CN110132561A - 一种面向极端环境的叶片应力/应变动态测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向极端环境的叶片应力/应变动态测试方法，包括如下步骤：S1、采用磁控溅射工艺在航空发动机/火力发电燃气轮机的叶片与外壳表面分别溅射耐高温敏感芯片薄膜与耐高温读取天线薄膜；S2、将耐高温读取天线薄膜的两端与集供电单元、数据读取单元与数据存储单元于一体的后端处理模块相连；S3、当叶片高速旋转工作时，耐高温敏感芯片薄膜内的叉指电容因感知叶片受力形变而发生变化，导致LC回路中的谐振频率f0发生变化，该谐振频率f0以无线非接触地方式传输到后端处理模块内，经数据读取单元分析处理即可实现对旋转叶片表面应力/应变参数的实时测试。本发明可以实现恶劣环境下旋转叶片表面应力/应变参数的动态测量。

Description

一种面向极端环境的叶片应力/应变动态测试方法
技术领域
本发明涉及应力应变测试技术领域，具体涉及一种面向极端环境的叶片应力/应变动态测试方法。
背景技术
对民用航空发动机与火力发电燃气轮机而言，其内部叶片在工作状态下处于极其恶劣的环境(如高温、高旋、强振、冲击、腐蚀等)，而叶片的可靠工作寿命是民用航空发动机与火力发电燃气轮机性能好坏的一个关键技术指标，因此，对工作状态下叶片表面应力/应变参数的实时检测就显得尤为重要。由于旋转叶片处于高温、高旋、强振、冲击、腐蚀等复杂恶劣环境，工作条件极为苛刻，而传统的应力/应变传感器无法安装于叶片表面，不能直接/间接实现叶片表面应力/应变参数的实时动态测试。因此，亟需发明一种全新的面向极端环境的叶片应力/应变动态测试方法去实现高温、高旋、强振、冲击、腐蚀等恶劣环境下旋转叶片表面应力/应变参数的动态测量。
发明内容
本发明提供了一种面向极端环境的叶片表面应力/应变测试方法，旨在解决背景技术存在的问题以实现高温、高旋、强振、冲击、腐蚀等恶劣环境下叶片表面应力/应变参数的实时动态测量。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种面向极端环境的叶片应力/应变动态测试方法，包括如下步骤：
S1、采用磁控溅射工艺在航空发动机/火力发电燃气轮机的叶片与外壳表面分别溅射耐高温敏感芯片薄膜与耐高温读取天线薄膜，其中，耐高温敏感芯片薄膜与耐高温读取天线薄膜通过中间层之间的电感耦合实现数据的无线非接触传输；耐高温敏感芯片薄膜的中间层为电性能元件薄膜，由并联的叉指电容与螺旋电感串联组成LC回路，螺旋电感的外端直接与叉指电容的一端相连，内端螺旋绕出与叉指电容的另一端相连；耐高温读取天线的中间层为同轴螺旋电感薄膜；
S2、将耐高温读取天线薄膜的两端分别与集供电单元、数据读取单元与数据存储单元于一体的后端处理模块相连；
S3、当叶片高速旋转工作时，后端处理模块内的供电单元通过电感间的互感耦合为耐高温敏感芯片薄膜提供能量，耐高温敏感芯片薄膜内的叉指电容因感知叶片受力形变而发生变化，导致LC回路中的谐振频率f0发生变化，该谐振频率f0以无线非接触地方式传输到后端处理模块内，经数据读取单元分析处理即可实现对旋转叶片表面应力/应变参数的实时测试。
进一步地，所述耐高温敏感芯片薄膜的顶层与底层、耐高温读取天线薄膜的顶层与底层均为Al2O3薄膜。
进一步地，所述同轴螺旋电感薄膜的材料为耐高温金属Pt。
进一步地，所述Al2O3薄膜通过以下步骤制备：
a.利用丙酮、乙醇、去离子水依次清洗叶片表面，以防叶片表面不清洁而使薄膜的附着性降低；
b.将金属Al靶材与洁净的叶片分别放至相应的靶位与样品旋转台上；
c.对镀膜腔室进行抽真空处理，待镀膜腔室真空度达到1*10-3Pa时，关闭真空计停止真空处理；
