專利名稱：用于燃?xì)鉁u輪機(jī)環(huán)境的熱電偶的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及熱電偶及其制造方法，且具體地涉及薄膜單元素?zé)犭娫徒Y(jié)構(gòu) 形成的熱電偶并且所述熱電偶可以被沉積在非平坦表面上且在超高溫度時(shí)是有效的。
背景技術(shù)：
存在對于在超高溫度下操作的現(xiàn)代燃?xì)鉁u輪機(jī)內(nèi)關(guān)鍵運(yùn)動部件的結(jié)構(gòu)整體性的 實(shí)時(shí)測量的日益需求。此外，未來的燃?xì)鉁u輪機(jī)將需要更高操作溫度。不過，在這些渦輪機(jī) 中存在的嚴(yán)酷的渦輪機(jī)環(huán)境以及缺乏長期有效的傳感器功能，使得難以滿足這些目標(biāo)。被 暴露于熱氣路徑的材料更接近其設(shè)計(jì)余量被操作，這需要研發(fā)準(zhǔn)確且可靠的傳感器來監(jiān)控 操作期間材料的情況。當(dāng)壽命預(yù)測工具利用實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的數(shù)據(jù)時(shí)，具有嵌入式傳感器的主 動監(jiān)控使得能夠更好地理解材料失效、由于材料退化而導(dǎo)致的功能損失以及涂層分層或裂 紋或剝落的物理現(xiàn)象。渦輪機(jī)通常包括在旋轉(zhuǎn)元件上各種暴露于高溫和大的離心力的多種 部件材料，且其經(jīng)常由高度導(dǎo)電的金屬材料圍繞。具有真實(shí)可靠性的溫度傳感器是熱電偶。原則上，當(dāng)由不同金屬制成的兩個(gè)導(dǎo)體 在兩端結(jié)合時(shí)，形成熱電電路。當(dāng)這個(gè)電路的其中一端被加熱時(shí)，在熱電電路中存在流動的 持續(xù)電流。在1821年由Thomas Seebeck發(fā)現(xiàn)了這個(gè)現(xiàn)象。如果這個(gè)電路在中心斷開，則 熱開路電壓(Seebeck電壓)是接點(diǎn)溫度和兩種金屬的成分的函數(shù)。這種電路被公知為熱電偶。大多數(shù)現(xiàn)有技術(shù)的熱電偶是由電線制成的。例如，諸如S型熱電偶的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶 的構(gòu)造是其中一個(gè)電線腿是純鉬電線而第二電線腿是近似90%鉬和10%銠的合金。另一種 標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)有技術(shù)熱電偶的示例是R型熱電偶，其具有由95%鉬和5%銠構(gòu)成的合金制成的一個(gè) 電線腿以及由87%鉬和13%銠構(gòu)成的合金制成的另一個(gè)電線腿。當(dāng)熱電偶由電線制成且其 中組分的百分比沿電線長度一致時(shí)這些合金組合工作良好。當(dāng)熱電偶腿被沉積在薄膜結(jié)構(gòu) 中時(shí)這是不必要的。例如，當(dāng)沉積合金(例如鉬-10%銠)時(shí)，沿?zé)犭娕纪鹊拈L度將發(fā)生成分 變化。也就是說，10%銠將不會在各處均勻分布，而這會導(dǎo)致熱電偶性能的偏差。因此，需要可靠且能夠承受燃?xì)鉁u輪機(jī)的嚴(yán)酷環(huán)境的熱電偶。當(dāng)熱電偶需要在溫 度可高于1300攝氏度的渦輪機(jī)熱氣路徑段中工作時(shí)，也需要熱電偶對于部件的性能或壽 命具有最小影響。


參考附圖在下述說明中解釋了本發(fā)明，附圖示出了
圖1是渦輪機(jī)葉片的立體圖，該渦輪機(jī)葉片具有形成于其上的傳感器，例如熱電偶。圖2是渦輪機(jī)葉片的一部分的橫截面圖，其示出了根據(jù)本發(fā)明形成在葉片上的熱
