【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于薄膜传感器设计与生产，具体涉及一种用于在镍基高温合金上制备高温薄膜传感器的al成分梯度变化的nicraly前驱薄膜及热生长氧化铝过渡层。
技术介绍
1、在以镍基高温合金为基础的涡轮制造技术中，涡轮叶片长期工作在高温环境中，承受了大量的热负荷，叶片表面温度分布不均匀，在温度急剧升高的过程中承受着复杂的应变载荷，最终造成叶片的烧蚀和断裂。因此，获取精准的涡轮叶片表面温度场分布及应变信息对航空发动机的故障诊断以及开发新型叶片冷却技术等至关重要。薄膜传感器采用薄膜沉积技术与表面图形化工艺将传统的热电应变敏感薄膜直接沉积在被测部位表面，具有体积小、质量轻、测量精确、响应迅速、对测试环境干扰小、不破坏被测部件结构、实时动态温度测量输出、易于阵列化布置测点、不易受测试环境干扰等诸多优点。因此，开发稳定的薄膜温度/应变传感器对于航空发动机研究有重要意义。
2、由于镍基高温合金具有良好的导电性(如inconel718合金室温电导率为8.4×105s/m)，敏感薄膜与镍基高温合金基底之间需要具有良好的电学隔离才能保证薄膜温度传感器有稳定的性能。在高温下表现最为优异的绝缘层是以氧化铝为主的一系列氧化物绝缘层，这些绝缘层在热膨胀系数(氧化铝的热膨胀系数为8×10-6/k)上与镍基高温合金上的热膨胀系数(如inconel718合金的热膨胀系数为1.1～2.2×10-5/k)有较为显著的差异，当合金基底上溅射的绝缘层在经历高温及剧烈的温度变化时，由于热膨胀系数的差异，会出现破裂和脱落现象，因此有必要研究热膨胀系数渐变过渡的过渡层，
3、nicraly被广泛地用作镍基高温合金与绝缘层之间的中间金属过渡，nicraly合金与各类镍基高温合金具有良好的附着力，同时，通过析铝氧化工艺在nicraly表面热生长的α-al2o3和al2o3等绝缘层有良好的界面键合和相似的热膨胀系数。在热生长工艺中，铝元素最先参与热氧化生成氧化铝。而在al元素不足时会生成cr与ni的氧化物，因此为了生成平整一致的热氧化层，要求nicraly层表面有充足的al元素。因此在热生长氧化之前需要通过真空退火使al元素向nicraly表面偏析。但实验结果表明，热处理时间过长后，过渡层表面会出现大量晶粒粗化、重结晶后产生的通孔，不利于后续氧化过程生成平整致密的热氧化层。且对进行析铝氧化后的nicraly层的断面sem与eds表征表明，真空退火时，nicraly层内部的al元素向薄膜表面发生偏析，nicraly层底部al元素的减少会造成过渡层出现耗尽层，损害nicraly层的结构强度，进而发生断裂和脱落。因此，为了提高过渡层的平整度和力学强度，需要在控制nicraly层底部的al元素比例的同时，增加表层nicraly层的al含量。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于，针对
技术介绍
存在的问题，提出了一种镍基合金上的铝成分梯度变化的镍铬铝钇过渡层。
2、为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
3、一种镍基合金上的铝成分梯度变化的镍铬铝钇过渡层，所述过渡层包括nicraly薄膜和热生长α-al2o3层；所述nicraly薄膜中al含量自下而上逐渐增加，采用两种铝含量不同的nicraly靶材双靶溅射得到，nicraly薄膜的厚度为10～20μm；所述热生长α-al2o3层通过真空析铝和热氧化得到，厚度为1～2μm。
4、进一步的，通过调节两种铝含量不同的nicraly靶材的功率来控制两个靶材的溅射速率，进而得到al含量自下而上逐渐增加的nicraly薄膜。
5、一种镍基合金上的铝成分梯度变化的镍铬铝钇过渡层的制备方法，包括以下步骤：
6、步骤1、镍基合金的表面处理；
7、对镍基合金表面进行机械抛光，然后依次在丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗，完成后对合金表面进行干燥，并用离子表面处理炉进行活化处理；
8、步骤2、在镍基合金上通过双靶磁控溅射沉积al含量梯度变化的nicraly薄膜；
