高溫合金異形件表面薄膜熱電偶研制取得突破性進展

羅炳威, 曹麗莉, 羅 飛, 牟仁德, 王長亮, 陳 柳,孫 坤, 徐 毅, 劉 松, 周海濤,馬可欣, 田青云, 史繼源

（1.中國航發北京航空材料研究院，北京 100095；2.北京信息科技大學 光電測試技術及儀器教育部重點實驗室，北京 100192；3.中國航發沈陽發動機設計研究所，沈陽 110015；4.中國航發四川燃氣渦輪研究院，四川 綿陽 621000；5.北京航空航天大學 航空發動機研究院，北京 100191）

航空發動機在運行過程中，工況惡劣而復雜。準確獲得渦輪葉片服役狀態下的溫度，才能進一步對葉片進行各項技術改進，如進行葉片結構的優化、合金體系的優化等[1-2]。渦輪葉片需要面臨高壓、高溫高速氣流沖刷、葉片冷效換熱、振動、異形曲面等惡劣環境和特殊應用場景，使得葉片表面與其周圍環境的溫度波動較大，在不破壞葉片結構、性能和流場環境的條件下，準確獲取其表面動態溫度成為技術難題[3-4]。薄膜熱電偶由兩種不同成分的薄膜材料形成唯一交點（即測溫點）構成，可以直接沉積在工件表面，及時獲得工件表面實時瞬態溫度。但是國內研制的薄膜熱電偶在惡劣服役環境中出現易從葉片上剝落、輸出熱電勢快速衰減、氧化失效等問題，該項技術在航空發動機領域的應用受到了限制。

世界上主要航空強國較早開始進行薄膜熱電偶的研究，以美國NASA為代表的研究機構在基礎研究方面有著深厚的積累，美國普惠和美國空軍實驗室已經將Pt/PtRh10薄膜熱電偶成功應用于航空發動機的驗證[5]。我國多數研究團隊正在開展的應用于發動機測溫領域的薄膜熱電偶材料也主要是Pt/PtRh10體系，他們在薄膜熱電偶原理件的制備和表征有深厚的積累，但在高溫環境中Rh元素的氧化、薄膜熱電偶與高溫合金絕緣性能有待提升、補償導線與薄膜熱電偶的連接工藝不可靠等工程應用問題未得到解決，薄膜熱電偶在實際應用效果上與國外存在的差距，研究關注的重點多在熱電偶的總體結構和性能調控，從基礎科研到工程應用的系統性研究有待加強[6-7]。

為解決航空發動機高溫部件表面精準瞬態溫度測試的問題，薄膜熱電偶需突破薄膜制備、界面調控、集成制備及信號與系統四個方面的應用技術，本研究團隊開展了一系列的研究，解決了13項技術難題（如圖1所示），制備的鉑銥薄膜熱電偶能在25～1200 ℃溫度范圍內穩定使用。在薄膜制備技術方面：一方面團隊創新材料體系開展鉑銥非標準薄膜熱電偶的研究，確保在高溫條件下，成分不偏析，同時優化鉑銥薄膜的沉積工藝構筑動力學勢壘，獲得了（111）晶面擇優取向的鉑銥薄膜，提高鉑銥薄膜的氧化溫度點至1000 ℃，進而保證薄膜熱電偶在高溫環境下穩定的熱電勢輸出[8]。另一方面，在國際上首次用一級標準S熱電偶對穩定的鉑銥薄膜熱電偶進行了高溫分度（300～1200 ℃），并擬合了薄膜熱電偶熱電勢輸出與溫度的線性方程，提供了分度表[9]。團隊還利用磁控濺射法在高溫合金表面制備了絕緣層，以確保在高溫、高速氣流環境下保持絕緣電阻在兆歐以上。在界面調控技術方面：團隊主要開展了多層薄膜應力匹配的相關研究工作，薄膜熱電偶在高溫、高速氣流環境下與高溫合金結合良好，不剝落[10]。在薄膜熱電偶集成電路方面：團隊突破了補償導線匹配技術、補償導線與薄膜連接技術確保補償導線在高溫、高速氣流環境下保持接觸點穩定，信號不失真。在后端信號與系統方面：團隊對電信號采集與傳輸、電信號轉化、信號校準和專用設備開發進行了初步的研究，完善了薄膜熱電偶測試系統。

