熱障涂層服役溫度測試與隔熱機理

張凱榮 ， 徐 毅， 劉梅軍 ， 楊冠軍

(1.西安交通大學(xué)金屬材料強度國家重點實驗室， 陜西 西安 710049；2.中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院， 綿陽 四川 610599；3.北京航空航天大學(xué)航空發(fā)動機研究院， 北京 102206)

0 前 言

航空發(fā)動機渦輪進口溫度是評價發(fā)動機性能的重要指標(biāo)，第四代航空發(fā)動機渦輪進口溫度已達1700℃，新一代航空發(fā)動機渦輪入口溫度預(yù)計超過1 800℃。 作為發(fā)動機渦輪葉片主要材料的鎳基高溫合金，其能承受的溫度峰值約在1100 ℃附近，遠(yuǎn)不及燃?xì)鉁囟取?渦輪葉片在高溫、高壓環(huán)境下工作，準(zhǔn)確測量其表面溫度，能夠正確評估發(fā)動機的工作狀態(tài)，也能夠為葉片的高溫防護提供指導(dǎo)。 熱障涂層(TBC)作為涂層防護手段中的關(guān)鍵技術(shù)，為發(fā)動機的熱防護起到重要作用，通過溫度測定來分析TBC 表面溫度分布與界面溫度分布，合理設(shè)計TBC 是實現(xiàn)葉片高溫防護的重要環(huán)節(jié)[1，2]。 TBC 通過自身的孔隙結(jié)構(gòu)和低的熱導(dǎo)率，可達到降低熱流到達基體表面溫度的效果，而要準(zhǔn)確獲取TBC 在實際工況中的降溫效果，則需要準(zhǔn)確測量在發(fā)動機運行過程中TBC 表面及界面的溫度，獲取表/界面溫度差數(shù)據(jù)，才能更好地指導(dǎo)新結(jié)構(gòu)、新材料、高性能的TBC 設(shè)計。

在對渦輪葉片的實時監(jiān)測研究中，動態(tài)連續(xù)溫度測定是其中尤為重要的一項，根據(jù)是否為動態(tài)連續(xù)測溫，可以將現(xiàn)有測溫法分為動態(tài)連續(xù)測溫和靜態(tài)非連續(xù)測溫。 其中紅外輻射、熒光、填埋式熱電偶、光纖、薄膜熱電偶測溫技術(shù)為動態(tài)連續(xù)測溫，晶體、示溫漆測溫技術(shù)為靜態(tài)非連續(xù)測溫。 在國內(nèi)外的現(xiàn)有研究中，根據(jù)是否與基體直接接觸，將測溫系統(tǒng)分為接觸式和非接觸式兩大類，非接觸式測溫主要有紅外輻射、熒光測溫技術(shù)，接觸式測溫有填埋式熱電偶、示溫漆、晶體、光纖、薄膜熱電偶測溫技術(shù)等。

由于發(fā)動機葉片工作環(huán)境復(fù)雜，尤其對于涂層溫度的測量，測溫系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、高效率、長壽命都是影響測溫準(zhǔn)確性的重要因素。 本文主要綜述國內(nèi)外關(guān)于航空發(fā)動機溫度測定的研究現(xiàn)狀，并根據(jù)測溫原理對適用于葉片測溫的技術(shù)進行了劃分，并討論了適用于TBC 表面與界面的測溫方法，在此基礎(chǔ)上，對TBC 隔熱機理進行了闡述，并對測溫發(fā)展方向進行了總結(jié)和展望。

1 發(fā)動機熱端部件測溫的迫切需求

在發(fā)動機的服役過程中，TBC 作為熱防護涂層可以提升熱端部件的工作效率及工作壽命。 如圖1 所示，TBC 主要由頂層陶瓷層和底層金屬粘結(jié)層組成，由于TBC 的特殊孔隙結(jié)構(gòu)，使其在熱流沖刷下表現(xiàn)出理想的隔熱效果[3，4]，低熱導(dǎo)率TBC 可降低熱端部件溫度80～150 ℃。 然而，TBC 在實際服役過程中的隔熱效果需要測溫數(shù)據(jù)的精確驗證，如獲取TBC 的表面溫度及涂層間的界面溫度，從而得到TBC 的具體隔熱數(shù)值，以驗證涂層設(shè)計是否達到要求，并指導(dǎo)涂層的設(shè)計與制備。 在TBC 系統(tǒng)中，涂層材料的選擇、涂層厚度、結(jié)構(gòu)及制備方法的選擇對其隔熱性能的影響很大，提升TBC 的隔熱性能需要針對這些參數(shù)及方法進行改進，而準(zhǔn)確獲得相關(guān)溫度數(shù)據(jù)是改進的前提。 可以通過光學(xué)測溫測量涂層表面溫度，如紅外輻射、熒光、晶體、光纖測溫技術(shù)，或熱致變測溫，如示溫漆測溫技術(shù)，或熱電測溫技術(shù)。 與只測量表面溫度不同，針對TBC 系統(tǒng)的測溫還要求在涂層界面處獲取相關(guān)溫度數(shù)據(jù)，在現(xiàn)有測溫技術(shù)中，以熱電原理為基礎(chǔ)的熱電偶測溫法，可以通過氣相沉積法在涂層表面和界面處制備薄膜熱電偶，通過熱電信號的傳輸與轉(zhuǎn)換，成功獲取測溫數(shù)據(jù)。