4屏障涂層上的薄膜熱電偶。圖3是根據(jù)本發(fā)明的薄膜熱電偶的平面圖。圖4A是渦輪機(jī)葉片的一部分的橫截面圖，其示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例形成在 葉片上的熱屏障涂層(TBC)上的高溫電介質(zhì)上的熱電偶。圖4B是渦輪機(jī)葉片的一部分的橫截面圖，其示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例形成在 直接被沉積到葉片基底上且在TBC層下方的高溫電介質(zhì)上的熱電偶。圖4C是渦輪機(jī)葉片的一部分的橫截面圖，其示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例形成在 TBC層內(nèi)的熱電偶。圖5是根據(jù)本發(fā)明沉積在TBC層上方或下方的高溫電介質(zhì)上的薄膜熱電偶的平面 圖。圖6是示出單元素?zé)犭娕茧S溫度增加的性能的示圖。圖7是示出了單元素?zé)犭娕寂c標(biāo)準(zhǔn)S型熱電偶相比較的性能的示圖。
具體實(shí)施例方式隨著薄膜技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)認(rèn)識到對于測量固體表面溫度而言，薄膜熱電偶具有 優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)電線熱電偶的多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。它們具有小的質(zhì)量從而提供非?？焖俚捻憫?yīng)，相比于電 線傳感器薄膜的厚度不會干擾表面的對流熱傳遞特性，并且其小尺寸非常適合于復(fù)雜電子 制造技術(shù)。此外，當(dāng)附連于渦輪機(jī)部件時(shí)薄膜傳感器的小的質(zhì)量不會產(chǎn)生與因渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn) 而導(dǎo)致的被施加于熱電偶上的離心力相關(guān)的問題。此外，薄膜傳感器允許適用于渦輪機(jī)部 件的非平坦表面。附加地，薄膜傳感器在嚴(yán)酷渦輪機(jī)環(huán)境中關(guān)鍵運(yùn)動部件上的實(shí)施方式為 操作期間基于情況的監(jiān)控提供了優(yōu)秀的數(shù)據(jù)來源。這些熱電偶提供了能夠可靠監(jiān)控服役中 的部件的實(shí)時(shí)溫度分布。一種這樣的薄膜傳感器族是單元素?zé)犭娕?。單元素?zé)犭娕季哂袃?個(gè)腿，每個(gè)腿由不同的單一元素材料(例如，如鉬、鈀、銠或銥的貴金屬)制成。換言之，單元 素?zé)犭娕疾粫褂萌鏢型和R型電線熱電偶中所用的合金電線制成的腿?？梢允褂眉冦f和純鈀金屬作為熱電偶的兩個(gè)腿，這是因?yàn)槠銫TE相比于沉積在渦 輪機(jī)部件(即葉片)上的底層陶瓷熱屏障涂層(TBC)而言具有微小的不匹配度。而且，由于 這些金屬的純度(即，它們均是單元素的)，沿被沉積的熱電偶線路的長度存在極小的有助 于熱電偶性能變化的化學(xué)差異。這里使用的術(shù)語“純”或“單元素”意味著純度水平為至少 99wt.%。使用這些金屬的其他優(yōu)點(diǎn)包括它們具有優(yōu)異的氧化特性和高的熔點(diǎn)(例如鉬是 1769攝氏度)，這允許熱電偶被沉積在可能會直接暴露于熱燃?xì)饴窂江h(huán)境中的TBC的頂表 面上。圖1中示出了一種能夠收集實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)的儀表化運(yùn)動渦輪機(jī)部件，其中燃?xì)鉁u 輪機(jī)11的渦輪機(jī)葉片10具有安裝在其上的熱電偶12和通向電路16的導(dǎo)體14，該電路16 處理并傳輸源自熱電偶12的數(shù)據(jù)至渦輪機(jī)11外部的接收器電路(未示出)。電路16的有 效技術(shù)方案被公開于標(biāo)題為 “SMART COMPONENT FOR USE IN AN OPERATING ENVIRONMENT” 的已公開的美國專利申請公開號US 2005/0198967 Al?