[发明专利]一种薄膜应变计及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于薄膜传感器设计及生产技术领域，特别涉及一种以待测涡轮发动机叶片作为基板制成的薄膜应变计及其制备方法。

背景技术

在现代航空发动机技术中，叶片是涡轮发动机的核心部件。当涡轮发动机运作时，由于叶片的高速运转、燃料燃烧会使发动机内产生高温、高压等。因此，叶片在运行时将承受高的离心力、热应力、高振动、高温等综合作用，容易使叶片损坏，发动机发生故障。而众多对叶片造成损伤的因素中，振动对叶片的影响较大，由于叶片损坏而产生的故障也大多是因为叶片振动过大引起的，因此准确测试涡轮叶片由振动产生的应变大小成为航空发动机研制中的关键部分。

传统对航空发动机涡轮叶片应变测试的方法主要采用贴片电阻应变片进行测量。这种方法是将丝式或箔式应变片用粘贴的方式固定在待测叶片表面，当叶片振动时使贴于叶片表面的应变片发生形变，从而应变片的电阻值发生改变，电阻变化的大小反映应变的大小，这种测试方法在叶片运行的恶劣环境下，粘贴胶的力学性能会变化，使应变片测量准确度下降，蠕变与迟滞增大，甚至脱离，不能长久使用，所以应变片测试方法不能满足涡轮叶片应变测量的要求。

目前通常采用薄膜应变计满足涡轮叶片应变测量需求，它是指在叶片等金属基板上，首先制备一层绝缘层，绝缘层通常采用NiCrAlY热障材料作为过渡层，经析铝氧化后形成致密的Al₂O₃绝缘层；然后在绝缘层上制备薄膜应变计功能层；最后在功能层表面制备Al₂O₃等保护层。

目前采用的薄膜应变计功能层材料主要有NiCr、PdCr、TaN等合金或陶瓷材料，这些材料在高温环境下都存在各自的缺点。李伟等在2011年10月《火箭推进》(JOURNAL OF ROCKET PROPULSIO)上发表的“合金薄膜高温压力传感器研究进展”中提到：NiCr系合金薄膜应变计在高温下部分金属原子与氧结合成氧化物，会发生有序—无序的变化，即K状态，导致电阻不稳定，给应变测试带来较大误差，而且其静态应用温度范围一般为-269～+350℃，仅仅适用于中、低温环境下的压力测量。文章还指出，对于1997年Jih-Fen Lei等人使用的PdCr合金薄膜应变材料，虽然能够在1000℃范围内工作，但它也存在使用寿命较短的问题。对于TaN陶瓷材料，当TaN薄膜被氧化时，氧原子将与TaN反应生成Ta₂O₅，TaO，TaO₂等氧化物，其电阻值会增大，对TaN薄膜工作的稳定性影响很大，同时氧化的存在也使得TCR(电阻温度系数)和GF(应变因子)发生改变，影响应变计测量精度。另一方面，NiCr、PdCr、TaN等材料在氧化后形成的氧化物疏松，影响薄膜应变计与金属基底间的附着力，也使得薄膜应变计在使用过程中极易脱落。目前抑制应变计高温氧化的主要方法是专利号为CN102212823B的中国专利“在合金基板上设置薄膜传感器的方法”里提到的，在Al₂O₃陶瓷绝缘层及传感器功能层表面按常规方法、在真空气氛及500-600℃温度下、采用电子束蒸发的方法在Al₂O₃绝缘层和薄膜传感器功能层的表面蒸镀上Al₂O₃保护层、至Al₂O₃保护层的上表面到薄膜传感器上表面的厚度为1.0-2.0μm止，以对薄膜应变计进行保护。但是用电子束蒸发方法制备的Al₂O₃薄膜中不可避免存在导通通道，不可能把应变计功能层和环境完全隔离，在长时间的高温使用环境下，由于应变计功能层材料的氧化而导致的失效现象依然严重。因此，目前采用的薄膜应变计存在以下缺陷：一是常用的薄膜应变计功能层材料NiCr、PdCr、TaN等在高温下容易氧化，使得薄膜应变计在长时间高温测试下抗氧化能力较弱，功能层氧化失效，可靠性、使用寿命以及稳定性都不能满足高温应变测试的要求；二是在长时间的高温环境下，由于功能层材料和过渡层材料的热膨胀系数不一样，极易产生脱落，进而影响薄膜应变计的使用寿命；三是传统的采用在功能层表面蒸镀Al₂O₃保护层，由于蒸镀的Al₂O₃薄膜中不可避免存在导通通道，使得薄膜应变计在长时间高温环境下存在由于应变计功能层材料的氧化而导致较严重的失效现象。

发明内容