圖1 TBC 結(jié)構(gòu)示意圖[3]Fig.1 Schematic diagram of thermal barrier coating structure[3]

根據(jù)測溫原理可以將已有測溫法分為以下幾類:光學(xué)測溫如紅外輻射、熒光、晶體、光纖測溫技術(shù)；熱致變測溫，如示溫漆測溫技術(shù)；熱電測溫，如填埋式熱電偶、薄膜熱電偶測溫技術(shù)。 其中，光學(xué)測溫法和熱致變測溫只能測量部件的表面溫度，而熱電測溫可以對界面處的溫度進行測定。 針對不同的測溫場景，可以使用不同原理的測溫方法，例如，針對發(fā)動機整體的溫度分布，可采用視野和測量范圍較為寬泛的光學(xué)測溫原理的紅外輻射測溫法。 使用光學(xué)測溫原理的晶體測溫法或熱致變測溫原理的示溫漆測溫法，可得到發(fā)動機熱端部件在使用過程中的最高溫度。 使用熱電原理的熱電偶測溫法可實現(xiàn)對某小部分區(qū)域的精確測溫。 針對不同需求采用不同的測溫法從而實現(xiàn)科學(xué)和效益上的最優(yōu)化。

熱端部件處于高溫環(huán)境，其新材料的研發(fā)、結(jié)構(gòu)的優(yōu)化或防護涂層的設(shè)計，都需要溫度的測定予以佐證。特別是對于處于復(fù)雜環(huán)境的發(fā)動機，溫度場分布是進行研究的重要依據(jù)。 穩(wěn)定、動態(tài)、精確的溫度測定對航空發(fā)動機及工業(yè)產(chǎn)品的升級不可或缺，對航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有理論和現(xiàn)實意義。 盡管航空發(fā)動機經(jīng)過大量實驗驗證具有很高的可靠性，但在運行過程中，由于多種因素還會出現(xiàn)失效情況，因此，對發(fā)動機的溫度實時監(jiān)控也是保證航空安全的重要內(nèi)容。

2 基于光學(xué)原理的測溫技術(shù)

基于光學(xué)原理的測溫技術(shù)主要包括紅外輻射、熒光、晶體、光纖測溫技術(shù)，利用光學(xué)原理進行測溫靈敏度高、響應(yīng)快，但容易受到環(huán)境干擾。 光學(xué)原理測溫法可以針對部件表面溫度進行測定。

紅外測溫屬于非接觸式測溫法的典型代表，當(dāng)物體溫度高于絕對零度時，會向外釋放輻射能量，紅外測溫就是利用這一現(xiàn)象，通過探測儀接收這種輻射出來的能量，將其轉(zhuǎn)化為電信號，最終通過信號處理器經(jīng)過一定的算法實現(xiàn)實時測溫。 普朗克黑體輻射是德國科學(xué)家普朗克根據(jù)量子理論提出的用于研究紅外輻射分布規(guī)律的理論，輻射能量與溫度關(guān)系符合普朗克黑體輻射定律即[5]:

式中，R0(λ，T)表示溫度為T、波長為λ時的光譜輻射度，c是真空中的光速，ν為頻率，C1、C2為第一、二輻射常數(shù)，λ為物體的輻射波長，T為物體的絕對溫度。

圖2 是一種輻射測溫光學(xué)系統(tǒng)，模擬實現(xiàn)動態(tài)測溫的示意圖[6]，為不斷旋轉(zhuǎn)的葉片測溫提供了思路。圖2 中1、4、5 和8 均為反射鏡，2 為激光器，3 為透鏡組，6 為濾光片，7 為光電對管，9 為圓盤。

圖2 動態(tài)輻射掃描測溫儀光學(xué)系統(tǒng)[6]Fig.2 Optical system of dynamic radiation scanning thermometer[6]

紅外輻射測溫法包括亮度、比色、全輻射及多波長測溫法[7]。 研究人員利用紅外輻射計成功地對發(fā)動機渦輪葉片的前緣和葉盆實現(xiàn)了溫度場的測量[8]。 為了得到可靠數(shù)據(jù)，有學(xué)者建立了一種可定量預(yù)測飛行器的紅外特征及傳感器的響應(yīng)模型，為高超音速飛行器提供了重要模型數(shù)據(jù)[9]。 通過計算機模擬和實驗，提出了一種在具有不同溫度和低發(fā)射率表面的封閉燃?xì)廨啓C環(huán)境中修正誤差的方法，模型如圖3 所示，為一種多葉片的三維仿真模型，輻射接收系統(tǒng)設(shè)置在相鄰葉片間，當(dāng)葉片以規(guī)則的間隔位移時，高溫計從葉片處于其當(dāng)前位置時的葉片前緣開始掃描到葉片后緣附近區(qū)域。 仿真結(jié)果表明，該算法的實現(xiàn)誤差小于1%[10]。實際工作時，發(fā)動機內(nèi)部復(fù)雜的環(huán)境影響測溫精確性，研究人員研究了短波紅外(SWIR)在煙霧和霧霾中的穿透能力及成像技術(shù)，提出了時間延遲和數(shù)字積累(TDDA)方法，改善了系統(tǒng)的非均勻性，這對在復(fù)雜環(huán)境中紅外測溫技術(shù)的發(fā)展有重要意義[11]。 在高溫環(huán)境中，紅外輻射測溫法的準(zhǔn)確性與材料本身的發(fā)射率密切相關(guān)，材料的成分、形狀、表面狀態(tài)、溫度、氧化程度、顏色等決定了發(fā)射率的大小，因此，通過對不同溫度條件下渦輪葉片的發(fā)射率進行測量，才能準(zhǔn)確獲得葉片表面溫度。 針對不同測量條件，結(jié)合短波下反射法測量精度高和長波下定義法測量精度高的特點，提出了一種混合測量發(fā)射率的技術(shù)，實驗結(jié)果顯示可以將測量的不確定度控制在2%以內(nèi)[12]。