，F(xiàn)在參考圖2，示出了渦輪機(jī)葉片10的一部分的橫截面圖，該渦輪機(jī)葉片10具有 安裝于其上的根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施例的薄膜熱電偶12，該薄膜熱電偶12形成于覆蓋金 屬葉片的TBC 20頂部。葉片10的底層基底22具有首先形成于其上的粘結(jié)層M，該粘結(jié)層對將180 20分離于基底并且確保這二者間的良好粘結(jié)。圖3是熱電偶12的平面圖，其中 根據(jù)一種實(shí)施例，第一腿26由純鉬形成且第二腿觀由純鈀形成。兩個(gè)腿沈和觀的第一 端在點(diǎn)30處結(jié)合在一起，這使得這兩個(gè)腿之間形成歐姆接觸并且形成熱接點(diǎn)以用于將熱 轉(zhuǎn)換成電信號(即，kebeck電壓)。結(jié)合片32A和32B分別形成于腿沈和觀的另一端上， 這允許與導(dǎo)體14產(chǎn)生電接觸以便將電信號(即kebeck電壓)傳輸?shù)诫娐?6。高溫渦輪機(jī)環(huán)境(例如高于800攝氏度)的另一考慮是TBC材料的介電/離子導(dǎo)電 性。由氧化釔穩(wěn)定氧化鋯制成的標(biāo)準(zhǔn)TBC在800攝氏度之上損失其介電強(qiáng)度。因此，可需 要陶瓷絕緣涂層34 (圖4A)將熱電偶12分離于TBC 20，該絕緣涂層通常具有1100攝氏度 之上的介電強(qiáng)度(高溫阻抗大于0.5兆歐)。各種氧化物能夠在高溫保持這樣的強(qiáng)度。一 種受關(guān)注的成分是釔鋁石榴石(YAG)，其已經(jīng)以50-250微米范圍內(nèi)的厚度被沉積并且已經(jīng) 被證明在高溫(例如高于1100攝氏度)時(shí)具有優(yōu)異的熱電偶性能。圖4A示出了 TBC 20上 的介電絕緣涂層34的橫截面圖。具體而言，介電絕緣涂層34物理地且電學(xué)地將熱電偶12 分離于TBC 20。圖4B示出了本發(fā)明的可替代實(shí)施例，其示出了渦輪機(jī)葉片的另一部分，其 中介電絕緣涂層34被直接沉積到基底22上并且熱電偶12被沉積在這個(gè)介電絕緣涂層上。 而且，如果需要，另一個(gè)介電絕緣涂層35 (例如具有相同材料和厚度)可以被沉積在熱電偶 12上。最后，TBC層20被沉積在介電絕緣涂層35上(或直接沉積在熱電偶上)。因此，熱 電偶12被嵌入在結(jié)構(gòu)中并且直接感測部件基底22的溫度。圖4C是示出了渦輪機(jī)葉片的 另一部分的實(shí)施例，其中熱電偶12被嵌入在TBC層20內(nèi)并且通過電絕緣材料34、35構(gòu)成 的層被電絕緣以不接觸TBC材料20，以便提供對于TBC層20內(nèi)的溫度的測量。當(dāng)以常規(guī)方 式形成TBC層20時(shí)可以通過熱噴涂相應(yīng)材料來形成這種結(jié)構(gòu)。圖5是圖4A的熱電偶12的平面圖，其中根據(jù)一種實(shí)施例，第一腿26’由純鉬形成 且第二腿觀’由純鈀形成。兩個(gè)腿26’和28’在點(diǎn)30’處結(jié)合在一起，這使得在兩個(gè)腿之 間產(chǎn)生歐姆接觸。結(jié)合片32A’和32B’分別形成于腿26’和觀’的另一端上，這允許與導(dǎo) 體14產(chǎn)生電接觸。圖6是示出了單元素?zé)犭娕嫉男阅?曲線40 )的圖。隨著溫度增加，熱電偶電壓(單 位為mv Wkebeck電壓)基本線性增加。在圖7中通過與標(biāo)準(zhǔn)S型熱電偶(曲線43)相比 較通過曲線41示出了這些熱電偶的性能。在這種構(gòu)造中，單元素?zé)犭娕夹阅芴幱赟型熱電 偶的3度之內(nèi)，這顯示出了優(yōu)異的相關(guān)性。腿32A和32B (或32A’和32B’ )以及導(dǎo)體14可以通過例如等離子噴涂、EB PVD, CVD、脈沖激光沉積、微束等離子、直寫技術(shù)、微束HVOF或溶液等離子噴涂被沉積在葉片10 上。