鎳基高溫合金上貴金屬薄膜熱電偶的制備及抗氧化性能研究.pdf

1、航空發(fā)動機(jī)熱端部件(如渦輪葉片)的表面的溫度及其分布對部件本身的機(jī)械性能及耐用性有著極其重要的影響。實(shí)時、精確測量其表面溫度對航空發(fā)動機(jī)的設(shè)計制造以及功能驗(yàn)證至關(guān)重要。傳統(tǒng)測量方法存在破壞部件的機(jī)械結(jié)構(gòu)、響應(yīng)速度慢、干擾流場等缺點(diǎn)，而薄膜熱電偶是通過薄膜沉積技術(shù)在被測件表面直接制備，與被測件一體化集成，從而具有體積小、對測量件表面環(huán)境影響極小、熱容量小響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。電極材料由PtRh以及Pt組成的貴金屬薄膜熱電偶(如S型和R型薄膜熱

2、電偶)有著穩(wěn)定的熱電性能并且測溫范圍廣，非常適合用來測量渦輪葉片等工作于高溫段的熱端部件的表面溫度。本文針對以上應(yīng)用情形，并在前期工作的基礎(chǔ)上，對以S型和R型為主要研究對象的貴金屬薄膜熱電偶的制備、抗氧化性能以及熱電性能進(jìn)行深入研究。
　　首先，在Al2O3陶瓷基底上采用磁控濺射的方法制備Pt-10％Rh薄膜和Pt-13%Rh薄膜，然后對其進(jìn)行大氣退火處理，研究PtRh薄膜表面形貌、結(jié)晶特點(diǎn)、抗氧化性能以及電學(xué)性能在高溫氧化環(huán)境條

3、件下的變化情況。通過對同一個氧化鋁陶瓷襯底表面沉積的S型及R型薄膜型熱電偶進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，分析其熱電勢輸出，并結(jié)合高溫氧化環(huán)境對PtRh薄膜材料成分及結(jié)構(gòu)的影響，研究S型和R型薄膜熱電偶間抗氧化性能及熱電性能的差異，并分析其內(nèi)部機(jī)理。經(jīng)過研究得到，在高溫氧化環(huán)境下，PtRh薄膜會出現(xiàn)Rh的偏析、氧化和Rh的氧化物Rh2O3的結(jié)晶現(xiàn)象。當(dāng)溫度在700～900℃時，這些現(xiàn)象會隨溫度的增強(qiáng)而變得更明顯。當(dāng)溫度在900～1000℃時，Rh的氧化物

4、由結(jié)晶狀態(tài)變?yōu)榉蔷顟B(tài)。Pt-13%Rh薄膜表面形貌較Pt-10%Rh薄膜隨退火溫度的變化幅度小，從元素組成及價態(tài)上看，前者比后者隨溫度的變化也較小。從對R型和S型熱電偶的標(biāo)定結(jié)果分析也可以看出，R型熱電偶熱電勢輸出較S型高，平均賽貝克系數(shù)大出1μV/℃左右。同時，靈敏度K值前者比后者變化較平緩。因而，R型薄膜熱電偶的抗氧化性和熱電性能比S型好，熱電勢輸出更加接近線性以及其重復(fù)性也更優(yōu)越。
　　其次，在氧化鋁陶瓷襯底表面沉積不同的

5、貴金屬薄膜熱電偶，然后對其熱電勢輸出進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定使用靜態(tài)的方法，研究不同膜厚的功能層、不同膜厚的Al2O3保護(hù)層對貴金屬薄膜熱電偶抗氧化性能以及熱電性能的提升作用。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得到，適當(dāng)增加功能層(Pt/PtRh)膜厚可以提高熱電偶的抗氧化性能及熱電性能，但當(dāng)功能層薄膜的厚度超過1μm時，性能提升效果已經(jīng)不顯著。因而得出對于貴金屬薄膜熱電偶來說，1μm為其功能層薄膜厚度的適當(dāng)值。適當(dāng)提高貴金屬薄膜熱電偶Al2O3保護(hù)層的厚度可以提高其熱電

6、勢輸出的線性度及重復(fù)性，提高其抗氧化能力，并且比較適合的厚度為2.8μm左右，再增加保護(hù)層厚度對熱電性能的提升不明顯。
　　最后，將R型貴金屬薄膜熱電偶制備于鎳基高溫合金上，通過靜態(tài)標(biāo)定研究不同膜厚的氧化鋁絕緣層對器件整體絕緣性能以及熱電偶熱電性能的影響作用。經(jīng)過研究獲得以下結(jié)果，當(dāng)氧化鋁絕緣層厚度為3μm時，薄膜熱電偶與鎳基高溫合金間導(dǎo)通，而當(dāng)氧化鋁絕緣層膜厚增加大6μm時，在整個標(biāo)定過程中器件整體縱向電阻在104Ω以上。而且從