国外航空发动机薄膜热电偶技术发展研究

黄春峰，蒋明夫，毛茂华

（中航工业中国燃气涡轮研究院，四川江油 621703）

0 引言

在航空发动机涡轮、燃烧室等高温部件冷却设计的效果以及热障涂层的性能试验研究中，准确测量高温零件的表面温度是非常关键和必要的。对此，国外发展了1种薄膜热电偶测温技术，并成功应用于涡轮热叶栅试验中[1-2]。研究成果表明，裸露的薄膜热电偶技术是高温高速流场条件下转子部件表面温度测量的理想方法。对于壁面结构很小（如叶片排气边邻近区域）或壁面打孔进行外部气膜冷却的区域，溅射式薄膜热电偶是直接测量表面温度的实用工具，尤其是在研究性测量中。非常薄的薄膜热电偶（总厚度小于15 μm）不会对热流道和壁厚或冷却流型产生扰动，可以显著地提高局部温度测量的精度。溅射式薄膜传感器的寿命已超过常规嵌入式传感器的寿命[3]。

在国外，薄膜热电偶温度传感器已逐渐替代传统的壁温热电偶，最近几十年，世界各地许多学者对薄膜热电偶的结构、制备方法、性能和应用前景进行了大量研究工作，并取得了令人鼓舞的进展[4-5]。薄膜热电偶技术日益成熟，迅速成为1种可靠的试验技术。

1 薄膜热电偶的性能和技术特点

1.1 薄膜热电偶的性能特点

与普通热电偶的原理一样，薄膜热电偶也是基于物质的热电效应原理，用于测量瞬变温度的1种接触测量仪器。其测温原理为热电效应(或塞贝克效应):当2种不同的金属组成的闭合回路两端存在温差时，在回路中产生热电势。由于薄膜热电偶的热接点多为μm级的薄膜，其性能独特，具有体积小（热容量小）、灵敏度高、便于安装、温度测量范围宽、动态响应时间短、响应快、集成度高和稳定性强等优点，特别适于测量物体表面和小间隙场所快速变化的温度，满足温度传感器技术小型化、集成化、阵列化、多功能化、智能化、系统化及网络化的发展趋势。近年来广泛应用于航空发动机热端部件的瞬态温度测试，以及燃气涡轮元件附面层行为的监测。

薄膜热电偶是采用真空蒸镀、真空溅射、化学涂层或电镀等技术，将2种金属薄膜直接镀制在金属表面，形成沉积有绝缘材料层的薄膜传感器。与传统热电偶相比，薄膜热电偶可以随意安排在被测表面上，工作寿命长，测量端部小（测量膜厚度可小至μm级），热容量小，可用于微小面积上的温度测量；响应速度快，时间常数可达μm级，可实现动态温度测量；受金属表面换热和流场干扰影响小，避免了常规热电偶测量位置不准确、蠕变滞后等弊端。

1.2 薄膜热电偶的技术特点

1.2.1 结构特点

薄膜热电偶由中间合金膜、介质膜和测量膜3层薄膜构成，如图1所示。前2种膜构成测量膜与叶片基体之间的电气绝缘，而测量膜构成传感器的敏感元件。中间合金膜直接溅射（或沉积）在涡轮叶片表面，其合金与涡轮叶片材料成分相近。二者可通过部分化合结合，经过热处理，膜与叶片接触处的界面上相互扩散和固相溶解，从而增加了膜与基体的结合力。与此同时，在该膜的表面会形成α-Al2O3膜，厚度仅为数百或数千埃。在这层膜上再沉积1层厚度为2 μm的Al2O3层。这2层薄膜成分相同、性质相近，因此可以牢固结合。界面C是Al2O3膜与测量膜的结合面。测量膜用贵金属铂铑10和铂制成，这2种金属与Al2O3膜不能形成化学键合。为了获得附着力，采用真空溅射镀膜的方法，使金属以较大的能量机械地嵌入到较为粗糙的表面，使二者形成物理性质的结合[6]。

薄膜热电偶的测量膜和引线材料根据测量温度上限而选择贵金属铂和铂铑10（Pt-Pt10%Rh）。这2种材料比所有常规热电偶材料成分简单，由此减少了镀膜时由于镀膜材料成分偏析而引起热电偶电动势偏离标准分度值的可能性。热电性能符合国际规定的薄膜热电偶可方便地与2次仪表配套使用。

