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传感器与微系统（Transducer and Microsystem Technologies）
2019年第38卷第4期
DOI:10.13873/J.10009787 (2019)04008204
航空发动机用薄膜热电偶研制
杨柯，蒋洪川2，赵晓辉
（1.中国航发四川燃气涡轮研究院，四川绵阳621000；
2.电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室，四川成都610054
摘要：针对航空发动机涡轮叶片表面温度测试的迫切需求，采用薄膜沉积工艺，能够在Ni基高温合金表面制备热电性能较好的中温K型（NiCr/NiSi，<600℃）、高温R型（Pt-13%Rh/Pt，<900℃）、超高温(ITON/Pt，<1100℃；InON/ITON，>1200℃）等薄膜热电偶。薄膜热电偶由NiCrAIY过渡层、热生长 Al,O层、AI0.绝缘层、功能层和AI,O3保护层构成。通过静态标定结果分析，其塞贝克系数分别达到
38.26，10.60，78.60，123.10=V/℃，在恶劣环境下具有良好的稳定性和一致性，使用寿命均大于10h 关键词：薄膜热电偶；热电特性；静态标定；塞贝克系数
中图分类号：TP212.9
文献标识码：A
文章编号：1000-9787(2019)04-0082-04
Research and fabrication of thin-film thermocouples for aeroengine
YANG Ke',JIANG Hong-chuan", ZHAO Xiao-hui
(1. China Aerospace Engine Sichuan Gas Turbine Establishment,Mianyang 621000, China;
2. State Key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices,University of Electronic Science and
Technology of China,Chengdu 610054,China)
Abstract: Aiming at the urgent need for surface temperature test of aeroengine turbine blade, K-type( NiCr/NiSi, <600 ℃ ) ,R-type(Pt 13 % Rh/Pt, <900 ℃ ) , ITON/Pt( <1 100 ℃ ) and InON/ITON( >1 200 ℃) thin film thermocouples with improved thermoelectric properties on the surface of Ni-based alloy by thin films deposition technology are fabricated. Thin film thermocouples are composed of NiCrAlY buffer layer, thermal grown Al, O layer, Al, O, insulating layer,functional layer and Al, O, protecting layer. Analysis on results of static calibration show that the Seebeck coefficients are 38. 26 ,10. 60 ,78. 60 and 123. 10 μV/°C , respectively. These thin film thermocouples also have good stability and consistency in the harsh environment, and the service life of thin film thermocouples is longer than 10 h.
Keywords: thin-film thermocouples; thermoelectric properties; static calibration; Seebeck coefficient
0引言
航空发动机作为现代航空飞行器的动力核心部件，正不断向大推力、大推重比的方向发展，导致涡轮叶片表面、燃烧室内壁等部位的温度越来越高。由于缺乏对涡轮叶片表面、燃烧室内壁温度分布的了解"，涡轮叶片的冷却效率及叶片局部热点等问题一直存在，成为影响发动机性能和寿命提升的关键技术瓶颈。因此，实时、准确测量涡轮叶片表面温度的分布状态，对于航空发动机的设计和验证实验具有重大意义2。薄膜热电偶具有不破坏测试部件结构、响应时间短、热容量小、结构尺寸、对测试环境影响小、耐压、耐热、耐热冲击和抗剥离等[4]优点，在航空发动机涡轮叶片及燃烧室内壁表面等部位的温度测量方面具有明显的优势。
收稿日期：2017-11-28
从20世纪80年代开始，国内外多家研究机构致力于研究航空发动机热端部件表面温度测量的薄膜传感器。美国国家航空航天局的LeiJF等[5)、MartinLC等人(6] WrbanekJD等人("和罗德岛大学的TougasIM等人["]就 NiCr/NiSi,Pt-10 % Rh/Pt, CrSi/TaC, P/Pd 和 In, O,/ITO 等体系的薄膜热电偶展开了多年的研究，并已应用于发动机热端部件表面温度的测试。国内，中国航发四川燃气涡轮研究院与电子科技大学合作针对薄膜热电偶开展了长期的研究，具体材料体系包括NiCr/NiSi（K型）[],Pt-10%Rh/ Pt(S 型)[9) , Pt-13 % Rh/Pt (R 型) [10] , ITO/Ptl11) , ITON/ Pt[9],InO/ITO[12]和InON/ITON[13]。目前，针对不同的燃气温度范围，研制了若干种典型的薄膜热电偶，包括中温K型(NiCr/NiSi,<600℃）高温R型(Pt-13%Rh/Pt,<900℃）
*基金项目：国家重点研发计划资助项目（2017YFB0406400）；广东省省部（院）产学研结合项目专项资金资助项目（2013B090400001）