一种高温薄膜传感器用抗氧化复合防护层及其制造方法技术

一种高温薄膜传感器用抗氧化复合防护层及其制备方法，属于薄膜传感器技术领域。该抗氧化复合防护层自下而上依次为BN绝缘层、ZrB2基复合陶瓷层、Al2O3覆盖层，其中，BN绝缘层、ZrB2基复合陶瓷层和Al2O3覆盖层采用蒸发或溅射等方法依次沉积于薄膜传感器敏感功能层上。本发明专利技术高温薄膜传感器用抗氧化复合防护层，可满足在1000～1700℃高温条件下航空发动机高温薄膜传感器的抗氧化防护需求，有效提高了薄膜传感器在高温高压恶劣环境下的稳定性、可靠性和寿命。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于薄膜传感器
，特别是关于航空发动机热端部件表面状态参数测试用薄膜传感器的高温防护技术，此薄膜传感器可用于涡轮发动机燃烧室内壁和燃气、涡轮叶片表面等热端部件的温度、应变等状态参数的准确测试，为发动机设计、验证、优化提供了技术支撑。
技术介绍
航空发动机被誉为航空飞行器的心脏。现代航空发动机工作时，由于涡轮叶片及燃烧室处于高温、高压等恶劣环境中，涡轮叶片及燃烧室表面温度急剧升高、同时产生较大的热应变，而涡轮叶片及燃烧室表面的温度分布及应变对涡轮发动机的性能与寿命的影响极大，并且涡轮叶片表面存在的局部热点会对涡轮叶片的结构强度产生严重危害。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涡轮叶片和燃烧室表面的温度及应变等性能参数对发动机的设计至关重要。随着航空发动机不断向高马赫、高推重比、高可靠性的方向发展，其热端部件温度不断提高，所处的环境越来越恶劣。传统测量方法是在叶片表面开槽，将片状、丝状传感器贴装或埋入叶片表面，存在破坏叶片力学性能、干扰流场分布、测不准、布点少等缺点，无法满足航空发动机等高温精密结构部件的温度、应力、应变等性能参数测量发展要求。薄膜传感器是采用薄膜技术，将敏感材料直接沉积在叶片表面，通过图形化工艺制造具有多层膜结构薄膜传感器，具有尺寸小(厚度为μm量级)、质量轻、热容小、响应速度快、对待测部件与环境影响较小等优点，成为目前航空发动机燃烧室、涡轮叶片等高温部件性能参数测量技术的发展方向。目前，航空发动机传感器，在温度测量技术方面，热电偶材料体系主要有中、低温NiCr/NiSi系K型热电偶，高温PtRh/Pt系S型、R型热电偶；而在1400℃以上超高温条件下，主要材料体系为WRe系热电偶；在应变测试技术方面，常采用NiCr、PdCr合金及TaN氮化物等材料制作应变计。这些敏感功能材料对氧都十分敏感，在高温、高压的富氧化环境中，均容易被氧气氧化，导致性能不断衰退甚至失效。因此，如何实现航空发动机薄膜传感器在高温高压的恶劣环境下具有较长的使用寿命，一直是国内外学者所关注和研究的重点，而开发新型耐高温、抗氧化保护层则成为解决问题的关键。常用的高温抗氧化保护层材料Al2O3，它具有高熔点、抗氧化、热稳定性好和低氧扩散系数等特性；采用蒸发或溅射方法在敏感功能层生长一层Al2O3薄膜作为抗氧化保护层是常用方法。但是这种方法存在以下不足：首先，Al2O3保护层在一定程度上能隔离外部环境中的氧向薄膜内部扩散，大幅减小敏感功能层的氧化速率，但在Al2O3薄膜中不可避免地存在晶体缺陷，在高温环境下Al2O3保护层或外界环境中氧可通过这些缺陷缓慢地向敏感功能层扩散，导致功能层在高温下渐渐被氧化，从而影响薄膜传感器的性能；其次，由于薄膜传感器工作环境恶劣，Al2O3保护层的化学稳定性不足以长时间抵抗航空发动机高温燃气的腐蚀性环境；此外，在薄膜制备过程或者在航空发动机恶劣的热震工作环境条件下，Al2O3保护层可能由于应力作用而诱发产生微裂纹，裂纹成为氧气扩散通道，使得保护层抗氧化性能的分散系数很大，可靠性降低，进而导致器件失效。显然单一Al2O3抗氧化保护层无法满足高温薄膜传感器的抗氧化的发展需求。在公开号为CN102212823A的专利文献中公开了《在合金基板上设置薄膜传感器的方法》，该专利技术专利在薄膜传感器敏感功能层上沉积氧化铝薄膜作为保护层，在高温工作条件下，Al2O3保护层中氧原子向敏感功能层扩散，敏感功能层也会逐渐被氧化而失效，使用寿命较短。