渦輪葉片應變測量用TaN薄膜應變計的研制.pdf

1、航空發(fā)動機大都采用渦輪發(fā)動機作為動力源,而葉片作為渦輪發(fā)動機上最關鍵的部件之一,其健康監(jiān)測技術一直非常重要。當發(fā)動機運行時,發(fā)動機內燃料劇烈燃燒會產生一個高溫、高壓和高振動的惡劣工作環(huán)境,葉片就將承受高速、高溫、高壓、高振動等的綜合作用,葉片損害就容易發(fā)生,進而引起發(fā)動機故障。因此,葉片的振動測試在航空發(fā)動機的研究中是非常關鍵與必要的。本文中,使用薄膜技術將應變計直接沉積到金屬葉片表面,形成功能/結構一體化集成的薄膜應變計。這種應變計厚

2、度在微米量級,不破壞葉片本身的結構,具有對發(fā)動機氣流擾動小,響應速度快、靈敏度高以及耐高溫、高壓、氣流沖刷等優(yōu)點。
　　實驗中,首先采用中頻反應磁控濺射法在Al2O3陶瓷基片上制備TaN薄膜應變計,系統(tǒng)研究了濺射溫度、濺射氣氛、濺射氣壓、真空退火時間等工藝參數(shù)對TaN薄膜微觀特性以及薄膜應變計應變敏感性能的影響,并確定TaN薄膜應變計的最佳制備工藝條件為:濺射功率200 W、沉積時間60 min、薄膜厚度1μm、Ar流量為200

3、sccm、N2流量為8 sccm、N2/Ar流量比為4％、氣壓為0.6 Pa,退火溫度800℃、保溫時間4 h,在此工藝條件下制備薄膜應變計的應變敏感系數(shù)(GF)為2,電阻溫度系數(shù)(TCR)為-69.76 ppm/℃。
　　其次,針對TaN應變計在高溫下容易被氧化和可重復性差的缺點,本文研究了不同厚度比的 TaN/PdCr雙層薄膜應變計的制備工藝及其應變敏感特性。結果表明,PdCr薄膜對 TaN薄膜有非常好的保護作用,使應變計的可

4、測溫度和可重復性都有較大的提高。
　　最后,在研究了制備在Al2O3陶瓷基片上的TaN薄膜應變計的最優(yōu)制備工藝的基礎上,本論文進一步對直接沉積到金屬葉片表面的TaN薄膜應變計展開研究。為了增加應變計與基板之間的附著力并實現(xiàn)電學隔離,在葉片表面制備緩沖層,緩沖層依次由NiCrAlY附著層、Al2O3絕緣層組成,再沉積用來測量應變的TaN敏感層,為了防止應變計在高溫下被氧化,還在應變計表面沉積 Al2O3保護層,測得應變計的TCR為-