发动机叶片薄膜传感器用高温绝缘层及其制备方法

摘要

本发明公开了一种发动机叶片薄膜传感器用高温绝缘层及其制备方法，该高温绝缘层包括由下至上依次设置的叶片基底层、高温氧化层、Al2O3薄膜层、Ta2O5薄膜层和Si3N4薄膜层，制备方法包括真空热处理及高温氧化、Al2O3薄膜层的制备、Ta2O5薄膜层的制备、Si3N4薄膜层的制备和高温热处理。本发明的高温绝缘层薄膜致密、缺陷少，能减少高温下因薄膜缺陷导致的漏电流，制备方法简单易行，成本较低。

说明书

技术领域

本发明属于薄膜传感器技术领域，具体涉及一种发动机叶片薄膜传感器用高温绝缘层及其制备方法。

背景技术

随着近代航空发动机推比的提高和重型燃气轮机动力的提升，其机组涡轮叶片的转速和工作温度越来越高，叶片工作参数(温度、应变、热流等)的测量已成为叶片设计验证必要的基础试验内容。为解决高旋曲面叶片的高温工作参数测量问题，我国还只能采用高温胶将传感器(如热偶丝)粘贴到叶片上测温，由于粘贴的传感器凸出叶片表面，干扰叶片周围的热流和温度场，而且存在脱落而损害涡轮系统的风险，为此，迫切需要开展发动机叶片原位制造薄膜传感器的研究工作。

公开号为CN106498355A的中国专利文献公开了一种高温薄膜传感器用抗氧化复合防护层及其制造方法，该方案采用的薄膜制备方法及膜层结构为：直流溅射NiCrAlY+真空析铝氧化Al

公开号为CN109536892A的中国专利文献公开了一种高温薄膜传感器用抗热冲击复合绝缘层及其制备方法，该方案采用的薄膜制备方法及膜层结构为：直流溅射NiCrAlY+热生长Al

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种薄膜致密、缺陷少，能减少高温下因薄膜缺陷导致漏电流发生的发动机叶片薄膜传感器用高温绝缘层及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。

一种发动机叶片薄膜传感器用高温绝缘层，其特征在于，包括由下至上依次设置的叶片基底层、高温氧化层、Al

上述的发动机叶片薄膜传感器用高温绝缘层，优选的，所述高温氧化层的厚度为0.2μm～1μm，所述Al

上述的发动机叶片薄膜传感器用高温绝缘层，优选的，所述发动机叶片薄膜传感器用高温绝缘层在800℃～1500℃范围内可正常工作。

上述的发动机叶片薄膜传感器用高温绝缘层，优选的，所述Al

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的发动机叶片薄膜传感器用高温绝缘层的制备方法，包括以下步骤：

S1、真空热处理及高温氧化：将叶片基底在真空条件下升温至800℃～1000℃保温3h～8h，然后降温至700℃～900℃，通入高纯氧气2h～6h，降至室温，在叶片基底上得到高温氧化层；

S2、Al

S3、Ta

S4、Si

S5、高温热处理：将步骤S4所得材料进行退火、冷却，得到发动机叶片薄膜传感器用高温绝缘层。

上述的发动机叶片薄膜传感器用高温绝缘层的制备方法，优选的，步骤S1中，所述叶片基底先进行预处理，再高温氧化，所述预处理包括以下过程：将叶片基底先分别用目数为2000#、3000#、5000#的金相砂纸各研磨0.5h～3h，然后用Al

上述的发动机叶片薄膜传感器用高温绝缘层的制备方法，优选的，步骤S5中，所述退火的温度为1300℃～1400℃，所述退火的时间为2h～4h。

上述的发动机叶片薄膜传感器用高温绝缘层的制备方法，优选的，步骤S1中，所述高纯氧气的纯度为99.99％。

上述的发动机叶片薄膜传感器用高温绝缘层的制备方法，优选的，步骤S3中，所述Ta

上述的发动机叶片薄膜传感器用高温绝缘层的制备方法，优选的，步骤S4中，所述Si

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本方法针对粘贴式传感器缺点，设计了一种薄膜传感器(薄膜温度、薄膜热流、薄膜应变等)通用的耐高温绝缘层。针对现有技术的缺陷，改进了膜层结构和制备工艺，保障传感器在高温下电气绝缘性能。本发明设计的膜层结构应力匹配较好，在1300℃以上的高温环境中，薄膜应力较小，不会发生因应力集中导致的薄膜脱落、皲裂等问题。

(2)本发明的制备方法采用原子层沉积技术(ALD)来沉积Al

附图说明

图1为本发明实施例1中发动机叶片薄膜传感器用高温绝缘层的结构示意图。

图2为本发明实施例1中发动机叶片薄膜传感器用高温绝缘层的制备工艺流程图。

图例说明：

1、叶片基底层；2、高温氧化层；3、Al

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。

实施例1：

一种本发明的发动机叶片薄膜传感器用高温绝缘层，包括由下至上依次设置的叶片基底层1、高温氧化层2、Al

本实施例中，高温氧化层2的厚度为1μm，Al

本实施例中，发动机叶片薄膜传感器用高温绝缘层在800℃～1500℃内可正常工作。

一种本实施例的发动机叶片薄膜传感器用高温绝缘层的制备方法，包括以下步骤：

S1、基底材料表面研磨抛光处理：使用2000#、3000#、5000#金相砂纸分别研磨1h，然后使用粒径1.5μm Al

S2、真空热处理及高温氧化：将叶片基底置于管式真空退火炉中，升温到1000℃保温5h，然后降温到800℃，停止抽真空并通入99.99％高纯氧气2h，随退火炉降至室温后取出样品，在叶片基底上得到高温氧化层2，高温氧化层的厚度为1μm。

S3、Al

S4、Ta

S5、Si

S6、高温热处理：将步骤S5所得样品置于1300℃空气常压环境中高温退火3h，随炉冷却至室温后，取出样品，即得到发动机叶片薄膜传感器用高温绝缘层。

按照本实施例的方案制备的高温绝缘层在1300℃高温下可以达到绝缘电阻不小于100KΩ，保证了薄膜温度、薄膜热流、薄膜应变等传感器功能层与基底叶片的电气绝缘，避免了传感器因与基片导通而导致的功能失效。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。