涡轮叶片应变测量用TaN薄膜应变计的研制

摘要

航空发动机大都采用涡轮发动机作为动力源,而叶片作为涡轮发动机上最关键的部件之一,其健康监测技术一直非常重要。当发动机运行时,发动机内燃料剧烈燃烧会产生一个高温、高压和高振动的恶劣工作环境,叶片就将承受高速、高温、高压、高振动等的综合作用,叶片损害就容易发生,进而引起发动机故障。因此,叶片的振动测试在航空发动机的研究中是非常关键与必要的。本文中,使用薄膜技术将应变计直接沉积到金属叶片表面,形成功能/结构一体化集成的薄膜应变计。这种应变计厚度在微米量级,不破坏叶片本身的结构,具有对发动机气流扰动小,响应速度快、灵敏度高以及耐高温、高压、气流冲刷等优点。
　　实验中,首先采用中频反应磁控溅射法在Al2O3陶瓷基片上制备TaN薄膜应变计,系统研究了溅射温度、溅射气氛、溅射气压、真空退火时间等工艺参数对TaN薄膜微观特性以及薄膜应变计应变敏感性能的影响,并确定TaN薄膜应变计的最佳制备工艺条件为:溅射功率200 W、沉积时间60 min、薄膜厚度1μm、Ar流量为200 sccm、N2流量为8 sccm、N2/Ar流量比为4％、气压为0.6 Pa,退火温度800℃、保温时间4 h,在此工艺条件下制备薄膜应变计的应变敏感系数(GF)为2,电阻温度系数(TCR)为-69.76 ppm/℃。
　　其次,针对TaN应变计在高温下容易被氧化和可重复性差的缺点,本文研究了不同厚度比的 TaN/PdCr双层薄膜应变计的制备工艺及其应变敏感特性。结果表明,PdCr薄膜对 TaN薄膜有非常好的保护作用,使应变计的可测温度和可重复性都有较大的提高。
　　最后,在研究了制备在Al2O3陶瓷基片上的TaN薄膜应变计的最优制备工艺的基础上,本论文进一步对直接沉积到金属叶片表面的TaN薄膜应变计展开研究。为了增加应变计与基板之间的附着力并实现电学隔离,在叶片表面制备缓冲层,缓冲层依次由NiCrAlY附着层、Al2O3绝缘层组成,再沉积用来测量应变的TaN敏感层,为了防止应变计在高温下被氧化,还在应变计表面沉积 Al2O3保护层,测得应变计的TCR为-79.6 ppm/℃,GF为7.87,可测温度为400℃。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 薄膜应变计的研究现状

1.3 薄膜应变计材料的选择

1.4 TaN薄膜的研究现状

1.5 选题依据与研究内容

第二章 薄膜应变计的制备及表征方法

2.1 制备在Ni合金基板上的TaN薄膜应变计

2.2 结构/功能一体化的TaN薄膜应变计的制备工艺

2.3 薄膜材料表征方法

2.4 TaN薄膜应变计性能的测试

第三章 Al2O3陶瓷基片上TaN薄膜应变计的制备

3.1 TaN薄膜应变计的制备

3.2 溅射温度的影响

3.3 溅射气氛的影响

3.4 溅射气压的影响

3.5 退火处理的影响

3.6 小结

第四章 TaN/PdCr双层薄膜应变计的制备与研究

4.1 TaN/PdCr双层薄膜应变计的制备

4.2 TaN/PdCr双层薄膜应变计的性能

4.3 小结

第五章 金属叶片上TaN薄膜应变计的制备

5.1 NiCrAlY附着层薄膜的制备和析铝氧化

5.2 Al2O3绝缘层薄膜的制备

5.3 TaN敏感层薄膜的制备及图形化工艺

5.4 Al2O3保护层薄膜的制备

5.5 金属叶片上TaN薄膜应变计的性能

5.6 小结

第六章 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果