航空发动机涡轮叶片用AlN薄膜温度传感器及测温方法技术

本申请公开了航空发动机涡轮叶片用AlN薄膜温度传感器及测温方法。该温度传感器的材料为AlN压电涂层，能够通过其表面断面形貌、晶粒尺寸、晶粒结构、衍射峰峰强和半高宽、元素成分中至少一者表征待测温度。本发明专利技术提供了宽温域范围内稳定工作的的监测设备和薄膜温度传感器，以获取航空航天发动机叶片温度场分布情况，实现实时温度监测。实现实时温度监测。实现实时温度监测。

【技术实现步骤摘要】
航空发动机涡轮叶片用AlN薄膜温度传感器及测温方法


[0001]本申请涉及温度测量的
，尤其涉及航空发动机涡轮叶片用AlN薄膜温度传感器及测温方法。

技术介绍

[0002]航空航天发动机工况极其复杂恶劣，涉及到高温、高压、高负荷，同时工作时处于高转速状态，这是导致热端材料可靠性降低、寿命较少的主要原因，高温蠕变甚至易使得材料断裂，危机生命财产安全。因而很有必要在材料结构、性能出现严重劣化之前，准确获取发动机涡轮叶片的温度分布。
[0003]目前已开发出了多种测温技术，包括晶体测温技术、示温漆测温法、荧光测温法、辐射测温技术等。然而，各种技术都存在难以解决的问题。比如晶体测温技术需要在被测物表面开孔，将测试晶体埋没于被测物，对待测物的强度要求较高，同时易破坏被测物，降低寿命。示温漆测温法基于颜色变化衡量温度，人为干扰较大、精度低，且颜色不可逆，只能获取热端部件所经历的最高温度，距离实时监测的目标较远。荧光测温法最主要的问题是荧光材料和耦合问题，暂时还无法成功应用于航空发动机涡轮叶片。辐射测温技术属于被动技术，通过收集被测物体表面发出的热辐射量，获取温度值，热辐射量易由于空气中的气体吸收而散失，同时还很容易收集到环境物体的辐射，精度同样不够高。
[0004]因此，需要发展更为有效的实时温度测量技术以获取航空航天发动机叶片温度场分布情况，实现实时温度监测。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本申请提供航空发动机涡轮叶片用AlN薄膜温度传感器及测温方法，能够通过AlN压电涂层的表面断面形貌、晶粒尺寸、晶粒结构、衍射峰峰强和半高宽、元素成分中至少一者，精确地表征待测温度。
[0006]第一方面，本申请提供一种AlN薄膜温度传感器，该温度传感器包括AlN的压电涂层，所述压电涂层被配置成能够通过表面断面形貌、晶粒尺寸、晶粒结构、衍射峰峰强和半高宽、元素成分表征待测温度。
[0007]合适但非限制性地，所述压电涂层为单层均质的AlN。
[0008]第二方面，本申请一种测温方法，采用如上述AlN薄膜温度传感器来实施。
[0009]合适但非限制性地，所述实施的过程包括以下步骤：
[0010](1)提供覆于待测物体上的所述压电涂层，以形成AlN薄膜温度传感器；
[0011](2)使所述待测物与所述AlN薄膜温度传感器进行退火；
[0012](3)测量表面断面形貌、晶粒尺寸、晶粒结构、衍射峰峰强和半高宽、元素成分中至少一者；
[0013](4)根据表面断面形貌、晶粒形状尺寸、晶体结构中至少一者，得到待测温度。
[0014]合适但非限制性地，所述AlN薄膜温度传感器的制备方式为射频磁控溅射。
[0015]合适但非限制性地，所述射频磁控溅射的功率为500
‑
1000W，沉积气压为0.5
‑
5Pa，Ar/O2为1/2
‑
5/1，腔内温度为80
‑
250℃，沉积时间为2h
‑
10h，靶材与基底间距为2cm
‑
7cm。
[0016]合适但非限制性地，所述退火炉温度的上升速率为2℃/min
‑
5℃/min，退火温度为400
‑
1000℃。
[0017]本申请具有以下优点和有益效果：
[0018]第一、选择的温度传感材料为AlN，AlN独特的纤锌矿结构、高居里温度(～2800℃)、抗辐射性、电阻率等，是高温温度传感器的优良选择。
[0019]第二、本申请所用的温度传感材料为薄膜，厚约10微米
‑
20微米，薄膜相比晶体，体积小、厚度薄，与基底、待测物黏附力更高，且不存在耦合问题。薄膜直接沉积生长在待测物上，不需要额外的粘合剂，对待测物无破坏性、无强度要求。