在公开号为CN105675160A的专利文献中公开了《含高温保护薄膜组的钨铼薄膜热电偶传感器及制备方法》，该专利技术专利在钨铼薄膜热电偶功能层上依次沉积有氧化铝薄膜和非晶碳化硅薄膜双保护层，增强抗氧化和耐腐蚀的性能，能在高温下(1000～1700K)长时间测量温度信号。但是该高温保护薄膜组仍存在不足：在1400℃以上的高温条件下，碳化硅电阻率已经很小而具有导电性，此时，氧化铝薄膜层高温电阻特性已无法满足绝缘要求，会干扰薄膜传感器电信号的测量；此外，在高温下，氧化铝薄膜保护层中氧原子向敏感功能层扩散现象更加严重，使得其应用温度范围受到限制，无法满足更高温度条件下抗氧化保护需求。
技术实现思路
本专利技术针对
技术介绍
存在的缺陷，提出了一种高温薄膜传感器用抗氧化复合防护层及其制造方法，可满足在1000～1700℃高温条件下航空发动机高温薄膜传感器的抗氧化防护需求，有效提高了薄膜传感器在高温高压恶劣环境下的稳定性、可靠性和寿命。本专利技术采用以下技术方案予以实现上述目的：一种高温薄膜传感器用抗氧化复合防护层，自下而上依次为BN绝缘层、ZrB2基复合陶瓷层、Al2O3覆盖层，其中，BN绝缘层、ZrB2基复合陶瓷层和Al2O3覆盖层采用蒸发或溅射等方法依次沉积于薄膜传感器敏感功能层上。进一步地，所述BN绝缘层的厚度为10～20μm，ZrB2基复合陶瓷层的厚度为20～50μm，Al2O3覆盖层的厚度为2～5μm。进一步地，所述ZrB2基复合陶瓷层为Zr-B-Si-C薄膜；采用溅射法制备。进一步地，所述ZrB2基复合陶瓷层制备时，采用的靶材为SiC镶嵌的ZrB2复合靶材，靶材中ZrB2的质量百分数为82wt％～88wt％，SiC的质量百分数为12wt％～18wt％。进一步地，所述ZrB2基复合陶瓷层制备时，采用的靶材为对称交替贴有硅片和锆片的B4C靶材，其中，B4C、Si和Zr在溅射区域的面积比为10:(2～3):(7～8)。一种高温薄膜传感器用抗氧化复合防护层的制备方法，包括以下步骤：步骤1：在薄膜传感器的敏感功能层上，以纯度不低于99.99wt％的BN为靶材，采用射频磁控溅射的方法溅射BN绝缘层；其中，背底真空度为10-3Pa以下，工作气压为0.2～1.2Pa，溅射功率为100～300W，溅射气体为N2和Ar的混合气体，衬底温度为100～300℃，衬底偏压为100V～200V，制备BN绝缘层的厚度为10～20μm；步骤2：在步骤1沉积的BN绝缘层上，采用射频磁控溅射方法沉积Zr-B-Si-C薄膜；其中，背底真空度为10-3Pa以下，工作气压为0.4～1.2Pa，溅射气体为Ar，Ar流量为10～25sccm，溅射功率为200～500W，衬底温度为300～500℃，衬底偏压为100～150V，制备的Zr-B-Si-C薄膜的厚度为20～50μm；采用的靶材为SiC镶嵌的ZrB2复合靶材，靶材中ZrB2的质量百分数为82wt％～88wt％，SiC的质量百分数为12wt％～18wt％，或者采用对称交替贴有硅片和锆片的B4C靶材，B4C、Si和Zr在溅射区域的面积比为10:(2～3):(7～8)；步骤3：在步骤2沉积的Zr-B-Si-C薄膜上，以纯度不低于99.99wt％的高纯Al靶为靶材，采用反应溅射的方法，在基板温度为600～800℃、真空度为10-3Pa以下的条件下向真空室内通入O2和Ar的混合溅射气体至气压为0.4～1.2Pa，O2和Ar的流量比为1:9～2:8，制备得到覆盖Zr-B-Si-C薄膜的Al2O3层(在此过程中，在Zr-B-Si-C薄膜的表层会被氧化，形成由表及里较薄的ZrO2梯度过渡的预氧化层)；然后将其放置于真空退火炉中，在10-3Pa本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高温薄膜传感器用抗氧化复合防护层，包括BN绝缘层、ZrB2基复合陶瓷层、Al2O3覆盖层，其中，BN绝缘层、ZrB2基复合陶瓷层和Al2O3覆盖层采用蒸发或溅射方法依次沉积于薄膜传感器敏感功能层上。

