[发明专利]一种金属基薄膜传感器用渐变过渡层及制备方法

说明书

一种金属基薄膜传感器用渐变过渡层及制备方法，属于薄膜传感器技术领域。包括三层结构，自下而上依次为NiCrAlY合金层、NiCrAlY合金和Al₂O₃梯度层、Al₂O₃层，其中，位于中间的NiCrAlY合金和Al₂O₃梯度层中，NiCrAlY合金沿薄膜生长方向浓度递减，Al₂O₃沿薄膜生长方向浓度递增。本发明渐变过渡层与现有的过渡层相比，热处理温度降低了200‑400℃，热处理时间缩短了50％以上，大大减缓了镍基合金在高温处理时发生自扩散以及与NiCrAlY合金发生互扩散的速率和程度；同时，本发明的热处理气氛由传统的富氧环境变成了大气环境，这在一定程度上避免了镍基合金中元素的过度氧化。

技术领域

本发明属于薄膜传感器技术领域，尤其是对航空发动机等热端部件表面状态参数测试用薄膜传感器，此类薄膜传感器可用于航空发动机燃烧室内壁、涡轮叶片等热端部件的表面温度、应变等状态参数的准确测试，为航空发动机的设计与优化提供技术支撑；具体涉及一种金属基与薄膜传感器间用渐变过渡层及制备方法。

背景技术

航空发动机作为航空飞行器的“心脏”，为航空飞行器的发展提供了至关重要的动力。由于航空发动机在工作时，涡轮叶片及燃烧室处于高温、高压、高气流冲刷等恶劣环境中，其表面的温度分布及应变对航空发动机的性能和寿命影响极大。因此，在现代航空发动机设计和试验研究中，准确测量工作状态下燃烧室以及涡轮叶片等热端部件表面的温度及应变等性能参数对发动机的设计至关重要。

薄膜技术与图形化工艺制备的薄膜传感器具有体积小(厚度为μm量级)、质量轻、响应快、对待测部件与环境影响较小等优点，成为了目前航空发动机工作状况参数测量的先进测试技术。常用于涡轮叶片等热端部件表面状态参数测试用的薄膜传感器为多层膜结构，自下而上依次为Ni基合金基底、复合过渡层、陶瓷绝缘层、敏感功能层和保护层。其中,作为从金属基底到陶瓷绝缘层过渡的复合过渡层，其匹配性以及制备方法必须要求非常严格，既要满足与金属基底和陶瓷绝缘层两者之间有良好的兼容性，使陶瓷绝缘层在较大的热冲击下仍然保持良好的附着力，同时又要求过渡层制备工艺不会对金属基底的结构和强度产生不利影响。目前，复合过渡层通常是采用物理气相沉积技术在Ni基合金基底上沉积一定厚度的合金(主要为NiCrAlY)，然后在1000℃～1100℃下先后对其进行长达数十个小时的高温真空下的析铝处理及高温富氧环境下的氧化处理，得到由NiCrAlY合金和析铝氧化后生成的Al₂O₃组成的复合过渡层。通过上述复合过渡层的制备，完成了从金属基底到陶瓷绝缘层的过渡，但是高温热处理对Ni基合金基底造成的不利影响没有得到重视。

常见的镍基合金中除了作为合金框架的镍元素外，一般还会有十余种金属非金属元素加入，一般主加元素有Cr、Ti、A1、Mo、Co、W和Nb等，还有一些量的元素如Zr、B、Y和Ce等，这些元素各自具有固溶强化、第二相强化及晶界强化等不同的强化作用。当镍基合金的处理温度达到1000℃～1100℃时，会带来一系列的问题。主要体现在：

首先，镍基合金在高温处理时发生自扩散。在镍基合金中的Al和Ti两者的总浓度与Ti/A1比值决定着构件的主要性能，当镍基合金长时间处于1000℃以上的高温环境时，Ti和Al会在界面和表面处产生偏析，当Ti在表面界面处含量较高时，合金中的γ′-Ni₃Al和γ′-Ni₃Ti相会变成较大的片状固溶体Ni₃Al和Ni₃Ti，带来合金变脆、强塑性剧降等不利影响，另外两种元素的含量过高时，会产生大量的共晶体，降低合金的热强性，使得合金弱化；此外，在高温处理中还有可能会析出NiCe和Ni₃Ce等硬脆金属间化合物，恶化合金在高温环境中的各项性能。并且，镍基合金长时间在富氧环境下进行高温处理的过程中，会发生Co、C等元素的氧化，从而降低合金的再结晶温度与热强性能。