9、将步骤1处理后的镍基合金放入多靶共溅射真空镀膜设备，以铝含量0.5％～10％(wt.％)的nicraly靶材作为第一靶材，铝含量10％～20％(wt.％)的nicraly靶材作为第二靶材，将设备抽真空至8×10-4pa以下，镍基合金基底加热到300～600℃；将第一靶材以100～500w的功率、第二靶材以10～50w的功率进行预溅射10～30min；然后，在第一靶材功率为100～500w、第二靶材功率为10～50w的条件下溅射6～10小时，溅射过程中，每隔1～2小时降低第一靶材的溅射功率并同时升高第二靶材的溅射功率，直至第一靶材的溅射功率降为0；关闭第一靶材，继续溅射第二靶材1～2h，得到厚度为10～20μm、al含量梯度变化的nicraly薄膜；
10、步骤3、nicraly薄膜的真空析铝和热氧化；
11、将步骤2得到的沉积有nicraly薄膜的镍基合金放入退火炉中，将石英管真空抽至真空度为8×10-4pa以下后，升温至900～1000℃，保温2～6h，真空析铝使nicraly薄膜表面富集al元素后，向石英管中通入氧气，将氧分压控制在100pa左右，进行氧化处理6～12h，得到厚度为1～2μm的热生长α-al2o3层。
12、进一步的，步骤2中，在溅射过程中，第一靶材和第二靶材的溅射总功率(第一靶材和第二靶材的溅射功率之和)保持不变。
13、传统的nicraly过渡层中，nicraly内部上层的al元素含量较少，因此需要较高的退火温度和时长进行真空退火，使得底部的al元素向表面进行偏析，才能在nicraly过渡层的表面得到充足的al用于下一步的热氧化工艺。而底部的nicraly会由于al元素的偏析出现耗尽层，进而发生断裂。
14、而本专利技术提供的al成分梯度变化的nicraly过渡层中，底部al的含量较低，可以防止由于al元素向表面处偏析进而在nicraly薄膜底部产生空腔，确保过渡层与镍基高温合金之间良好的附着力。薄膜的上层有充足的al元素，可以在较短的退火时间和较低的退火温度下在nicraly表面富集充足的al，降低热处理时间和温度可以避免基底在高温下的损耗及过渡层表面由于重结晶产生的通孔。同时由于表面已经有较为丰富的al含量，可以减少对底部的al元素偏析的需求，减少了因al元素偏析造成的结构破坏，提高了过渡层的强度。最终得到的过渡层底部为γ-nicral，表面为α-al2o3，过渡层内无明显的界面与孔洞，可以有效地提高传感器的抗热震性能和高温稳定性。
15、与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
16、1、本专利技术的铝成分梯度变化的镍铬铝钇过渡层作为镍基高温合金与绝缘层之间的中间粘合层，nicraly通过析铝氧化在表面生成α-al2o3，该复合过渡层可以实现绝缘层与镍基高温合金的热膨胀系数的匹配。
17、2本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种镍基合金上的铝成分梯度变化的镍铬铝钇过渡层，其特征在于，所述过渡层包括NiCrAlY薄膜和热生长α-Al2O3层；所述NiCrAlY薄膜中Al含量自下而上逐渐增加，采用两种铝含量不同的NiCrAlY靶材双靶溅射得到，NiCrAlY薄膜的厚度为10～20μm；所述热生长α-Al2O3层通过真空析铝和热氧化得到，厚度为1～2μm。
2.根据权利要求1所述的镍基合金上的铝成分梯度变化的镍铬铝钇过渡层，其特征在于，通过调节两种铝含量不同的NiCrAlY靶材的功率来控制两个靶材的溅射速率，进而得到Al含量自下而上逐渐增加的NiCrAlY薄膜。
3.一种镍基合金上的铝成分梯度变化的镍铬铝钇过渡层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的镍基合金上的铝成分梯度变化的镍铬铝钇过渡层的制备方法，其特征在于，步骤2溅射过程中，第一靶材和第二靶材的溅射总功率保持不变。
【技术特征摘要】
1.一种镍基合金上的铝成分梯度变化的镍铬铝钇过渡层，其特征在于，所述过渡层包括nicraly薄膜和热生长α-al2o3层；所述nicraly薄膜中al含量自下而上逐渐增加，采用两种铝含量不同的nicraly靶材双靶溅射得到，nicraly薄膜的厚度为10～20μm；所述热生长α-al2o3层通过真空析铝和热氧化得到，厚度为1～2μm。
2.根据权利要求1所述的镍基合金上的铝成分梯度变化的镍铬铝钇过...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵晓辉，张劲宇，陈哲，裴伟钦，蒋洪川，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。