基于雙層薄膜熱電偶的熱障涂層隔溫溫度精確測(cè)量

段 力，翁昊天，姬中林，謝子儀，鄒兵林，王 盈

（1.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200240；2.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所，長(zhǎng)春130022）

0 引言

21 世紀(jì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，側(cè)重于其商業(yè)化及提高效能，而提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃動(dòng)效能就需要提高渦輪進(jìn)口的燃?xì)鉁囟龋摐囟纫呀?jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了渦輪葉片金屬基底材料的最高溫度承受能力，必須對(duì)合金材料的表面進(jìn)行冷卻。冷卻氣流和熱障涂層（Thermal Barrier Coating，TBC）是最常用的2 種冷卻方法：提高冷卻氣量會(huì)有顯著的冷卻效果，但會(huì)大大降低航空發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率；涂覆TBC 給渦輪葉片降溫是目前不可或缺的提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度的方法，研發(fā)高效能、高可靠性的TBC 也成為目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。TBC 的研發(fā)主要有3 部分工作：（1）通過(guò)改良TBC 基本材料[2-5]和組成結(jié)構(gòu)[6-7]來(lái)提高TBC 的隔溫性能；（2）研究TBC 隔溫性能的物理機(jī)制[8]；（3）TBC 性能測(cè)量和表征[9]，如溫度隔離能力、應(yīng)力匹配、穩(wěn)定性和可靠性、抗氧化性，其中隔溫效能是表征測(cè)量非常重要的1 項(xiàng)指標(biāo)。

但是，在國(guó)內(nèi)外的眾多文獻(xiàn)中，對(duì)于TBC 隔離溫度的報(bào)道不甚統(tǒng)一。例如Andress 等[10]在某型發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪工作葉片上進(jìn)行TBC 試驗(yàn)時(shí)，噴涂厚度為0.254 mm 的涂層，平均降溫120 ℃；Meier 等[11]在現(xiàn)有渦輪冷卻技術(shù)下，涂層厚度為0.25 mm 的TBC 可使合金溫度降低111～167 ℃；而Maricocchi 等[12]研究的0.125 mm 的TBC（EB-PVD）降溫效果為56～83℃。造成以上數(shù)據(jù)不統(tǒng)一的主要原因在于：混淆了TBC 材料本身特征表征與冷卻效果的表征，前者屬于材料學(xué)的范疇，而后者與航空發(fā)動(dòng)機(jī)具體結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。比如航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前1 導(dǎo)葉片，葉片背面有冷卻氣流，氣流狀況及其內(nèi)外表面溫度都會(huì)對(duì)冷卻效果產(chǎn)生影響。此處談到的溫度隔離指冷卻效果，更加關(guān)注葉片表面的實(shí)際溫度，因?yàn)檫@關(guān)系到渦輪葉片的可靠性預(yù)估，但是這種熱障涂層的隔熱測(cè)量受內(nèi)壁和外壁2 個(gè)界面的溫度狀況的影響，內(nèi)外表面溫度邊界條件會(huì)造成TBC 隔溫效能的差異。段力等[13]利用計(jì)算機(jī)仿真得到：當(dāng)內(nèi)外壁溫差為700 ℃時(shí)，TBC 隔溫溫度為300 ℃左右；當(dāng)內(nèi)外壁溫差為1000 ℃時(shí)，隔溫效果高于700 ℃。所以，測(cè)量環(huán)境設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)與嚴(yán)格掌控是準(zhǔn)確測(cè)量的第1 個(gè)必要條件。而第2 個(gè)必要條件是測(cè)量方法的精準(zhǔn)性，傳統(tǒng)的表面溫度測(cè)量常常采用紅外測(cè)溫儀，但其誤差較大。

本文回顧了航空發(fā)動(dòng)機(jī)溫度測(cè)量技術(shù)，比較了各種測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)。提出了利用薄膜熱電偶技術(shù)對(duì)TBC 隔熱性能的測(cè)量方法、方案以及實(shí)踐情況，對(duì)熱障涂層隔熱性能的測(cè)量規(guī)范進(jìn)行了探討。

