[發(fā)明專利]一種抗熱沖擊的高溫復(fù)合絕緣層及制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710292784.3
• 申請日: 2017-04-28
• 公開（公告）號: CN107142477B
• 公開（公告）日: 2019-12-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙曉輝;劉子良;王洪敏;蔣洪川;蔣書文;張萬里
• 申請（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號: C23C28/00
• 分類號: C23C28/00;C23C18/12;C23C14/16;C23C14/08
• 代理公司: 51203 電子科技大學(xué)專利中心
• 代理人: 甘茂

本發(fā)明屬于薄膜傳感器技術(shù)領(lǐng)域，提供一種抗熱沖擊的高溫復(fù)合絕緣層及其制備方法；該復(fù)合絕緣層包括兩層結(jié)構(gòu)，自下而上依次為Al₂O₃～Al?O?N梯度層及微晶Al₂O₃薄膜絕緣層；所述Al₂O₃～Al?O?N梯度層的底層為Al₂O₃層，頂層為非晶Al?O?N薄膜層，且沿薄膜生長方向、N元素含量遞增。本發(fā)明復(fù)合薄膜絕緣層對異型精密構(gòu)件平面、彎曲、翻折等不同部位均能形成均勻致密的覆蓋，有效提高絕緣層的均勻性及高溫絕緣性能，有效保證薄膜傳感器在高溫條件下的可靠性和穩(wěn)定性；同時(shí)，采用溶液法制備，溶膠凝膠法能夠輕松完成對較大工件的涂覆，利于實(shí)現(xiàn)批量的制備生產(chǎn)；并且溶膠凝膠法成本低廉，操作簡易，這些因素使得本發(fā)明提供復(fù)合絕緣層具有更為廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于薄膜傳感器技術(shù)領(lǐng)域，尤其是對航空發(fā)動(dòng)機(jī)等異型熱端部件表面狀態(tài)參數(shù)測試用薄膜傳感器，此類薄膜傳感器可用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)壁、渦輪葉片等熱端部件的表面溫度、應(yīng)變等狀態(tài)參數(shù)的準(zhǔn)確測試，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供技術(shù)支撐；具體提供一種抗熱沖擊的高溫復(fù)合絕緣層及制備方法。

背景技術(shù)

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)不斷向高馬赫、高推重比、高可靠性的方向發(fā)展，因此需要長期工作于高溫、高壓、高氣流沖刷等惡劣環(huán)境中，燃燒室以及渦輪葉片表面的溫度分布及應(yīng)變對渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的性能與壽命的影響極大。因此，在現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究中，準(zhǔn)確測量工作狀態(tài)下燃燒室以及渦輪葉片等熱端部件表面的溫度及應(yīng)變等性能參數(shù)對發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

采用薄膜技術(shù)與圖形化工藝制備的薄膜傳感器，具有體積小(厚度為μm量級)、質(zhì)量輕、響應(yīng)快、對待測部件與環(huán)境影響較小等優(yōu)點(diǎn)，成為了目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀況參數(shù)測量的先進(jìn)測試技術(shù)。常用于渦輪葉片等熱端部件表面狀態(tài)參數(shù)測試用的薄膜傳感器為多層膜結(jié)構(gòu)，自下而上依次為Ni基合金基底、NiCrAlY過渡層、熱生長Al₂O₃層、電子束蒸發(fā)Al₂O₃絕緣層、敏感功能層和保護(hù)層；作為具有“承上啟下”作用的絕緣層，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)薄膜傳感器性能的好壞。采用電子束蒸發(fā)制備的Al₂O₃薄膜絕緣層，由于沉積的Al₂O₃呈柱狀生長，而柱間的陰影效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生較大的孔洞和間隙；并且，在后續(xù)高溫退火過程中，由于非晶態(tài)Al₂O₃結(jié)晶以及金屬層與Al₂O₃層之間的熱膨脹系數(shù)存在差異，誘導(dǎo)Al₂O₃薄膜產(chǎn)生微裂紋來釋放應(yīng)力，導(dǎo)致電子束蒸發(fā)Al₂O₃薄膜層的致密性、絕緣性能較差。

為解決這一問題，申請?zhí)枮?01610524876.5、發(fā)明名稱為：一種抗熱沖擊的高溫復(fù)合絕緣層及制備工藝的專利文獻(xiàn)中提出了一種復(fù)合薄膜絕緣層，在濺射制備的NiCrAlY層熱生長形成的Al₂O₃層上，采用射頻反應(yīng)濺射生長一層非晶Al-O-N薄膜，然后繼續(xù)濺射一層Al-O-N～Al₂O₃的成分漸變過渡層，再采用電子束蒸發(fā)沉積Al₂O₃薄膜層，最后放入真空環(huán)境中退火，在Al₂O₃薄膜層表面形成一層Al₂O₃微晶層，得到復(fù)合絕緣層，可有效阻擋金屬原子擴(kuò)散，提高薄膜絕緣性能，增強(qiáng)薄膜傳感器的穩(wěn)定性與可靠性。這一方法在金屬平板上取得了良好的效果；然而，面對像渦輪葉片等異型精密結(jié)構(gòu)件，其實(shí)際效果總是差強(qiáng)人意。在異型結(jié)構(gòu)件的大角度彎曲、翻折等部位，采用濺射或蒸發(fā)技術(shù)無法形成均勻致密的絕緣層，在后續(xù)濺射制備金屬敏感功能層時(shí)，濺射出的金屬原子能量較高，容易貫穿絕緣層而產(chǎn)生導(dǎo)通現(xiàn)象，從而使薄膜傳感器失效。為了改善異構(gòu)件表面絕緣層的均勻性及高溫絕緣性能，亟需新型絕緣層制備技術(shù)。