d.将混合均匀的Ar及O2通入真空镀膜腔室，待腔室的工作气压达到0.1Pa时停止通气并维持稳定；
e.启动溅射电源开始溅射，将真空镀膜腔室内的Ar电离成Ar+和e-，并启动样品旋转台以保证Al2O3在叶片表面均匀成膜；
f.Al金属靶表面经Ar+轰击出Al粒子，Al粒子与真空镀膜腔室内的氧气发生反应形成Al2O3并向叶片移动，且沉积在叶片表面的Al粒子同样受O2影响而形成Al2O3薄膜；
g.当叶片表面的Al2O3薄膜达到1μm时，关闭溅射电源，溅射停止，叶片停止旋转，Al2O3薄膜溅射结束。
进一步地，所述电性能元件薄膜通过以下步骤制备所得：
a.为保证涂胶过程叶片表面的清洁度，首先对上述溅射有Al2O3薄膜叶片表面进行清洗、脱水处理，脱水时，将叶片放在150～200℃温度下的箱式烘干炉30min，烘干叶片表面残留的溶液；
b.将叶片放于旋转台上静置，把光刻胶滴落在Al2O3薄膜表面上，加速叶片旋转使光刻胶均匀地涂附在Al2O3薄膜表面上，光刻胶旋涂后，利用箱式烘干炉烘干叶片以除去光刻胶内的溶剂，增强光刻胶的粘结性；
c.制备所需电性能元件的图形掩模版，将其置于涂有光刻胶一面的叶片上方，用爆光灯光照射掩模版3～5s，使掩模版的图形完整的转移到叶片表面；
d.使用箱式烘干炉在100℃温度下再次烘干曝光后的叶片以减少曝光区与非曝光区间的驻波反应，避免显影后电性能元件的图形的分辨率受影响并使感光区的光刻胶充分反应；
e.将曝光后的叶片浸泡在显影液内5～10s，去除感光的光刻胶使电性能元件图形显示出来；
f.在真空度为3*10-3Pa，工作气压为0.5Pa的镀膜腔室内，以耐高温金属Pt为溅射靶材，以Ar为溅射气体，制备0.5μm厚的金属Pt薄膜；
g.将溅射有Pt薄膜的叶片在与光刻胶互溶的有机溶液内浸泡后，用去离子水清洗，去除多余的光刻胶，使用有机溶液去胶不会使叶片发生腐蚀。
进一步地，所述同轴螺旋电感薄膜通过以下步骤制备所得：
a.将金属Pt靶材放入样品旋转台上后，对镀膜腔室进行抽真空处理，待腔室气压3×10-3Pa时停止抽真空处理；
b.将Ar缓慢通入真空腔室内，待真空腔室内的气压达到溅射所需的气压0.5Pa时停止通气并维持稳定；
C.通气结束后，启动溅射电源，开始溅射，电离出的Ar+向Pt靶材方向运动并轰击靶材，Pt粒子被轰击出来向外壳移动，沉积在外壳表面形成Pt薄膜，在Pt薄膜沉积到0.5μm厚时关闭电源停止溅射。
本发明具有以下有益效果：
针对传统应力/应变传感器在应用过程中存在的问题，本发明选择磁控溅射工艺将传感器耐高温敏感芯片薄膜直接溅射在航空发动机/火力发电燃气轮机的旋转叶片表面，该工艺制备的薄膜成膜率高、质量轻，符合航空发动机/火力发电燃气轮机旋转叶片对质量的高要求。
在电性能元件薄膜与同轴螺旋电感薄膜的上下表面分别溅射一层耐高温Al2O3薄膜,下底面的Al2O3薄膜提高了电性能元件薄膜与金属叶片、同轴螺旋电感薄膜与金属外壳的附着性并使二者绝缘，使工作中的耐高温敏感芯片薄膜与耐高温读取天线薄膜可以非常牢固地安装在高速旋转叶片与外壳表面而不脱落，上表面的Al2O3薄膜使得耐高温敏感芯片薄膜与耐高温读取天线薄膜不受航空发动机/火力发电燃气轮机工作时高温、高旋、强振、冲击、腐蚀等恶劣环境的影响。
耐高温读取天线通过与耐高温敏感芯片的电磁耦合实现能量与信号的传输，待测信号以非接触地方式传输到与耐高温读取天线连接的后端处理模块，可以实现对特殊环境下旋转叶片表面应力/应变参数的无线动态获取。
采用磁控溅射工艺制备的耐高温敏感芯片薄膜质量轻薄(<0.1g)，置于航空发动机及燃气轮机的叶片表面，符合其对质量的要求。
附图说明
图1为本发明实施例一种面向极端环境的叶片应力/应变动态测试方法的原理图。
图2为本发明实施例中耐高温敏感芯片薄膜的结构示意图。
图3为本发明实施例中耐高温敏感芯片薄膜的剖面图。