在一種實(shí)施例中，熱電偶12的腿被沉積的厚度在50-100微米的范圍內(nèi)，該厚度可以是 燃?xì)鉁u輪機(jī)的嚴(yán)酷環(huán)境中耐用所必須的。應(yīng)該注意到，圖2、圖4A、圖4B和圖4C的橫截面圖的比例可以被看作是示出了大 部分渦輪機(jī)部件上存在的平坦基底或者彎曲或非平坦表面。根據(jù)本發(fā)明的可替代實(shí)施例，第二腿觀或觀’可以被替換成透明導(dǎo)電氧化物 (TC0)，而第一腿沈或26’仍是純鉬。這樣的TCO利用作為第一腿的鉬提供了良好熱電響 應(yīng)，這主要是因?yàn)樗鼈兙哂袃?yōu)異的導(dǎo)電性。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它們的化學(xué)穩(wěn)定性。這種氧化物 的示例是 CuAlO2, In2O3-SnO2、摻雜 ZnO 的 In2O3-SnO2, Ga203> CdIn2O4, Cd2SnO4 和 ZnO。這種 可替代實(shí)施例將優(yōu)選用于溫度超過1550攝氏度的環(huán)境，因?yàn)樵谶@個(gè)溫度之上純鈀開始軟化和氧化。在圖6中通過曲線42示出了純鉬-氧化物熱電偶的性能曲線。在渦輪機(jī)部件的非平坦表面上制造薄膜熱電偶的方法可以包括如下步驟激光切 割第一掩膜并且將該第一掩膜成形為符合非平坦表面，所述第一掩膜包括限定所述熱電偶 的第一元件的樣式開口 ；將第一導(dǎo)體沉積在所述第一掩膜的所述樣式開口中；激光切割第 二掩膜并且將所述第二掩膜成形為符合所述非平坦表面，所述第二掩膜包括限定所述熱電 偶的第二元件的樣式開口 ；以及將第二導(dǎo)體沉積在所述第二掩膜的所述樣式開口中。雖然這里已經(jīng)示出并描述了本發(fā)明的各種實(shí)施例，不過顯而易見的是這些實(shí)施例 僅作為示例方式被提供。在不背離本發(fā)明的情況下可以做出大量改型、改變和替代。因此， 本發(fā)明旨在僅通過所附權(quán)利要求的精神和范圍被限制。
權(quán)利要求
1.一種在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的高溫環(huán)境中使用的熱電偶，包括第一電絕緣層，其被形成在所述燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的部件的表面上并且在發(fā)動機(jī)的操作 溫度下有效地提供一定程度的電絕緣從而有效地允許熱電偶的操作；包含鉬的第一熱電偶腿，其具有50-100微米范圍內(nèi)的厚度且被沉積在所述第一絕緣 層上；以及包括鈀的第二熱電偶腿，其也被形成在所述第一絕緣層上并且具有在50-100微米范 圍內(nèi)的厚度，其中所述第一和第二熱電偶腿在每個(gè)腿的第一端處形成歐姆接觸從而形成熱 接點(diǎn)以用于將熱轉(zhuǎn)換成電信號，并且其中每個(gè)腿的第二端被設(shè)置成電接觸用于將所述電信 號處理成所述部件的所述表面的溫度的讀數(shù)的電路。
2.如權(quán)利要求1所述的熱電偶，其中所述鉬的純度是至少99wt.%。
3.如權(quán)利要求1所述的熱電偶，其中所述鈀的純度是至少99wt.%。
4.如權(quán)利要求1所述的熱電偶，還包括被沉積在所述基底和所述第一絕緣層之間的陶 瓷熱屏障涂層。
5.如權(quán)利要求1所述的熱電偶，還包括被沉積在所述熱電偶上的第二電絕緣層；以及被沉積在所述第二電絕緣層上的熱屏障涂層。
6.如權(quán)利要求1所述的熱電偶，還包括被沉積在所述基底和所述第一絕緣層之間的陶瓷熱屏障涂層的下部；被沉積在所述熱電偶上的第二電絕緣層；以及被沉積在所述第二絕緣層上的所述陶瓷熱屏障涂層的上部，使得所述熱電偶隨所述陶 瓷熱屏障涂層被設(shè)置。
7.如權(quán)利要求1所述的熱電偶，其中所述第一絕緣層是在1100攝氏度以上保持大于 0.5兆歐的阻抗的氧化物涂層。