1.2.2 中间合金膜

中间合金膜是1层过渡膜，它把测量膜与叶片基体连在一起，既保证整个传感器牢固地附着在叶片表面上，又要确保传感器的测量膜与基体间的可靠电绝缘。其合金选择与叶片成分相近的NiCOCrAlY，与叶片材料有很好的相容性，合金中的铝是其中的重要成分，经过高温氧化处理，会在膜的表面上形成A12O3膜。中间合金膜具有良好的飞韧性和黏接性和高的介电常数，可以承受高温燃气的冲击和腐蚀。在屈服极限内不会把热应力和机械应力传输到坚硬的氧化铝层上，使氧化铝膜保持在强度和弯曲极限之内，这种镀层已在航空发动机涡轮叶片上得到广泛应用。

合金中加入Y（钇）后，经热处理，镀层表面的钇下沉，与金属中的其他成分结合形成深入到晶粒边界中的爪，增强了膜与基体上的附着力。

1.2.3 薄膜热电偶的引线

热电偶引线与薄膜的焊接是薄膜热电偶研制过程中的重要环节。薄膜热电偶引出端与φ1套管热电偶连接在一起接至2次仪表上。由于薄膜的体积和面积之比与套管热电偶丝的体积和面积之比相差较大，二者很难焊接在一起，故需在二者之间焊接细丝。热电偶引线与薄膜采用热压焊焊接，该焊接方法属固相键合技术。在一定压力下，材料会产生塑性变形和微小的结构破坏，并引起材料转移。在加压的同时加温，使材料分子扩散作用增强，材料的转移也加剧，从而使整个键合区域结构均匀。热压焊的实质是在足够高的温度下（低于焊接材料熔点）施加1个很大的压力，使材料原子产生相互扩散，从而形成焊接。

热电偶引线与薄膜的焊接完成之后，将引线另一端与长约0.6 m、直径为1.5 mm的铂铑10－铂（或镍铬－镍硅）铠装热电偶的内偶丝焊接在一起，然后用高温无机胶把裸露的偶丝引线覆盖，最后用不锈钢压块把铠装热电偶前端牢牢地压在薄膜热电偶试件尾端，最终连接的薄膜热电偶试件如图2所示。

2 薄膜热电偶的敏感薄膜制作方法

薄膜传感器的测量精度、稳定性和寿命等性能与其敏感膜的制备工艺、方法及流程有着密切关系。制作温度敏感薄膜的方法很多，目前常用磁控溅射法、离子束辅助沉积法和化学气相沉积法等[7]。

2.1 磁控溅射沉积法(MSD)

磁控溅射沉积法通过高压电离Ar等惰性气体，在电场作用下用Ar+离子和电子轰击纯度99.9%以上的靶材，并在靶材表面加入磁场，使得溅射出来的原子和离子沿着一定方向沉积到衬底，从而显著提高薄膜沉积速度、效率和质量。其优点在于气压低，沉积速率高，成膜质量好，便于大规模生产。浙江大学凌明芳等采用正交试验法研制的S枪磁控溅射源制备出了Ni温度敏感薄膜，且电阻温度系数（TCR）达到6.180×10-3／℃。

2.2 离子束辅助沉积法（IBAD）

离子束辅助沉积法在真空系统中使用辅助载能离于源，在气相沉积的同时，利用高能离子术束轰击薄膜沉积表面，对薄膜表面环境产生影响，从而改变沉积成分、结构和性质。其关键部件是用于产生宽束离子束的Kaufman离子源。该方法使用离子束轰击薄膜表面，因此使薄膜的致密度、附着力、层结构等性能得到极大提高。周继承等采用了双离子束溅射辅助沉积法，在不锈钢制衬底上制备了NiCr合金膜，结果表明，薄膜对基片具有较强的附着力和致密度，可用作压力和热电偶温度敏感器件。

2.3 化学气相沉积法（CVD）

与磁控溅射和离子辅助沉积法相比，化学气相沉积法具有沉积温度低，沉积速度快，易控制掺杂浓度等优点，适合制备非金属和氧化物薄膜。美国Michigan州立大学的Mohanwad Aslam等采用该方法在圆柱不锈钢面上沉积了1层耐温超过1000℃以上的金刚石薄膜温度敏感电阻阵列。

3 薄膜热电偶工艺方法及质量控制

3.1 工艺方法[8]

可采用真空溅射法将薄膜热电偶直接镀到被测叶片表面上。溅射时，真空容器中充有氧气。镀膜材料和被镀工件各作镀膜机的电极，2极间加高压，并引起真空器的氧气电离。荷能粒子轰击装有镀膜材料的溅射靶后，材料以分子或原子团的形式从靶面上逸出，并溅落到被镀工件上。镀制不同薄膜要更换相应的靶材。采用的靶体中装有磁控装置，以便显著提高溅射速率。镀膜机配有直流电源（直流磁控溅射）和射频电源（射频磁控溅射）。直流磁控溅射用于溅射金属材料，射频磁控溅射用于溅射金属和介质膜材料。