[0020]第三、本申请所用薄膜通过射频磁控技术沉积于待测物上。易于通过调控沉积参数获取择优取向的压电薄膜材料，制备技术成熟，制备温度低，不会破坏基体的力学性能。
[0021]第四、本申请所用的衡量温度变化的测量目标为涂层表面断面形貌、晶粒尺寸、晶体结构，通过测量仪器直接获得，避免了人为因素干扰，精度高，同时不受空气、周边物体等环境其他因素的影响。
附图说明
[0022]下面结合附图，通过对本申请的具体实施方式详细描述，将使本申请的技术方案及其它有益效果显而易见。
[0023]图1为本申请实施例二的晶体结构、衍射峰峰强和半高宽对温度的反馈关系图。
[0024]图2为本申请实施例三的晶粒形貌、尺寸对温度的反馈关系图。
[0025]图3为本申请实施例四的晶粒形貌、尺寸对时长的反馈关系图。
具体实施方式
[0026]为更好的理解本专利技术，下面的实施例是对本专利技术的进一步说明，但本专利技术的内容不仅仅局限于下面的实施例。
[0027]实施例一：
[0028](1)制备AlN薄膜温度传感器：采用射频磁控溅射技术在待测物表面沉积AlN薄膜，形成与待测物一体的温度传感器；
[0029](2)将待测物与AlN薄膜温度传感器一并置于高温退火炉：设置退火炉温度上升速率及最高温度；
[0030](3)测量薄膜温度传感器表面、断面形貌随温度的变化；
[0031](4)测量薄膜温度传感器晶粒尺寸随温度的变化；
[0032](5)测量薄膜温度传感器晶体结构、衍射峰峰强和半高宽随温度的变化；
[0033](6)测量薄膜温度传感器元素成分随温度的变化；
[0034](7)结合涂层表面断面形貌、晶粒尺寸、晶体结构、衍射峰峰强和半高宽、元素成分变化，实现温度实时反馈的目标。
[0035]优选地，AlN薄膜沉积参数如下：RF(即射频磁控溅射)功率为500
‑
1000W，沉积气压为0.5
‑
5Pa，Ar/O2为1/2
‑
5/1，腔内温度为80
‑
250℃，沉积时间为2h
‑
10h，靶材与基底间距为
2cm
‑
7cm。
[0036]优选地，退火炉温度上升速率为2℃/min
‑
5℃/min，最高温度为400
‑
1200℃；
[0037]优选地，本申请基于表面断面形貌、晶粒尺寸、元素成分变化，实现对温度实时反馈的技术，尤其适用于高温领域，为800
‑
1200℃；
[0038]实施例二：
[0039]本专利技术依据不同温度下，AlN涂层表面断面形貌、晶粒尺寸、晶体结构、衍射峰峰强和半高宽、元素成分变化，反馈出基体所处的温度。
[0040]本实施例通过在不锈钢片上沉积AlN涂层，验证晶体结构、衍射峰峰强和半高宽对温度的反馈。
[0041](1)制备AlN薄膜温度传感器：采用射频磁控溅射技术在待测物表面沉积AlN薄膜，RF功率900W本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种航空发动机涡轮叶片用AlN薄膜温度传感器，其特征在于，该温度传感器包括AlN的压电涂层，所述压电涂层被配置成能够通过其表面断面形貌、晶粒尺寸、晶粒结构、衍射峰峰强和半高宽、元素成分中至少一者表征待测温度。2.根据如权利要求1所述AlN薄膜温度传感器，其特征在于，所述压电涂层为单层均质的AlN。3.一种测温方法，其特征在于，采用如权利要求权利要求1所述AlN薄膜温度传感器来实施。4.根据如权利要求3所述测温方法，其特征在于，所述实施的过程包括以下步骤：(1)提供覆于待测物上的所述压电涂层；(2)使所述待测物与所述AlN薄膜温度传感器进行退火；(3)测量表面断面形貌、晶粒尺寸、晶粒结构、衍射峰峰强和半高宽、元素成分中至少一者；(4)根据表面断面形貌、晶粒尺寸、晶粒结构、衍射峰峰强和半高宽、元素成分...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨兵，瓦西里，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：