渦輪葉片應(yīng)變測(cè)量用TaN薄膜應(yīng)變計(jì)的研制.pdf

1、航空發(fā)動(dòng)機(jī)大都采用渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源,而葉片作為渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上最關(guān)鍵的部件之一,其健康監(jiān)測(cè)技術(shù)一直非常重要。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃料劇烈燃燒會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高溫、高壓和高振動(dòng)的惡劣工作環(huán)境,葉片就將承受高速、高溫、高壓、高振動(dòng)等的綜合作用,葉片損害就容易發(fā)生,進(jìn)而引起發(fā)動(dòng)機(jī)故障。因此,葉片的振動(dòng)測(cè)試在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研究中是非常關(guān)鍵與必要的。本文中,使用薄膜技術(shù)將應(yīng)變計(jì)直接沉積到金屬葉片表面,形成功能/結(jié)構(gòu)一體化集成的薄膜應(yīng)變計(jì)。這種應(yīng)變計(jì)厚

2、度在微米量級(jí),不破壞葉片本身的結(jié)構(gòu),具有對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣流擾動(dòng)小,響應(yīng)速度快、靈敏度高以及耐高溫、高壓、氣流沖刷等優(yōu)點(diǎn)。
　　實(shí)驗(yàn)中,首先采用中頻反應(yīng)磁控濺射法在Al2O3陶瓷基片上制備TaN薄膜應(yīng)變計(jì),系統(tǒng)研究了濺射溫度、濺射氣氛、濺射氣壓、真空退火時(shí)間等工藝參數(shù)對(duì)TaN薄膜微觀特性以及薄膜應(yīng)變計(jì)應(yīng)變敏感性能的影響,并確定TaN薄膜應(yīng)變計(jì)的最佳制備工藝條件為:濺射功率200 W、沉積時(shí)間60 min、薄膜厚度1μm、Ar流量為200

3、sccm、N2流量為8 sccm、N2/Ar流量比為4％、氣壓為0.6 Pa,退火溫度800℃、保溫時(shí)間4 h,在此工藝條件下制備薄膜應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變敏感系數(shù)(GF)為2,電阻溫度系數(shù)(TCR)為-69.76 ppm/℃。
　　其次,針對(duì)TaN應(yīng)變計(jì)在高溫下容易被氧化和可重復(fù)性差的缺點(diǎn),本文研究了不同厚度比的 TaN/PdCr雙層薄膜應(yīng)變計(jì)的制備工藝及其應(yīng)變敏感特性。結(jié)果表明,PdCr薄膜對(duì) TaN薄膜有非常好的保護(hù)作用,使應(yīng)變計(jì)的可

4、測(cè)溫度和可重復(fù)性都有較大的提高。
　　最后,在研究了制備在Al2O3陶瓷基片上的TaN薄膜應(yīng)變計(jì)的最優(yōu)制備工藝的基礎(chǔ)上,本論文進(jìn)一步對(duì)直接沉積到金屬葉片表面的TaN薄膜應(yīng)變計(jì)展開(kāi)研究。為了增加應(yīng)變計(jì)與基板之間的附著力并實(shí)現(xiàn)電學(xué)隔離,在葉片表面制備緩沖層,緩沖層依次由NiCrAlY附著層、Al2O3絕緣層組成,再沉積用來(lái)測(cè)量應(yīng)變的TaN敏感層,為了防止應(yīng)變計(jì)在高溫下被氧化,還在應(yīng)變計(jì)表面沉積 Al2O3保護(hù)層,測(cè)得應(yīng)變計(jì)的TCR為-