图4为本发明实施例中后端处理模块的结构示意图
图5为本发明实施例中耐高温敏感芯片的电性能元件薄膜的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明的一种面向极端环境的叶片应力/应变动态测试方法基于耐高温敏感芯片薄膜、耐高温读取天线薄膜、后端处理模块实现，耐高温敏感芯片薄膜溅射在航空发动机/火力发电燃气轮机的旋转叶片表面，耐高温读取天线薄膜溅射在航空发动机/火力发电燃气轮机的外壳表面，二者以无线非接触方式实现对旋转叶片表面应力/应变参数的动态测量。耐高温敏感芯片薄膜的结构示意图及剖面图如图2和图3所示，顶层与底层为耐高温Al2O3薄膜，厚度均为1μm,中间层为电性能元件薄膜，厚度为0.5μm，电性能元件薄膜的结构示意图如图5所示，由并联的叉指电容与螺旋电感串联组成LC回路，螺旋电感的外端直接与叉指电容的一端相连，内端螺旋绕出与叉指电容的另一端相连；所述耐高温读取天线的顶层与底层同耐高温敏感芯片薄膜一样，为Al2O3薄膜，中间层为同轴螺旋电感薄膜，其材料为耐高温金属Pt；所述耐高温读取天线薄膜两端与后端处理模块相连，后端处理模块内的供电单元通过电感间的互感耦合为耐高温敏感芯片薄膜提供能量，当叶片旋转工作时，溅射在叶片表面的耐高温敏感芯片中的叉指电容因叶片受力形变而发生变化，导致敏感芯片的谐振频率f0发生改变，此变化可通过无线非接触地方式传输到与耐高温读取天线相连的传感器后端处理模块内，实时保存到数据存储单元内，其数据读取单元通过对数据存储单元内的数据进行处理、分析，即可实现对旋转叶片表面的应力/应变参数的实时分析。如图4所示，所述后端处理模块集供电单元、数据读取单元与数据存储单元于一体。
实施例
一种面向极端环境的叶片应力/应变动态测试方法，包括如下步骤:
S1、采用磁控溅射工艺在航空发动机/火力发电燃气轮机的叶片与外壳表面分别溅射耐高温敏感芯片薄膜与耐高温读取天线薄膜；
S11、采用磁控溅射工艺在航空发动机/火力发电燃气轮机的叶片表面溅射耐高温敏感芯片薄膜；
S111、采用磁控溅射工艺在清洗干净后的叶片上溅射厚度为1μm的Al2O3薄膜；
S112、采用磁控溅射工艺在所述Al2O3薄膜上，以耐高温金属Pt为溅射靶材，Ar为溅射气体，制备厚度为0.5μm的电性能元件薄膜；
S113、采用磁控溅射工艺在所述电性能元件薄膜上溅射厚度为1μm的Al2O3薄膜；
S12、采用磁控溅射工艺在航空发动机/火力发电燃气轮机外壳表面溅射耐高温读取天线薄膜；
S121、采用磁控溅射工艺在清洗干净后的外壳上溅射厚度为1μm的Al2O3薄膜；
S122、采用磁控溅射工艺在所述Al2O3薄膜上，以耐高温金属Pt为溅射靶材，Ar为溅射气体，制备0.5μm厚的同轴螺旋电感薄膜；
S123、采用磁控溅射工艺在所述同轴螺旋电感薄膜上溅射厚度为1μm的Al2O3薄膜；
S2、将耐高温读取天线薄膜的两端分别与后端处理模块相连；
S3、当叶片高速旋转工作时，后端处理模块内的供电单元通过电感间的互感耦合为耐高温敏感芯片薄膜提供能量，耐高温敏感芯片薄膜内的叉指电容因感知叶片受力形变而发生变化，导致LC回路中的谐振频率f0发生变化，该谐振频率f0以无线非接触地方式传输到后端处理模块内，经数据读取单元分析处理即可实现对旋转叶片表面应力/应变参数的实时测试。
本实施例中，所述Al2O3薄膜制备的主要原理是通过Ar+轰击金属铝靶材得到铝粒子，铝粒子与真空镀膜腔室内的O2反应从而形成Al2O3薄膜。具体的制备工艺步骤如下：
a.利用丙酮、乙醇、去离子水依次清洗叶片表面，以防叶片表面不清洁而使薄膜的附着性降低；
b.将金属Al靶材与清洗后的叶片分别放至相应的靶位与样品台上固定；
c.对镀膜腔室进行抽真空处理，达到镀膜所需的真空条件，即达到1*10-3Pa时，关闭真空计停止真空处理；
