专利名称：用于燃气涡轮机环境的热电偶的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及热电偶及其制造方法，且具体地涉及薄膜单元素热电元件和结构 形成的热电偶并且所述热电偶可以被沉积在非平坦表面上且在超高温度时是有效的。
背景技术：
存在对于在超高温度下操作的现代燃气涡轮机内关键运动部件的结构整体性的 实时测量的日益需求。此外，未来的燃气涡轮机将需要更高操作温度。不过，在这些涡轮机 中存在的严酷的涡轮机环境以及缺乏长期有效的传感器功能，使得难以满足这些目标。被 暴露于热气路径的材料更接近其设计余量被操作，这需要研发准确且可靠的传感器来监控 操作期间材料的情况。当寿命预测工具利用实验室产生的数据时，具有嵌入式传感器的主 动监控使得能够更好地理解材料失效、由于材料退化而导致的功能损失以及涂层分层或裂 纹或剥落的物理现象。涡轮机通常包括在旋转元件上各种暴露于高温和大的离心力的多种 部件材料，且其经常由高度导电的金属材料围绕。具有真实可靠性的温度传感器是热电偶。原则上，当由不同金属制成的两个导体 在两端结合时，形成热电电路。当这个电路的其中一端被加热时，在热电电路中存在流动的 持续电流。在1821年由Thomas Seebeck发现了这个现象。如果这个电路在中心断开，则 热开路电压(Seebeck电压)是接点温度和两种金属的成分的函数。这种电路被公知为热电偶。大多数现有技术的热电偶是由电线制成的。例如，诸如S型热电偶的标准热电偶 的构造是其中一个电线腿是纯钼电线而第二电线腿是近似90%钼和10%铑的合金。另一种 标准现有技术热电偶的示例是R型热电偶，其具有由95%钼和5%铑构成的合金制成的一个 电线腿以及由87%钼和13%铑构成的合金制成的另一个电线腿。当热电偶由电线制成且其 中组分的百分比沿电线长度一致时这些合金组合工作良好。当热电偶腿被沉积在薄膜结构 中时这是不必要的。例如，当沉积合金(例如钼-10%铑)时，沿热电偶腿的长度将发生成分 变化。也就是说，10%铑将不会在各处均勻分布，而这会导致热电偶性能的偏差。因此，需要可靠且能够承受燃气涡轮机的严酷环境的热电偶。当热电偶需要在温 度可高于1300摄氏度的涡轮机热气路径段中工作时，也需要热电偶对于部件的性能或寿 命具有最小影响。
参考附图在下述说明中解释了本发明，附图示出了
图1是涡轮机叶片的立体图，该涡轮机叶片具有形成于其上的传感器，例如热电偶。图2是涡轮机叶片的一部分的横截面图，其示出了根据本发明形成在叶片上的热
4屏障涂层上的薄膜热电偶。图3是根据本发明的薄膜热电偶的平面图。图4A是涡轮机叶片的一部分的横截面图，其示出了根据本发明的实施例形成在 叶片上的热屏障涂层(TBC)上的高温电介质上的热电偶。图4B是涡轮机叶片的一部分的横截面图，其示出了根据本发明的实施例形成在 直接被沉积到叶片基底上且在TBC层下方的高温电介质上的热电偶。图4C是涡轮机叶片的一部分的横截面图，其示出了根据本发明的实施例形成在 TBC层内的热电偶。图5是根据本发明沉积在TBC层上方或下方的高温电介质上的薄膜热电偶的平面 图。图6是示出单元素热电偶随温度增加的性能的示图。图7是示出了单元素热电偶与标准S型热电偶相比较的性能的示图。
