基于双层薄膜热电偶的热障涂层隔温温度精确测量

段 力，翁昊天，姬中林，谢子仪，邹兵林，王 盈

（1.上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海200240；2.中国科学院长春应用化学研究所，长春130022）

0 引言

21 世纪航空发动机的发展，侧重于其商业化及提高效能，而提高航空发动机的燃动效能就需要提高涡轮进口的燃气温度，该温度已经远远超出了涡轮叶片金属基底材料的最高温度承受能力，必须对合金材料的表面进行冷却。冷却气流和热障涂层（Thermal Barrier Coating，TBC）是最常用的2 种冷却方法：提高冷却气量会有显著的冷却效果，但会大大降低航空发动机的运行效率；涂覆TBC 给涡轮叶片降温是目前不可或缺的提高航空发动机工作温度的方法，研发高效能、高可靠性的TBC 也成为目前航空发动机关键技术之一[1]。TBC 的研发主要有3 部分工作：（1）通过改良TBC 基本材料[2-5]和组成结构[6-7]来提高TBC 的隔温性能；（2）研究TBC 隔温性能的物理机制[8]；（3）TBC 性能测量和表征[9]，如温度隔离能力、应力匹配、稳定性和可靠性、抗氧化性，其中隔温效能是表征测量非常重要的1 项指标。

但是，在国内外的众多文献中，对于TBC 隔离温度的报道不甚统一。例如Andress 等[10]在某型发动机高压涡轮工作叶片上进行TBC 试验时，喷涂厚度为0.254 mm 的涂层，平均降温120 ℃；Meier 等[11]在现有涡轮冷却技术下，涂层厚度为0.25 mm 的TBC 可使合金温度降低111～167 ℃；而Maricocchi 等[12]研究的0.125 mm 的TBC（EB-PVD）降温效果为56～83℃。造成以上数据不统一的主要原因在于：混淆了TBC 材料本身特征表征与冷却效果的表征，前者属于材料学的范畴，而后者与航空发动机具体结构和气动状态有关。比如航空发动机涡轮前1 导叶片，叶片背面有冷却气流，气流状况及其内外表面温度都会对冷却效果产生影响。此处谈到的温度隔离指冷却效果，更加关注叶片表面的实际温度，因为这关系到涡轮叶片的可靠性预估，但是这种热障涂层的隔热测量受内壁和外壁2 个界面的温度状况的影响，内外表面温度边界条件会造成TBC 隔温效能的差异。段力等[13]利用计算机仿真得到：当内外壁温差为700 ℃时，TBC 隔温温度为300 ℃左右；当内外壁温差为1000 ℃时，隔温效果高于700 ℃。所以，测量环境设定标准与严格掌控是准确测量的第1 个必要条件。而第2 个必要条件是测量方法的精准性，传统的表面温度测量常常采用红外测温仪，但其误差较大。

本文回顾了航空发动机温度测量技术，比较了各种测量方法的优缺点。提出了利用薄膜热电偶技术对TBC 隔热性能的测量方法、方案以及实践情况，对热障涂层隔热性能的测量规范进行了探讨。

1 温度测量技术现状分析

常规的壁面温度测量测试技术包括：非接触式的光学高温测试[14]、示温漆[15]、测温晶体[16-17]、热电阻和热电偶温度传感器[18-19]技术，其特点见表1。比较的方式主要考虑这些测温技术的可行性和必要性：可行性主要考虑温度传感测量实施的难易程度；必要性主要考虑测量的精准度、精确度、测量的重复性及实时性等因素。各种测温技术的优缺点也不尽相同，比如非接触式的光学高温测试技术，其静态标定精度受被测物体表面的粗糙度、气体介质的成分、氧化程度及黑体度等因素的影响，测试精度难以保障；晶体测温技术尺寸小、精度高、可制作成测温阵列，不需要引线，但该技术和示温漆测试壁面温度测量都是“马后炮”测量方式，即在做完试验后才可以获得整个测试过程中测点位置处历经的最高温度，无法实现实时测量和重复性测量，更无法实时对温度进行动态跟踪测量，比如涡轮叶片某一点长期处于高温状态（但不是最高温）下，用这种一次性的方法就无法判定。声表面波传感器是目前性价比最高的测温方法，因为其为无线遥感的非接触方式，可以用于航空发动机转子器件与转动器件的传感测量，这种传感器目前在低温测量方面已经实现商用化，但在高温测量面临严峻的挑战，目前还没有完全攻克。迄今为止，利用热电偶和热电阻测温是保证测量精度的最佳方式，也是航空发动机高温测量的主要手段。这种接触式的温度测量又分为2种：常规的浸入式和露端型热电偶[20-21]和薄膜热电阻和热电偶传感器测温，二者都可以达到精准测量的目的。第1 种为传统的测量壁面温度的常规方式，必须利用绝缘陶瓷套管将热电偶埋设在涡轮叶片金属中，由于材料之间导热系数的差异及其热电偶系统尺寸偏大，会造成温度场的漂移及测量点的误差。而薄膜热电偶在这方面体现出其独特优势[22]，薄膜传感器直接贴在壁面上，且尺寸微小，可以精准测量该点温度，易于形成传感器的阵列。所以，利用MEMS 薄膜温度传感器对TBC 进行精准温度测量和隔温性能的表征尤为重要，MEMS 温度传感器尺度很小（微米量级），对涡轮叶片表面传热和温度分布，附着热流轨迹及厚壁扰动影响极小，并且比常规热电偶在局部温度测量的精度要高得多。本文利用薄膜型铂铑热电偶测量热障涂层的隔离温度[23]，保证了温度测量的准确性和精确性。