在每个叶片的叶盆（压力面）和叶背上各安装3支薄膜热电偶，如图3所示。为了检验介质膜的绝缘和测量膜材料不均匀性对热电偶热电势的影响，在安排薄膜热电偶的走向时，应将热电偶膜以合适的方式引出。为确定测量精度，将叶片同一侧薄膜热电偶的热接点都集中于1个小区域内，并在此安装1支作为标准的套管热电偶，以对比2种热电偶的测量结果。在该区域内，每支热电偶的热接点相距为3～5 mm。

薄膜热电偶的主要工艺过程包括：（1）欲镀膜的叶片表面抛光、吹砂和清洗；（2）溅射沉积中间合金膜；（3）中间合金膜进行氢气热处理和高温氧化热处理；（4）溅射沉积Al2O3膜；（5）分别光刻和溅射铂和铂铑热电偶；（6）将热电偶膜尾端与细丝经热压焊接连在一起，细丝另一端与套管热电偶采用电弧焊连接。

3.2 质量控制

薄膜热电偶的制作工艺较为复杂，任一工序的任何失误都能造成最终产品的失败。统计表明，在研制过程中，薄膜热电偶损坏率约为40%。其主要损坏形式是薄膜热电偶断裂、膜与细丝引线开焊、测量膜与基体短路等。因此，要特别注重产品研制过程中的制造工艺、热电偶焊接与装配、考核试验（标定试验和热疲劳试验）的质量控制。在在标准情况下，采用测量薄膜热电偶的电阻来保证其合适的阻值。

为了确定薄膜热电偶的结构差异，应在实验炉中进行性能试验，考察端边破坏的影响和微孔区密度的影响。端边破坏引起薄膜氧化，从而降低了薄膜性能。

采用电镜扫描详细考察薄膜的结构，以确定缺陷密度。应防止氧化铝微粒局部堆积或造成不均匀的孔隙度，通过分析确定由于溅射靶产生的氧化铝微粒的杂质问题。

通过结构破坏分析方法提出工艺改进措施，改进后使薄膜热电偶的成品率达到60%～90%。保证和维持产品质量,控制下限不能通过非结构破坏方法解决，该方法仍处于研究之中。采用荧光探测着色方法和椭圆对称测量，可以在薄膜热电偶生产的初期识别缺陷，进而予以修正。

4 薄膜热电偶技术的应用与发展

4.1 国外薄膜热电偶研究[9-12]

（1）英国RR公司

早在1996年，RR公司采用Pt-Rh/Pt薄膜热电偶测量了薄壁导向器叶片高达1200℃的温度分布。薄膜传感器成功地以薄膜形式直接沉积在试验涡轮导向叶片上。传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的弦的叶片上沉积了16个传感器，传感器之间的最小间隔为2 mm。台架试验叶片上的传感器展示出其优秀的过热能力、频率响应和噪声特性。目前，RR公司现已建有生产薄膜温度传感器的室内设备，研制的薄膜热电偶已在燃气涡轮发动机上得到应用，其测量不确定度为±2%。

（2）美国PW公司

PW公司研制了膜厚为2～12 μm、基底材料为FeCrAlY的Pt/Pt-10%Rh（S型）溅射式薄膜热电偶，该热电偶能承受高达1093℃的高温炉试验和高压燃烧室气流试验，其热电势在S型热电偶分度误差的1.5%以内，寿命可达50 h。试验结果表明，热电偶的偏差小于276℃/h，已成功应用于新型发动机燃烧室和涡轮研制。

（3）美国NASA刘易斯研究中心（LeRC）

NASA LeRC研究中心针对航空航天等恶劣环境下的测温需要，专门建立了1个薄膜传感器试验室。为了检验和掌握薄膜热电偶试验技术，该中心把这种传感器应用到发动机测试之前，先在1个可控的试验环境中进行试验。在超耐热合金、Si2N4、SiC、Al2O3陶瓷等不同衬底下，通过溅射沉积厚约5～8 μm的 Pt和 Ptl3-Rh、Pdl4-Cr等合金膜，以此作为热电偶的2极，研制出了测温范围达到1100℃以上，精度为±0.3℃的高温薄膜温度与张力复合传感器。该研究成果表明：（1）验证了薄膜热电偶应用于局部传热测量中的技术；（2）薄膜技术和使薄膜与粗引线连接的新方法可以成功地把薄膜热电偶应用于发动机部件试验；（3）证明了最近设计的换热试验装置适合于测量发动机内狭窄冷却流道中的换热；（4）局部换热数据表明冷却流道进口区的热流量明显增大；（5）所测的热流量将作为检查高长、宽比的狭窄矩形流道中换热分析预测的数据库测量结果进一步坚定了LeRC把薄膜热电偶用于即将在NASALeRC进行的涡轮加热试验中的信心。