具体实施例方式随着薄膜技术的发展，已经认识到对于测量固体表面温度而言，薄膜热电偶具有 优于标准电线热电偶的多个优点。它们具有小的质量从而提供非常快速的响应，相比于电 线传感器薄膜的厚度不会干扰表面的对流热传递特性，并且其小尺寸非常适合于复杂电子 制造技术。此外，当附连于涡轮机部件时薄膜传感器的小的质量不会产生与因涡轮机旋转 而导致的被施加于热电偶上的离心力相关的问题。此外，薄膜传感器允许适用于涡轮机部 件的非平坦表面。附加地，薄膜传感器在严酷涡轮机环境中关键运动部件上的实施方式为 操作期间基于情况的监控提供了优秀的数据来源。这些热电偶提供了能够可靠监控服役中 的部件的实时温度分布。一种这样的薄膜传感器族是单元素热电偶。单元素热电偶具有两 个腿，每个腿由不同的单一元素材料(例如，如钼、钯、铑或铱的贵金属)制成。换言之，单元 素热电偶不会使用如S型和R型电线热电偶中所用的合金电线制成的腿。可以使用纯钼和纯钯金属作为热电偶的两个腿，这是因为其CTE相比于沉积在涡 轮机部件(即叶片)上的底层陶瓷热屏障涂层(TBC)而言具有微小的不匹配度。而且，由于 这些金属的纯度(即，它们均是单元素的)，沿被沉积的热电偶线路的长度存在极小的有助 于热电偶性能变化的化学差异。这里使用的术语“纯”或“单元素”意味着纯度水平为至少 99wt.%。使用这些金属的其他优点包括它们具有优异的氧化特性和高的熔点(例如钼是 1769摄氏度)，这允许热电偶被沉积在可能会直接暴露于热燃气路径环境中的TBC的顶表 面上。图1中示出了一种能够收集实时温度数据的仪表化运动涡轮机部件，其中燃气涡 轮机11的涡轮机叶片10具有安装在其上的热电偶12和通向电路16的导体14，该电路16 处理并传输源自热电偶12的数据至涡轮机11外部的接收器电路(未示出)。电路16的有 效技术方案被公开于标题为 “SMART COMPONENT FOR USE IN AN OPERATING ENVIRONMENT” 的已公开的美国专利申请公开号US 2005/0198967 Al。现在参考图2，示出了涡轮机叶片10的一部分的横截面图，该涡轮机叶片10具有 安装于其上的根据本发明的一种实施例的薄膜热电偶12，该薄膜热电偶12形成于覆盖金 属叶片的TBC 20顶部。叶片10的底层基底22具有首先形成于其上的粘结层M，该粘结层对将180 20分离于基底并且确保这二者间的良好粘结。图3是热电偶12的平面图，其中 根据一种实施例，第一腿26由纯钼形成且第二腿观由纯钯形成。两个腿沈和观的第一 端在点30处结合在一起，这使得这两个腿之间形成欧姆接触并且形成热接点以用于将热 转换成电信号(即，kebeck电压)。结合片32A和32B分别形成于腿沈和观的另一端上， 这允许与导体14产生电接触以便将电信号(即kebeck电压)传输到电路16。高温涡轮机环境(例如高于800摄氏度)的另一考虑是TBC材料的介电/离子导电 性。由氧化钇稳定氧化锆制成的标准TBC在800摄氏度之上损失其介电强度。因此，可需 要陶瓷绝缘涂层34 (图4A)将热电偶12分离于TBC 20，该绝缘涂层通常具有1100摄氏度 之上的介电强度(高温阻抗大于0.5兆欧)。各种氧化物能够在高温保持这样的强度。一 种受关注的成分是钇铝石榴石(YAG)，其已经以50-250微米范围内的厚度被沉积并且已经 被证明在高温(例如高于1100摄氏度)时具有优异的热电偶性能。图4A示出了 TBC 20上 的介电绝缘涂层34的横截面图。具体而言，介电绝缘涂层34物理地且电学地将热电偶12 分离于TBC 20。图4B示出了本发明的可替代实施例，其示出了涡轮机叶片的另一部分，其 中介电绝缘涂层34被直接沉积到基底22上并且热电偶12被沉积在这个介电绝缘涂层上。 而且，如果需要，另一个介电绝缘涂层35 (例如具有相同材料和厚度)可以被沉积在热电偶 12上。最后，TBC层20被沉积在介电绝缘涂层35上(或直接沉积在热电偶上)。因此，热 电偶12被嵌入在结构中并且直接感测部件基底22的温度。