航空发动机高温薄膜热电偶研究概况*

（厦门大学航空航天学院，厦门 361102）

航空发动机作为航空飞行器的“心脏”，为飞行器飞行提供动力。航空发动机涡轮叶片受到高温（＞1700℃）、高压（＞50bar）、高转速（＞20000r/min）[1–2]恶劣环境的作用，极易发生蠕变、烧蚀、疲劳断裂等失效行为。高温是航空发动机涡轮叶片最主要的工作环境特征，叶片的疲劳断裂与其密切相关[3–4]。我国空军现役飞行事故大多与发动机叶片疲劳断裂失效有关。可见，涡轮叶片工作状态的在线实时获取一直是航空飞行器发展亟待解决的难题。

航空发动机涡轮叶片温度测取是其工作状态监测、健康管理的重要依据。多种测试方法和手段被尝试，但难以解决问题。如通过在涡轮叶片表面开孔，将温度传感器直接安装在涡轮叶片上获取温度参数的方法，对涡轮叶片本身造成伤害，同时造成开孔处应力集中，降低涡轮叶片的使用寿命[5]；在涡轮叶片表面黏贴片式传感器的方法会对气流造成干扰，黏贴胶在高温下工作一段时间后黏贴效果下降，叶片和片式传感器贴合不紧密，甚至脱落，使测温数据结果不可靠[6]；示温漆法测温精度较低，且不具备实时性[7]；红外热成像法[8]、热敏液晶显示法[9]、光电法等[10]，由于叶片实际的狭小工作环境和测温系统的复杂性，均不适用于涡轮叶片上温度的测量。

为了解决航空发动机涡轮叶片、燃烧室内壁等狭小空间范围的测温难题，结合薄膜制备技术，出现了微纳尺度的薄膜传感器。相比较传统的块体式温度传感器，薄膜传感器空间尺度小、热容量小、响应速度快，能适应不同场合的测温需要[11]；采用薄膜技术在被测零部件上直接制备薄膜传感器，对工作气流无干扰，且具有高机械强度，抗振动和冲击，实现薄膜传感器与被测件的结构一体化[12]；响应时间为毫秒、微秒级，对工作温度能实时响应[13]。在航空发动机上制备的薄膜温度传感器有薄膜RTD（Resistance Temperature Detector）[14]和薄膜热电偶[15]，如图1所示。本文主要介绍薄膜热电偶研究进展及其在航空发动机上的应用。

1 国内外研究现状

1.1 国外研究现状

薄膜热电偶诞生于第二次世界大战期间。早期的研究采用铜、康铜、镍、镍铬合金、镍铝合金等普通廉价金属[16]。但受限于传感器的灵敏度、测温量程等，很少实际应用，研究者开始关注稀有金属。NASA 的路易斯研究中心的Grant 等[17]研制了Pt/Pt10Rh 薄膜热电偶，并在1250K 下进行测试，整体结构如图2所示，结果表明，这种薄膜热电偶的平均失效时间为47h，但是由于高温下薄膜中铑元素的氧化，会加大薄膜热电偶的漂移率。随后，Kreider[18]对Pt/Pt10Rh 薄膜热电偶中的氧化机理做了研究，并研制了用于内燃机燃烧室内壁测温的Pt/Pt10Rh 薄膜热电偶，试验结果表明Pt/Pt10Rh 中的铑元素在700~800℃时产生氧化，表面制备氧化铝保护层可以减轻氧化问题。可见，金属薄膜热电偶的高温稳定性依赖于表面氧化保护层。

据报道，贵金属薄膜热电偶的最高使用温度为1200℃[15]。而航空发动机涡轮前温度已经达到1700℃[19]，贵金属薄膜热电偶难以适应。为提高薄膜热电偶对高温恶劣环境的适用性，必须寻找新的耐高温材料。陶瓷材料因其熔点高，且在高温下具有良好的稳定性，被大量研究[20]。Wrbanek 等[21]采用CrSi2、TaC、Pt13Rh 和Pt 等材料制备薄膜热电偶，如图3所示。其中TaC 和铂构成的薄膜热电偶在900℃内具有良好的线性输出，塞贝克系数为102μV/℃，而CrSi2和铂构成的薄膜热电偶在600℃下线性输出仅为–4.3μV/℃。两种热电偶在测温范围内均存在一定的线性偏差，推测这是由于材料氧化造成的。Bhatt 等[22]采用射频溅射制备TiC/TaC 薄膜热电偶，研究溅射功率、气压和基底温度等工艺参数对TiC、TaC 薄膜方阻的影响，发现通过减小薄膜方阻，可以提升热电偶的灵敏度。TiC/TaC 薄膜热电偶可以在1350K 的高温环境中开展试验测试，但输出信号较小，不超过5mV，如图4所示，实际难以应用。