8.如權(quán)利要求7所述的熱電偶，其中所述第一絕緣層包含釔鋁石榴石。
9.如權(quán)利要求5所述的熱電偶，其中所述第二絕緣層是在1100攝氏度以上保持大于 0.5兆歐的阻抗的氧化物涂層。
10.如權(quán)利要求9所述的熱電偶，其中所述第二絕緣層包含釔鋁石榴石。
11.一種儀表化燃?xì)鉁u輪機(jī)部件，包括由熱屏障涂層熱隔絕的金屬基底；電絕緣材料層，其在1100攝氏度以上保持大于0. 5兆歐的阻抗并且被沉積在所述熱屏 障涂層的暴露表面上；形成在所述電絕緣材料層上的熱電偶，所述熱電偶包括包含第一純金屬的第一腿和與 所述第一腿形成歐姆接觸的第二腿。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的部件，其中所述第二腿包含不同于所述第一純金屬的第二 純金屬。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的部件，其中所述第一腿包含鉬并且所述第二腿包含鈀、銠 或銥。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的部件，其中所述第二腿包含由CuAlO2Jn2O3-SnO2、摻雜ZnO 的 In203-Sn02、Ga203> Cdln204、Cd2SnO4 和 SiO 組成的組中的一者。
15.一種儀表化燃?xì)鉁u輪機(jī)部件，包括金屬基底；第一電絕緣材料層，其在1100攝氏度以上保持大于0. 5兆歐的阻抗并且被沉積在所述金屬基底上；形成在所述電絕緣材料層上的熱電偶，所述熱電偶包括包含第一純金屬的第一腿和與 所述第一腿形成歐姆接觸的第二腿；第二電絕緣材料層，其在1100攝氏度以上保持大于0. 5兆歐的阻抗并且被沉積在所述 熱電偶上；以及被沉積在所述第二電絕緣材料層上的陶瓷熱屏障涂層。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的部件，其中所述熱屏障涂層材料包含氧化釔穩(wěn)定氧化鋯并 且所述電絕緣材料包括釔鋁石榴石。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的部件，其中所述第二腿包含不同于所述第一純金屬的第二純金屬。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的部件，其中所述第二腿包含由鈀、銠或銥構(gòu)成的組中的一者ο
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的部件，其中所述第二腿包含由CuAlO2Jn2O3-SnO2、摻雜ZnO 的 In203-Sn02、Ga203> Cdln204、Cd2SnO4 和 SiO 組成的組中的一者。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的部件，其中所述熱電偶的每個(gè)腿具有在50-100微米范圍內(nèi)的厚度。
全文摘要
公開了用于燃?xì)鉁u輪機(jī)部件的薄膜熱電偶(12)。該熱電偶可以被形成在非平坦基底(22)上，該基底具有形成于其上的電絕緣層(34)，該電絕緣層能夠在燃?xì)鉁u輪機(jī)的操作溫度下維持其隔絕特性。由純鉑制成的第一熱電偶腿(26)之后被沉積在介電層(34)上。由另一純金屬或透明陶瓷氧化物制成的第二熱電偶腿(28)也被形成在介電層(34)上，其中第一和第二熱電偶腿在每個(gè)腿的第一端處形成歐姆接觸從而形成熱接點(diǎn)(30)以便將熱轉(zhuǎn)換為電信號。熱電偶可以被沉積在熱屏障涂層的表面上或熱屏障涂層和底層金屬基底之間。
文檔編號G01K7/02GK102112854SQ200980130194
公開日2011年6月29日 申請日期2009年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月1日
發(fā)明者A·A·庫爾卡尼, D·J·米切爾, E·R·勒施 申請人:西門子能源公司