CN103921500A - 一种薄膜应变计及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种薄膜应变计及其制备方法，包括合金基板的表面处理，在合金基板上沉积NiCrAlY过渡层，Al₂O₃联接层的制备，设置Al₂O₃陶瓷绝缘层，设置薄膜应变计功能层和热氧化Al₂O₃保护层，最后设置Al₂O₃陶瓷保护层。本发明采用NiCrAlY合金为功能层，由于NiCrAlY合金薄膜表面经过析铝、氧化形成的Al₂O₃保护层更致密、稳定，对应变计功能层有更好的防护作用；而且功能层和过渡层均采用相同的NiCrAlY合金材料和处理工艺，具有相同的热膨胀系数，不会产生温度应力，在高温工作环境下不容易脱落，延长了薄膜应变计的使用寿命。

Description

一种薄膜应变计及其制备方法

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

本发明的目的是针对背景技术存在的缺陷，提出了一种薄膜应变计及其制备方法，以实现在薄膜应变计与待测部件一体化的基础上，有效提高薄膜应变计在1000℃左右工作环境下使用的可靠性和使用寿命，并且降低由于热膨胀系数差异导致脱落的现象等目的。

本发明的技术方案为：

一种薄膜应变计，包括七层结构，从下往上依次是合金基板1、NiCrAlY过渡层2、Al₂O₃联接层3、Al₂O₃陶瓷绝缘层4、Al₂O₃陶瓷保护层5、薄膜应变计功能层6和热氧化Al₂O₃保护层7，其中，薄膜应变计功能层6为NiCrAlY合金层，热氧化Al₂O₃保护层7覆盖于薄膜应变计功能层6表面，Al₂O₃陶瓷保护层5覆盖于薄膜应变计功能层6上的热氧化Al₂O₃保护层7和Al₂O₃陶瓷绝缘层4表面。

一种薄膜应变计的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：合金基板的表面处理：依次采用丙酮、乙醇和去离子水对合金基板表面进行清洗，清洗后采用氮气吹干备用；

步骤2：在合金基板上沉积NiCrAlY过渡层：采用常规磁控溅射方法将NiCrAlY合金沉积于步骤1处理后的合金基板上作为过渡层，NiCrAlY的沉积厚度为10～15μm，得到带NiCrAlY合金过渡层的复合基板；

步骤3：Al₂O₃联接层的制备：将步骤2所得的复合基板置于真空管式炉内，在10^-3-10^-5Pa真空及900～1300℃温度条件下，加热至金属铝析出的厚度达1～2μm后，在氧气气氛下，匀速升温至900～1100℃后、恒温4-6h，使金属铝层完全氧化为Al₂O₃后、冷却至室温，得到带NiCrAlY合金过渡层及Al₂O₃联接层的复合基板；

步骤4：Al₂O₃陶瓷绝缘层的制备：采用电子束蒸发方法，将步骤3中得到的复合基板置于真空气氛及400～500℃下，采用高纯度Al₂O₃为原料，在复合基板的Al₂O₃联接层表面沉积10～15μm厚的Al₂O₃，冷却至室温；然后，将冷却后的复合基板放入真空退火炉中，在10^-4-10^-5Pa真空条件下升温至850℃退火1～2h，冷却至室温；最后在大气环境中加热至900℃，退火4～5h，得到Al₂O₃陶瓷绝缘层；

步骤5：NiCrAlY合金功能层的制备：将经步骤4处理后的复合基板置于真空气氛下，采用磁控溅射或电子束蒸发方法在Al₂O₃陶瓷绝缘层上制备厚度为2～5μm的NiCrAlY合金功能层；

步骤6：热氧化Al₂O₃保护层的制备：将步骤5中得到的复合基板置于真空管式炉内，在10^-3-10^-5Pa真空及900～1300℃温度条件下，加热至金属铝析出的厚度达200～500nm后，在氧气气氛下，匀速升温至900～1100℃后、恒温2-3h，使金属铝层完全氧化为Al₂O₃后、冷却至室温，得到NiCrAlY合金功能层表面带热氧化Al₂O₃保护层的复合基板；

