高溫合金異形件表面薄膜熱電偶研制取得突破性進(jìn)展

羅炳威, 曹麗莉, 羅 飛, 牟仁德, 王長(zhǎng)亮, 陳 柳,孫 坤, 徐 毅, 劉 松, 周海濤,馬可欣, 田青云, 史繼源

（1.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.北京信息科技大學(xué) 光電測(cè)試技術(shù)及儀器教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100192；3.中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng) 110015；4.中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川 綿陽(yáng) 621000；5.北京航空航天大學(xué) 航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院，北京 100191）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，工況惡劣而復(fù)雜。準(zhǔn)確獲得渦輪葉片服役狀態(tài)下的溫度，才能進(jìn)一步對(duì)葉片進(jìn)行各項(xiàng)技術(shù)改進(jìn)，如進(jìn)行葉片結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、合金體系的優(yōu)化等[1-2]。渦輪葉片需要面臨高壓、高溫高速氣流沖刷、葉片冷效換熱、振動(dòng)、異形曲面等惡劣環(huán)境和特殊應(yīng)用場(chǎng)景，使得葉片表面與其周圍環(huán)境的溫度波動(dòng)較大，在不破壞葉片結(jié)構(gòu)、性能和流場(chǎng)環(huán)境的條件下，準(zhǔn)確獲取其表面動(dòng)態(tài)溫度成為技術(shù)難題[3-4]。薄膜熱電偶由兩種不同成分的薄膜材料形成唯一交點(diǎn)（即測(cè)溫點(diǎn)）構(gòu)成，可以直接沉積在工件表面，及時(shí)獲得工件表面實(shí)時(shí)瞬態(tài)溫度。但是國(guó)內(nèi)研制的薄膜熱電偶在惡劣服役環(huán)境中出現(xiàn)易從葉片上剝落、輸出熱電勢(shì)快速衰減、氧化失效等問(wèn)題，該項(xiàng)技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用受到了限制。

世界上主要航空強(qiáng)國(guó)較早開(kāi)始進(jìn)行薄膜熱電偶的研究，以美國(guó)NASA為代表的研究機(jī)構(gòu)在基礎(chǔ)研究方面有著深厚的積累，美國(guó)普惠和美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)將Pt/PtRh10薄膜熱電偶成功應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的驗(yàn)證[5]。我國(guó)多數(shù)研究團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)展的應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)溫領(lǐng)域的薄膜熱電偶材料也主要是Pt/PtRh10體系，他們?cè)诒∧犭娕荚砑闹苽浜捅碚饔猩詈竦姆e累，但在高溫環(huán)境中Rh元素的氧化、薄膜熱電偶與高溫合金絕緣性能有待提升、補(bǔ)償導(dǎo)線與薄膜熱電偶的連接工藝不可靠等工程應(yīng)用問(wèn)題未得到解決，薄膜熱電偶在實(shí)際應(yīng)用效果上與國(guó)外存在的差距，研究關(guān)注的重點(diǎn)多在熱電偶的總體結(jié)構(gòu)和性能調(diào)控，從基礎(chǔ)科研到工程應(yīng)用的系統(tǒng)性研究有待加強(qiáng)[6-7]。

為解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件表面精準(zhǔn)瞬態(tài)溫度測(cè)試的問(wèn)題，薄膜熱電偶需突破薄膜制備、界面調(diào)控、集成制備及信號(hào)與系統(tǒng)四個(gè)方面的應(yīng)用技術(shù)，本研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了一系列的研究，解決了13項(xiàng)技術(shù)難題（如圖1所示），制備的鉑銥薄膜熱電偶能在25～1200 ℃溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定使用。在薄膜制備技術(shù)方面：一方面團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新材料體系開(kāi)展鉑銥非標(biāo)準(zhǔn)薄膜熱電偶的研究，確保在高溫條件下，成分不偏析，同時(shí)優(yōu)化鉑銥薄膜的沉積工藝構(gòu)筑動(dòng)力學(xué)勢(shì)壘，獲得了（111）晶面擇優(yōu)取向的鉑銥薄膜，提高鉑銥薄膜的氧化溫度點(diǎn)至1000 ℃，進(jìn)而保證薄膜熱電偶在高溫環(huán)境下穩(wěn)定的熱電勢(shì)輸出[8]。另一方面，在國(guó)際上首次用一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)S熱電偶對(duì)穩(wěn)定的鉑銥薄膜熱電偶進(jìn)行了高溫分度（300～1200 ℃），并擬合了薄膜熱電偶熱電勢(shì)輸出與溫度的線性方程，提供了分度表[9]。團(tuán)隊(duì)還利用磁控濺射法在高溫合金表面制備了絕緣層，以確保在高溫、高速氣流環(huán)境下保持絕緣電阻在兆歐以上。在界面調(diào)控技術(shù)方面：團(tuán)隊(duì)主要開(kāi)展了多層薄膜應(yīng)力匹配的相關(guān)研究工作，薄膜熱電偶在高溫、高速氣流環(huán)境下與高溫合金結(jié)合良好，不剝落[10]。在薄膜熱電偶集成電路方面：團(tuán)隊(duì)突破了補(bǔ)償導(dǎo)線匹配技術(shù)、補(bǔ)償導(dǎo)線與薄膜連接技術(shù)確保補(bǔ)償導(dǎo)線在高溫、高速氣流環(huán)境下保持接觸點(diǎn)穩(wěn)定，信號(hào)不失真。在后端信號(hào)與系統(tǒng)方面：團(tuán)隊(duì)對(duì)電信號(hào)采集與傳輸、電信號(hào)轉(zhuǎn)化、信號(hào)校準(zhǔn)和專用設(shè)備開(kāi)發(fā)進(jìn)行了初步的研究，完善了薄膜熱電偶測(cè)試系統(tǒng)。