d.向真空镀膜腔室通入混合均匀的Ar及O2，控制通气速率以控制真空镀膜腔室的气压，待其所需工作气压达到0.1Pa时停止通气并维持稳定；
e.启动溅射电源开始溅射，将真空镀膜腔室内的Ar电离成Ar+和e-，并启动样品旋转台以保证Al2O3在叶片表面均匀成膜；
f.Al金属靶表面经Ar+轰击出Al粒子，Al粒子与真空镀膜腔室内的氧气发生反应Al2O3并向叶片移动，且沉积在叶片表面的Al粒子同样受O2影响而形成Al2O3薄膜；
g.当叶片表面的Al2O3薄膜的厚度达到1μm时，关闭溅射电源，溅射停止，叶片停止旋转，Al2O3薄膜溅射结束。
本实施例中，所述电性能元件薄膜的制备工艺包括电性能元件的图形化、Pt薄膜的制备，具体的制备方法如下：
a.为了保证涂胶过程中叶片表面的清洁度，首先对溅射有Al2O3薄膜的叶片表面进行清洗、脱水等处理，脱水时，将叶片放在150～200℃温度下的箱式烘干炉30min左右，烘干叶片表面残留的溶液；
b.将洁净的叶片放于旋转台上静置，待光刻胶滴落在Al2O3薄膜表面后，加速叶片旋转使光刻胶均匀地涂附在Al2O3薄膜的表面上方，光刻胶旋涂后，利用箱式烘干炉烘干叶片以除去光刻胶内的溶剂，增强光刻胶的粘结性；
c.制备所需的电性能元件的图形掩模版，将其置于涂有光刻胶一面的叶片上方，用爆光灯光照射掩模3～5s，使掩模版的图形完整的转移到叶片表面；
d.使用箱式烘干炉在100℃温度下再次烘干曝光后的叶片以减少曝光区与非曝光区间的驻波反应，避免显影后电性能元件的图形的分辨率受影响并使感光区的光刻胶充分反应；
e.将曝光后的叶片浸泡在显影液内5～10s，去除感光的光刻胶使电性能元件图形显示出来；
f.在真空度为3*10-3Pa、腔室工作气压为0.5Pa的条件下，以耐高温金属pt为溅射靶材，以Ar为溅射气体，来制备厚度为0.5μm的金属Pt薄膜；
g.将溅射有Pt薄膜的叶片在与光刻胶互溶的有机溶液(如丙酮)浸泡后，用去离子水清洗，去除多余的光刻胶，使用有机溶液去胶不会使叶片发生腐蚀。
本实施例中，所述同轴螺旋电感薄膜以耐高温金属Pt为溅射靶材，采用成膜致密且质量轻的磁控溅射工艺制备而成，具体的制备工艺过程如下：
d.将金属Pt靶材放入样品旋转台上后，对镀膜腔室进行抽真空处理，待腔室气压3×10-3Pa时停止抽真空处理；
e.将Ar缓慢通入真空腔室内，待真空腔室内的气压达到0.5Pa时停止通气并维持稳定；
f.通气后，启动溅射电源，开始溅射，电离出的Ar+向Pt靶材方向运动并轰击靶材，Pt粒子被轰击出来向外壳移动，沉积在外壳表面形成Pt薄膜；溅射过程在电源控制下以恒定速率进行，待沉积的Pt薄膜厚度达到到0.5μm时关闭电源停止溅射。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种面向极端环境的叶片应力/应变动态测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、采用磁控溅射工艺在航空发动机/火力发电燃气轮机的叶片与外壳表面分别溅射耐高温敏感芯片薄膜与耐高温读取天线薄膜，其中，耐高温敏感芯片薄膜与耐高温读取天线薄膜通过中间层之间的电感耦合实现数据的无线非接触传输；耐高温敏感芯片薄膜的中间层为电性能元件薄膜，由并联的叉指电容与螺旋电感串联组成LC回路，螺旋电感的外端直接与叉指电容的一端相连，内端螺旋绕出与叉指电容的另一端相连；耐高温读取天线的中间层为同轴螺旋电感薄膜；
S2、将耐高温读取天线薄膜的两端分别与集供电单元、数据读取单元与数据存储单元于一体的后端处理模块相连；
