随着动力工程对温度测量要求的不断提高以及动态旋转、小间隙空间等极端测量环境日益增多,普通温度传感器已不能满足基本需求。具备低维材料特性的薄膜温度传感器因为具有体积小、表面覆型能力高、快速响应、热容量小和小时间常数等优良特性,成为极端环境中的首选温度传感器［1 － 4］。如应用在飞机发动机叶片上,用以实现发动机运转过程中叶片表面温度的实时监测,与冷却系统闭环反馈,避免高温气流冲击下叶片表面局部过高温升带来的不利影响,对叶片表面起到实时保护作用［3 － 6］。然而,对于飞机发动机叶片而言,由于发动机内部的高温气流启动和停止的过程非常快,致使高温薄膜传感器必须耐受极高温气流瞬时启动和停止过程中的高低温冲击,这使薄膜传感器多层膜结构的热可靠性面临严峻考验［6 － 9］。另一方面,典型的多层膜结构从底到上依次包括: Ni Co Cr Al过渡层,Al2O3绝缘层,Ti/Ta粘结层,Pt/PtRh测试层,Ti/Ta粘结层和Al2O3保护层,是一个非常复杂的微尺度薄膜复合体系。而又必须同时满足高温保护、高温绝缘及测试敏感度等极端测试要求,材料和膜层尺度的选择范围非常有限,这加剧了解决多层膜热失配问题的难度［9］。

本文采用有限元方法,建立了多层膜结构的弹塑性模型,以主要应力集中区域: 各层膜界面为研究对象。对典型高温薄膜传感器多层膜结构在极限高低温冲击条件下的热机械可靠性进行了系统性的分析。

图1 是典型高温薄膜传感器的多层膜结构的基本组成,在热失配过程中各层膜界面( 为了计算简单选择直线形式的界面) 将成为主要的应力集中区域,这部分区域将成为研究的重心。与此同时,由于材料本身的塑性形变可能带来强度强化的效果,需要对模型开展弹塑性分析,以了解其具体强化的效果。本文采用有限元方法( FEM) 分析高温薄膜传感器复合多层膜结构热机械可靠性,并建立基本分析模型( 如图2) 。由于多层膜结构是对称结构,因此选择其一半为分析对象,以减少计算资源和节省计算时间的需求。多层膜结构在较高的热冲击下其热应力必然会超过其屈服极限使材料发生塑性形变,因此建立高温热电偶温度传感器的弹塑性模型进行瞬态分析。

表1 给出了温度载荷及具体几何尺寸参数设定,为了更接近真实情况,设定了瞬态温度载荷。

瞬态温度载荷如图3 ~ 图4 所示,升温阶段25 ℃ → T2( t1) ,T2恒温阶段( t2) ,降温阶段T2→25 ℃ ( t3) ,25 ℃ 恒温阶段( t4) 。该温度载荷用以近似模拟薄膜传感器在测温过程中,经历高温气流快速冲击升温及空气自对流降温过程的温度变化情况。文中采用了双线性弹塑性力学模型,如式( 1) :

式中: σ 为应力,MPa; ε 为应变,1; Ε 为杨氏模量,GPa; Ε1为随动强化系数,MPa; εs为屈服强度,MPa。

表2 给出了各层薄膜的弹塑性参数,其中根据文献参考设定了材料的屈服极限( 屈服强度) ,随动强化系数( KTM) ,热膨胀系数( CTE) 。此外,初始条件的设定温度为参考温度25 ℃并假设各薄膜材料在参考温度下的残余热应力为零,各薄膜的位移和速度场分量值也均为零。为了便于分析,假设在每一界面上所有的力学参数都是连续的,即设定各层薄膜界面是完美结合在一起。

一般而言,讨论多层膜器件的热机械稳定性,会涉及到界面的强度与结合材料的强度。与以往不同的是本文选择基于剪切应变能的等效应力作为评估参数。选用遵循材料力学第四强度理论( 形状改变比能理论) 的Von Mises屈服准则,可以更为精准地分析各薄膜材料进入塑性变形的状态,进而综合评估多层膜的热机械稳定性［10］。