步骤7：将步骤6得到的复合基板在真空气氛及400～500℃温度下，采用电子束蒸发的方法在Al₂O₃陶瓷绝缘层及覆盖于功能层上的热氧化Al₂O₃保护层的表面蒸镀Al₂O₃陶瓷保护层、至Al₂O₃陶瓷保护层的上表面到覆盖于功能层上的热氧化Al₂O₃层表面的厚度为1～2μm止；从而得到所述薄膜应变计。

其中，步骤1中所述的合金基板为Ni基合金板或不锈钢基板；步骤1中基板表面进行抛光处理，抛光面为镜面。步骤2中所述常规磁控溅射方法为直流磁控溅射法，具体过程为：在背底真空度为10^-3～10^-4Pa、溅射气压为0.3～0.5Pa、溅射功率为200～500W、200～600℃的温度条件下，以NiCrAlY合金为靶材，以体积百分比计纯度为不低于99.999％的氩气作为反应介质，在合金基板上沉积厚度为10～15μm的NiCrAlY合金过渡层。步骤3和步骤6中所述的氧气气氛为以体积百分比计纯度不低于99.5％的氧气。步骤4中所述的真空气氛的真空度为10^-3～10^-4Pa，所采用的高纯度Al₂O₃原料的纯度不低于99.99wt％。步骤5中所述的磁控溅射方法为直流磁控溅射，在背底真空为10^-3～10^-4Pa、溅射气压为0.3～0.5Pa、200～600℃温度范围内、溅射功率为200～500W，以NiCrAlY合金为靶材，以体积百分比计纯度不低于99.999％的氩气作为溅射介质进行溅射处理。

本发明的有益效果为：

1、本发明采用NiCrAlY合金为功能层，由于NiCrAlY合金薄膜表面经过析铝、氧化形成的Al₂O₃保护层比采用一般电子束蒸发或溅射方法制备的Al₂O₃保护层更致密、稳定，具有更好的连续性，附着力和抗氧化性，对应变计功能层具有更好的防护作用，提高了薄膜应变计在1000℃左右高温工作环境下的抗氧化能力、稳定性和可靠性。

2、本发明中功能层和过渡层均采用相同的NiCrAlY合金材料和处理工艺，具有相同的热膨胀系数，不会产生温度应力，在高温工作环境下不容易脱落。因此，可以大幅度提高应变计在高温环境下的附着强度，并且多次热循环后不会出现因热膨胀系数不一致导致的裂纹、掉皮以及剥落失效的现象，延长了薄膜应变计的使用寿命。

附图说明

图1为本发明薄膜应变计结构示意图(A-A剖视图)。

图2为本发明薄膜应变计的俯视图(B-B剖视图)。

图3为本发明实施例制备的薄膜应变计的电阻温度系数(TCR)。

图4为本发明实施例制备的薄膜应变计的应变灵敏度测试曲线。

图中，1.合金基板，2.NiCrAlY过渡层，3.Al₂O₃联接层，4.Al₂O₃陶瓷绝缘层，5.Al₂O₃陶瓷保护层，6.薄膜应变计功能层，7.热氧化Al₂O₃保护层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

实施例：一种薄膜应变计的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：合金基板的表面处理：采用(长×宽×厚)30×95×5mm的镍(Ni)基合金板为待测合金基板1，先后采用丙酮、乙醇和去离子水对待测合金基板的表面进行清洗，清洗后用氮气吹干备用；

步骤2：在合金基板上沉积NiCrAlY合金过渡层：将清洗干净的Ni基合金基板1置于真空度为5.0×10^-4Pa的真空(背底真空)环境中，以Ni₆₇Cr₂₂Al₁₀Y合金为靶材，通入纯度为99.999％(体积百分比)的氩气作为溅射介质，在500℃温度、功率500W、溅射气压(工作压力)为0.3Pa的条件下，采用直流磁控溅射方法将NiCrAlY合金沉积于Ni基合金基板1上、沉积厚度为12μm，得到覆盖NiCrAlY合金过渡层2的复合基板；

步骤3：Al₂O₃联接层的制备：将步骤2得到的复合基板放入真空管式炉内，在5×10^-4Pa真空条件下，以10℃/min的升温速度升至1000℃后、恒温处理5h，然后在真空条件下随炉冷却至常温，此过程将过渡层中的Al析出至表面，在过渡层表面形成一层约2μm厚的金属铝层；然后将该复合基板放入气氛烧结炉，通入纯度为99.5％的氧气、以5℃/min的升温速度升至1000℃、恒温处理5h，使金属铝层完全氧化为Al₂O₃后、停止加温并继续通氧气直到冷却至室温止，得到表面覆盖Al₂O₃联接过渡层3的复合基板；