S3、当叶片高速旋转工作时，后端处理模块内的供电单元通过电感间的互感耦合为耐高温敏感芯片薄膜提供能量，耐高温敏感芯片薄膜内的叉指电容因感知叶片受力形变而发生变化，导致LC回路中的谐振频率f0发生变化，该谐振频率f0以无线非接触地方式传输到后端处理模块内，经数据读取单元分析处理即可实现对旋转叶片表面应力/应变参数的实时测试。
2.如权利要求1所述的一种面向极端环境的叶片应力/应变动态测试方法，其特征在于，所述耐高温敏感芯片薄膜的顶层与底层、耐高温读取天线薄膜的顶层与底层均为Al2O3薄膜，且薄膜厚度为1μm。
3.如权利要求1所述的一种面向极端环境的叶片应力/应变动态测试方法，其特征在于，所述同轴螺旋电感薄膜的材料为耐高温金属Pt，且薄膜厚度为0.5μm。
4.如权利要求2所述的一种面向极端环境的叶片应力/应变动态测试方法，其特征在于，所述Al2O3薄膜通过以下步骤制备：
a.利用丙酮、乙醇、去离子水依次清洗叶片表面，以防叶片表面不清洁而使薄膜的附着性降低；
b.将金属Al靶材与洁净的叶片分别放至相应的靶位与样品旋转台上；
c.对镀膜腔室进行抽真空处理，待镀膜腔室的真空度达到1*10-3Pa时，关闭真空计停止真空处理；
d.向真空镀膜腔室通入混合均匀的Ar及O2，控制通气速率以控制真空镀膜腔室的气压，待工作气压达到0.1Pa时停止通气并维持稳定；
e.启动溅射电源开始溅射，将真空镀膜腔室内的Ar电离成Ar+和e-，并启动样品旋转台以保证Al2O3在叶片表面均匀成膜；
f.Al金属靶表面经Ar+轰击出Al粒子，Al粒子与真空镀膜腔室内的氧气发生反应形成Al2O3并向叶片移动，且沉积在叶片表面的Al粒子同样受O2影响而形成Al2O3薄膜；
g.当叶片表面的Al2O3薄膜达到1μm时，关闭溅射电源，溅射停止，叶片停止旋转，Al2O3薄膜溅射结束。
5.如权利要求1所述的一种面向极端环境的叶片应力/应变动态测试方法，其特征在于，所述电性能元件薄膜通过以下步骤制备所得：
a.首先对溅射有Al2O3薄膜的叶片表面进行清洗、脱水处理以去除叶片表面污渍，脱水时，将叶片放在150～200℃温度下的箱式烘干炉30min，烘干叶片表面残留的溶液；
b.将叶片静置于旋转台上，在叶片的Al2O3薄膜表面上滴落光刻胶后，加速旋转叶片使光刻胶均匀地涂附在Al2O3薄膜表面上，光刻胶旋涂后，利用箱式烘干炉烘干叶片以除去光刻胶内的溶剂，增强光刻胶的粘结性；
c.制备所需的电性能元件的图形掩模版，将其置于叶片上方，用爆光灯光照射掩模版3～5s，使掩模版的图形完整的转移到叶片表面；
d.使用箱式烘干炉在100℃温度下再次烘干曝光后的叶片以减少曝光区与非曝光区间的驻波反应，避免显影后电性能元件的图形的分辨率受影响并使感光区的光刻胶充分反应；
e.将曝光后的叶片浸泡在显影液内5～10s，去除感光的光刻胶使电性能元件图形显示出来；
f.设置磁控溅射工艺所需的工作条件，即镀膜真空度为3*10-3Pa，工作气压为0.5Pa，在该条件下，以耐高温金属Pt为溅射靶材，Ar为溅射气体，制备厚度为0.5μm的金属Pt薄膜；
g.将溅射有Pt薄膜的叶片在与光刻胶互溶的有机溶液内浸泡后，再用去离子水清洗叶片表面，去除多余的光刻胶。
6.如权利要求1所述的一种面向极端环境的叶片应力/应变动态测试方法，其特征在于，所述同轴螺旋电感薄膜通过以下步骤制备所得：
a.将金属Pt靶材放入样品旋转台上后，对镀膜腔室进行抽真空处理，待腔室气压3×10-3Pa时停止抽真空处理；
b.将Ar缓慢通入真空腔室内，待真空腔室内的气压达到工作气压0.5Pa时停止通气并维持稳定；
c.通气结束后，启动溅射电源，开始溅射，电离出的Ar+向Pt靶材方向运动并轰击靶材，Pt粒子被轰击出来向外壳移动，沉积在外壳表面形成Pt薄膜；溅射过程在电源控制下以恒定速率进行，在Pt薄膜沉积到要求的厚度时关闭电源停止溅射。
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