图4C是示出了涡轮机叶片的 另一部分的实施例，其中热电偶12被嵌入在TBC层20内并且通过电绝缘材料34、35构成 的层被电绝缘以不接触TBC材料20，以便提供对于TBC层20内的温度的测量。当以常规方 式形成TBC层20时可以通过热喷涂相应材料来形成这种结构。图5是图4A的热电偶12的平面图，其中根据一种实施例，第一腿26’由纯钼形成 且第二腿观’由纯钯形成。两个腿26’和28’在点30’处结合在一起，这使得在两个腿之 间产生欧姆接触。结合片32A’和32B’分别形成于腿26’和观’的另一端上，这允许与导 体14产生电接触。图6是示出了单元素热电偶的性能(曲线40 )的图。随着温度增加，热电偶电压(单 位为mv Wkebeck电压)基本线性增加。在图7中通过与标准S型热电偶(曲线43)相比 较通过曲线41示出了这些热电偶的性能。在这种构造中，单元素热电偶性能处于S型热电 偶的3度之内，这显示出了优异的相关性。腿32A和32B (或32A’和32B’ )以及导体14可以通过例如等离子喷涂、EB PVD, CVD、脉冲激光沉积、微束等离子、直写技术、微束HVOF或溶液等离子喷涂被沉积在叶片10 上。在一种实施例中，热电偶12的腿被沉积的厚度在50-100微米的范围内，该厚度可以是 燃气涡轮机的严酷环境中耐用所必须的。应该注意到，图2、图4A、图4B和图4C的横截面图的比例可以被看作是示出了大 部分涡轮机部件上存在的平坦基底或者弯曲或非平坦表面。根据本发明的可替代实施例，第二腿观或观’可以被替换成透明导电氧化物 (TC0)，而第一腿沈或26’仍是纯钼。这样的TCO利用作为第一腿的钼提供了良好热电响 应，这主要是因为它们具有优异的导电性。另一个优点是它们的化学稳定性。这种氧化物 的示例是 CuAlO2, In2O3-SnO2、掺杂 ZnO 的 In2O3-SnO2, Ga203> CdIn2O4, Cd2SnO4 和 ZnO。这种 可替代实施例将优选用于温度超过1550摄氏度的环境，因为在这个温度之上纯钯开始软化和氧化。在图6中通过曲线42示出了纯钼-氧化物热电偶的性能曲线。在涡轮机部件的非平坦表面上制造薄膜热电偶的方法可以包括如下步骤激光切 割第一掩膜并且将该第一掩膜成形为符合非平坦表面，所述第一掩膜包括限定所述热电偶 的第一元件的样式开口 ；将第一导体沉积在所述第一掩膜的所述样式开口中；激光切割第 二掩膜并且将所述第二掩膜成形为符合所述非平坦表面，所述第二掩膜包括限定所述热电 偶的第二元件的样式开口 ；以及将第二导体沉积在所述第二掩膜的所述样式开口中。虽然这里已经示出并描述了本发明的各种实施例，不过显而易见的是这些实施例 仅作为示例方式被提供。在不背离本发明的情况下可以做出大量改型、改变和替代。因此， 本发明旨在仅通过所附权利要求的精神和范围被限制。
权利要求
1.一种在燃气涡轮发动机的高温环境中使用的热电偶，包括第一电绝缘层，其被形成在所述燃气涡轮发动机的部件的表面上并且在发动机的操作 温度下有效地提供一定程度的电绝缘从而有效地允许热电偶的操作；包含钼的第一热电偶腿，其具有50-100微米范围内的厚度且被沉积在所述第一绝缘 层上；以及包括钯的第二热电偶腿，其也被形成在所述第一绝缘层上并且具有在50-100微米范 围内的厚度，其中所述第一和第二热电偶腿在每个腿的第一端处形成欧姆接触从而形成热 接点以用于将热转换成电信号，并且其中每个腿的第二端被设置成电接触用于将所述电信 号处理成所述部件的所述表面的温度的读数的电路。
2.如权利要求1所述的热电偶，其中所述钼的纯度是至少99wt.%。
3.如权利要求1所述的热电偶，其中所述钯的纯度是至少99wt.%。
4.如权利要求1所述的热电偶，还包括被沉积在所述基底和所述第一绝缘层之间的陶 瓷热屏障涂层。