图1 航空发动机涡轮叶片上制备薄膜温度传感器Fig.1 Thin film temperature sensors prepared on turbine blade of aero-engine

图2 Pt/Pt10Rh薄膜热电偶结构示意图Fig.2 Structure diagram of Pt/Pt10Rh thin film thermocouple

图3 CrSi2、TaC、Pt13Rh和Pt组成的薄膜热电偶Fig.3 Thin film thermocouples composed of CrSi2,TaC,Pt13Rh and Pt

图4 TiC/TaC薄膜热电偶的热电输出Fig.4 Thermoelectric output of TiC/TaC thin film thermocouple

薄膜热电偶灵敏度的提升与薄膜制备工艺密切相关。调整薄膜制备工艺，改变薄膜热电偶材料的载流子浓度及迁移率，可获得不同灵敏度的薄膜热电偶。Kreider[23]采用不同工艺参数制备了ITO/Pt 和ATO/Pt 薄膜热电偶，测试结果显示，不同制备工艺参数下的ITO、ATO 薄膜电阻率不同，导致ITO、ATO 薄膜塞贝克系数在12~80μV/℃的范围内变化。在致力于耐高温高灵敏度的薄膜热电偶的研制中，Gregory 等[24]取得了突破性成就，研究了由氮掺杂ITO、氧掺杂ITO、氧化铝掺杂ZnO 等构成的薄膜热电偶，其中，由氮掺杂ITO 和氧掺杂ITO 在1200℃测试温度范围内具有良好的稳定性和重复性，但灵敏度只有6μV/℃，与普通金属相差无几；氧化铝掺杂ZnO 和ITO 构成的薄膜热电偶在低温下输出较大，但缺乏高温稳定性。Chen 等[25]对此进行更深入探究，采用射频溅射制备双陶瓷薄膜热电偶并进行性能测试，其测试系统如图5（a）所示，通过对比不同组分的ITO（In2O3∶SnO2=95%∶5%和In2O3∶SnO2= 90%∶10%）和In2O3构成热电偶的测试结果，发现这两种双陶瓷热电偶在1275℃下3 次循环测试都具有良好的输出重复性，且平均塞贝克系数均超过160μV/℃，且 ITO（In2O3∶SnO2=95%∶5%）和In2O3构成的热电偶比ITO（In2O3∶SnO2=90%∶10%）和In2O3构成的热电偶的灵敏度大，如图5（b）所示，同时指出根本原因在于载流子浓度的差异，3 种材料载流子浓度由高到低顺序如下：ITO（In2O3∶SnO2=95%∶5%）＞ITO（In2O3∶SnO2=90%∶10%）＞In2O3，因此ITO （In2O3∶SnO2=95%∶5%）和In2O3构成的薄膜热电偶塞贝克系数更大。自此，ITO、In2O3等陶瓷材料成为当前薄膜热电偶的热点材料。

1.2 国内研究现状

国内对于薄膜热电偶的研究起步较晚，但也有一些成果。在高温对薄膜作用机制研究方面，王超杰等[26]对薄膜热电偶在高温下的氧化机理做了探究，指出金属薄膜氧化速度随着温度升高呈指数关系递增。通过在NiCr/NiSi 薄膜热电偶表面制备SiO2和SiOxNy薄膜，降低氧在金属薄膜中的扩散速度，提升薄膜传感器的高温抗氧化性。Zhao 等[27]对比了经过不同退火工艺处理的ITO/In2O3薄膜性能，发现由于经过氮气和空气分步退火后生成氮氧化物薄膜ITON/InON 具有更高的结合能和高温稳定性。Liu 等[28]通过对比有无添加Al2O3薄膜保护层的ITO/In2O3薄膜热电偶，在1250℃保温不同时长后的微观表面形貌和薄膜厚度变化，发现Al2O3薄膜保护层抑制了ITO/In2O3薄膜在高温下的分解挥发，大大降低薄膜热电偶的漂移率，使制得的薄膜热电偶在1250℃下稳定输出10h。