圖1 薄膜熱電偶測溫關鍵技術圖Fig. 1 Key technology of thin-film thermocouple

最近，項目團隊利用鉑銥薄膜熱電偶集成技術在燃氣焰流臺對高溫合金異形件進行溫度檢測，經過高溫高速焰流灼燒四個循環，總測試時長達到8700 s后，鉑銥薄膜熱電偶仍可穩定獲取溫度數據。這次實驗的成功，說明鉑銥薄膜熱電偶向工程化應用邁出了重要一步。團隊以GH5188為基材，采用電弧法制備NiCrAlY過渡層，等離子噴涂制備ZrO2和Al2O3復合絕緣層，磁控濺射制備鉑銥薄膜熱電偶，并連接補償導線形成完整的薄膜熱電偶器件。而后在燃氣焰流臺進行測溫，測試照片見圖2（a）。鉑銥薄膜熱電偶性能優異表現在兩個方面：（1）在全溫度范圍內具有較強的長時間穩定性。在8700 s的測試時間內，薄膜熱電偶經過高溫高速氣流的長時間灼燒，其測溫點變化趨勢與商用S偶的變化趨勢基本相同，沒有異常點，4次循環中薄膜熱電偶的測溫值基本一致。而商用K偶在第一個測溫循環中測溫點分布極不規律，受焰流影響非常大，說明鉑銥薄膜熱電偶的穩定性高于普通商用K型絲材熱電偶（見圖2（b））。（2）所測試溫度更接近金屬異形件表面溫度。焰流處于高速高溫狀態，火焰自身與周圍溫度分布梯度較大，受焰流溫度分布影響，在高溫階段薄膜熱電偶的測試溫度（約650 ℃）低于商用S偶和商用K偶所測溫度（分別約820 ℃和770 ℃）；而當停止焰流灼燒之后，空氣的熱容非常小，溫度可以迅速下降，而金屬異形件的溫度則難以在短時間內迅速降低到與環境溫度相同，因此，受金屬異形件熱物性的影響，低溫階段薄膜熱電偶的測試溫度（約120 ℃）高于絲材熱電偶的溫度（約50 ℃和60 ℃）。進一步證明了復雜環境下，葉片表面溫度與周圍近距離環境的溫度存在較大差異，薄膜熱電偶是獲取葉片表面瞬態溫度的最優解決方案。實驗結果表明，鉑銥薄膜熱電偶在高溫高流速空氣環境中，可以準確獲得金屬異形件表面溫度，在國內首次通過薄膜熱電偶測溫方法獲得焰流實驗中金屬異形件表面溫度數據。

圖2 鉑銥薄膜熱電偶焰流臺測試 （a）薄膜熱電偶焰流試驗圖；（b）高溫合金異形件上薄膜熱電偶實物圖；（c）熱電偶測試溫度隨時間變化圖Fig. 2 Pt/Ir thin film thermocouple simulate high temperature and speed fire test （a）picture of simulate high temperature and speed fire test；（b） picture of thin film thermocouple prepared on the special-shaped high temperature superalloy；（c）plot of test temperature of thermocouples as a function of time

該技術在模擬環境下實驗成功不僅突破葉片測溫技術的瓶頸，并且實現了金屬件表面薄膜型電子元器件的一體化制備技術，提升了金屬基體與電子元器件之間的高溫絕緣性能，解決了多層膜在高低溫循環、高溫高速燃氣沖刷條件下熱應力大導致的開裂與剝落等難題。項目團隊將繼續深入研究，推動薄膜熱電偶測溫技術在航空發動機相關部件實驗測試中的工程應用。

薄膜熱電偶測溫技術是一項通用技術，模擬環境實驗的成功可以讓其應用在航空發動機、汽輪機一級葉片的表面溫度測試、火箭燃氣噴嘴壁面溫度測試、超速飛機迎風面等表面的溫度測試等瞬態溫度測試中，也可以與測量儀器配套，在石油、化工、鋼鐵、造紙、熱電、核電等生產行業，作為高溫測量的儀器，在電子芯片、鋰離子電池等電子信息領域作為微型溫度監測元器件。因此，薄膜熱電偶測溫技術具有廣闊的市場前景。