多層復(fù)合式薄膜熱電偶性能檢測

[提要]利用薄膜科學(xué)的發(fā)展和梯度功能材料的研究思路,成功地解決了金屬基體表面沉積薄膜熱電偶時(shí)的交叉絕緣和連接強(qiáng)度問題,從而研制出系列的瞬態(tài)溫度測量用薄膜熱電偶測溫傳感器。
　　熱鍛模具廣泛應(yīng)用于航空航天制造工藝中,其費(fèi)用在鍛件成本中占有相當(dāng)大的比例,但模具壽命普遍不高。主要是由于鍛模型腔表面受載條件惡劣,熱沖擊嚴(yán)重,表面溫度特別高而且變化大,通常在500~650℃,甚至達(dá)到1000~1180℃,應(yīng)力峰值在1000~1500MPa,而熱負(fù)荷的積極熱作用時(shí)間只有0.001~0.005s,熱磨損與機(jī)械磨損并存。因而模鍛過程中,鍛模表面瞬態(tài)溫度特性及分布規(guī)律成為研究鍛模熱沖擊負(fù)荷作用下失效的基礎(chǔ)。使用傳統(tǒng)的絲式熱電偶,利用打孔穿絲的方法很難準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)鍛模型腔表面瞬態(tài)溫度的實(shí)時(shí)測量。瞬態(tài)溫度的實(shí)時(shí)測量是一個(gè)尚待解決的技術(shù)問題。
　　從交叉絕緣層材料的優(yōu)選和梯度功能材料超薄過渡層制造技術(shù)入手,來提高薄膜熱電偶與金屬基體結(jié)合的連接強(qiáng)度和交叉絕緣性能,并結(jié)合薄膜沉積1.藝參數(shù)的優(yōu)化，研制出系列多層復(fù)合式隱膜熱電偶測量傳感器，從而為瞬態(tài)溫度測量提供了-種非?？煽康臏y試手段。
1交叉絕緣膜材料的優(yōu)選
　　金屬基體上沉積薄膜熱電偶時(shí),必須選用性能良好的交叉絕緣膜材料。因?yàn)樗粌H決定了梯度功能材料超薄過渡層的成分,還直接影響者薄膜熱電偶與金屬基體間的交叉絕緣性能和連接強(qiáng)度。選用與鍛模材料有相近線膨脹系數(shù)的三種材料(MgO,ZrO2和Al2O3)作為絕緣膜材,分別沉積在模具表面上,膜厚控制在2μm,分別測試它們的絕緣性能、耐壓性能、耐熱沖擊性能和耐磨損性能,經(jīng)優(yōu)選確定出合適的絕緣膜材料。.
1.1絕緣性能試驗(yàn)
　　用兆歐表測量膜面和基體間的絕緣電阻,測試結(jié)果見表1。
 
1.2耐壓性能試驗(yàn)
　　在600kN的材料試驗(yàn)機(jī)上加壓，加載范圍為0~250MPa,每上升25MPa檢測-一次,測試結(jié)果見表2。
 
1.3謝熱沖擊性能試驗(yàn)
　　將900℃的鋼件放到沉積有薄膜的待測件上,加載使鋼件變形。每升高10MPa,用自來水冷卻膜面一次,并進(jìn)行檢測。重復(fù)加熱和加載,測試結(jié)果見表3。
 
1.4耐磨損性能試驗(yàn)
　　在SMG-1型數(shù)顯光學(xué)膜層強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,測試結(jié)果見表4。
 