圖3 紅外系統(tǒng)高溫計模型[10]Fig.3 Infrared system pyrometer model [10]

紅外輻射測溫法靈敏度高、響應(yīng)快、監(jiān)控范圍廣，相比于接觸式的測溫方法，對待測表面的結(jié)構(gòu)和物理場影響小，不需要對待測表面進行處理。 紅外測溫發(fā)展受限于以下幾點:一是不同的材料會產(chǎn)生不同的輻射率，且輻射率會隨所處環(huán)境發(fā)生變化；二是發(fā)動機燃燒室內(nèi)條件惡劣，存在煙霧等遮擋氣氛，這使得紅外測溫難以對此類復(fù)雜溫度場實現(xiàn)精確測量[13]；三是渦輪葉片構(gòu)造復(fù)雜且處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，部分位置難以測量。

熒光測溫是一種非干涉式的測溫手段，需要在待測表面涂覆一層涂料，稱為溫度敏感涂料(TSP)，這種涂料可以在激光(通常為紫外光或者X 射線)或者高溫的激發(fā)下發(fā)出熒光，熒光接收器在接收到熒光后，通過圖像處理系統(tǒng)進行函數(shù)分析得出相應(yīng)的溫度場，也被稱為激光誘導(dǎo)熒光法[14]。 此方法精度高、響應(yīng)時間短、空間分辨率高，但是需要發(fā)射器和接收器精確配合才能完成測溫工作。 圖4 為一種發(fā)射光譜高溫測量實驗裝置示意圖，通過二色向鏡將激光束引導(dǎo)至熔爐內(nèi)，在監(jiān)測端，球形透鏡采集發(fā)光信號并將其聚焦在光譜儀的輸入?yún)^(qū)域內(nèi)[15]，不同溫度下材料的相、形狀和尺寸分布以及光致發(fā)光強度存在顯著差異，最終通過發(fā)光光譜獲取溫度信息，這一過程需要各器件的嚴(yán)密配合。

圖4 發(fā)射光譜高溫測量實驗裝置示意圖[15]Fig.4 Schematic diagram of the experimental setup for high temperature measurements of the emission spectra[15]

TSP 通常配合絕緣層等進行測溫工作，對在高超音速風(fēng)洞環(huán)境中獲得待測表面熱通量的數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)響應(yīng)時間足夠小，并且對低導(dǎo)電率基體所測得的數(shù)據(jù)誤差更小，一種TSP 涂料、薄熱阻層和基底的典型組合如圖5 所示。 圖5 中q代表熱流，T1代表薄膜表面溫度，T2代表基體溫度[16]。 通過將稀土元素直接摻雜在涂層內(nèi)部，形成磷光體的稀土元素化合物，以此進行遠(yuǎn)程測溫也成為熒光測溫的一種方式。 研究發(fā)現(xiàn)通過將銪作為固溶體發(fā)色團摻雜劑摻雜于TBC 中進行測溫，摻雜后的涂層對溫度最高顯示可達1 200 ℃，這為測量發(fā)動機表面TBC 的工作溫度提供了良好途徑[17]。 熒光測溫法是一種非接觸式的測溫法，具有寬量程、高精度、重復(fù)性好等特點。 受限于發(fā)光材料及測量位置，未來應(yīng)在熒光涂料和測溫方式這2 個方向進行重點研究。

圖5 TSP 涂料、薄熱阻層和基底的典型組合[16]Fig.5 Typical combinations of a TSP paint， a thin thermal resistance layer and a substrate[16]

晶體測溫是利用晶體缺陷在高溫環(huán)境中發(fā)生變化實現(xiàn)的，屬于接觸式瞬態(tài)測溫法。 經(jīng)過高能輻照的晶體會產(chǎn)生晶體缺陷，這種缺陷在高溫環(huán)境中會部分恢復(fù)，最終通過測量剩余缺陷濃度實現(xiàn)溫度的測量。 有學(xué)者利用共聚焦顯微拉曼光譜研究了輻照下SiC 中子的結(jié)構(gòu)損傷，較高的輻照量可以增加石墨團簇的產(chǎn)量，缺陷誘導(dǎo)的聲子約束效應(yīng)導(dǎo)致了光學(xué)聲子峰的非對稱展寬和明顯的尾部[18]。 這些結(jié)構(gòu)的變化可以反映在晶體物性的變化中，從而佐證晶體內(nèi)部缺陷的變動，為晶體測溫提供基礎(chǔ)[19]。

