【摘 要】
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航空发动机涡轮叶片工作在高温、高转速、大热流的恶劣环境下,承受剧烈的热冲击,容易造成叶片热疲劳失效,如烧蚀、开裂、叶尖间隙气流的泄露,使发动机产生故障。测取涡轮叶片表面热流可用于评估涡轮叶片的换热能力,为优化航空发动机涡轮叶片结构设计提供重要数据,实现航空发动机工作状态的在线实时监测,提高航空飞行器的安全性。为解决传统块体式热流传感器难以满足涡轮叶片热流测试需求的难题,本文采用磁控溅射技术,制备I
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航空发动机涡轮叶片工作在高温、高转速、大热流的恶劣环境下,承受剧烈的热冲击,容易造成叶片热疲劳失效,如烧蚀、开裂、叶尖间隙气流的泄露,使发动机产生故障。测取涡轮叶片表面热流可用于评估涡轮叶片的换热能力,为优化航空发动机涡轮叶片结构设计提供重要数据,实现航空发动机工作状态的在线实时监测,提高航空飞行器的安全性。为解决传统块体式热流传感器难以满足涡轮叶片热流测试需求的难题,本文采用磁控溅射技术,制备ITO/In2O3薄膜热电堆式热流传感器。根据薄膜热流传感器的工作原理,设计平面圆环结构、竖直结构、台阶结构三种不同结构的薄膜热流传感器,并分析三种结构传感器的传热过程,得出三种结构薄膜热流传感器的时间常数依次减小的结论。研制ITO/In2O3薄膜热电偶,测试获得其测温量程达到1050℃,灵敏度为200 μV/℃。在氧化铝基底上采用磁控溅射的方法制备三种结构薄膜热流传感器,针对不同热流范围的测试需求,搭建两种热流范围实验测试平台,获得三种结构薄膜热流传感器的量程均超过213.8 kW/m2,适用温度超过794℃。平面圆环结构、竖直结构、台阶结构薄膜热流传感器的稳态响应时间常数逐渐减小,分别为7.8 s、2.9 s、0.9 s,与理论分析一致。搭建动态响应测试平台,测得氧化铝基底平面圆环结构薄膜热流传感器的截止频率为3700 Hz。在镍基合金基底上制备多层薄膜材料体系的薄膜热流传感器。通过SEM和XRD获取过渡层薄膜高温工艺处理前后的微观形貌、组成元素及薄膜物相变化。Al和O元素高温处理后明显增多,结合XRD图谱可知,NiCrAlY过渡层在高温处理后表面析出Al元素被氧化成Al2O3。Ni3Al（112）为NiCrAlY薄膜的主要物相,高温处理后衍射峰明显升高;并测得绝缘层在常温下的纵向绝缘电阻超过120 MΩ,随着温度上升纵向绝缘电阻降低,当温度升至720℃时绝缘电阻约为11 kΩ。实验获得镍基合金基底薄膜热流传感器极限适用温度达到936℃,热流量程超过266.05 kW/m2。
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