　　綜合以上測試結(jié)果,Al2O3電介質(zhì)膜性能最好，所以選用它來制作薄膜熱電偶的交叉絕緣層。
2薄膜熱電偶鍍層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1薄膜熱電偶材料及熱接點(diǎn)厚度
　　依據(jù)鍛模型腔待測部位瞬態(tài)溫度的變化范圍和薄膜熱電偶的測溫環(huán)境,選用NiCr和NiSi熱電材料來制作薄膜熱電偶。
熱電偶動(dòng)態(tài)時(shí)間常數(shù):
式中:?0一熱電偶動(dòng)態(tài)時(shí)間常數(shù),s;
δ一熱接點(diǎn)膜厚,m;
α一熱接點(diǎn)材料的熱擴(kuò)散率,m²/s。
　　對難變形鍛件,模具型腔表面的瞬態(tài)溫度信號可簡化成類似鋸齒波脈沖信號。此時(shí),溫度信號的積極熱作用時(shí)間約為0.001~0.005s。工程計(jì)算中常以脈沖信號頻譜分析時(shí),其幅值下降到最大幅值5%時(shí)的頻率為溫度信號的最高諧波頻率?max。則鍛造難變形鍛件時(shí)，模具型腔表面瞬態(tài)溫度信號的?max為[3]:
?max=2.5X10⁴~1.25X10⁵(s^-1)
　　由溫度測量的不失真條件可得，薄膜熱電偶的動(dòng)態(tài)時(shí)間常數(shù)應(yīng)為:
τo=2.4X10^-6~1.2X10^-5(s)
　　用Nb膜作熱接點(diǎn)時(shí),薄膜厚度應(yīng)為:
δ=4.1X10^-6~9.2X10^-6(m)
2.2梯度功能材料過渡靶設(shè)計(jì)
　　薄膜熱電偶研制過程中,交叉絕緣層材料和金屬基體材料間的結(jié)合難度比較大,主要表現(xiàn)在:
(1)兩種材料間存在明顯的界面,原因在于兩種材料的晶格類型不同,相容性差,難以相互匹配;
(2)兩種材料線膨脹系數(shù)存在差異,造成連接和使用過程中界面處應(yīng)力梯度大,附著強(qiáng)度灘以保證。
　　為降低膜面間應(yīng)力梯度,消除明顯的界面狀態(tài),一種過渡靶材,在薄膜沉積過程中,通過在靶面上加裝調(diào)質(zhì)塊和控制工作氣氛,即在薄膜熱電偶和膜具表面之間形成一層梯度功能材料過渡層。
2.2.1過渡靶材的組成元素
　　對常用的熱變形模具鋼(5CrNiMo或5CrMnMo)及選定的交叉絕緣膜材料(Al2O3),過渡靶材的組成元素選定為:
Fe---基體元素,其固溶點(diǎn)及致密度高,金屬鍵強(qiáng)。
Al-合金元素,能溶于鐵素體中形成合金鐵素體。Al和Fe是形成梯度功能材料的必加元素。
Cr---合金元素,能提高膜層材料的高溫?zé)釓?qiáng)度及抗氧化、抗腐蝕能力,從而有利于提高膜層的熱穩(wěn)定性能。
Y一主要添加元素,能促進(jìn)Al2O3鈍化膜的形成,減少Cr2O3和Fe2O3等金屬氧化物在過渡層中的形成,以提高薄
膜熱電偶的絕緣性能和附著強(qiáng)度。
2.2.2過渡靶材的冶煉
2.2.2.1冶煉設(shè)備
　　ZG-10B型真空中頻感應(yīng)熔煉爐;有效容積為1.6L的鎂砂坩堝;設(shè)備的極限真空度為0.01Pa。
2.2.2.2主要工藝參數(shù)
　　真空度<1.33Pa,溫度為1560~1600℃,精煉20~25min.出鋼前5~7min加入Al,出鋼前2~3min充氬氣并加Y-Fe合金,大功率攪拌1min后出鋼。
2.2.2.3煉后熱處理
鋼錠隨模緩冷6h,而后擴(kuò)散處理穩(wěn)定合金組分。
2.3薄膜熱電偶鍍層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　鍛模測溫用的薄膜熱電偶不僅要能承受模具工作表面熱沖擊負(fù)荷的作用,具有良好的耐磨損性能和高溫絕緣性能,同時(shí)還應(yīng)適應(yīng)鍛造過程中比較惡劣的使用環(huán)境(如高溫氧化和腐蝕性氣體作用等)。所以在薄膜熱電偶鍍層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,要考慮熱電偶兩極及信號傳送線路和金屬基體間的絕緣性能,以及基體與交叉絕緣層、熱電偶層間的應(yīng)力梯度緩變和溫度梯度緩變。同時(shí)設(shè)計(jì)薄膜熱電偶保護(hù)膜,以期在不影響熱電偶傳熱特性的基礎(chǔ)上,使薄膜熱電偶具有較長的使用壽命。鍛模測溫用薄膜熱電偶的鍍層結(jié)構(gòu)如圖所示。
 