表1 涡轮叶片表面测温技术方法

常规热障涂层温度隔离测量系统如图1 所示。

采用高温乙炔气流给热障涂层表面加热，用光学的方法来测量火焰温度，作为热障涂层表面的温度。在测试样片的背面采用1 个标准的热电偶来测试背面的温度，2 个温度之间的差值就是热障涂层的隔温温度。这种方法测量的精度非常受限：光学测量本身存在几十摄氏度的误差；不能完全消除背面热电偶和叶片表面之间的空气间隙，使背面测量的样片表面的温度产生误差。

本文提出利用MEMS 薄膜热电偶的方式测量TBC 两侧的温度差，并藉此算出隔温温度，对温度测量的条件及其测量系统的标准化进行探讨，初步设立了TBC 隔温温度的测量规范。

图1 常规热障涂层温度隔离测量系统

2 测量原理诠释

利用薄膜热电偶的方法测量热障涂层温度隔离效能的测量结构如图2 所示。从图中可见，2 层热电偶的测温节点都位于小圆片的中间位置，用高温热流，给TBC 表面加温，测量2 个热电偶的温差就可以得到TBC 涂层两边的温差，即隔温温度。由于热电偶的测温精度高、温度响应速度快，利用此法可以精确地测量热障涂层两端的温差。这项技术的主要难点是TBC下表面薄膜传感器的制作，因为热障涂层的喷涂过程可能会破坏第1 层薄膜热电偶的薄膜结构，本研究的应对策略是在薄膜传感器制作过程予以详细说明。

图2 利用薄膜热电偶的方法测量热障涂层温度隔离效能的测量结构

3 测量样品的制作

选用直径为25 mm、厚度为5 mm 的小圆钢片作为基底，在此之上沉积30 um 厚度的MCrAlY 层之后，先喷涂1 层比较薄的（厚度为30 μm）的TBC，然后用MEMS 方法在涂层的表面制作Pt/PtRh 热电偶，制作过程为：利用光刻的方法把有Pt 线条的地方露出来，采用磁控溅射的方式溅射1 层500 nm 厚度的Pt 薄膜，应用剥离工艺后形成宽度为5 mm 的Pt 薄膜线条；再做1 次PtRh 线条（也是5 mm 宽）的光刻过程，其线条与原有的Pt 线条垂直，形成1 个十字形，这个十字形的交点就是热电偶的节点，也是采用磁控溅射和剥离的方式形成PtRh 的线条。然后使用直径为0.1 mm 的Pt 和PtRh 细线高温焊接在薄膜热电偶上，在此基础上，再用等离子喷涂法沉积1 层厚度为300 μm 的热障涂层，考虑到薄膜热电偶的厚度很薄，在第2 次喷涂的过程省去了喷砂过程，在喷涂之后用万用表确认薄膜热电偶的连接状况，确认无误后，再用MEMS 方法制作第2 层Pt/PtRh 薄膜热电偶，最后使用直径为0.1 mm 的Pt 和PtRh 细线连接出顶层的薄膜热电偶。制作好的样品如图3 所示。需要说明的是在第2 次喷涂的过程中，由于高温冲击可能造成第1 层薄膜热电偶损坏，在制作第1 层薄膜热电偶时，线条的宽度不宜过窄，需达到100 μm 以上。

图3 双层Pt/PtRh 薄膜热电偶样品

4 测量过程与结果讨论

图4 热障涂层隔温效果测量高温施加与测量系统

在马弗炉中对2 个热电偶进行温度校准：将标准的R 型热电偶放置在小圆片上，在升温过程中，同时测量3 个热电偶的热电压，并画出对应的热电压和温度曲线作为薄膜型热电偶的温度测量标准。在做完温度校准之后，进行热障涂层的温度隔离试验。高温施加过程（如图4 所示）为：使用丁烷液化气高温喷枪喷射火焰，将样品置于高温火焰之下，采用耐高温双层护管，高温喷嘴最高温度可达1300 ℃，调整喷枪与样品的距离即可调整热障涂层表面的温度及热流状况。用2个标准的R 型热电偶分别放置在热障涂层和样片下部，用来测量热障涂层表面火焰温度和背面金属温度，通过测量比较4 个热电偶（2 个标准热电偶+2 个薄膜热电偶）的温度差别来评估热障涂层的隔温效果。

