涡轮叶片上Al2O3薄膜的高温绝缘性能研究

崔成成，蒋书文，张万里

（电子科技大学电子科学与工程学院电子薄膜与集成器件国家重点实验室 四川 成都 611731）

1 引言

航空发动机朝着高马赫数、高推重比、高可靠性方向发展，这对发动机主要热端部件涡轮叶片表面的准确测温提出了更高的要求[1]，铂热电阻由于具有TCR大、稳定性强、测温范围广等优势[2]，而被常用于高温环境的温度测量中。但是若将Pt热电阻直接制备在叶片表面进行测温，会使两者直接导通而无法测温，必须要将两者进行高温绝缘。研究发现，Al2O3具有高熔点、高电阻率等优点而被广泛用作于涡轮叶片的高温电学绝缘材料[3]。因此，本文选用Al2O3薄膜作为涡轮叶片的高温绝缘材料，制备了不同层结构的Al2O3薄膜并研究了其微观结构和高温绝缘性能。

2 实验

本文通过磁控溅射和电子束蒸发的方法制备了叶片上的高温绝缘材料，由于涡轮叶片为金属材料，若将Al2O3薄膜直接沉积到其表面，则可能会导致高温脱落和绝缘失效的后果，因此需要先制备一层过渡层材料，然后完成Al2O3薄膜绝缘层的制备。制备方法如下：（1）采用磁控溅射的方法在Ni高温合金叶片表面沉积了厚度为16μm的NiCrAlY过渡层[4-5]；（2）通过高温热处理完成析铝、热氧化过程，使其表面形成一层致密均匀的热生长氧化层（TGO层）；（3）采用电子束蒸发的方法（工艺参数：本底真空5×10-4Pa、基底温度300℃、平均蒸发速率0.5nm/s、蒸发时间67min）沉积一层厚度为2μm的Al2O3薄膜，然后在600℃的大气环境中退火200min，从而得到单层Al2O3薄膜绝缘层样品。然后，采用相同方法得到双层和三层绝缘层样品；（4）采用电子束蒸发的方法制备Pt热电阻，测试其电阻温度系数（TCR）高达2500ppm/℃以上，从而达到了高温绝缘和测温的目的。

3 结果与讨论

3.1 NiCrAlY过渡层和TGO层的绝缘性能

测试了其高温绝缘电阻（测试温度范围室温到800℃），结果表明，在室温下，TGO层的绝缘电阻达到77.4MΩ。然而，当温度升高到800℃时，其绝缘电阻下降为1.1kΩ左右，这还并不满足涡轮叶片的高温测试的绝缘条件，必须要在其表面制备Al2O3薄膜绝缘层以达到高温电学绝缘的要求。

3.2 Al2O3薄膜的微观结构

通过扫描电子显微镜（SEM）观察样品的截面微观形貌，得到的结果如图1所示。并且通过X射线衍射（XRD）对其进行了物相分析，结果如图2所示。

图1 不同层结构Al2O3薄膜样品的截面SEM图

图2 不同层结构Al2O3薄膜样品的XRD图

结果表明，单层膜厚2μm左右，与初始镀膜厚度一样，而双层和三层膜的总厚度小于初始镀膜厚度，这应该是由于退火时间的延长引起的。而且，随着Al2O3薄膜层结构的增加，样品截面结构均匀性及致密性逐渐加强，缺陷逐渐减少，α-Al2O3的X射线衍射峰强逐渐增强，而半高峰宽（FWHM））逐渐减小[6]，这表明Al2O3薄膜的结晶性[7]逐渐增强，从而增强了Al2O3薄膜材料的附着性和稳定性，这有利于提高Al2O3薄膜的高温绝缘性能。

3.3 Al2O3薄膜的绝缘性能

测试单层、双层和三层Al2O3薄膜的高温绝缘特性，得到结果如下：Al2O3薄膜样品的绝缘电阻随着层数的增加而显著增大。温度为450℃时，单层、双层和三层Al2O3薄膜的绝缘电阻分别为17.9MΩ、33MΩ和52.7MΩ左右。当测试温度达到800℃左右时，单层样品的绝缘电阻为4.8kΩ，较之TGO层在该温度下的绝缘电阻1.1kΩ，增大了4倍以上。而双层Al2O3薄膜样品在800℃左右的绝缘电阻增大到11.6kΩ左右，当制备的Al2O3薄膜为三层结构时，其在该温度下的绝缘电阻高达43.1kΩ，从而显著提高了其高温绝缘性能，满足了涡轮叶片表面铂热电阻准确测温的高温绝缘要求。

4 结论

本文通过电子束蒸发的方法在涡轮叶片上制备了单层、双层和三层结构的Al2O3薄膜样品并测试了其微观结构和高温绝缘性能，发现，随着绝缘结构层数的增加，Al2O3薄膜的结晶性能逐渐增强，截面结构均匀性及致密性逐渐加强，高温绝缘电阻显著增大。三层结构Al2O3薄膜在800℃温度下的绝缘电阻高达43.1KΩ，显著提高了涡轮叶片的高温绝缘性能。