SiC晶體測溫判讀技術研究

呂靜雯，蔣洪川，閆 帥，李 揚，趙麗君，趙曉輝，張萬里

(1.電子科技大學電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，成都 611731；2.中國航發四川燃氣渦輪研究院，四川綿陽 621010)

1 引言

隨著航空發動機朝高推重比、高馬赫數、高效率及高穩定性方向發展[1]，其壓氣機壓比、轉速及渦輪前溫度都將更高，渦輪葉片也將承受更為嚴重的熱應力和應變，造成其蠕變壽命大幅度下降，甚至出現葉片燒蝕、斷裂[2-3]。為了對發動機進行相應的設計、試驗和維護，精確測量渦輪葉片的表面溫度分布十分必要。

目前航空發動機渦輪葉片等高溫部件的測溫方法，主要有熱電偶、示溫漆、紅外輻射、藍寶石光纖、SiC晶體等方法。其中，SiC晶體測溫技術具有測溫晶體尺寸小、無需引線、測溫精度高、可高密度陣列式布點、測試改裝易實現，以及能測量渦輪葉片緣板、榫頭等其他測溫方法難以實現測量的特殊位置而具有明顯的優勢[4]。晶體測溫技術最早由俄羅斯庫爾恰托夫原子能研究所開發設計，其研究的SiC晶體的應用溫度范圍為150～1 450℃，曾廣泛用于評估Bor-4 和Bor-5 航天飛行器飛行試驗條件下從軌道計劃降落至地球時的外部溫度載荷，且評估結果已成功應用于暴風雪號軌道航天飛船的設計及飛行試驗[5]。目前，國外的晶體測溫技術已比較成熟，尤其是美國、俄羅斯和烏克蘭，已形成了完整的研發及應用體系[6-8]。國內對晶體測溫技術的研究起步較晚，尚處在理論研究與驗證階段。張興等[9]針對航空發動機關鍵結構部件高溫測試的技術難題，開展了SiC晶體測溫技術研究，闡述SiC晶體的退火特性和缺陷觀察方法。

由于國外的核心技術不公開，只介紹原理以及測試應用案例，國內用戶想用SiC 晶體測溫方法判讀溫度需要支付昂貴的費用，導致SiC 晶體測溫方法尚未在國內得到廣泛使用。為此，本文對航空發動機渦輪葉片SiC 晶體測溫判讀技術進行了探究。深入研究了輻照SiC晶體的殘余缺陷濃度與退火溫度之間的關系，建立了溫度判讀數據庫，并且通過Matlab 軟件搭建了溫度判讀可視化界面，用戶可以通過該溫度判讀軟件輕松實現渦輪葉片所經歷最高溫度的判讀。

2 SiC晶體的熱處理與分析方法

2.1 熱處理

實驗中使用的SiC單晶樣品由中國航發四川燃氣渦輪研究院提供。在標定爐中標定同批次的輻照SiC單晶樣品。標定處理溫度范圍為500～1 400℃，溫度梯度為100℃，恒溫時間為5 min。第一輪溫度標定后，完成拉曼光譜及X 射線衍射等相關測試。繼而，利用同一批樣品進行第二輪標定實驗，單次標定時間為5 min，相當于標定15 min的樣品。標定過程中，盡量避免升降溫過程帶來的誤差，控制晶體只經歷最高溫度。

2.2 SiC晶體的拉曼光譜分析

利用拉曼光譜[10]分析SiC 單晶樣品的輻照缺陷和退火過程中的晶體缺陷變化。當SiC晶體樣品經過中子輻照后點缺陷表現明顯，產生弗倫克爾對[11]。X 射線衍射峰的變化體現在峰位偏移和峰形展寬上，即樣品衍射角(2θ)和半高寬(FWHM)增大[12-14]。本實驗中SiC 單晶樣品的中子輻照條件為：中子注量1.72×1019n/cm2，輻照溫度60～80℃。圖1 為中子輻照后SiC單晶樣品的拉曼光譜。分析可得，SiC單晶樣品出現了光學拉曼峰的位置偏移和非對稱性展寬，并且在534 cm-1出現了新的散射峰。這是因為中子輻照破壞了晶格的長程有序，導致晶格平移，對稱性遭到破壞。