4.1 测量的结果分析

对热障涂层上下2 层的热电偶进行温度校准测量，将样品放置在马弗炉中缓慢升温，升温速率为400 ℃/h，在这一过程中使用多通道数据采集进行热电压的测量，考虑到马弗炉温度读数及其高温腔内温度场迟滞可能造成的误差，在样片表面放置1 个标准的R 型热电偶进行同步测量，并以此为判定温度的依据。2 个薄膜热电偶的热电压随温度变化的曲线如图5 所示。从图中可见，曲线的重复度很好，以此温度校准曲线作为标定，得到热电压与温度的对应关系。在下面的热障涂层温度隔离测试当中，把所测热电压的值根据温度校准曲线转换为相应的温度值。

图5 热障涂层两端热电偶的温度校准曲线

初步的温度隔离试验采用高温枪将高温热流射向样片表面，并利用高速率的数据采集器对4 个热电偶的电压进行瞬态数据采集，在升温和降温过程中4个热电偶反应的温度变化趋势如图6 所示。试验证实了利用双层的薄膜热电偶对于测量TBC 两侧温度差值的可行性，TBC 温差变化趋势和规律也符合预期。从图中可见，外部施加火焰的温度上升趋势和内外2层热电偶的温度存在一定的对应关系。在开始时热障涂层外部的热电偶对温度的反应很快，而内部的上升速度就比较慢，最后逐渐达到平衡，样品底部的热电偶由于样片金属的高温氧化层及其空气的间隙有一定的温度隔离作用，所以上升速度始终很慢。外部的热流火焰撤离之后（第470 s 处），热障涂层内外热电偶的温度逐次降低。在本试验中，样片下是石棉绝热体，也就是说不散热。当达到热平衡时，热障涂层两面的温度趋于相同。在未来的试验设计中（见下面讨论部分），样片底部的温度控制在1 个稳定区间，如在水温低于100 ℃附近，上下表面的温度可以达到稳定的差值，利用热障涂层两面的温度差，就可以对热量涂层的隔温效果做出标定。

图6 热障涂层隔温效果动态测量结果

随后进行了瞬态的冷却试验，也就是在刚刚撤掉火焰之后的热障涂层上喷1 层冷水进行冷却，同时监测2 层薄膜热电偶的瞬态温度。瞬态试验结果如图7所示。显然外层的热电偶迅速冷却，而内层热电偶的冷却速度偏慢，比较2 层的热电偶温度差值，可得TBC的温度隔离效果为150 ℃左右。从结果还可知，由于TBC 冷却的时间缓冲量级为秒，采用高速数据采集系统（精度可以达到10-5s），可以利用瞬态温度降低温差来衡量热障涂层两端的隔离温度，这种试验方式的可重复性容易实现。

图7 温度冷却瞬态效果

4.2 结果讨论

要衡量TBC 温度隔离效果，测量系统应该标准化；此外，测量体系的应用环境为可控的试验室环境，而不是航空发动机的气动环境。为此设计了1 种试验装置，用水来进行基底的冷却。在测试时，利用高温热流来吹击TBC 前表面及其上设置的薄膜温度传感器，获得TBC 表面温度的测量读数；在施加高温的同时，同步监测底层热电偶的温度读数。在测量过程中，利用水冷装置对测试样品的基底金属进行冷却（并实时监控测量水温）。利用达到热平衡之后TBC 两侧薄膜热电偶的温度差作为热障涂层隔温温度。标定方法可以用TBC 温度隔离系数

式中：TC1和TC2为热障涂层内、外表面温度，取自薄膜热电偶的读数；tTBC为热障涂层的的厚度。

从式中可见，热障涂层的冷却效果应该考虑厚度及其热障涂层内、外表面温差的影响，由于这3 个量都可以精准测量，可以在热流量一致的情况下用TBC温度隔离系数SΔTBC作为热障涂层隔温温度的标准化标定，单位为℃/μm，也就是用每微米能够达到的冷却梯度表征TBC 隔温效能。比如本试验的热障涂层的厚度为300 μm，可以达到的冷却效果为150 ℃，则SΔTBC=0.5 ℃/μm。在后续工作中，会用这种系统来对热障涂层进行测量表征。后续研究还应该包含测量的重复性、误差方面的分析方法及影响因素，及其在不同高温温度TC1下SΔTBC可能的差异，热障涂层隔温温度测量装置如图8 所示。

图8 热障涂层隔温温度的测量装置

5 结束语

本文利用MEMS 技术在YSZ 热障涂层的上下表面（TBC 表面和NiCr 合金与TBC 的界面处）制作了薄膜型热电偶，用来精准测量热障涂层两侧的温度，并且用二者温度差来衡量TBC 的隔温温度。试验表明，该Pt/PtRh 薄膜型传感器可以成功测量1200 ℃左右的高温。本试验还设计了1 套测量热障涂层隔温的标准化体系，并制定了1 种热障涂层隔温测量标准，可供未来TBC 测量标准制定借鉴。