光纖作為一種良好的光傳導(dǎo)工具，對光傳輸?shù)膿p耗極低，常見的光纖材料石英由于其耐高溫的特性可用于制備高溫傳感器。 目前應(yīng)用最廣泛的光纖輻射測溫，需要在光纖測溫端制備一種耐高溫的黑體腔，黑體腔在測溫時與熱源接觸，并在受熱后發(fā)出光信號通過光纖傳輸至探測器，最終經(jīng)過處理得到溫度數(shù)據(jù)[20，21]。光纖測溫量程寬、分辨率高、靈敏度高，但傳感器體積較大、測溫系統(tǒng)復(fù)雜、相關(guān)材料研發(fā)進展較慢，還需更多的考核驗證實驗。

利用光學(xué)原理進行測溫的方法具有高靈敏度、快響應(yīng)的特點，但受制于測溫環(huán)境干擾，應(yīng)用受限。 紅外測溫受材料及測量環(huán)境影響，精度難以保證，且在復(fù)雜的渦輪葉片結(jié)構(gòu)內(nèi)部，難以實現(xiàn)全方位的測量。 熒光測溫具有寬量程、高精度、重復(fù)性好的特點，但在熒光材料方面的研究進展緩慢。 晶體測溫?zé)o法實現(xiàn)動態(tài)連續(xù)的測溫要求。 光纖測溫的精度和靈敏度高，但測溫系統(tǒng)復(fù)雜，不適用于復(fù)雜的測溫環(huán)境。 對TBC 涂層測溫來講，光學(xué)原理測溫法目前只適用于TBC 的表面測溫。

3 熱致變原理測溫技術(shù)

熱致變原理在航空發(fā)動機測溫技術(shù)的應(yīng)用體現(xiàn)在示溫漆測溫法，其只能針對熱端部件的表面溫度進行測定。

示溫漆測溫法是一種常見的非干涉式的測量方法，常采用熱致變這種功能性材料制成，原理是通過示溫材料經(jīng)過高溫暴露后顏色的變化來判斷所處環(huán)境的溫度，屬于靜態(tài)非連續(xù)測溫法。 由于示溫漆具有不需要單獨引線、不破壞待測物體表面形狀、測量結(jié)果直觀、成本低、所需附加設(shè)備少、可用于大面積測量等其它測溫法不具備的優(yōu)勢，常被用于航空航天等領(lǐng)域器件表面溫度的測量[22]。

如圖6 所示，研究人員利用不可逆示溫漆對高壓渦輪導(dǎo)向器的表面溫度進行測量，采用標(biāo)準(zhǔn)試片等溫線溫度值對實驗結(jié)果進行判定，判讀精度可達±10 ℃[23]。

在測溫完成后，需要對示溫漆進行顏色的讀取和比對，第一種方法，即原始方法，是憑借人的視覺系統(tǒng)進行人工直讀，這種方法憑借經(jīng)驗判斷，操作簡單，但誤差較大[24]。 第二種方法，通過色彩色差分析儀進行顏色的判讀屬于半自動的方式，精度較于人工直讀有大幅提升。 第三種方法是借助于計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的發(fā)展，對制成的標(biāo)準(zhǔn)樣片進行顏色拾取，通過大量的數(shù)據(jù)運算與數(shù)據(jù)庫中的資料進行比對，最后繪制溫區(qū)并輸出數(shù)據(jù)。 有學(xué)者利用3D 掃描技術(shù)及圖像處理技術(shù)對不可逆示溫漆進行了較為準(zhǔn)確的測量[25]。 隨著近年來信息技術(shù)的不斷發(fā)展，示溫漆自動判讀及圖像處理研究不斷深入。

盡管示溫漆安裝方便，成本可控，但組裝與剝離示溫漆花費大量時間，且不能進行實時監(jiān)控，溫度分辨率較差。 因此示溫漆的相關(guān)應(yīng)用受限，未來示溫漆應(yīng)朝著高附著力、高顯色度和多變色層方向發(fā)展，顏色處理系統(tǒng)也應(yīng)向著更智能化和精細(xì)化方向發(fā)展。 對TBC 涂層溫度的測量，熱致變原理測溫法在進行層間測溫時需要對涂層進行破壞處理，才能得到溫度數(shù)據(jù)。 因此，熱致變原理測溫法只能應(yīng)用于TBC 涂層的表面溫度測量。

4 熱電原理測溫技術(shù)

熱電原理測溫技術(shù)包括填埋式熱電偶、薄膜熱電偶測溫技術(shù)，熱電原理即熱電效應(yīng)原理，是指異種材料由于溫度差異在內(nèi)部產(chǎn)生電荷移動的一種現(xiàn)象，最典型的應(yīng)用為熱電偶。 其可以同時進行涂層表面和界面的溫度測定。