国内研究者采用薄膜热电偶在航空发动机测温方面也进行了一些尝试。Jin 等[29]在氧化铝基底上制备ITO/In2O3薄膜热电偶，并将其用于发动机燃烧试验动态内壁温度测量，如图6（a）所示为超燃冲压发动机壁面温度测量的热电偶安装图，对2 马赫的气体流速、燃烧时间少于300ms 的整个燃烧阶段进行温度监测，结果如图6（b）所示，薄膜热电偶能够迅速响应不同的点火燃烧阶段温度变化。安保合[30]采用真空镀膜的方法在涡轮叶片表面制作铂铑10–铂薄膜热电偶。虽然实现了薄膜热电偶与叶片基底一体化结构，但经过测试，发现存在诸多问题，如薄膜热电偶断裂、膜与细丝引线开焊、测量膜与基底短路等，热电偶的损坏率达到40%，性能上测量误差达到±3%，累计使用寿命不超过10h 等。陈寅之[6]在镍基合金表面制备ITO/Pt 热电偶，标定结果显示其塞贝克系数为78.32μV/℃，并在涡轮叶片表面制备ITO、Pt、PtRh、NiCr、NiSi 薄膜进行冷效试验，对其在涡轮叶片上的附着性能测试，结果见图7，可见ITO薄膜在冷效试验前后与涡轮叶片附着性能良好，保持着良好的附着性能。Deng 等[31]直接在涡轮叶片上制备薄膜热电偶，并采用通孔引线连接的方式采集薄膜热电偶输出电压，如图8（a）所示。采用图8（b）的测试系统，经过1000℃循环测试，获得稳定输出信号，实现涡轮叶片传感薄膜一体化。

图5 In2O3/ITO薄膜热电偶测试系统及测试结果Fig.5 In2O3/ITO thin film thermocouple test system and test results

图6 超燃冲压发动机燃烧试验及其壁面温度监测Fig.6 Scramjet combustion test and wall temperature monitoring

图7 在叶片表面制备ITO、Pt、PtRh、NiCr、NiSi薄膜 并进行冷效试验Fig.7 Preparation of ITO,Pt,PtRh,NiCr and NiSi films on turbine blade and cold effect test

2 发展趋势

2.1 薄膜制备工艺改进

薄膜热电偶的制备分为两个步骤：薄膜沉积和图案化。传统镀膜方法主要包括物理气相沉积、化学气相沉积、丝网印刷、电镀、电解、阳极氧化等[32–36]。采用不同的薄膜制备工艺获得的薄膜热电偶性能不同，在微观上主要表现为薄膜形貌、物相、晶相等差异。由于溅射镀膜工艺适用于广大材料的薄膜化，且成膜速度快、对膜层损伤小、薄膜与基底粘附性好等优点，被广泛应用于薄膜传感器的制备[37–38]。但是，传统溅射工艺难以保证曲面上镀膜厚度的均匀性。如图9所示，上海交通大学Duan 等[39]采用软光刻和溅射工艺成功在涡轮叶片上制备的薄膜RTD。但是对于薄膜热电偶，制备过程中需要结点搭接，涉及标记对准，在曲面上获得微纳尺度薄膜热电偶较为困难。

针对在曲面镀膜厚度均匀性较差，影响制得的传感器性能的难题，有研究者提出机器人系统结合传统溅射镀膜的方式制备薄膜，采用示教再现或输入数字地图的方式带动靶材的移动溅射，保证曲面镀膜的均匀性，获得稳定性能的薄膜热电偶[40–42]。此外，也可以考虑采用溶胶凝胶法、直写或喷印敏感材料溶液的方法制备薄膜传感器，实现曲面部件和薄膜传感器一体化[43–45]。

2.2 薄膜热电偶灵敏度、稳定性提升

敏感层是薄膜热电偶实现温度测量的感知层，是热电偶测温的核心，其高温稳定性、温度敏感性决定了传感器的性能优劣。金属薄膜热电偶灵敏度较低，且高温下容易被氧化；陶瓷材料性能稳定，灵敏度远高于金属薄膜热电偶。薄膜热电偶的灵敏度主要由敏感层两种薄膜材料载流子浓度及其浓度差、迁移率等决定[46]。研究者大多是通过掺杂工艺提升正极薄膜材料载流子浓度或增大正负极材料的浓度差，但薄膜热电偶的灵敏度并没有得到显著的提高。此外，高温会氧化金属薄膜材料，也会使陶瓷薄膜材料分解和挥发，增大薄膜热电偶测温漂移率[47]。添加保护层增强薄膜材料的抗氧化、抗分解效果有限，还会延长薄膜热电偶的响应时间。可见，强高温稳定性、高灵敏输出的敏感层制备还面临诸多挑战。