鍍層結(jié)構(gòu)示意圖
1.金屬基體(5CrNiMo);2.梯度功能過渡層;3.致密層(Al2O3);
4.絕緣層(Al2O3+Si3N4);5.熱電偶層(NiSi);6.集熱材料;
7.保護(hù)層(SijN4);8.熱電偶層(NiCr);9.熱接點(diǎn)。
3薄膜沉積工藝參數(shù)的優(yōu)化
3.1鍍膜設(shè)備
　　選用JS-450D型射頻濺射設(shè)備來完成多層復(fù)合式薄膜熱電偶的制備。
3.2優(yōu)化指標(biāo)與約束條件
　　多層復(fù)合式薄膜熱電偶的主要性能指標(biāo)有:動(dòng)態(tài)時(shí)間常數(shù),耐壓、耐磨和抗熱沖擊性能以及薄膜熱電偶的化學(xué)成分和熱電偶與基體間的絕緣電阻。所以選定薄膜的附著強(qiáng)度和交叉絕緣性能為優(yōu)化指標(biāo),薄膜熱電偶的厚度和其化學(xué)成分為約束條件。
3.3、影響因素與主控參數(shù)
　　射頻濺射過程中要控制的工藝參數(shù)很多，薄膜沉積過程實(shí)質(zhì)上是薄膜材料的形核與核長大過程。影響上述過程的主要因素有:待鍍面的結(jié)構(gòu)與清潔度、殘余氣體壓力、基體溫度和濺射速率等。所以除了鍍前對待鍍面做必要的打磨和清洗外，薄膜沉積過程中主要控制的工藝參數(shù)有:工作氣壓、基體溫度、靶基距和功率密度等。
3.4工藝參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果
　　本底真空:2.67~5.33X10^-4Pa;靶基距:30~50mm;基體溫度100~150℃.
3.4.1梯度功能層
　　工作氣壓:1.33~2.0Pa(O2/Ar=0~025);功串密度:3~3.5W/cm²；濺射時(shí)間:90~120min;膜厚:0.4~0.6μm.
3.4.2致密層
　　工作氣壓:1.33~2.0Pa(O2/Ar=0.1~0.25);功率密度;4~4.5W/cm²；濺射時(shí)間:120~180min;臒厚:0.2~0.3μm.
3.4.3絕緣層
　　工作氣壓:0.67~1.33Pa(O2/Ar=0.1):功率密度:3.0~4.0W/cm²:聶射時(shí)間:240~300mins膜厚;0.8~1.0μm.
3.4.4薄膜熱電偶層
　　工作氣壓:0.67~1.33Pa(Ar)1功率密度:1.0~3.0W/cm²；我射時(shí)間:40~60mins膜厚:1.0~1.5μm,
3.4.5保護(hù)層.
　　工作氣壓:0.67~1.33Pa(Ar);功率密度:3.0~3.5W/cm²;濺射時(shí)間:20~30mins膜厚;0.05~0.1μm,
4薄膜熱電偶性能檢測
　　多層復(fù)合式冀膜熱電偶經(jīng)有關(guān)單位進(jìn)行檢測和實(shí)際使用證明,能夠滿足最壓工程中瞬態(tài)溫度的測試要求.主要檢測結(jié)果如下:
(1)動(dòng)態(tài)時(shí)間常敷:r≤50μs,并可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。
(2)線性度及靈敏度:X=41.2μV/C1S'-0.231R-1.0.輸出熱電勢的允許偏差達(dá)到絲式熱電偶的I級水平，
(3)電阻率;NiCr為64.8μΩ·cmiNiSsi為22.5μΩ·cm.
(4)絕緣性能:交叉絕緣層本身>200MΩ熱花間與指體間>5M0.
(5)耐磨損性能:相對耐動(dòng)這肥30--50)m/s,100MPa壓力作用下.唐損時(shí)間>95s.
(6)耐熱沖擊性能:500℃至8℃間,急冷.急熱重復(fù)作用，次數(shù)>200.
(7)耐壓性能:100MPn壓力作用,能經(jīng)受的加載次數(shù)>50.
(8)抗剝離性能:薄膜和基體間的抗剝離強(qiáng)度至少為14MPa.
(9)抗集中變形能力:當(dāng)薄膜局部因集中變形而產(chǎn)生的永久變形深度超過膜厚時(shí).除變形點(diǎn)外,其他部位薄膜完好無損。
(10)穩(wěn)定性能:薄膜熱電偶經(jīng)過50次熱沖擊負(fù)荷(500℃一8℃)和50次機(jī)械沖擊載荷(100MPa)作用后.各檢驗(yàn)點(diǎn)熱電勢最大偏差<2.8%.
5結(jié)論
(1)耐磨、耐壓和耐熱沖擊負(fù)荷作用的多層復(fù)合式薄膜熱電偶測溫傳感器:其動(dòng)態(tài)時(shí)間常數(shù)達(dá)到微秒級.并可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整,其絕緣電阻高達(dá)5MΩ以上,并且具有非常好的穩(wěn)定性、復(fù)現(xiàn)性和耐久性,從而解決了鍛模瞬態(tài)溫度的測試難題。
(2)在最模工作表面實(shí)現(xiàn)了梯度功能材料超薄過渡層的制遣,應(yīng)用不僅解決了博膜熱電偶與金屬基體結(jié)合時(shí)的絕緣和連接強(qiáng)度問題,而且為受熱沖擊載荷作用的金屬基體材料表面改性與強(qiáng)化工作創(chuàng)造了條件。
(3)多層復(fù)合式薄膜熱電偶測溫傳感器,經(jīng)性能檢測和實(shí)用考核,證明具有非常好的使用性能和較長的使用壽命。在鍛壓、航空、航天及地面燃?xì)鈩?dòng)力工程中都將具有較大的價(jià)值.