熱電偶傳感器的工作原理是基于塞貝克效應(yīng)(熱電效應(yīng))進行溫度測定，屬于一種接觸式的測溫方法，是將2 種成分不同的導(dǎo)體組合成閉合回路，當(dāng)端點存在溫差時閉合回路產(chǎn)生電動勢，通過測量電勢，最終得到待測部件的溫度，原理如圖7 所示[26]。 由于熱電偶傳感器的精度高、穩(wěn)定性好，能滿足實時動態(tài)測溫的需求，因此被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機的動態(tài)測溫中。

圖7 熱電偶原理圖[26]Fig.7 Schematic diagram of thermocouples[26]

使用填埋式熱電偶時通常直接將熱電偶傳感器黏附在待測物體表面，或通過在待測表面進行開槽，將熱電偶絲埋入，最后將表面焊死。 研究者采用激光熔覆的方法將K 型熱電偶傳感器嵌入在TBC 陶瓷層(YSZ/氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯)中，實現(xiàn)了從環(huán)境溫度到450℃的溫度響應(yīng)，塞貝克系數(shù)與商用K 型熱電偶相近[27]。 圖8 展示了一種填埋式熱電偶實物圖，葉片表面的熱電偶突起較為明顯，一定程度上破壞了葉片表面的物理場[28]。 在高溫環(huán)境中填埋式熱電偶壽命較短，安裝會形成應(yīng)力集中，影響基體材料的力學(xué)性能，因此近年來應(yīng)用較少。

薄膜熱電偶作為一種接觸式的測溫方法，工作原理與傳統(tǒng)熱電偶類似。 相比于傳統(tǒng)填埋式熱電偶，薄膜熱電偶在二維方向上的尺寸很小，只有幾到十幾微米，甚至不到1 μm，因此響應(yīng)速度快，位置靈活，并且對渦輪葉片溫度場的影響甚微，近年來應(yīng)用廣泛。 通常采用氣相沉積或磁控濺射的方法將薄膜熱電偶沉積在待測部件的表面或涂層內(nèi)部。 常見薄膜熱電偶結(jié)構(gòu)有T、K、S 型[29]。

早在1966 年就有學(xué)者采用真空沉積法制備簡易的薄膜熱電偶，熱電偶由常見的鎳、鐵、銅、康銅、鉻鎳和鋁鎳合金制成，由于技術(shù)限制，測量誤差較大[30]。 另有研究人員采用射頻濺射技術(shù)在氧化鋁和莫來石表面制備了鉑和鈀薄膜熱電偶，試驗證明在1 000 ℃條件下其具有良好的穩(wěn)定性，但高溫暴露后在顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)薄膜發(fā)生了脫落[31]。 基于陶瓷基體的鎢錸薄膜熱電偶，發(fā)現(xiàn)設(shè)計優(yōu)化可以有效降低因熱應(yīng)力不匹配引起的薄膜損傷，其熱電偶傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖9 所示[22]。 研究人員采用射頻磁控濺射法制備了NiCr 和NiSi 薄膜熱電偶，隨后對其進行真空退火，發(fā)現(xiàn)薄膜熱電偶的熱電性能和穩(wěn)定性有一定程度的提升[32]。

圖9 鎢錸薄膜熱電偶結(jié)構(gòu)設(shè)計圖[26]Fig.9 Design diagram of tungsten rhenium thin film thermocouple structure[26]

由于金屬材料暴露在高溫環(huán)境中會發(fā)生氧化等問題，因此，近年來許多學(xué)者使用陶瓷類材料制備薄膜熱電偶。 陶瓷薄膜熱電偶具有良好的穩(wěn)定性以及熱電性能，且陶瓷比金屬更耐高溫。 研究者通過射頻濺射法將陶瓷熱電偶沉積在氧化鋁基體上，制備出了可以承受1 250 ℃的氧化銦錫(ITO)陶瓷薄膜熱電偶，但其熱電性能不理想[33]。 隨后在2010 年同一批研究人員發(fā)現(xiàn)摻雜氮的ITO 與NiCoCrAlY/Al2O3組成的熱電偶的塞貝克系數(shù)高且穩(wěn)定[34]。 2013 年，有學(xué)者通過研究氮等離子處理對薄膜熱電偶燒結(jié)動力學(xué)和相關(guān)致密化的影響，得到的薄膜熱電偶與商用K 型熱電偶具有相同漂移速率[35]。 在利用傳統(tǒng)熱電偶材料方面，研究人員采用直流磁控濺射法和掩膜圖形化技術(shù)在鎳基合金上制備了多層結(jié)構(gòu)的NiCr-NiSi 型薄膜熱電偶，所制備的薄膜熱電偶的塞貝克系數(shù)可達到37 μV/K[36]。 隨著發(fā)動機環(huán)境溫度的不斷提升，高溫薄膜熱電偶的相關(guān)研究也有開展，有學(xué)者利用微機電系統(tǒng)制備了鉑-鉑銠薄膜熱電偶，其靜態(tài)標(biāo)定曲線線性度較好，最高測定溫度可達1 300 K[37]。