步骤4：Al₂O₃陶瓷绝缘层的制备：将经步骤3处理后的复合基板在5.0×10^-4Pa的真空条件下，采用纯度为99.99wt％、直径为1～3mm的Al₂O₃为蒸镀原料，在400℃、蒸镀电子束流为75mA的条件下、采用电子束蒸发法蒸镀12μm厚的Al₂O₃；冷却，蒸发完后，将复合基板放入真空退火炉中，在5×10^-4Pa真空条件下，以5℃/min的升温速度升温至850℃退火处理1h，然后缓慢降温至室温；然后在大气环境中加热至900℃，退火处理4h，得到表面覆盖有Al₂O₃陶瓷绝缘层4的复合基板；

步骤5：在背底真空为6.0×10^-4Pa的真空条件下，以体积百分比计纯度不低于99.999％的氩气为反应介质，以Ni₆₇Cr₂₂Al₁₀Y合金为靶材，在400℃、功率为250W、溅射气压为0.3Pa的条件下，采用直流磁控溅射在Al₂O₃陶瓷绝缘层4的表面沉积厚度为2.5μm的NiCrAlY合金功能层6；

步骤6：将步骤5得到的复合基板放入真空管式炉内，在5×10^-4Pa真空条件下、以10℃/min的升温速度升至1000℃、恒温处理5h，然后在真空条件下随炉冷却至常温，此过程将NiCrAlY功能层中的Al析出至表面，在过渡层表面形成一层厚度为500nm的金属铝层；然后将该复合基板放入气氛烧结炉，通入纯度为99.5％的氧气、以5℃/min的升温速度升至1000℃、恒温处理2h，将复合基板表面析出的金属铝层完全氧化为的Al₂O₃后，停止加温并继续通氧气直到冷却至室温止，得到NiCrAlY合金功能层表面带热氧化Al₂O₃保护层7的复合基板；

步骤7：然后在6.0×10^-4Pa的真空条件下、采用纯度为99.99wt％的Al₂O₃为蒸镀原料，在400℃、蒸镀电子束流为75mA的条件下、采用常规电子束蒸发法在Al₂O₃陶瓷绝缘层及覆盖于功能层上的热氧化Al₂O₃保护层的表面蒸镀Al₂O₃陶瓷保护层、至Al₂O₃陶瓷保护层的上表面到覆盖于功能层上的热氧化Al₂O₃层表面的厚度为2μm止；从而制得本发明所述薄膜应变计。

下面对本发明实施例得到的NiCrAlY薄膜应变计的性能进行测试与分析：

图3为本发明实施例得到的薄膜应变计的电阻温度系数(TCR)。由图3可知，NiCrAlY薄膜应变计的电阻与温度呈线性关系，且电阻温度系数TCR较小，符合高温环境薄膜应变计的使用要求。

图4为本发明薄膜应变计的应变灵敏度测试曲线。由图4可知，电阻随应力的变化呈线性关系且应变因子(GF)较大，满足高温环境薄膜应变计使用的要求。

综上所述，本发明实施例得到的NiCrAlY薄膜应变计在高温环境中有很好的抗氧化作用，大大增加了薄膜应变计的可靠性和使用寿命。同时NiCrAlY薄膜应变计电阻和温度、应力呈线性关系，且有较高的GF值，完全满足高温环境薄膜应变计使用的要求。

Claims (7)

1.一种薄膜应变计，包括七层结构，从下往上依次是合金基板(1)、NiCrAlY过渡层(2)、Al₂O₃联接层(3)、Al₂O₃陶瓷绝缘层(4)、Al₂O₃陶瓷保护层(5)、薄膜应变计功能层(6)和热氧化Al₂O₃保护层(7)，其中，薄膜应变计功能层(6)为NiCrAlY合金层，热氧化Al₂O₃保护层(7)覆盖于薄膜应变计功能层(6)表面，Al₂O₃陶瓷保护层(5)覆盖于薄膜应变计功能层(6)上的热氧化Al₂O₃保护层(7)和Al₂O₃陶瓷绝缘层(4)表面。

