一种金属基高温绝缘层及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种金属基高温绝缘层及其制备方法，属于薄膜材料【技术领域】。包括六层结构，从下往上依次是合金基片1、NiCrAlY合金过渡层2、α-Al2O3层3、晶态YSZ层4、非晶态YSZ层5、Al2O3层6，其中α-Al2O3层采用热氧化法得到，晶态YSZ层和非晶态YSZ层均采用溅射方法得到，Al2O3层6采用电子束蒸发法制备得到。本发明的绝缘层能保证至少在800℃下，薄膜传感器功能层与金属基底之间的良好电绝缘，且经过长时间高温环境下退火后，绝缘电阻不会减小，且有增大的趋势，可以满足薄膜传感器在高温、高应力等环境下的正常工作。
【专利说明】一种金属基高温绝缘层及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于薄膜材料【技术领域】，特别是一种以涡轮发动机叶片等作为基底的薄膜传感器的绝缘层及其制备方法，该绝缘层可以广泛应用于薄膜传感器与金属基底之间的电绝缘，保证薄膜传感器在高温环境下的正常工作。
【背景技术】
[0002]现代航空发动机技术中，涡轮叶片技术是其中最为关键的技术之一。发动机涡轮叶片工作在高温、高热流密度、高振动、强气流等恶劣的环境中，容易使涡轮叶片损坏，导致整个发动机报废。因此，研制耐高温薄膜传感器对叶片工作温度、叶片应力应变等状态参数进行测量成为其中的关键技术。航空发动机叶片一般为金属基高温合金，薄膜传感器与金属基底必须电绝缘才能保证传感器的正常工作，因此研制可靠的高温绝缘层成为研制薄膜传感器的关键环节。
[0003]对叶片状态参数进行测量的薄膜传感器主要有薄膜应变计、薄膜热电偶等。目前薄膜热电偶主要有K型热电偶、S型热电偶、ITO/Pt热电偶等。热电偶测温的原理是基于热电效应，热电偶将外界吸收的热量转化为热电势，即塞贝克电势。薄膜应变计目前多采用电阻式应变计，其测量应变的原理是器件电阻随着所测器件应力变化而产生改变。因此，薄膜热电偶、薄膜应变计等薄膜传感器必须与金属基底具有良好的电隔离，在薄膜传感器与基底之间必须制备绝缘层。薄膜传感器与基底之间绝缘层的绝缘电阻过低会直接影响器件的测试准确度，特别是在高温情况下，绝缘电阻一般会随温度升高呈指数下降，导致整个器件失效。
[0004]目前，可作为高温绝缘层并薄膜化的材料包括A1203、S12, Cr3C2,YSZ (Y2O3Stabilized ZrO2，钇稳定的氧化锆)等。薄膜绝缘层的制备方法主要有:电子束蒸发、射频磁控溅射、直流溅射、热氧化生长等。绝缘层可分为单层绝缘层和多层薄膜绝缘层，其中，单层绝缘层，如电子束蒸发Al2O3、溅射S12，薄膜沉积后本身可能就存在孔洞和裂缝，在涡轮叶片工作的恶劣环境中，孔洞和裂缝进一步扩大，导致功能层和基底导通；而多层薄膜结构的绝缘层是现在普遍应用的高温绝缘层，但多层薄膜结构绝缘层会由于不同薄膜层间热膨胀系数不同导致开裂，或者绝缘层与金属基底的热膨胀系数不同导致薄膜开裂及脱落。
[0005]满足薄膜传感器功能层与金属基底之间电绝缘的绝缘电阻最小值为100ΚΩ。按照此标准，有文献(John D.Wrbanek, A Multilayered Thin Film Insulator for HarshEnvironments, NASA/TM-2002-211873 AIAA - 2002 - 3731)报道:溅射 S12 (Iym)-溅射Al2O3 (4 μ m)结构的绝缘层在Al2O3陶瓷基片上的绝缘有效使用温度达1142°C，但在金属基底上使用温度仅为2600C ;溅射Al2O3(2 μ m)-溅射S12(Iym)-溅射Al2O3(2 μ m)结构的绝缘层在金属基底上使用温度仅为250°C ;电子束蒸发S12-电子束蒸发Al2O3在金属基底上直接导通。这可能是在由于S12-Al2O3结构的绝缘层中，S12和Al2O3的弹性模量和热膨胀系数都相差较大，随着温度升高，导致薄膜应力增加，出现开裂甚至脱落。而电子束蒸发Cr3C2(Iym)-电子束蒸发Al2O3 (4 μ m)在不锈钢金属基底上使用温度为950°C，但是电子束蒸发Cr3C2-电子束蒸发Al2O3绝缘层结构中，Cr3C2在1100°C高温下方阻为80Χ10_6Ω.cm，为电的良导体，且在高温下可能被氧化，导致绝缘层失效。