1 溫度測(cè)量技術(shù)現(xiàn)狀分析

常規(guī)的壁面溫度測(cè)量測(cè)試技術(shù)包括：非接觸式的光學(xué)高溫測(cè)試[14]、示溫漆[15]、測(cè)溫晶體[16-17]、熱電阻和熱電偶溫度傳感器[18-19]技術(shù)，其特點(diǎn)見(jiàn)表1。比較的方式主要考慮這些測(cè)溫技術(shù)的可行性和必要性：可行性主要考慮溫度傳感測(cè)量實(shí)施的難易程度；必要性主要考慮測(cè)量的精準(zhǔn)度、精確度、測(cè)量的重復(fù)性及實(shí)時(shí)性等因素。各種測(cè)溫技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)也不盡相同，比如非接觸式的光學(xué)高溫測(cè)試技術(shù)，其靜態(tài)標(biāo)定精度受被測(cè)物體表面的粗糙度、氣體介質(zhì)的成分、氧化程度及黑體度等因素的影響，測(cè)試精度難以保障；晶體測(cè)溫技術(shù)尺寸小、精度高、可制作成測(cè)溫陣列，不需要引線(xiàn)，但該技術(shù)和示溫漆測(cè)試壁面溫度測(cè)量都是“馬后炮”測(cè)量方式，即在做完試驗(yàn)后才可以獲得整個(gè)測(cè)試過(guò)程中測(cè)點(diǎn)位置處歷經(jīng)的最高溫度，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量和重復(fù)性測(cè)量，更無(wú)法實(shí)時(shí)對(duì)溫度進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤測(cè)量，比如渦輪葉片某一點(diǎn)長(zhǎng)期處于高溫狀態(tài)（但不是最高溫）下，用這種一次性的方法就無(wú)法判定。聲表面波傳感器是目前性?xún)r(jià)比最高的測(cè)溫方法，因?yàn)槠錇闊o(wú)線(xiàn)遙感的非接觸方式，可以用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子器件與轉(zhuǎn)動(dòng)器件的傳感測(cè)量，這種傳感器目前在低溫測(cè)量方面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商用化，但在高溫測(cè)量面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，目前還沒(méi)有完全攻克。迄今為止，利用熱電偶和熱電阻測(cè)溫是保證測(cè)量精度的最佳方式，也是航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫測(cè)量的主要手段。這種接觸式的溫度測(cè)量又分為2種：常規(guī)的浸入式和露端型熱電偶[20-21]和薄膜熱電阻和熱電偶傳感器測(cè)溫，二者都可以達(dá)到精準(zhǔn)測(cè)量的目的。第1 種為傳統(tǒng)的測(cè)量壁面溫度的常規(guī)方式，必須利用絕緣陶瓷套管將熱電偶埋設(shè)在渦輪葉片金屬中，由于材料之間導(dǎo)熱系數(shù)的差異及其熱電偶系統(tǒng)尺寸偏大，會(huì)造成溫度場(chǎng)的漂移及測(cè)量點(diǎn)的誤差。而薄膜熱電偶在這方面體現(xiàn)出其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[22]，薄膜傳感器直接貼在壁面上，且尺寸微小，可以精準(zhǔn)測(cè)量該點(diǎn)溫度，易于形成傳感器的陣列。所以，利用MEMS 薄膜溫度傳感器對(duì)TBC 進(jìn)行精準(zhǔn)溫度測(cè)量和隔溫性能的表征尤為重要，MEMS 溫度傳感器尺度很小（微米量級(jí)），對(duì)渦輪葉片表面?zhèn)鳠岷蜏囟确植迹街鵁崃鬈壽E及厚壁擾動(dòng)影響極小，并且比常規(guī)熱電偶在局部溫度測(cè)量的精度要高得多。本文利用薄膜型鉑銠熱電偶測(cè)量熱障涂層的隔離溫度[23]，保證了溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性和精確性。

表1 渦輪葉片表面測(cè)溫技術(shù)方法

常規(guī)熱障涂層溫度隔離測(cè)量系統(tǒng)如圖1 所示。

采用高溫乙炔氣流給熱障涂層表面加熱，用光學(xué)的方法來(lái)測(cè)量火焰溫度，作為熱障涂層表面的溫度。在測(cè)試樣片的背面采用1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的熱電偶來(lái)測(cè)試背面的溫度，2 個(gè)溫度之間的差值就是熱障涂層的隔溫溫度。這種方法測(cè)量的精度非常受限：光學(xué)測(cè)量本身存在幾十?dāng)z氏度的誤差；不能完全消除背面熱電偶和葉片表面之間的空氣間隙，使背面測(cè)量的樣片表面的溫度產(chǎn)生誤差。