進一步研究發(fā)現(xiàn)，對薄膜熱電偶進行后處理，可以有效提高其熱穩(wěn)定性。 研究人員采用富氮等離子體反應(yīng)濺射法制備了氮摻雜的氮摻雜氧化銦(InON)和銦錫氧化物(ITON)薄膜，發(fā)現(xiàn)采用氮氣/空氣退火會提高ITO 陶瓷薄膜熱電偶的高溫穩(wěn)定性，這對改善此類陶瓷薄膜熱電偶的熱電性能具有重要意義[38]。 此外，研究人員采用射頻磁控濺射技術(shù)在氧化鋁陶瓷基體上制備ITO 型薄膜熱電偶，隨后對薄膜熱電偶在500～1 100 ℃溫度范圍進行退火處理，發(fā)現(xiàn)退火溫度對ITO 型薄膜熱電偶的穩(wěn)定性有顯著影響，其中在1 000 ℃下退火后ITO 的穩(wěn)定性最高，塞貝克系數(shù)可達77.73 μV/K[39]。通過不同退火工藝對WRe26-In2O3[WRe26(鎢-26%錸)和In2O3熱電材料]薄膜熱電偶進行處理，也佐證了退火處理對薄膜熱電偶熱電性能有顯著影響的觀點[40]。 另外，有研究人員通過在InON 薄膜電極中引入不同含量的氮得到具有良好熱電系數(shù)穩(wěn)定性的薄膜熱電偶[41]。

薄膜熱電偶由于在厚度方向上尺寸很小，在制備時容易出現(xiàn)不連續(xù)不均勻等現(xiàn)象，且氣相沉積法在對復(fù)雜基體表面進行操作時有一定的難度，而發(fā)動機渦輪葉片為不規(guī)則復(fù)雜曲面，這使得此方法在制備熱電偶的應(yīng)用中存在一定的困難。

熱電原理測溫法具有寬量程、高精度、快響應(yīng)、可動態(tài)測量的特點，且測溫位置靈活多變，可根據(jù)測溫要求將測溫點制備于待測部件的任意位置。 相較于破壞性較大的填埋熱電偶，薄膜熱電偶對待測部件的熱流擾動小，且不會降低部件的力學(xué)性能。 對TBC 系統(tǒng)來說，熱電原理測溫法可以測量涂層層間任意位置的溫度，可以測量不同涂層上下表面的溫度，可考察驗證涂層的有效性。

5 TBC 隔熱機理及性能優(yōu)化

對TBC 表/界面溫度測定及隔熱機理的研究，是指導(dǎo)TBC 結(jié)構(gòu)設(shè)計的前提。 為研究TBC 在熱端部件的作用效果，通過建立如圖10 所示的TBC-金屬基體一維導(dǎo)熱-對流換熱模型，對TBC 的隔熱進行評價。 如圖10 所示，模型中的傳熱過程包括:高溫燃?xì)?溫度為Tg)與TBC 表面的傳熱或與金屬基體表面的直接傳熱、TBC 內(nèi)部導(dǎo)熱(TBC 表面溫度為T′w3、內(nèi)表面溫度為T′w2)、TBC 與金屬基體表面的導(dǎo)熱、金屬基體(其中d2為金屬基體厚度，λ2為金屬基體導(dǎo)熱系數(shù))內(nèi)部導(dǎo)熱(無熱障涂層時，高溫端溫度為Tw2，低溫端溫度為Tw1；有熱障涂層時，高溫端溫度為T'w2，低溫端溫度為T'w1)、金屬基體與冷卻氣(溫度為Tc)傳熱。 分析計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)d1/λ1-1/h1≥0(其中d1為TBC 厚度，λ1為TBC 導(dǎo)熱系數(shù)，h1為燃?xì)鈧?cè)的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)臨界值)，TBC 可以起到隔熱作用，而d1/λ1-1/h1＜0 時，h1存在臨界值，只有當(dāng)TBC 的燃?xì)鈧?cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h1′小于該臨界值，TBC 才能發(fā)揮隔熱作用。h1受涂層熱阻及無涂層時燃?xì)鈧?cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響，當(dāng)涂層自身熱阻大于無涂層時燃?xì)鈧?cè)換熱熱阻時，涂層的存在可降低金屬葉片的外表面溫度，以起到隔熱的作用[42]。因此，通過涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計提高涂層自身熱阻，降低涂層熱導(dǎo)率，是提高涂層隔熱性能的前提。

圖10 TBC 換熱模型[42]Fig.10 TBC heat transfer model[42]

此外，采用第一性原理可初步對所選材料進行本征熱導(dǎo)率的計算，以驗證材料熱導(dǎo)率是否符合設(shè)計要求。 研究者利用密度泛函理論，研究了二維Ga2O3(100)的晶格動力學(xué)和熱傳輸機理，發(fā)現(xiàn)該材料具有降低晶格熱導(dǎo)率的固有特征，為熱管理領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可替代材料[43]。 基于計算機模擬的發(fā)展，利用有限元等計算可初步模擬TBC 隔熱效率及涂層在一定條件下的結(jié)構(gòu)演變。 為探究多尺度孔隙TBC 在高溫環(huán)境下的熱導(dǎo)率演變機制，研究者建立了具有微米、納米多尺度孔隙的TBC 模型，結(jié)果顯示涂層熱導(dǎo)率隨著孔隙尺度的增大而下降[44]。 通過理論模型的建立，采用有限元分析可預(yù)測含有微裂紋TBC 的裂紋擴展方向，從而揭示材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)向宏觀開裂的演變過程和規(guī)律[45]。