（4）美国空军研究实验室（AFRL）

据美国空军研究实验室2005～2006年报告表明，在对F119发动机的试验中发现其高压涡轮盘榫槽的前缘位置出现了热应力导致的裂纹，大大缩短了高压涡轮盘的寿命。而目前的工程模型无法准确预测此位置上的传热。为此，美国空军研究实验室开发了1种新的高密度热通量多重薄膜传感器阵列，并将其安装在F119发动机高压涡轮转子位于工作叶片底部供应冷却气流的小腔内部，如图4所示。这是首次尝试在真实的、全速旋转的带冷却涡轮的榫槽内侧进行多点非接触式表面热通量测量。在4个榫槽位置采用不同的传感器安装布局来测量表面热通量。把导线穿过轮盘接到轮毂处，并与1个含300个接触点的滑环相连接。这一敏捷作战支持（ACS）方法的最终目标是了解榫槽处的传热，以便进行设计优化，提高低周疲劳和破裂寿命的预测精度，并将高压涡轮盘寿命延长至8650次循环。

在F135发动机耐久性试验中，其高压涡轮工作叶片缘板上热应力过大为此，美国空军研究实验室开发了独特的先进薄膜传热测量仪，并设计加工了新型双面白金薄膜量计阵列。这种非接触式传感器如图5所示，该传感器是用厚度为600×10-10m的白金膜喷镀在50 μm厚的软聚酰亚胺薄片的双面而制成的。将这种双面薄膜量计阵列用于高压涡轮工作叶片缘板（如图6所示）表面，不会引起气流表面分离，也不用对试验叶片进行任何加工。此技术为关键而复杂的流动区域提供了1种非接触式测量方法，能够针对带冷却的涡轮部件上普遍存在的更加复杂的3维导热问题，获取准确的附面层状态。这种测量仪为F135发动机及其他先进的军用推进系统的试验提供了有利支持。

图4 F119发动机高压涡轮盘传感器安装

（5）美国NASAGRC和索拉涡轮公司

美国NASA GRC和索拉涡轮公司合作研究，把K型薄膜热电偶用于涡轮叶栅试验，并在NASA GRC传热试验装置上进行验证，获得良好的试验结果。敷设薄膜热电偶的涡轮叶片在索拉公司涡轮热叶栅装置上进行试验，所得到薄膜热电偶的数据可用来验证索拉公司高温计的校准。试验证明，薄膜热电偶能够承受高达870 K的工业试验温度。

由LepicovskyJ带领进行的上述试验的主要目的是研究在涡轮叶片上安装薄膜热电偶，在900 K的燃气温度环境中进行热叶栅试验获取表面温度，用薄膜热电偶现场校准红外高温计探头。设计制造单点和多点薄膜热电偶，在已知的流场条件下在传热设备上进行验证试验，以改善薄膜热电偶黏接工艺，在金属曲面上试验喷涂薄膜涂层的各种方法。

4.2 需要解决的技术问题

（1）温度敏感膜的测温范围、测温精度及阻温系数还有待优化，需要寻求更为稳定、测温范围更高的功能薄膜材料，以及开展合金薄膜热电偶和金属间化合物薄膜热敏电阻研究。

（2）稳定性和可靠性在薄膜温度传感器技术中极其关键，目前仍需改善高温下温漂对传感器件测温的影响，提高器件的稳定性，增强敏感膜与衬底间的绝缘度和附着力，开发出高温下性能更为优越的绝缘薄膜。

（3）动态响应时间短是薄膜热电偶的最重要特征之一。在瞬态温度测量中，若传感器动态性能不佳，就无法快速、准确地反映被测温度的变化，因而，需要对传感器的动态性能进行研究，动态响应时间作为评价薄膜热电偶动态性能的主要指标，应该得到广泛关注。

（4）高温薄膜温度传感器芯片的物理和化学机理尚不明晰，特别是敏感膜在高温下的电学特性，以及与衬底及绝缘膜之间的动力学和化学相互作用还需进一步研究。

5 结束语

现代航空涡轮叶片上传热和表面温度分布的分析和计算，要求对预测结果进行试验验证。但是，现有的常规试验技术不能满足这一需要，而将先进的光学技术应用于狭窄的冷却流道内困难较大。

国内外的研究表明，目前，先进的薄膜热电偶技术是成功解决发动机涡轮动叶和静叶表面温度测量的理想方法，凭借其优异的性能和技术特点，能够承受恶劣的航空发动机试验环境，可用于高达1200℃的研究试验，不会对附着流的流谱或热流轨迹及厚壁产生扰动，显著地提高局部温度测量的精度，用于测量涡轮发动机热端部件的表面瞬态温度和局部换热率测量的精度可达±2%，从而对涡轮叶栅的寿命预估和冷却结构设计提供重要依据。

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