5.如权利要求1所述的热电偶，还包括被沉积在所述热电偶上的第二电绝缘层；以及被沉积在所述第二电绝缘层上的热屏障涂层。
6.如权利要求1所述的热电偶，还包括被沉积在所述基底和所述第一绝缘层之间的陶瓷热屏障涂层的下部；被沉积在所述热电偶上的第二电绝缘层；以及被沉积在所述第二绝缘层上的所述陶瓷热屏障涂层的上部，使得所述热电偶随所述陶 瓷热屏障涂层被设置。
7.如权利要求1所述的热电偶，其中所述第一绝缘层是在1100摄氏度以上保持大于 0.5兆欧的阻抗的氧化物涂层。
8.如权利要求7所述的热电偶，其中所述第一绝缘层包含钇铝石榴石。
9.如权利要求5所述的热电偶，其中所述第二绝缘层是在1100摄氏度以上保持大于 0.5兆欧的阻抗的氧化物涂层。
10.如权利要求9所述的热电偶，其中所述第二绝缘层包含钇铝石榴石。
11.一种仪表化燃气涡轮机部件，包括由热屏障涂层热隔绝的金属基底；电绝缘材料层，其在1100摄氏度以上保持大于0. 5兆欧的阻抗并且被沉积在所述热屏 障涂层的暴露表面上；形成在所述电绝缘材料层上的热电偶，所述热电偶包括包含第一纯金属的第一腿和与 所述第一腿形成欧姆接触的第二腿。
12.根据权利要求11所述的部件，其中所述第二腿包含不同于所述第一纯金属的第二 纯金属。
13.根据权利要求11所述的部件，其中所述第一腿包含钼并且所述第二腿包含钯、铑 或铱。
14.根据权利要求11所述的部件，其中所述第二腿包含由CuAlO2Jn2O3-SnO2、掺杂ZnO 的 In203-Sn02、Ga203> Cdln204、Cd2SnO4 和 SiO 组成的组中的一者。
15.一种仪表化燃气涡轮机部件，包括金属基底；第一电绝缘材料层，其在1100摄氏度以上保持大于0. 5兆欧的阻抗并且被沉积在所述金属基底上；形成在所述电绝缘材料层上的热电偶，所述热电偶包括包含第一纯金属的第一腿和与 所述第一腿形成欧姆接触的第二腿；第二电绝缘材料层，其在1100摄氏度以上保持大于0. 5兆欧的阻抗并且被沉积在所述 热电偶上；以及被沉积在所述第二电绝缘材料层上的陶瓷热屏障涂层。
16.根据权利要求15所述的部件，其中所述热屏障涂层材料包含氧化钇稳定氧化锆并 且所述电绝缘材料包括钇铝石榴石。
17.根据权利要求16所述的部件，其中所述第二腿包含不同于所述第一纯金属的第二纯金属。
18.根据权利要求17所述的部件，其中所述第二腿包含由钯、铑或铱构成的组中的一者ο
19.根据权利要求15所述的部件，其中所述第二腿包含由CuAlO2Jn2O3-SnO2、掺杂ZnO 的 In203-Sn02、Ga203> Cdln204、Cd2SnO4 和 SiO 组成的组中的一者。
20.根据权利要求15所述的部件，其中所述热电偶的每个腿具有在50-100微米范围内的厚度。
全文摘要
公开了用于燃气涡轮机部件的薄膜热电偶(12)。该热电偶可以被形成在非平坦基底(22)上，该基底具有形成于其上的电绝缘层(34)，该电绝缘层能够在燃气涡轮机的操作温度下维持其隔绝特性。由纯铂制成的第一热电偶腿(26)之后被沉积在介电层(34)上。由另一纯金属或透明陶瓷氧化物制成的第二热电偶腿(28)也被形成在介电层(34)上，其中第一和第二热电偶腿在每个腿的第一端处形成欧姆接触从而形成热接点(30)以便将热转换为电信号。热电偶可以被沉积在热屏障涂层的表面上或热屏障涂层和底层金属基底之间。
文档编号G01K7/02GK102112854SQ200980130194
公开日2011年6月29日 申请日期2009年7月1日 优先权日2008年8月1日
发明者A·A·库尔卡尼, D·J·米切尔, E·R·勒施 申请人:西门子能源公司