圖1 中子輻照前后SiC單晶樣品的拉曼光譜Fig.1 Raman spectroscopy of SiC single crystal samples before and after neutron irradiation

圖2 中子輻照SiC單晶樣品隨退火溫度變化的拉曼光譜Fig.2 Raman spectra of neutron irradiated SiC single crystal samples with annealing temperature

圖2 為中子輻照SiC 單晶經過不同溫度退火后的拉曼光譜。由圖可知，隨著退火溫度的逐漸升高，在792 cm-1、975 cm-1位置的峰不斷向高波數方向移動。輻照后新出現的峰也隨著退火溫度的升高而降低，并逐漸消失。這些現象說明，隨著退火溫度的升高，晶格內部缺陷逐漸減少，晶格也在恢復長程有序的結構。

2.3 SiC晶體的X射線衍射分析

SiC單晶樣品為0.2 mm×0.2 mm×0.3 mm的長方體狀。由于晶體切割偏角的影響，導致在衍射面不是每個方向都有衍射峰的出現。因此采用高分辨率X 射線衍射儀進行φ掃描確定X 射線入射方向，再采用θ-2θ聯動模式測量SiC晶體的(006)晶面，得到不同標定試驗條件處理的SiC測溫單晶樣品(006)晶面衍射峰2θ和半高寬。圖3給出了2θ隨退火溫度的變化趨勢。針對經標定處理5 min、10 min 和15 min的SiC單晶樣品，在400～1 200℃范圍內，其(006)晶面衍射峰2θ隨著溫度的升高以近似線性的趨勢增大。然而，由圖3(c)可知，在標定溫度超過1 300℃且標定時間達到15 min時，樣品2θ判讀結果反而有所降低。這可能是15 min 標定樣品已經將缺陷修復到最大程度，繼續退火導致晶格內部產生應力等缺陷，造成2θ判讀結果降低。由此可以推測，5 min與10 min標定樣品，其內部缺陷均未達到最大程度的修復。圖4為FWHM隨退火溫度的變化曲線。可見不同標定時間下，SiC 單晶樣品(006)晶面衍射峰FWHM隨著溫度的升高以近似線性的趨勢減小。

3 SiC晶體的數據處理與溫度判讀

3.1 2θ數據處理

經中子輻照的SiC單晶樣品產生的缺陷在高溫環境下被部分修復，殘余缺陷濃度可以用晶格參數表示。SiC晶體結構經高溫環境修復后的晶格變化即衍射角隨著修復溫度的升高和修復時間的增加而增大，可用公式(1)[15]表示：

式中：D為XRD 測得的晶格參數衍射角；A、B、C為常數；Tmax為樣品所經歷的最高溫度(℃)；teqv為等效時間(min)。

將標定過程中的多組試驗數據代入公式(1)，求得常數A、B、C；繪制2θ與teqv的變量關系圖，即2θ標定曲線圖(圖5)，以此建立測試晶體最高溫度、時間和衍射角三個變量關系的數據庫，作為溫度判讀的依據。