薄膜的热应力主要由于多层膜结构受到基底约束、温度载荷和不同膜的热膨胀系数的作用、不同薄膜间的结构差异等产生,还受到材料自身的弹塑性属性影响。薄膜传感器受到热冲击后先进入弹性阶段,随后进入不可恢复的塑性变形阶段、强化阶段等。图5 ~ 图6 给出了高温热电偶薄膜温度传感器经受热冲击( 最高温度为T2= 400 ℃ 和1 200 ℃ ) 时的von Mises热应力的整体云图。

受到不同温度的冲击,热电偶薄膜传感器的热效应是不同的。由于受到叶片基底的约束,薄膜传感器的最大热应力出现在底层,见图5 ~ 图6。在温度为400 ℃ 时,最大von Mises应力约为467. 90 MPa; 而在极端温度1 200 ℃ 时,最大von Mises应力值达到626. 30 MPa,此时显然已超出Ni Co Cr Al过渡层的屈服极限值400 MPa,塑性变形已处于主导地位。从图5 ~ 图6 看出von Mises应力较大的薄膜是过渡层、粘结层; 考虑到每层薄膜材料的塑性属性,其他层的薄膜的应力值虽然不大,但是其值已达到其屈服极限,尤其是工作层与粘结层的上下两层界面。因此,在T2= 1 200 ℃ 时,在过渡层和工作层的塑性应变量都比较大,这两层更容易发生剥离、胀裂等问题。由于不同薄膜层的机械特性与薄膜厚度的差异,使得界面上隐含存在一个边界条件,即一侧材料对另一侧材料的变形约束。这种约束,会引起界面及其周围的应力集中,尤其是几何形状变化突出的位置。在温度负荷比较大时,界面的热应力更为明显,对传感器的危害更加突出,必将降低传感器的疲劳寿命和工作精度。

为了更加准确地分析薄膜传感器分别经历1 200 ℃ 和400℃ 热循环后的热机械可靠性,接下来要详细讨论多层膜界面处的von Mises应力分布情况。图7 ~ 图10 给出了薄膜界面1 ~的von Mises应力分布图。在一般温度变化范围内,薄膜传感器的热机械稳定性与其经受极端温度冲击的热机械稳定性有很大的差别。过渡层与叶片基底的界面受到1 200 ℃ 的冲击后其von Mises应力值高达630 MPa,远高于其经历400 ℃ 冲击时的应力值460 MPa。界面2、3、4、5、6 这两个温度负荷下的最大von Mises应力差值分别约为: 30 MPa、20 MPa、10 MPa、10 MP和20 MPa。不同温度负荷对薄膜传感器的影响主要体现在过渡层上以及其他层的变化趋势上。

界面层2 ~ 6 的应力差值相对界面1 分布得更为均匀,主要由于过渡层受到叶片基底的约束远超过其他界面受到的隐约束,还与不同薄膜的屈服强度与随动强化系数、相邻薄膜的热膨胀系数的不同、薄膜厚度相关。经多次瞬时高温热冲击的反复作用后,2 ~ 6 界面的内部塑性变形越发严重,图11( a) 和图11( b) 给出了两次温度循环中界面1 和界面2 分别在400 ℃和1 200 ℃ 载荷下的有效应变对比曲线。可以看出塑性应变的不断积累对于界面也是致命性的,尤其是与工作层相关连的界面( Pt的屈服强度仅有59 MPa) 。

高温热电偶温度传感器的热机械稳定性与其受到的温度负荷的大小有直接关系。在极端温度负荷下,薄膜传感器的底层边界处更容易翘曲且翘曲量很大,有效塑性应变量亦很大。即过渡层底端在极端温度作用下更容易发生胀裂、剥离、翘曲等热机械稳定性问题。在极端高温下,Pt/PtRh测试层的最大von Mises热应力值高达630 MPa,该层也很容易出现胀裂等传感器失效问题。综上所述,了解多层膜复杂材料体系在极端温度冲击条件下的应力应变分布,掌握有益于缓和热失配效应的优化途径,对于保证极端温度下热电偶薄膜传感器的热机械可靠性是十分必要的。