zhao 等[27]對比了經(jīng)過不同退火工藝處理的ITO/In2O3薄膜性能，發(fā)現(xiàn)由于經(jīng)過氮?dú)夂涂諝夥植酵嘶鸷笊傻趸锉∧TON/InON 具有更高的結(jié)合能和高溫穩(wěn)定性。Liu 等[28]通過對比有無添加Al2O3薄膜保護(hù)層的ITO/In2O3薄膜熱電偶，在1250℃保溫不同時(shí)長后的微觀表面形貌和薄膜厚度變化，發(fā)現(xiàn)Al2O3薄膜保護(hù)層抑制了ITO/In2O3薄膜在高溫下的分解揮發(fā)，大大降低薄膜熱電偶的漂移率，使制得的薄膜熱電偶在1250℃下穩(wěn)定輸出10h。

國內(nèi)研究者采用薄膜熱電偶在航空發(fā)動(dòng)機(jī)測溫方面也進(jìn)行了一些嘗試。Jin 等[29]在氧化鋁基底上制備ITO/In2O3薄膜熱電偶，并將其用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒試驗(yàn)動(dòng)態(tài)內(nèi)壁溫度測量，如圖6（a）所示為超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)壁面溫度測量的熱電偶安裝圖，對2 馬赫的氣體流速、燃燒時(shí)間少于300ms 的整個(gè)燃燒階段進(jìn)行溫度監(jiān)測，結(jié)果如圖6（b）所示，薄膜熱電偶能夠迅速響應(yīng)不同的點(diǎn)火燃燒階段溫度變化。安保合[30]采用真空鍍膜的方法在渦輪葉片表面制作鉑銠10–鉑薄膜熱電偶。雖然實(shí)現(xiàn)了薄膜熱電偶與葉片基底一體化結(jié)構(gòu)，但經(jīng)過測試，發(fā)現(xiàn)存在諸多問題，如薄膜熱電偶斷裂、膜與細(xì)絲引線開焊、測量膜與基底短路等，熱電偶的損壞率達(dá)到40%，性能上測量誤差達(dá)到±3%，累計(jì)使用壽命不超過10h 等。陳寅之[6]在鎳基合金表面制備ITO/Pt 熱電偶，標(biāo)定結(jié)果顯示其塞貝克系數(shù)為78.32μV/℃，并在渦輪葉片表面制備ITO、Pt、PtRh、NiCr、NiSi 薄膜進(jìn)行冷效試驗(yàn)，對其在渦輪葉片上的附著性能測試，結(jié)果見圖7，可見ITO薄膜在冷效試驗(yàn)前后與渦輪葉片附著性能良好，保持著良好的附著性能。Deng 等[31]直接在渦輪葉片上制備薄膜熱電偶，并采用通孔引線連接的方式采集薄膜熱電偶輸出電壓，如圖8（a）所示。采用圖8（b）的測試系統(tǒng)，經(jīng)過1000℃循環(huán)測試，獲得穩(wěn)定輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)渦輪葉片傳感薄膜一體化。

圖5 In2O3/ITO薄膜熱電偶測試系統(tǒng)及測試結(jié)果Fig.5 In2O3/ITO thin film thermocouple test system and test results

圖6 超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒試驗(yàn)及其壁面溫度監(jiān)測Fig.6 Scramjet combustion test and wall temperature monitoring

圖7 在葉片表面制備ITO、Pt、PtRh、NiCr、NiSi薄膜 并進(jìn)行冷效試驗(yàn)Fig.7 Preparation of ITO,Pt,PtRh,NiCr and NiSi films on turbine blade and cold effect test

2 發(fā)展趨勢

2.1 薄膜制備工藝改進(jìn)