3.2 半高寬數據處理

圖3 SiC單晶樣品衍射角隨退火溫度的變化曲線Fig.3 The 2θ values with annealing temperature curve

圖4 SiC單晶樣品半高寬隨退火溫度的變化曲線Fig.4 The FWHM values with annealing temperature curve

圖5 2θ 標定曲線圖Fig.5 Calibration curve by 2θ

圖6 半高寬標定曲線Fig.6 Calibration curve by FWHM

綜合X 射線衍射的測試結果，可得到半高寬標定曲線(圖6)并作為溫度判讀依據。由圖6可知：隨著溫度的升高，SiC 單晶樣品(006)晶面衍射峰半高寬以近似線性的趨勢減小。由5 min 與10 min 標定的兩條半峰寬曲線可以看出，不同溫度下標定樣品的半高寬值很好地聚集于擬合曲線周圍。但是，當標定溫度超過1 100℃、標定時間達到15 min 時，樣品的半高寬值分布較為發散。以上現象表明，輻照晶體經過較低溫度熱處理時，需要較長的時間來實現有序結構的回復；而經過較高溫度熱處理時，則在較短的時間內就能實現有序結構的回復。在經歷溫度較高的條件下，延長最高溫度下的保溫時間反而會造成新的缺陷。此結果與2θ研究結果一致。由此可以推測，溫度對SiC 單晶樣品晶格變化的影響遠超于時間的作用。

3.3 等效時間算法處理

等效時間是指最高溫度下引起的晶格變化與實際多個階段測試累積所引起同樣的晶格變化所需的時間。首先將實際工況得到的渦輪葉片轉速與時間的關系曲線進行歸一化處理。據已知的經驗，葉片轉速越大，溫度就越高。在實際應用中，可將轉速歸一化等效為溫度歸一化時間歷程曲線圖，如圖7 所示。然后計算出SiC 單晶樣品所經歷最高溫度下的等效時間和最高溫度。圖8為等效時間說明示意圖，可看出，實際過程中的每一個時間段都可以轉換為最高溫度下的等效時間，整合在一起得到最高溫度時的等效時間。本文采用迭代計算方法將實際多階段時間轉換成最高溫度下的等效時間，其計算流程如圖9所示。

圖7 歸一化時間歷程曲線Fig.7 Normalized time history curve

圖8 等效時間說明示意圖Fig.8 Equivalent time description diagram

4 SiC晶體測溫判讀軟件編寫

測溫判讀軟件編寫主要運用數值處理、程序設計、數據可視化以及圖形用戶界面(GUI)。軟件編寫框架如圖10所示，依次為：GUI的設計；2θ和半高寬曲線的繪制；Excel文件的讀取以及溫度歷程曲線的繪制——在此步驟進行等效時間的計算；判讀階段的最高溫度輸出；轉換成EXE文件單獨運行。

圖9 等效時間的迭代計算流程圖Fig.9 Equivalent time flow chart with iterative calculation

圖10 軟件編寫流程圖Fig.10 Software programming flow chart

圖11 軟件運行界面Fig.11 Software running interface

圖11為軟件運行溫度判讀界面。如圖所示，軟件的界面分為繪制2θ標定曲線、歸一化時間歷程曲線與半高寬標定曲線三個部分。這樣的設計使溫度判讀過程方便快捷，并且可檢查每一個步驟及計算結果的準確性。試驗過程中，將標定溫度為850℃、標定時間為5 min 的一個SiC 單晶樣品進行XRD 測試，得到的晶格參數2θ值為35.584 8°，FWHM值為0.078 8°。將兩個晶格參數值代入軟件分別進行判讀，2θ標定曲線判讀溫度為822.9℃，FWHM標定曲線判讀溫度為869.4℃，優化可得最終判讀溫度為846.2℃，判讀誤差為0.447%。

5 結論

采用經中子輻照的SiC 單晶作為測溫元件，利用其通過退火處理缺陷湮滅的原理，并通過拉曼光譜和X 射線衍射等測試手段，成功搭建了SiC 晶體的晶格常數(2θ與半高寬)與退火溫度及保溫時間的關系曲線。具體研究結果如下：

(1)拉曼光譜結果表明，SiC 單晶樣品經過500～1 400℃退火后，隨著退火溫度的升高，晶格內部缺陷濃度逐漸降低，晶格也在恢復長程有序的結構。

(2)高分辨率X射線衍射結果表明，SiC單晶樣品經過500～1 400℃退火后，隨著退火溫度的升高，(006)晶面2θ逐漸增大，而半高寬逐漸減小。

(3)采用Matlab 編制了晶體測溫判讀軟件，并實現了可視化。判讀軟件的測溫范圍為500～1 400℃，判讀誤差為0.447%。