航空发动机作为现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, 导致涡轮叶片表面、燃烧室内壁等部位的温度越来越高。由于缺乏对涡轮叶片表面、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点等问题一直存在, 成为影响发动机性能和寿命提升的关键技术瓶颈。因此, 实时、准确测量涡轮叶片表面温度的分布状态, 对于航空发动机的设计和验证实验具有重大意义[2]。薄膜热电偶具有不破坏测试部件结构、响应时间短、热容量小、结构尺寸薄、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表面等部位的温度测量方面具有明显的优势。

从20世纪80年代开始, 国内外多家研究机构致力于研究航空发动机热端部件表面温度测量的薄膜传感器。美国国家航空航天局的Lei J F等[5]、Martin L C等人[6]、Wrbanek J D等人[7]和罗德岛大学的Tougas I M等人[8]就Ni Cr/Ni Si, Pt-10%Rh/Pt, Cr Si/Ta C, 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表面温度的测试。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, 具体材料体系包括Ni Cr/Ni Si (K型)[9], Pt-10%Rh/Pt (S型)[9], Pt-13%Rh/Pt (R型)[10], ITO/Pt[11], ITON/Pt[9], In O/ITO[12]和In ON/ITON[13]。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 (Ni Cr/Ni Si,<600℃) 、高温R型 (Pt-13%Rh/Pt, <900℃) 、超高温 (ITON/Pt, <1 in="">1 200℃) 等薄膜热电偶, 其使用寿命均大于10 h。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表面的中温、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。

薄膜热电偶由Ni Cr Al Y过渡层、热生长Al2O3层、Al2O3绝缘层、热电功能层 (尺寸为63 mm×1 mm×1μm) 和Al2O3保护层构成, 结构如图1所示。

首先, 先后采用丙酮、乙醇和去离子水对Ni基高温合金基板的表面进行清洗, 清洗后置于氮气气氛下干燥;再以Ni67Cr22Al10Y1合金为靶材, 采用直流磁控溅射在Ni基高温合金表面制备约15μm厚的Ni Cr Al Y合金过渡层;然后将样品置于真空热处理炉内, 在1 000℃下真空处理6 h, 使Ni Cr Al Y合金过渡层中的铝元素向表面偏析, 进而在相同温度下通入氧气, 高温氧化处理6 h, 使薄膜表面氧化形成约1.5μm厚的热生长Al2O3层;再以纯度为99.999% (重量百分比) 的Al2O3颗粒为蒸镀原料, 采用电子束蒸发沉积约12μm厚的Al2O3绝缘层;采用高温热处理炉, 在1 000℃的大气环境中将样品退火处理2 h;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In ON, 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表面沉积约3μm厚的Al2O3保护层。所制成的薄膜热电偶样品见图2所示。

采用静态标定法对薄膜热电偶进行标定, 具体方法见相关文献[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、R型、ITON/Pt和In ON/ITON薄膜热电偶的结点分别置于250～600℃, 300～1000℃, 300～1100℃, 300～1 000℃高温环境中。以Φ0.1 mm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, 从而实现信号的输出。

K型薄膜热电偶在250～600℃温度范围内进行静态标定的标定结果如图3 (a) 所示。从图中可以看出, 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可以按照式 (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, 因此设定二次多项式拟合的边界条件C为0

式中E为输出热电势, ΔT为冷热端温差, A, B和C为系数。C=0 m V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-1.30×10-5m V/℃2, 0.4424 m V/℃, 第2次标定时A, B分别为-1.28×10-5m V/℃2, 0.439 5 m V/℃。从拟合结果中可以发现, 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38.38μV/℃和38.14μV/℃, 平均塞贝克系数为38.26μV/℃, 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。为了更直观描述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, 可以看出, 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值可以保持在0.9以上, 超过380℃后, 也能达到0.8以上。

R型薄膜热电偶在300～1 000℃温度范围内进行静态标定的标定结果如图4 (a) 所示。可以看出, R型薄膜热电偶的热电势输出经过第1次标定后更加稳定。在热端温度为300～900℃即冷热端温差为230～750℃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。R型薄膜热电偶的热电性能可以按照式 (1) 进行二次多项式拟合。C=0m V时, 二次多项式拟合得到的结果为, 第1次标定, A, B分别为4.69×10-6m V/℃2, 0.00605 m V/℃;第2次标定A, B分别为4.20×10-6/℃2, 0.006 03 m V/℃;第3次标定A, B分别为4.13×10-6m V/℃2, 0.005 92 m V/℃。从拟合结果中可以发现, 随着标定次数的增加, R型薄膜热电偶的塞贝克系数逐渐降低, 分别是11.13, 10.44和10.23μV/℃, 平均塞贝克系数为10.60μV/℃。这主要是由于标定过程也是热处理的过程, 随着标定热处理的进行, PtRh薄膜中Rh的氧化逐渐加深, 使得PtRh合金表面中Rh的比例下降, 从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, 这说明随着标定热处理的进行, R型薄膜热电偶的线性度逐渐提升, 并趋于稳定。从图4 (b) 可以看到, 随着热端温度的增大即冷热端温差的增大R型薄膜热电偶的灵敏度K值变化非常小, 始终在0.8～0.9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。

ITON/Pt薄膜热电偶在300～1 100℃温度范围内进行静态标定的标定结果如图5 (a) 所示。可以看出, 经过第1次标定后热电势输出曲线的重复性较好, 说明ITON/Pt薄膜热电偶经过一次标定后的热电性能更加稳定。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, 从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, 因此, 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5 (b) 所示。ITON/Pt薄膜热电偶的热电性能可以按照式 (2) 所示的函数进行三次多项式拟合

式中E为输出热电势;ΔT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。可以发现, ITON/Pt薄膜热电偶的后四次标定结果的平均塞贝克系数为78.60μV/℃。

In ON/ITON薄膜热电偶在300～1 000℃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, 说明其热电性能较稳定。由于In ON和ITON薄膜中存在缺陷, 经过第1次静态标定循环时, 高温热处理使薄膜内部的缺陷减少, 从而使In ON/ITON薄膜热电偶的热电性能更加稳定。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, In ON薄膜和ITON薄膜的稳定性更高, In ON/ITON薄膜热电偶的塞贝克系数起伏变化较小, 因此热电势输出曲线呈现出近线性变化。In ON/ITON薄膜热电偶的热电性能可以按照式 (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, 说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, 说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123.10μV/℃。

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表面的中温、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, 使用寿命达到10 h以上。薄膜热电偶的成功研制, 将为航空发动机热端部件表面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。同时该项成果还可以广泛应用于其他高温部件的表面温度测试, 具有广阔的应用前景。