薄膜熱電偶的制備分為兩個(gè)步驟：薄膜沉積和圖案化。傳統(tǒng)鍍膜方法主要包括物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、絲網(wǎng)印刷、電鍍、電解、陽極氧化等[32–36]。采用不同的薄膜制備工藝獲得的薄膜熱電偶性能不同，在微觀上主要表現(xiàn)為薄膜形貌、物相、晶相等差異。由于濺射鍍膜工藝適用于廣大材料的薄膜化，且成膜速度快、對膜層損傷小、薄膜與基底粘附性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于薄膜傳感器的制備[37–38]。但是，傳統(tǒng)濺射工藝難以保證曲面上鍍膜厚度的均勻性。如圖9所示，上海交通大學(xué)Duan 等[39]采用軟光刻和濺射工藝成功在渦輪葉片上制備的薄膜RTD。但是對于薄膜熱電偶，制備過程中需要結(jié)點(diǎn)搭接，涉及標(biāo)記對準(zhǔn)，在曲面上獲得微納尺度薄膜熱電偶較為困難。

針對在曲面鍍膜厚度均勻性較差，影響制得的傳感器性能的難題，有研究者提出機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)合傳統(tǒng)濺射鍍膜的方式制備薄膜，采用示教再現(xiàn)或輸入數(shù)字地圖的方式帶動(dòng)靶材的移動(dòng)濺射，保證曲面鍍膜的均勻性，獲得穩(wěn)定性能的薄膜熱電偶[40–42]。此外，也可以考慮采用溶膠凝膠法、直寫或噴印敏感材料溶液的方法制備薄膜傳感器，實(shí)現(xiàn)曲面部件和薄膜傳感器一體化[43–45]。

2.2 薄膜熱電偶靈敏度、穩(wěn)定性提升

敏感層是薄膜熱電偶實(shí)現(xiàn)溫度測量的感知層，是熱電偶測溫的核心，其高溫穩(wěn)定性、溫度敏感性決定了傳感器的性能優(yōu)劣。金屬薄膜熱電偶靈敏度較低，且高溫下容易被氧化；陶瓷材料性能穩(wěn)定，靈敏度遠(yuǎn)高于金屬薄膜熱電偶。薄膜熱電偶的靈敏度主要由敏感層兩種薄膜材料載流子濃度及其濃度差、遷移率等決定[46]。研究者大多是通過摻雜工藝提升正極薄膜材料載流子濃度或增大正負(fù)極材料的濃度差，但薄膜熱電偶的靈敏度并沒有得到顯著的提高。此外，高溫會(huì)氧化金屬薄膜材料，也會(huì)使陶瓷薄膜材料分解和揮發(fā)，增大薄膜熱電偶測溫漂移率[47]。添加保護(hù)層增強(qiáng)薄膜材料的抗氧化、抗分解效果有限，還會(huì)延長薄膜熱電偶的響應(yīng)時(shí)間?？梢?，強(qiáng)高溫穩(wěn)定性、高靈敏輸出的敏感層制備還面臨諸多挑戰(zhàn)。

當(dāng)前，高熔點(diǎn)、強(qiáng)穩(wěn)定性的陶瓷材料在高溫環(huán)境測溫需求上具有廣闊的應(yīng)用前景[48–50]。目前人們關(guān)注的陶瓷材料有ITO、ATO、ZnO、AZO 等[51–56]，對其制備工藝、電學(xué)特性、高溫穩(wěn)定性等方面均進(jìn)行了大量的研究，但成功用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片上的報(bào)道卻屈指可數(shù)。未來可能有更適合用于制備薄膜傳感器的的新材料出現(xiàn)。圖10熱重分析結(jié)果表明，前驅(qū)體陶瓷（Precursorderived Ceramics，PDC）材料可以在超過1400℃下穩(wěn)定工作。部分前驅(qū)體材料甚至可以在2000℃下穩(wěn)定存在，且前驅(qū)體陶瓷熱電偶具有高靈敏度，如圖11所示材料，有可能成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)測溫應(yīng)用的新材料[57–58]。目前，前驅(qū)體陶瓷材料大多被制備成塊體式傳感器，并不適合于渦輪葉片測溫。前驅(qū)體陶瓷可以經(jīng)過固化、交聯(lián)、熱解等過程，將其制備成薄膜傳感器，但其薄膜化過程中需要解決薄膜的收縮、開裂和圖案化等難題[59]。