目前，用于制備TBC 的熱噴涂法有大氣等離子噴涂法(APS)及電子束物理氣相沉積法(EB-PVD)兩大類。 APS 作為重要的熱噴涂技術(shù)，原理是利用等離子熱源將待噴涂材料加熱至熔融或半熔融狀態(tài)，使其以高速狀態(tài)沉積附著在基體表面，形成具有層間孔隙的層狀結(jié)構(gòu)涂層，此類涂層由于層間孔隙的存在，往往被認(rèn)為具有較低的熱導(dǎo)率[46，47]。 如圖11 所示，APS 制備的TBC 陶瓷涂層具有典型的氣固兩相結(jié)構(gòu):涂層材料以固態(tài)扁平粒子的形式進行堆疊，其間分布有多尺度、多形貌孔隙，陶瓷層這種特殊的孔隙結(jié)構(gòu)也是其產(chǎn)生隔熱效果的主要原因[48]。

圖11 APS 制備的TBC 結(jié)構(gòu)[47]Fig.11 Structure of TBC prepared by APS[47]

與APS 所制備的涂層結(jié)構(gòu)不同的是，EB-PVD 涂層呈現(xiàn)出柱狀結(jié)構(gòu)，如圖12 所示，這種存在縱向孔隙的柱狀結(jié)構(gòu)使涂層的應(yīng)變?nèi)菹尢嵘?，從而延長了涂層在高應(yīng)力渦輪部件上的使用壽命[49]。 研究表明，EBPVD 柱狀涂層熱導(dǎo)率大致在1.5 ～2.0 W/(m·K)，而APS 層狀涂層的熱導(dǎo)率在1.0 ～1.2 W/(m·K)范圍附近[50]。 這是由于EB-PVD 貫穿式孔隙與連續(xù)柱狀實體結(jié)構(gòu)的存在，導(dǎo)致所制備涂層的熱導(dǎo)率高于APS。

圖12 EB-PVD TBC 截面形貌[49]Fig.12 Cross-sectional morphology of EB-PVD TBC[49]

等離子-物理氣相沉積(PS-PVD)工藝結(jié)合了APS和EB-PVD 2 種噴涂工藝的優(yōu)點，可同時實現(xiàn)低熱導(dǎo)率和高熱變?nèi)菹轙BC 的制備[51]。 通過調(diào)控送粉率、等離子氣體構(gòu)成、沉積距離、噴涂時基體溫度等工藝參數(shù)[52-54]，PS-PVD可制備結(jié)構(gòu)具有一定差異的涂層，包括與APS 涂層相似的層狀涂層，與EB-PVD 涂層相似的柱狀涂層，以及同時具有層狀及柱狀結(jié)構(gòu)的混合結(jié)構(gòu)涂層，以實現(xiàn)優(yōu)異的綜合性能。

PS-PVD 噴涂時，工藝參數(shù)的調(diào)控影響待沉積材料在射流中的運輸狀態(tài)，從而決定沉積單元的形態(tài)，沉積單元的形態(tài)又決定涂層的結(jié)構(gòu)和相態(tài)。 因此通過調(diào)節(jié)PS-PVD 工藝參數(shù)，可實現(xiàn)噴涂時沉積單元的可控調(diào)節(jié)，最終實現(xiàn)對涂層結(jié)構(gòu)的有效調(diào)控，以獲得符合預(yù)期性能的TBC。 為進一步研究PS-PVD 對TBC 性能的可控調(diào)節(jié)，Liu 等[55，56]建立光學(xué)發(fā)射光譜(OES)系統(tǒng)對PS-PVD 噴涂射流特性進行研究。 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)控送粉率及粉末初始尺寸，可實現(xiàn)材料的相態(tài)轉(zhuǎn)變，最終表現(xiàn)在涂層的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，相關(guān)研究對TBC 制備前工藝參數(shù)的選擇具有重要的指導(dǎo)意義。 圖13 展示了一種利用PS-PVD 制備的樹枝樣柱狀涂層[57]，與傳統(tǒng)EBPVD 涂層的柱狀結(jié)構(gòu)不同的是，這種柱狀結(jié)構(gòu)存在類似于枝狀的特殊結(jié)構(gòu)，這種不連續(xù)的枝狀結(jié)構(gòu)使得涂層的熱導(dǎo)率進一步降低，而貫穿式的縱向孔隙又使涂層的應(yīng)變?nèi)菹抻兴嵘?，這種具有綜合性能的涂層將是下一步研究的重點。

圖13 PS-PVD 柱狀結(jié)構(gòu)涂層[57]Fig.13 PS-PVD cylindrical structure coating[57]