本文提出利用MEMS 薄膜熱電偶的方式測(cè)量TBC 兩側(cè)的溫度差，并藉此算出隔溫溫度，對(duì)溫度測(cè)量的條件及其測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行探討，初步設(shè)立了TBC 隔溫溫度的測(cè)量規(guī)范。

圖1 常規(guī)熱障涂層溫度隔離測(cè)量系統(tǒng)

2 測(cè)量原理詮釋

利用薄膜熱電偶的方法測(cè)量熱障涂層溫度隔離效能的測(cè)量結(jié)構(gòu)如圖2 所示。從圖中可見(jiàn)，2 層熱電偶的測(cè)溫節(jié)點(diǎn)都位于小圓片的中間位置，用高溫?zé)崃鳎oTBC 表面加溫，測(cè)量2 個(gè)熱電偶的溫差就可以得到TBC 涂層兩邊的溫差，即隔溫溫度。由于熱電偶的測(cè)溫精度高、溫度響應(yīng)速度快，利用此法可以精確地測(cè)量熱障涂層兩端的溫差。這項(xiàng)技術(shù)的主要難點(diǎn)是TBC下表面薄膜傳感器的制作，因?yàn)闊嵴贤繉拥膰娡窟^(guò)程可能會(huì)破壞第1 層薄膜熱電偶的薄膜結(jié)構(gòu)，本研究的應(yīng)對(duì)策略是在薄膜傳感器制作過(guò)程予以詳細(xì)說(shuō)明。

圖2 利用薄膜熱電偶的方法測(cè)量熱障涂層溫度隔離效能的測(cè)量結(jié)構(gòu)

3 測(cè)量樣品的制作

選用直徑為25 mm、厚度為5 mm 的小圓鋼片作為基底，在此之上沉積30 um 厚度的MCrAlY 層之后，先噴涂1 層比較薄的（厚度為30 μm）的TBC，然后用MEMS 方法在涂層的表面制作Pt/PtRh 熱電偶，制作過(guò)程為：利用光刻的方法把有Pt 線(xiàn)條的地方露出來(lái)，采用磁控濺射的方式濺射1 層500 nm 厚度的Pt 薄膜，應(yīng)用剝離工藝后形成寬度為5 mm 的Pt 薄膜線(xiàn)條；再做1 次PtRh 線(xiàn)條（也是5 mm 寬）的光刻過(guò)程，其線(xiàn)條與原有的Pt 線(xiàn)條垂直，形成1 個(gè)十字形，這個(gè)十字形的交點(diǎn)就是熱電偶的節(jié)點(diǎn)，也是采用磁控濺射和剝離的方式形成PtRh 的線(xiàn)條。然后使用直徑為0.1 mm 的Pt 和PtRh 細(xì)線(xiàn)高溫焊接在薄膜熱電偶上，在此基礎(chǔ)上，再用等離子噴涂法沉積1 層厚度為300 μm 的熱障涂層，考慮到薄膜熱電偶的厚度很薄，在第2 次噴涂的過(guò)程省去了噴砂過(guò)程，在噴涂之后用萬(wàn)用表確認(rèn)薄膜熱電偶的連接狀況，確認(rèn)無(wú)誤后，再用MEMS 方法制作第2 層Pt/PtRh 薄膜熱電偶，最后使用直徑為0.1 mm 的Pt 和PtRh 細(xì)線(xiàn)連接出頂層的薄膜熱電偶。制作好的樣品如圖3 所示。需要說(shuō)明的是在第2 次噴涂的過(guò)程中，由于高溫沖擊可能造成第1 層薄膜熱電偶損壞，在制作第1 層薄膜熱電偶時(shí)，線(xiàn)條的寬度不宜過(guò)窄，需達(dá)到100 μm 以上。

圖3 雙層Pt/PtRh 薄膜熱電偶樣品

4 測(cè)量過(guò)程與結(jié)果討論

圖4 熱障涂層隔溫效果測(cè)量高溫施加與測(cè)量系統(tǒng)

