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薄膜热电偶以质量小、响应速度快、对环境扰动小、不破坏被测件结构等优点,成为先进的表面温度测量技术,可广泛应用于航空发动机、汽轮机等高温部件的表面温度测量。本论文以航空发动机涡轮叶片等热端部件表面温度测量为需求背景,主要研究了过渡层、绝缘层和薄膜热电偶层的制备工艺以及薄膜热电偶热电性能的影响因素。研制的用于中低温区(200~600℃)、高温区(500~1000℃)和超高温度(1000℃以上)测温的薄膜热电偶均表现出良好的重复性和稳定性。为了满足航空发动机高温测试环境对薄膜热电偶的要求,探索了提高绝缘层附着性能的方法。通过在镍基高温合金表面沉积约10μm厚的NiCrAlY薄膜,系统研究了NiCrAlY薄膜真空析铝及热氧化工艺对薄膜微观结构的影响。结果表明,薄膜中的铝元素以富铝颗粒的形式向表面偏析,氧化后不能在NiCrAlY表面形成连续、致密的热生长氧化铝层。在析铝后的NiCrAlY薄膜表面,采用溅射法沉积约50 nm厚的铝薄膜,改善了NiCrAlY析铝层不连续的问题,使得氧化后在NiCrAlY表面形成连续、致密的热生长氧化铝层。以该NiCrAlY合金薄膜及热生长氧化铝层作为过渡层,不仅实现了从镍基合金向陶瓷绝缘层的过渡,还显著改善了绝缘层的附着性能。在热生长氧化铝层表面,采用电子束蒸发及倾斜沉积技术沉积约10μm厚的氧化铝绝缘层。测试结果表明:绝缘层可在1100℃环境下持续工作300 min以上。纵向绝缘电阻在室温下大于100 MΩ,1100℃下为5.2 kΩ。在绝缘层研究的基础上,本论文研制了适合中低温区测量的NiCr/NiSi(K型)薄膜热电偶。通过对Ni90Cr10和Ni97Si3薄膜制备工艺的系统研究,全面掌握了影响K型薄膜热电偶热电性能的主要因素。结果表明,在真空环境中600℃下退火60 min可使K型薄膜热电偶的塞贝克系数提高约29%;薄膜热电偶层厚度从1μm降低至500 nm可使K型薄膜热电偶的塞贝克系数降低约25%。采用优化工艺参数在镍基高温合金上制备了K型薄膜热电偶,静态标定结果表明,在200~600℃范围内,K型薄膜热电偶具有良好的重复性、一致性和线性度,塞贝克系数为38.4μV/℃,灵敏度K值不小于0.8,使用寿命大于10 h,经数值修正后的测温误差小于±2.5%。在叶片上制备了K型薄膜热电偶,测得塞贝克系数为38μV/℃,通过了静态考核。随后在燃气压力为0.6 MPa、燃气温度为600℃,燃气流量为0.85 kg/s、进气边与出气边燃气马赫数分别为0.26和0.85的冷效试验环境中进行了150 min的考核,结果表明,经过考核的K型薄膜热电偶结构完整,附着性能满足实验环境的要求。由于NiCr和NiSi薄膜在高温中易氧化的特点,使得K型薄膜热电偶热电性能发生衰减,难以满足高温区测温的需求。因此,需要开展适用于高温区测温的薄膜热电偶的研制。在K型薄膜热电偶研制的基础上,为了提高薄膜热电偶的工作温度和抗氧化性能,本论文还进一步研制了适合高温区测量的PtRh/Pt(S型)薄膜热电偶。通过对Pt90Rh10和Pt薄膜制备工艺的系统研究,掌握了影响S型薄膜热电偶热电性能及寿命的主要因素。结果表明,真空气氛退火可明显改善S型薄膜热电偶的热电性能;减小薄膜热电偶层厚度可有效提高S型薄膜热电偶的寿命。采用优化工艺在镍基高温合金上制备了S型薄膜热电偶,静态标定结果表明,在500~1000℃范围内,S型薄膜热电偶具有良好的线性度,塞贝克系数为8.1μV/℃,K值约为0.77,使用寿命大于10 h,经数值修正后的测温误差小于±4%。在叶片上制备了S型薄膜热电偶,测得塞贝克系数为8μV/℃,通过了静态考核。随后在冷效试验环境中进行了150 min的考核,结果表明,S型薄膜热电偶出现脱落现象。由于PtRh薄膜中铑元素在更高温度下容易氧化,使得在S型薄膜热电偶的热电性能发生漂移,限制了S型薄膜热电偶在超高温度下测温的应用。为了解决超高温度下铑元素氧化的问题,本论文选择ITO薄膜替代PtRh薄膜,与Pt薄膜构造薄膜热电偶。系统研究了ITO薄膜制备工艺及退火工艺。结果表明,当退火温度为1000℃时,薄膜中的锡元素会向表面偏析,并随退火温度的升高和退火时间的延长而逐渐加剧,使得薄膜电阻率上升,热电性能高温稳定性下降。为了降低ITO薄膜的高温氧化现象,制备了氮化硅/ITO/氮化硅三明治结构作为氧扩散阻挡层,有效阻挡了氧元素的扩散。同时发现氮化硅薄膜中的氮元素向ITO薄膜扩散,使ITO/Pt薄膜热电偶电阻增大。本论文还采用在ITO薄膜中掺氮的方法,以氮掺杂ITO(ITO:N)与Pt构造薄膜热电偶。系统研究了ITO:N薄膜制备工艺,结果表明,在一定范围内ITO:N薄膜高温稳定性随氮氩流量比的增大而提高,优化的氮氩流量比为40%。采用优化工艺在镍基高温合金上制备了ITO:N/Pt薄膜热电偶,静态标定结果表明,ITO:N/Pt薄膜热电偶的塞贝克系数为78.32μV/℃,使用寿命大于20 h,在测试温度高于900℃时,其测温误差小于±1.5%。在叶片上制备了ITO/Pt薄膜热电偶,在冷效试验环境中进行了150 min的考核,结果表明,ITO薄膜附着性能良好,未出现脱落现象。综上所述,本论文针对航空发动机研制过程中,对热端部件表面温度及分布准确测量的迫切需求,采用集成薄膜技术,在涡轮叶片表面上制备出了性能优良的薄膜热电偶,为我国航空发动机热端部件表面温度准确测试奠定了技术基础。