TBC 的結(jié)構(gòu)、自身性能、表面質(zhì)量、內(nèi)部缺陷等都影響其使用性能。 研究發(fā)現(xiàn)，涂層表面粗糙度影響陶瓷層-氣體界面熱導(dǎo)率，表面粗糙度的增加會增大涂層與熱流的實際接觸面積，從而引起固氣界面導(dǎo)熱系數(shù)的增大[58]。 在制備和使用過程中，孔隙和微裂紋等缺陷會被引入涂層內(nèi)部，TBC 在高低溫環(huán)境工作時，孔隙、微裂紋等缺陷會不斷擴大，最終導(dǎo)致涂層開裂失效，特別是在粘結(jié)層中，部分組元會沿著裂紋縫隙向高溫區(qū)擴散，直至在粘結(jié)層表面生成大量金屬氧化物，影響涂層壽命[59]。 TBC 陶瓷層在經(jīng)過長時間的高溫暴露后，涂層內(nèi)部會發(fā)生相變和燒結(jié)，其中相變會使材料體積膨脹引起涂層失效。 而燒結(jié)會使涂層內(nèi)部微觀孔隙愈合，導(dǎo)致涂層鋼化，引起熱導(dǎo)率和彈性模量大幅增加。 相變和燒結(jié)都會使涂層隔熱性能下降[60，61]。

TBC 的結(jié)構(gòu)是影響其隔熱性能的重要因素，通過模擬計算，可以初步分析材料的熱導(dǎo)率及涂層的隔熱效率，并能對涂層在使用過程中的結(jié)果演變做出預(yù)測。TBC 陶瓷層通過獨特的孔隙結(jié)構(gòu)實現(xiàn)較低的熱導(dǎo)率，通過不同的涂層制備工藝，得到層狀、柱狀、樹枝狀的結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)不同的隔熱效果。 其中樹枝狀的涂層兼顧了低熱導(dǎo)率和高熱變?nèi)菹薜奶攸c，是陶瓷層結(jié)構(gòu)研究的重要方向。 TBC 涂層表面、層間的溫度測量，可以有效指導(dǎo)涂層的材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計及制備工藝選擇，且在涂層功能有效性的考察驗證中具有重要作用。

6 總結(jié)與展望

高性能TBC 設(shè)計研發(fā)是提升發(fā)動機工作效率的重要環(huán)節(jié)，通過對發(fā)動機熱端部件表/界面溫度的準(zhǔn)確測量，可以得到部件表/界面溫度的具體分布，以便更好地優(yōu)化設(shè)計高隔熱性能TBC 結(jié)構(gòu)，從而延長部件壽命。因此，航空發(fā)動機工作溫度的測定對涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計至關(guān)重要。

(1)基于光學(xué)原理、熱致變原理與熱電原理的測溫技術(shù)，可以對TBC 的表面與界面溫度進行測量。 光學(xué)原理中光纖和晶體測溫隨著光學(xué)技術(shù)的發(fā)展逐漸流行，熒光和紅外通過光電轉(zhuǎn)化進行測溫工作也取得了一定的成果，利用光學(xué)原理的測溫技術(shù)可以對涂層或基體的表面溫度進行測量。 利用熱致變原理的示溫漆測溫法操作簡單，常被用于實際的測溫工作，但由于不能實現(xiàn)動態(tài)連續(xù)測溫在應(yīng)用中受到限制，且只能用于測量部件或涂層的表面溫度。 熱電原理中，填埋式熱電偶尺寸過大影響熱流分布，薄膜熱電偶對基體影響小，應(yīng)用最為廣泛，成為研究熱點，利用熱電原理的測溫技術(shù)可以同時實現(xiàn)對涂層或基體的表/界面溫度測量。

(2)TBC 的隔熱性能是其重要的評價指標(biāo)，通過APS 制備的TBC 具有典型的層狀結(jié)構(gòu)，可以有效降低涂層的熱導(dǎo)率。 通過EB-PVD 制備的TBC 具有更高的應(yīng)變?nèi)菹?，但由于貫穿式孔隙與連續(xù)柱狀實體結(jié)構(gòu)的存在，導(dǎo)致所制備涂層的熱導(dǎo)率高于APS。 PS-PVD 熱噴涂工藝結(jié)合了APS 和EB-PVD 2 種工藝的優(yōu)點，可制備低熱導(dǎo)率和高熱變?nèi)菹轙BC。 在制備涂層的過程中，應(yīng)用測溫技術(shù)對涂層表/界面溫度分布進行測量，可對涂層的結(jié)構(gòu)設(shè)計起到指導(dǎo)作用，以設(shè)計出具有高隔熱性能的涂層。

未來的航空發(fā)動機的測溫方法將向著高精度、高穩(wěn)定性、低延遲、零干擾和智能化的方向發(fā)展，這種動態(tài)測溫的研究應(yīng)用將為航空發(fā)動機的研發(fā)和維護提供有效且可靠的數(shù)據(jù)支持，并在一定程度上加強了飛行器的安全運行。 測溫考核也是高性能TBC 設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，為適應(yīng)更惡劣的服役環(huán)境，具有高應(yīng)變?nèi)菹蕖⒏吒魺?、強抗蝕、低擾動的綜合性能的TBC 將成為研究的重要方向。 借助測溫技術(shù)測量涂層表/界面溫度分布，TBC 的溫度測定將更加科學(xué)準(zhǔn)確，對其結(jié)構(gòu)設(shè)計研發(fā)具有重要意義。