在馬弗爐中對(duì)2 個(gè)熱電偶進(jìn)行溫度校準(zhǔn)：將標(biāo)準(zhǔn)的R 型熱電偶放置在小圓片上，在升溫過(guò)程中，同時(shí)測(cè)量3 個(gè)熱電偶的熱電壓，并畫(huà)出對(duì)應(yīng)的熱電壓和溫度曲線(xiàn)作為薄膜型熱電偶的溫度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。在做完溫度校準(zhǔn)之后，進(jìn)行熱障涂層的溫度隔離試驗(yàn)。高溫施加過(guò)程（如圖4 所示）為：使用丁烷液化氣高溫噴槍噴射火焰，將樣品置于高溫火焰之下，采用耐高溫雙層護(hù)管，高溫噴嘴最高溫度可達(dá)1300 ℃，調(diào)整噴槍與樣品的距離即可調(diào)整熱障涂層表面的溫度及熱流狀況。用2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的R 型熱電偶分別放置在熱障涂層和樣片下部，用來(lái)測(cè)量熱障涂層表面火焰溫度和背面金屬溫度，通過(guò)測(cè)量比較4 個(gè)熱電偶（2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶+2 個(gè)薄膜熱電偶）的溫度差別來(lái)評(píng)估熱障涂層的隔溫效果。

4.1 測(cè)量的結(jié)果分析

對(duì)熱障涂層上下2 層的熱電偶進(jìn)行溫度校準(zhǔn)測(cè)量，將樣品放置在馬弗爐中緩慢升溫，升溫速率為400 ℃/h，在這一過(guò)程中使用多通道數(shù)據(jù)采集進(jìn)行熱電壓的測(cè)量，考慮到馬弗爐溫度讀數(shù)及其高溫腔內(nèi)溫度場(chǎng)遲滯可能造成的誤差，在樣片表面放置1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的R 型熱電偶進(jìn)行同步測(cè)量，并以此為判定溫度的依據(jù)。2 個(gè)薄膜熱電偶的熱電壓隨溫度變化的曲線(xiàn)如圖5 所示。從圖中可見(jiàn)，曲線(xiàn)的重復(fù)度很好，以此溫度校準(zhǔn)曲線(xiàn)作為標(biāo)定，得到熱電壓與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在下面的熱障涂層溫度隔離測(cè)試當(dāng)中，把所測(cè)熱電壓的值根據(jù)溫度校準(zhǔn)曲線(xiàn)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的溫度值。

圖5 熱障涂層兩端熱電偶的溫度校準(zhǔn)曲線(xiàn)

初步的溫度隔離試驗(yàn)采用高溫槍將高溫?zé)崃魃湎驑悠砻妫⒗酶咚俾实臄?shù)據(jù)采集器對(duì)4 個(gè)熱電偶的電壓進(jìn)行瞬態(tài)數(shù)據(jù)采集，在升溫和降溫過(guò)程中4個(gè)熱電偶反應(yīng)的溫度變化趨勢(shì)如圖6 所示。試驗(yàn)證實(shí)了利用雙層的薄膜熱電偶對(duì)于測(cè)量TBC 兩側(cè)溫度差值的可行性，TBC 溫差變化趨勢(shì)和規(guī)律也符合預(yù)期。從圖中可見(jiàn)，外部施加火焰的溫度上升趨勢(shì)和內(nèi)外2層熱電偶的溫度存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在開(kāi)始時(shí)熱障涂層外部的熱電偶對(duì)溫度的反應(yīng)很快，而內(nèi)部的上升速度就比較慢，最后逐漸達(dá)到平衡，樣品底部的熱電偶由于樣片金屬的高溫氧化層及其空氣的間隙有一定的溫度隔離作用，所以上升速度始終很慢。外部的熱流火焰撤離之后（第470 s 處），熱障涂層內(nèi)外熱電偶的溫度逐次降低。在本試驗(yàn)中，樣片下是石棉絕熱體，也就是說(shuō)不散熱。當(dāng)達(dá)到熱平衡時(shí)，熱障涂層兩面的溫度趨于相同。在未來(lái)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)中（見(jiàn)下面討論部分），樣片底部的溫度控制在1 個(gè)穩(wěn)定區(qū)間，如在水溫低于100 ℃附近，上下表面的溫度可以達(dá)到穩(wěn)定的差值，利用熱障涂層兩面的溫度差，就可以對(duì)熱量涂層的隔溫效果做出標(biāo)定。