而电子束蒸发YSZ (钇稳定的氧化锆)(I μ m)-电子束蒸发Al2O3 (4 μ m)结构绝缘层在Al2O3陶瓷基片上的绝缘有效使用温度1080°C，但在不锈钢金属基底上粘附性差，在测得任何数据前直接脱落，这可能是由于电子束蒸发YSZ-电子束蒸发Al2O3绝缘层结构中，电子束蒸发的YSZ为非晶结构，热膨胀系数与不锈钢金属相差较大，在不锈钢基底上附着力不强，出现了脱落的情况。综上所述，目前制备的绝缘层不能满足薄膜传感器在高温、高应力等恶劣环境下的正常工作。
【发明内容】
[0006]本发明针对【背景技术】存在的缺陷，提出了一种金属基高温绝缘层及其制备方法，该绝缘层能保证至少在800°C下，薄膜传感器功能层与金属基底之间的良好电绝缘，且经过长时间高温环境下退火后，绝缘电阻不会减小，且有增大的趋势。
[0007]本发明的技术方案如下:
[0008]一种金属基高温绝缘层，包括六层结构，从下往上依次是合金基片1、NiCrAH合金过渡层2、α-Α1203层3、晶态YSZ层4、非晶态YSZ层5、Al2O3层6，其中a-Al2O3层采用热氧化法得到，晶态YSZ层和非晶态YSZ层均采用溅射方法得到，Al2O3层6采用电子束蒸发法制备得到。
[0009]其中，所述NiCrAH合金过渡层2的厚度为10?12 μ m，a-Al2O3层3的厚度为500nm?I μ m，晶态YSZ层4的厚度为0.5?I μ m，非晶态YSZ层5的厚度为0.5?I μ m，Al2O3层6的厚度为8?12 μ m。
[0010]其中所述晶态YSZ层是采用磁控溅射的方法在500°C温度下恒温溅射得到的，所述非晶态YSZ层5是采用磁控溅射的方法在500°C降温到室温的降温过程中溅射得到的。
[0011]一种金属基高温绝缘层的制备方法，包括以下步骤:
[0012]A.基片的表面处理:首先对基片进行抛光处理，然后依次采用丙酮、乙醇和去离子水对基片的表面进行清洗，清洗后用氮气吹干备用；
[0013]B.NiCrAlY合金过渡层的制备:采用直流磁控溅射的方法在步骤A处理后得到的基片上沉积NiCrAH薄膜作为过渡层；
[0014]C.a -Al2O3层的制备:将步骤B得到的带NiCrAH合金过渡层的基片置于真空管式炉内，在5Χ KT4Pa?5X KT5Pa真空及1050°C温度下，恒温5小时，析出金属铝；然后继续保持1050°C的温度，向管式炉内通入氧气，恒温5小时，使铝氧化为a -Al2O3后，随炉降温至室温，得到500nm?I μ m厚的a -Al2O3层；
[0015]D.晶态YSZ层的制备:采用射频磁控溅射的方法，将步骤C得到的带NiCrAH合金过渡层和a -Al2O3层的基片置于真空气氛及500°C温度下、采用YSZ为靶材，溅射得到
0.5?Iym厚的晶态YSZ层；
[0016]E.非晶态YSZ层的制备:采用射频磁控溅射的方法，在真空气氛及500°C降温到室温的降温过程中，采用YSZ为靶材，在步骤D得到的复合基片上溅射得到0.5?I μ m厚的非晶态YSZ层；
[0017]F.Al2O3层的制备:将步骤E得到的复合基片置于真空气氛下，采用电子束蒸发的方法在400°C下蒸镀得到8?12 μ m厚的Al2O3 ;然后在800°C温度下原位退火I小时；冷却后取出复合基片，在大气环境下、800°C温度下退火2小时，得到所述Al2O3层6;从而得到所述金属基高温绝缘层。
[0018]其中，步骤B中所述的制备NiCrAH合金过渡层的过程为:在背底真空度为5 X l(T3Pa、溅射气压为0.35Pa、温度为450?500°C、溅射功率为500W的条件下，以NiCrAH合金为靶材，以体积百分比计纯度不低于99.99%的氩气作为溅射介质，溅射5小时，得到厚度为10?12 μ m的NiCrAH合金过渡层。
[0019]其中，步骤D中所述的真空气氛为5X10_4Pa，YSZ靶材的纯度不低于99.99%。
[0020]其中，步骤E中所述的真空气氛为5X10_4Pa，YSZ靶材的纯度不低于99.99%。
[0021]其中，步骤F中所述的真空气氛为5X10_4Pa，所述蒸镀采用的原料是直径为I?3毫米的Al2O3颗粒。
[0022]本发明的有益效果为:
[0023]1、本发明提供的金属基高温绝缘层的C1-Al2O3层为NiCrAH薄膜经过高温真空热处理析出金属铝，然后高温氧化得到的，使得绝缘层与基底之间有良好的粘附性，不易脱落。
[0024]2、本发明提供的金属基高温绝缘层中的晶态YSZ层与a -Al2O3层附着良好；而非晶态YSZ层使得孔洞和裂缝被充分填充，使YSZ层更加均匀致密，从而减少漏电通道，提升绝缘性能。
[0025]3、本发明中的a -Al2O3-YSZ-Al2O3三明治结构促进不同材料表界面处的孔洞和裂缝相互被填充，进一步减少了整个绝缘层的漏电通道；同时YSZ和Al2O3热膨胀系数比较相近，减少了长时间高温处理后开裂脱落的可能性。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1为本发明金属基高温绝缘层的结构示意图。
[0027]图2为实施例得到的金属基高温绝缘层的绝缘电阻-温度的曲线图。
[0028]图3为实施例得到的金属基高温绝缘层在800°C下退火得到的绝缘电阻曲线图。
[0029]其中，I为合金基片，2为NiCrAlY合金过渡层，3为a-Al2O3层，4为晶态YSZ层，5为非晶态YSZ层，6为Al2O3层。
【具体实施方式】
[0030]下面结合实施例及附图对本发明做进一步的说明。
[0031]实施例
[0032]一种金属基高温绝缘层的制备方法，包括以下步骤:
[0033]Α.基片的表面处理:采用(长X宽X厚)30X95X5的镍(Ni)基合金作为基片，首先对基片表面进行抛光处理，要求抛光成镜面，无肉眼可见的划痕；然后依次采用丙酮、乙醇和去离子水对基片表面进行清洗，清洗后用氮气吹干备用；
[0034]B、NiCrAH合金过渡层制备:将清洗干净的Ni基合金基片置于真空度为5 X KT3Pa的真空(即背底真空)环境中，以NiCrAH合金为靶材，通入纯度为99.99% (体积百分比)的氩气作为溅射介质，在500°C温度、功率500W、溅射气压(工作气压)为0.35Pa的条件下，采用直流磁控溅射的方法在Ni基合金基片上沉积12 μ m厚的NiCrAH合金过渡层；
[0035]C.C1-Al2O3层的制备:将步骤B得到的复合基片置于石英管式退火炉内，在5X10_4Pa真空条件下，以5°C /min的升温速率升温至1050°C后、恒温(处理)5小时析出金属铝；然后继续保持1050°C的温度，向管式退火炉内通入纯度为99.9%的氧气，恒温处理5小时，使铝氧化为a -Al2O3后，停止加热并继续通氧气直到冷却到室温止，得到I μ m厚的 a -Al2O3 层；
[0036]D.晶态YSZ层的制备:将步骤C得到的带NiCrAH合金过渡层和a -Al2O3层的基片置于5 X KT4Pa (即背底真空)环境中，以纯度为99.99%的YSZ陶瓷靶材(其中Y2O3的含量为12% )作为溅射靶材，以氧气和氩气的混合气作为溅射介质(氧气和氩气以体积百分比计的纯度均为99.9 % )，氧气和氩气的流量比为35:5，在500°C温度、功率200W、溅射气压(工作气压)为2Pa的条件下，采用射频磁控溅射的方法溅射得到I μ m的晶态YSZ层；
[0037]E.非晶态YSZ层的制备:步骤D处理后得到的复合基片在5X10_4Pa(即背底真空)环境中，以纯度为99.99%的YSZ陶瓷靶材(其中Y2O3的含量为12% )作为溅射靶材，以氧气和氩气的混合气作为溅射介质(氧气和氩气以体积百分比计的纯度均为99.9% )，氧气和氩气的流量比为35:5，在500°C到室温的降温过程中(降温速率为4°C /min)、功率为200W、溅射气压(工作气压)为2Pa的条件下，采用射频磁控溅射的方法溅射得到I μ m的非晶态YSZ层；
[0038]F.Al2O3层的制备:将经步骤E处理后得到的复合基片在背底真空为5X 10_4Pa的条件下，采用直径为I毫米的Al2O3颗粒为蒸镀原料，在400°C、蒸镀电子束流为75mA的条件下采用电子束蒸发的方法蒸镀得到10 μ m厚的Al2O3,在800°C温度下原位退火I小时，自然冷却至室温；取出的复合基片在大气环境下、800°C温度下退火2小时，即得到Al2O3层6 ;从而得到本发明所述的金属基高温绝缘层。
[0039]下面对本发明实施例得到的金属基高温绝缘层的性能进行测试和分析:
[0040]图2为实施例得到的金属基高温绝缘层的绝缘电阻-温度的曲线图。由图2可知，实施例得到的绝缘层在室温到800°C范围内，绝缘电阻呈近似指数变化规律，800°C时绝缘电阻大于100ΚΩ，这说明绝缘层在小于800°C范围内有良好的绝缘性能，能够满足器件与金属基底间的电绝缘。
[0041]图3为实施例得到的金属基高温绝缘层在800°C下退火得到的绝缘电阻曲线图。由图3可知，实施例得到的绝缘层在800°C长时间退火实验中，绝缘电阻表现为增大的趋势。这可能是高温下有利于绝缘层结构的稳定，使薄膜变得更加致密，绝缘性能提升。
【权利要求】
1.一种金属基高温绝缘层，包括六层结构，从下往上依次是合金基片(I)、NiCrAH合金过渡层⑵、a -Al2O3层(3)、晶态YSZ层(4)、非晶态YSZ层(5)、Al2O3层(6)，其中a -Al2O3层采用热氧化法得到，晶态YSZ层和非晶态YSZ层均采用溅射方法得到，Al2O3层采用电子束蒸发法制备得到。
2.根据权利要求1所述的金属基高温绝缘层，其特征在于，所述NiCrAH合金过渡层(2)的厚度为10?12 μ m，a -Al2O3层(3)的厚度为500nm?I μ m，晶态YSZ层(4)的厚度为0.5?Iym,非晶态YSZ层(5)的厚度为0.5?Iym, Al2O3层(6)的厚度为8?12 μ m。
3.一种金属基高温绝缘层的制备方法，包括以下步骤: A.基片的表面处理:首先对基片进行抛光处理，然后依次采用丙酮、乙醇和去离子水对基片的表面进行清洗，清洗后用氮气吹干备用； B.NiCrAlY合金过渡层的制备:采用直流磁控溅射的方法在步骤A处理后得到的基片上沉积NiCrAH薄膜作为过渡层； C.C1-Al2O3层的制备:将步骤B得到的带NiCrAH合金过渡层的基片置于真空管式炉内，在5X KT4Pa?5X KT5Pa真空及1050°C温度下，恒温5小时，析出金属铝；然后继续保持1050°C的温度，向管式炉内通入氧气，恒温5小时，使铝氧化为C1-Al2O3后，随炉降温至室温，得到500nm?I μ m厚的a -Al2O3层； D.晶态YSZ层的制备:采用射频磁控溅射的方法，将步骤C得到的带NiCrAH合金过渡层和a -Al2O3层的基片置于真空气氛及500°C温度下、采用YSZ为靶材，溅射得到0.5? 厚的晶态YSZ层； E.非晶态YSZ层的制备:采用射频磁控溅射的方法，在真空气氛及500°C降温到室温的降温过程中，采用YSZ为靶材，在步骤D得到的复合基片上溅射得到0.5?I μ m厚的非晶态YSZ层； F.Al2O3层的制备:将步骤E得到的复合基片置于真空气氛下，采用电子束蒸发的方法在400°C下蒸镀得到8?12 μ m厚的Al2O3 ;然后在800°C温度下原位退火I小时；冷却后取出复合基片，在大气环境下、800°C温度下退火2小时，得到所述Al2O3层6 ;从而得到所述金属基高温绝缘层。
4.根据权利要求3所述的金属基高温绝缘层的制备方法，其特征在于，步骤B中所述的制备NiCrAH合金过渡层的过程为:在背底真空度为5X10_3Pa、溅射气压为0.35Pa、温度为450?500°C、溅射功率为500W的条件下，以NiCrAH合金为靶材，以体积百分比计纯度不低于99.99%的氩气作为溅射介质，溅射5小时，得到厚度为10?12 μ m的NiCrAH合金过渡层。
5.根据权利要求3所述的金属基高温绝缘层的制备方法，其特征在于，步骤D中所述的真空气氛为5X 10_4Pa，YSZ靶材的纯度不低于99.99%。
6.根据权利要求3所述的金属基高温绝缘层的制备方法，其特征在于，步骤E中所述的真空气氛为5X 10_4Pa，YSZ靶材的纯度不低于99.99%。
7.根据权利要求3所述的金属基高温绝缘层的制备方法，其特征在于，步骤F中所述的真空气氛为5X 10_4Pa，所述蒸镀采用的原料是直径为I?3毫米的Al2O3颗粒。
【文档编号】C23C8/12GK104149416SQ201410418821
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月22日 优先权日:2014年8月22日
【发明者】蒋书文, 杨晓东, 蒋洪川, 赵晓辉, 张万里 申请人:电子科技大学