圖1 薄膜熱電偶測(cè)溫關(guān)鍵技術(shù)圖Fig. 1 Key technology of thin-film thermocouple

最近，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)利用鉑銥薄膜熱電偶集成技術(shù)在燃?xì)庋媪髋_(tái)對(duì)高溫合金異形件進(jìn)行溫度檢測(cè)，經(jīng)過(guò)高溫高速焰流灼燒四個(gè)循環(huán)，總測(cè)試時(shí)長(zhǎng)達(dá)到8700 s后，鉑銥薄膜熱電偶仍可穩(wěn)定獲取溫度數(shù)據(jù)。這次實(shí)驗(yàn)的成功，說(shuō)明鉑銥薄膜熱電偶向工程化應(yīng)用邁出了重要一步。團(tuán)隊(duì)以GH5188為基材，采用電弧法制備NiCrAlY過(guò)渡層，等離子噴涂制備ZrO2和Al2O3復(fù)合絕緣層，磁控濺射制備鉑銥薄膜熱電偶，并連接補(bǔ)償導(dǎo)線形成完整的薄膜熱電偶器件。而后在燃?xì)庋媪髋_(tái)進(jìn)行測(cè)溫，測(cè)試照片見(jiàn)圖2（a）。鉑銥薄膜熱電偶性能優(yōu)異表現(xiàn)在兩個(gè)方面：（1）在全溫度范圍內(nèi)具有較強(qiáng)的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性。在8700 s的測(cè)試時(shí)間內(nèi)，薄膜熱電偶經(jīng)過(guò)高溫高速氣流的長(zhǎng)時(shí)間灼燒，其測(cè)溫點(diǎn)變化趨勢(shì)與商用S偶的變化趨勢(shì)基本相同，沒(méi)有異常點(diǎn)，4次循環(huán)中薄膜熱電偶的測(cè)溫值基本一致。而商用K偶在第一個(gè)測(cè)溫循環(huán)中測(cè)溫點(diǎn)分布極不規(guī)律，受焰流影響非常大，說(shuō)明鉑銥薄膜熱電偶的穩(wěn)定性高于普通商用K型絲材熱電偶（見(jiàn)圖2（b））。（2）所測(cè)試溫度更接近金屬異形件表面溫度。焰流處于高速高溫狀態(tài)，火焰自身與周圍溫度分布梯度較大，受焰流溫度分布影響，在高溫階段薄膜熱電偶的測(cè)試溫度（約650 ℃）低于商用S偶和商用K偶所測(cè)溫度（分別約820 ℃和770 ℃）；而當(dāng)停止焰流灼燒之后，空氣的熱容非常小，溫度可以迅速下降，而金屬異形件的溫度則難以在短時(shí)間內(nèi)迅速降低到與環(huán)境溫度相同，因此，受金屬異形件熱物性的影響，低溫階段薄膜熱電偶的測(cè)試溫度（約120 ℃）高于絲材熱電偶的溫度（約50 ℃和60 ℃）。進(jìn)一步證明了復(fù)雜環(huán)境下，葉片表面溫度與周圍近距離環(huán)境的溫度存在較大差異，薄膜熱電偶是獲取葉片表面瞬態(tài)溫度的最優(yōu)解決方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鉑銥薄膜熱電偶在高溫高流速空氣環(huán)境中，可以準(zhǔn)確獲得金屬異形件表面溫度，在國(guó)內(nèi)首次通過(guò)薄膜熱電偶測(cè)溫方法獲得焰流實(shí)驗(yàn)中金屬異形件表面溫度數(shù)據(jù)。

圖2 鉑銥薄膜熱電偶焰流臺(tái)測(cè)試 （a）薄膜熱電偶焰流試驗(yàn)圖；（b）高溫合金異形件上薄膜熱電偶實(shí)物圖；（c）熱電偶測(cè)試溫度隨時(shí)間變化圖Fig. 2 Pt/Ir thin film thermocouple simulate high temperature and speed fire test （a）picture of simulate high temperature and speed fire test；（b） picture of thin film thermocouple prepared on the special-shaped high temperature superalloy；（c）plot of test temperature of thermocouples as a function of time

該技術(shù)在模擬環(huán)境下實(shí)驗(yàn)成功不僅突破葉片測(cè)溫技術(shù)的瓶頸，并且實(shí)現(xiàn)了金屬件表面薄膜型電子元器件的一體化制備技術(shù)，提升了金屬基體與電子元器件之間的高溫絕緣性能，解決了多層膜在高低溫循環(huán)、高溫高速燃?xì)鉀_刷條件下熱應(yīng)力大導(dǎo)致的開(kāi)裂與剝落等難題。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)深入研究，推動(dòng)薄膜熱電偶測(cè)溫技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)部件實(shí)驗(yàn)測(cè)試中的工程應(yīng)用。

薄膜熱電偶測(cè)溫技術(shù)是一項(xiàng)通用技術(shù)，模擬環(huán)境實(shí)驗(yàn)的成功可以讓其應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)、汽輪機(jī)一級(jí)葉片的表面溫度測(cè)試、火箭燃?xì)鈬娮毂诿鏈囟葴y(cè)試、超速飛機(jī)迎風(fēng)面等表面的溫度測(cè)試等瞬態(tài)溫度測(cè)試中，也可以與測(cè)量?jī)x器配套，在石油、化工、鋼鐵、造紙、熱電、核電等生產(chǎn)行業(yè)，作為高溫測(cè)量的儀器，在電子芯片、鋰離子電池等電子信息領(lǐng)域作為微型溫度監(jiān)測(cè)元器件。因此，薄膜熱電偶測(cè)溫技術(shù)具有廣闊的市場(chǎng)前景。