【技术特征摘要】
1.一种高温薄膜传感器用抗氧化复合防护层，包括BN绝缘层、ZrB2基复合陶瓷层、Al2O3覆盖层，其中，BN绝缘层、ZrB2基复合陶瓷层和Al2O3覆盖层采用蒸发或溅射方法依次沉积于薄膜传感器敏感功能层上。2.根据权利要求1所述的高温薄膜传感器用抗氧化复合防护层，其特征在于，所述BN绝缘层的厚度为10～20μm，ZrB2基复合陶瓷层的厚度为20～50μm，Al2O3覆盖层的厚度为2～5μm。3.根据权利要求1所述的高温薄膜传感器用抗氧化复合防护层，其特征在于，所述ZrB2基复合陶瓷层为Zr-B-Si-C薄膜；采用溅射法制备。4.根据权利要求1所述的高温薄膜传感器用抗氧化复合防护层，其特征在于，所述ZrB2基复合陶瓷层制备时，采用的靶材为SiC镶嵌的ZrB2复合靶材，靶材中ZrB2的质量百分数为82wt％～88wt％，SiC的质量百分数为12wt％～18wt％。5.根据权利要求1所述的高温薄膜传感器用抗氧化复合防护层，其特征在于，所述ZrB2基复合陶瓷层制备时，采用的靶材为对称交替贴有硅片和锆片的B4C靶材，其中，B4C、Si和Zr在溅射区域的面积比为10:(2～3):(7～8)。6.一种高温薄膜传感器用抗氧化复合防护层的制备方法，包括以下步骤：步骤1：在薄膜传感器的敏感功能层上，以纯度不低于99.99wt％的BN为靶材，采用射频磁控溅射的方法溅射BN绝缘层；其中，背底真空度为10-3Pa以下，工作气压为0.2～1.2Pa，溅射功率为100～300W，溅射气体为N2和Ar的混合气体，衬底温度为100～300℃，衬底偏压为100V～200V，制备BN绝缘层的厚度为10～20μm；步骤2：在步骤1沉积的BN绝缘层上，采用射频磁控溅射方法沉积Zr-B-Si-C薄膜；其中，背底真空度为10-3Pa以下，工作气压为0.4～1.2Pa，溅射气体为Ar，Ar流量为10～25sccm，溅射功率为200～500W，衬底温度为300～500℃，衬底偏压为100～150V，制备的Zr-B-Si-C薄膜的厚度为20～50μm；采用的靶材为SiC镶嵌的ZrB2复合靶材，靶材中ZrB2的质量百分数为82wt％～88wt％，SiC的质量百分数为12wt％～18wt％，或者采用对称交替贴有硅片和锆片的B4C靶材，B4C、Si和Zr在溅射区域的面积比为10:(2～3):(7～8)；步骤3：在步骤2沉积的Zr-B-Si-C薄膜上，以纯度不低于99.99wt％的高纯Al靶为靶材，采用反应溅射的方法，在基板温度为600～800℃、真空度为10-3Pa以下的条件下向真空室内通入O2和Ar的混合溅射气体至气压为0.4～1.2Pa，O2和Ar的流量比为1:9～2:8，制备得到覆盖Zr-B-Si-C薄膜的Al2O3层；然后将其放置于真空退火炉中，在10-3Pa以下的真空环境中进行退火处理，退火温度为1000～1200℃，退火保温时间为2～5h，即可在Zr-B-Si-C薄膜上形成厚度为2～5μm的Al2O3覆盖层；从而得到薄膜传感器。7.一种基于权利要求1所述抗氧化复合防护层的高温薄膜传感器，自下而上依次为合金基板、NiCrAlY合金过渡层、热生长Al2O3层、Al2O3绝缘层、敏感功能层、BN绝缘层、ZrB2基复合陶瓷层和Al2O3覆盖层，其中，BN绝缘层、ZrB2基复合陶瓷层和Al2O3覆盖层采用蒸发或溅射方法依次沉积于薄膜传感器敏感功能层上。8.根据权利要求7所述的高温薄膜传感器，其特征在于，所述Al2O3绝缘层和敏感功能层之间设置一层BN绝缘层。9.一种基于权利要求1所述抗氧化复合防护层的高温薄膜传感器的制备方法，包括以下步骤：步骤1、Ni基合金基板的表面处理：首先对Ni基合金基板表面进行抛光处理，然后采用工业去油剂、丙酮、酒精和去离子水先后对合金基板的表...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋洪川，王洪敏，赵晓辉，蒋书文，张万里，刘子良，黄敏，肖瑶，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51