圖8 渦輪葉片上通孔引線連接薄膜熱電偶及其測試系統(tǒng)Fig.8 Thin film thermocouple connected by through-hole lead wire on turbine blade and its test system

圖9 在渦輪葉片上制備的薄膜RTDFig.9 Thin film RTD prepared on turbine blade

圖10 SiCN、SiBCN和Si3N4的熱重分析Fig.10 Thermogravimetric analysis of SiCN,SiBCN and Si3N4

2.3 材料體系構(gòu)建及完善

在不同基底上制備薄膜傳感器需要構(gòu)建不同的材料體系。如圖12[60]所示是由NASA 路易斯研究中心提出的在不同基底上構(gòu)建不同的材料體系。其中，在導(dǎo)電基底上制備薄膜熱電偶的材料體系最為復(fù)雜。在薄膜熱電偶和導(dǎo)電基底中間需要沉積絕緣層以準(zhǔn)確收集輸出電信號(hào)。由于導(dǎo)電合金基底材料和絕緣層材料的熱膨脹系數(shù)相差較大，會(huì)導(dǎo)致高溫下絕緣層薄膜的脫落[61]。此時(shí)需要在合金基底和絕緣層中間沉積過渡層以解決兩者之間由于高溫下熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致的薄膜伸縮開裂問題。圖12中，過渡層材料MCrAlY 化合物中的M 元素根據(jù)合金基底材質(zhì)不同選擇不同的元素，如Fe、Co、Ni 等。在過渡層上制備絕緣層，通常采用氧化鋁或其他絕緣陶瓷材料。如圖13（a）、（b）所示，分別為不同成分的YSZ[62]和氧化鋁[63]作為絕緣層（組成為質(zhì)量分?jǐn)?shù)），其絕緣電阻隨著溫度升高而減小。相對于金屬薄膜傳感器，絕緣層電阻值大敏感層電阻值幾個(gè)數(shù)量級(jí)，能滿足絕緣要求。但對于陶瓷薄膜傳感器，其電阻值與絕緣層接近，絕緣效果是否能夠滿足測試要求還有待探究。此外，Wrbanek 等[64]指出，各連接層間材料的熱膨脹系數(shù)差不能超過30%，否則可能導(dǎo)致高溫下薄膜的脫落，這是在導(dǎo)電基底上構(gòu)建材料體系時(shí)首要考慮的問題。此外，還需要考慮層間各層薄膜的粘附效果，當(dāng)相互接觸的兩層薄膜材料有相同元素時(shí)，由于層間材料同元素的擴(kuò)散，會(huì)提升層間薄膜粘附力[6,65–66]。

圖11 (Si3N4–B4C)–(Si3N4–SiC)/Si3N4熱電偶的塞貝克系數(shù)Fig.11 Seebeck coefficient of (Si3N4–B4C)–(Si3N4–SiC)/Si3N4 thermocouple

圖12 不同基底上制備薄膜傳感器的材料體系構(gòu)建Fig.12 Material system construction of thin film sensors prepared on different substrates

圖13 YSZ和氧化鋁薄膜電阻隨溫度的變化情況Fig.13 Variation of YSZ and alumina film resistance with temperature

3 結(jié)論

隨著工業(yè)機(jī)器大發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片、燃燒室內(nèi)壁、噴嘴出口、高超聲速飛行器表面等均有測溫需要，薄膜熱電偶已經(jīng)成為當(dāng)前傳感結(jié)構(gòu)一體化研究的熱點(diǎn)。國內(nèi)外開展了大量的相關(guān)研究工作，提升了薄膜熱電偶分立元件的靈敏度、測溫量程、使用壽命等性能，但在實(shí)際應(yīng)用上仍存在諸多挑戰(zhàn)。兼具高溫穩(wěn)定性和高靈敏度的敏感層薄膜制備、多層材料體系的熱適配問題、復(fù)雜曲面均勻薄膜沉積仍制約著薄膜熱電偶在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用。不斷發(fā)掘新材料、新薄膜制備工藝和信號(hào)采集方法，航空發(fā)動(dòng)機(jī)薄膜熱電偶終將取得重大突破。