当前，高熔点、强稳定性的陶瓷材料在高温环境测温需求上具有广阔的应用前景[48–50]。目前人们关注的陶瓷材料有ITO、ATO、ZnO、AZO 等[51–56]，对其制备工艺、电学特性、高温稳定性等方面均进行了大量的研究，但成功用于航空发动机涡轮叶片上的报道却屈指可数。未来可能有更适合用于制备薄膜传感器的的新材料出现。图10热重分析结果表明，前驱体陶瓷（Precursorderived Ceramics，PDC）材料可以在超过1400℃下稳定工作。部分前驱体材料甚至可以在2000℃下稳定存在，且前驱体陶瓷热电偶具有高灵敏度，如图11所示材料，有可能成为航空发动机测温应用的新材料[57–58]。目前，前驱体陶瓷材料大多被制备成块体式传感器，并不适合于涡轮叶片测温。前驱体陶瓷可以经过固化、交联、热解等过程，将其制备成薄膜传感器，但其薄膜化过程中需要解决薄膜的收缩、开裂和图案化等难题[59]。

图8 涡轮叶片上通孔引线连接薄膜热电偶及其测试系统Fig.8 Thin film thermocouple connected by through-hole lead wire on turbine blade and its test system

图9 在涡轮叶片上制备的薄膜RTDFig.9 Thin film RTD prepared on turbine blade

图10 SiCN、SiBCN和Si3N4的热重分析Fig.10 Thermogravimetric analysis of SiCN,SiBCN and Si3N4

2.3 材料体系构建及完善

在不同基底上制备薄膜传感器需要构建不同的材料体系。如图12[60]所示是由NASA 路易斯研究中心提出的在不同基底上构建不同的材料体系。其中，在导电基底上制备薄膜热电偶的材料体系最为复杂。在薄膜热电偶和导电基底中间需要沉积绝缘层以准确收集输出电信号。由于导电合金基底材料和绝缘层材料的热膨胀系数相差较大，会导致高温下绝缘层薄膜的脱落[61]。此时需要在合金基底和绝缘层中间沉积过渡层以解决两者之间由于高温下热膨胀系数不匹配导致的薄膜伸缩开裂问题。图12中，过渡层材料MCrAlY 化合物中的M 元素根据合金基底材质不同选择不同的元素，如Fe、Co、Ni 等。在过渡层上制备绝缘层，通常采用氧化铝或其他绝缘陶瓷材料。如图13（a）、（b）所示，分别为不同成分的YSZ[62]和氧化铝[63]作为绝缘层（组成为质量分数），其绝缘电阻随着温度升高而减小。相对于金属薄膜传感器，绝缘层电阻值大敏感层电阻值几个数量级，能满足绝缘要求。但对于陶瓷薄膜传感器，其电阻值与绝缘层接近，绝缘效果是否能够满足测试要求还有待探究。此外，Wrbanek 等[64]指出，各连接层间材料的热膨胀系数差不能超过30%，否则可能导致高温下薄膜的脱落，这是在导电基底上构建材料体系时首要考虑的问题。此外，还需要考虑层间各层薄膜的粘附效果，当相互接触的两层薄膜材料有相同元素时，由于层间材料同元素的扩散，会提升层间薄膜粘附力[6,65–66]。

图11 (Si3N4–B4C)–(Si3N4–SiC)/Si3N4热电偶的塞贝克系数Fig.11 Seebeck coefficient of (Si3N4–B4C)–(Si3N4–SiC)/Si3N4 thermocouple

图12 不同基底上制备薄膜传感器的材料体系构建Fig.12 Material system construction of thin film sensors prepared on different substrates

图13 YSZ和氧化铝薄膜电阻随温度的变化情况Fig.13 Variation of YSZ and alumina film resistance with temperature

3 结论

随着工业机器大发展，航空发动机涡轮叶片、燃烧室内壁、喷嘴出口、高超声速飞行器表面等均有测温需要，薄膜热电偶已经成为当前传感结构一体化研究的热点。国内外开展了大量的相关研究工作，提升了薄膜热电偶分立元件的灵敏度、测温量程、使用寿命等性能，但在实际应用上仍存在诸多挑战。兼具高温稳定性和高灵敏度的敏感层薄膜制备、多层材料体系的热适配问题、复杂曲面均匀薄膜沉积仍制约着薄膜热电偶在航空发动机上的应用。不断发掘新材料、新薄膜制备工艺和信号采集方法，航空发动机薄膜热电偶终将取得重大突破。