2.一种薄膜应变计的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：合金基板的表面处理：依次采用丙酮、乙醇和去离子水对合金基板表面进行清洗，清洗后用氮气吹干备用；

步骤2：在合金基板上沉积NiCrAlY过渡层：采用常规磁控溅射方法将NiCrAlY合金沉积于步骤1处理后的合金基板上作为过渡层，NiCrAlY的沉积厚度为10～15μm，得到带NiCrAlY合金过渡层的复合基板；

步骤3：Al₂O₃联接层的制备：将步骤2所得的复合基板置于真空管式炉内，在10^-3-10^-5Pa真空及900～1300℃温度条件下，加热至金属铝析出的厚度达1～2μm后，在氧气气氛下，匀速升温至900～1100℃后、恒温4-6h，使金属铝层完全氧化为Al₂O₃后、冷却至室温，得到带NiCrAlY合金过渡层及Al₂O₃联接层的复合基板；

步骤4：Al₂O₃陶瓷绝缘层的制备：采用电子束蒸发方法，将步骤3中得到的复合基板置于真空气氛及400～500℃下，采用高纯度Al₂O₃为原料，在复合基板的Al₂O₃联接层表面沉积10～15μm厚的Al₂O₃，冷却至室温；然后，将冷却后的复合基板放入真空退火炉中，在10^-4-10^-5P_a真空条件下升温至850℃退火1～2h，冷却至室温；最后在大气环境中加热至900℃，退火4～5h，得到Al₂O₃陶瓷绝缘层；

步骤5：NiCrAlY合金功能层的制备：将经步骤4处理后的复合基板置于真空气氛下，采用磁控溅射或电子束蒸发方法在Al₂O₃陶瓷绝缘层上制备厚度为2～5μm的NiCrAlY合金功能层；

步骤6：热氧化Al₂O₃保护层的制备：将步骤5中得到的复合基板置于真空管式炉内，在10^-3-10^-5Pa真空及900～1300℃温度条件下，加热至金属铝析出的厚度达200～500nm后，在氧气气氛下，匀速升温至900～1100℃后、恒温2-3h，使金属铝层完全氧化为Al₂O₃后、冷却至室温，得到NiCrAlY合金功能层表面带热氧化Al₂O₃保护层的复合基板；

步骤7：将步骤6得到的复合基板在真空气氛及400～500℃温度下，采用电子束蒸发的方法在Al₂O₃陶瓷绝缘层及覆盖于功能层上的热氧化Al₂O₃保护层的表面蒸镀Al₂O₃陶瓷保护层、至Al₂O₃陶瓷保护层的上表面到覆盖于功能层上的热氧化Al₂O₃层表面的厚度为1～2μm止；从而得到所述薄膜应变计。

3.根据权利要求2所述的薄膜应变计的制备方法，其特征在于，步骤1中所述的合金基板为Ni基合金板或不锈钢基板。

4.根据权利要求2所述的薄膜应变计的制备方法，其特征在于，步骤2中所述常规磁控溅射方法为直流磁控溅射法，具体过程为：在背底真空度为10^-3～10^-4Pa、溅射气压为0.3～0.5Pa、溅射功率为200～500W、200～600℃的温度条件下，以NiCrAlY合金为靶材，以体积百分比计纯度为不低于99.999％的氩气作为反应介质，在合金基板上沉积厚度为10～15μm的NiCrAlY合金过渡层。

5.根据权利要求2所述的薄膜应变计的制备方法，其特征在于，步骤3和步骤6中所述的氧气气氛为以体积百分比计纯度不低于99.5％的氧气。

6.根据权利要求2所述的薄膜应变计的制备方法，其特征在于，步骤4中所述的真空气氛的真空度为10^-3～10^-4Pa，所采用的高纯度Al₂O₃原料的纯度不低于99.99wt％。

7.根据权利要求2所述的薄膜应变计的制备方法，其特征在于，步骤5中所述的磁控溅射方法为直流磁控溅射，在背底真空为10^-3～10^-4Pa、溅射气压为0.3～0.5Pa、200～600℃温度范围内、溅射功率为200～500W，以NiCrAlY合金为靶材，以体积百分比计纯度不低于99.999％的氩气作为溅射介质进行溅射处理。