圖6 熱障涂層隔溫效果動(dòng)態(tài)測(cè)量結(jié)果

隨后進(jìn)行了瞬態(tài)的冷卻試驗(yàn)，也就是在剛剛撤掉火焰之后的熱障涂層上噴1 層冷水進(jìn)行冷卻，同時(shí)監(jiān)測(cè)2 層薄膜熱電偶的瞬態(tài)溫度。瞬態(tài)試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。顯然外層的熱電偶迅速冷卻，而內(nèi)層熱電偶的冷卻速度偏慢，比較2 層的熱電偶溫度差值，可得TBC的溫度隔離效果為150 ℃左右。從結(jié)果還可知，由于TBC 冷卻的時(shí)間緩沖量級(jí)為秒，采用高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（精度可以達(dá)到10-5s），可以利用瞬態(tài)溫度降低溫差來(lái)衡量熱障涂層兩端的隔離溫度，這種試驗(yàn)方式的可重復(fù)性容易實(shí)現(xiàn)。

圖7 溫度冷卻瞬態(tài)效果

4.2 結(jié)果討論

要衡量TBC 溫度隔離效果，測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)該標(biāo)準(zhǔn)化；此外，測(cè)量體系的應(yīng)用環(huán)境為可控的試驗(yàn)室環(huán)境，而不是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的氣動(dòng)環(huán)境。為此設(shè)計(jì)了1 種試驗(yàn)裝置，用水來(lái)進(jìn)行基底的冷卻。在測(cè)試時(shí)，利用高溫?zé)崃鱽?lái)吹擊TBC 前表面及其上設(shè)置的薄膜溫度傳感器，獲得TBC 表面溫度的測(cè)量讀數(shù)；在施加高溫的同時(shí)，同步監(jiān)測(cè)底層熱電偶的溫度讀數(shù)。在測(cè)量過(guò)程中，利用水冷裝置對(duì)測(cè)試樣品的基底金屬進(jìn)行冷卻（并實(shí)時(shí)監(jiān)控測(cè)量水溫）。利用達(dá)到熱平衡之后TBC 兩側(cè)薄膜熱電偶的溫度差作為熱障涂層隔溫溫度。標(biāo)定方法可以用TBC 溫度隔離系數(shù)

式中：TC1和TC2為熱障涂層內(nèi)、外表面溫度，取自薄膜熱電偶的讀數(shù)；tTBC為熱障涂層的的厚度。

從式中可見(jiàn)，熱障涂層的冷卻效果應(yīng)該考慮厚度及其熱障涂層內(nèi)、外表面溫差的影響，由于這3 個(gè)量都可以精準(zhǔn)測(cè)量，可以在熱流量一致的情況下用TBC溫度隔離系數(shù)SΔTBC作為熱障涂層隔溫溫度的標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)定，單位為℃/μm，也就是用每微米能夠達(dá)到的冷卻梯度表征TBC 隔溫效能。比如本試驗(yàn)的熱障涂層的厚度為300 μm，可以達(dá)到的冷卻效果為150 ℃，則SΔTBC=0.5 ℃/μm。在后續(xù)工作中，會(huì)用這種系統(tǒng)來(lái)對(duì)熱障涂層進(jìn)行測(cè)量表征。后續(xù)研究還應(yīng)該包含測(cè)量的重復(fù)性、誤差方面的分析方法及影響因素，及其在不同高溫溫度TC1下SΔTBC可能的差異，熱障涂層隔溫溫度測(cè)量裝置如圖8 所示。

圖8 熱障涂層隔溫溫度的測(cè)量裝置

5 結(jié)束語(yǔ)

本文利用MEMS 技術(shù)在YSZ 熱障涂層的上下表面（TBC 表面和NiCr 合金與TBC 的界面處）制作了薄膜型熱電偶，用來(lái)精準(zhǔn)測(cè)量熱障涂層兩側(cè)的溫度，并且用二者溫度差來(lái)衡量TBC 的隔溫溫度。試驗(yàn)表明，該P(yáng)t/PtRh 薄膜型傳感器可以成功測(cè)量1200 ℃左右的高溫。本試驗(yàn)還設(shè)計(jì)了1 套測(cè)量熱障涂層隔溫的標(biāo)準(zhǔn)化體系，并制定了1 種熱障涂層隔溫測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，可供未來(lái)TBC 測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)制定借鑒。