SiC晶體測溫判讀技術(shù)研究

呂靜雯，蔣洪川，閆 帥，李 揚(yáng)，趙麗君，趙曉輝，張萬里

(1.電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 611731；2.中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川綿陽 621010)

1 引言

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)朝高推重比、高馬赫數(shù)、高效率及高穩(wěn)定性方向發(fā)展[1]，其壓氣機(jī)壓比、轉(zhuǎn)速及渦輪前溫度都將更高，渦輪葉片也將承受更為嚴(yán)重的熱應(yīng)力和應(yīng)變，造成其蠕變壽命大幅度下降，甚至出現(xiàn)葉片燒蝕、斷裂[2-3]。為了對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和維護(hù)，精確測量渦輪葉片的表面溫度分布十分必要。

目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片等高溫部件的測溫方法，主要有熱電偶、示溫漆、紅外輻射、藍(lán)寶石光纖、SiC晶體等方法。其中，SiC晶體測溫技術(shù)具有測溫晶體尺寸小、無需引線、測溫精度高、可高密度陣列式布點(diǎn)、測試改裝易實(shí)現(xiàn)，以及能測量渦輪葉片緣板、榫頭等其他測溫方法難以實(shí)現(xiàn)測量的特殊位置而具有明顯的優(yōu)勢[4]。晶體測溫技術(shù)最早由俄羅斯庫爾恰托夫原子能研究所開發(fā)設(shè)計(jì)，其研究的SiC晶體的應(yīng)用溫度范圍為150～1 450℃，曾廣泛用于評估Bor-4 和Bor-5 航天飛行器飛行試驗(yàn)條件下從軌道計(jì)劃降落至地球時(shí)的外部溫度載荷，且評估結(jié)果已成功應(yīng)用于暴風(fēng)雪號(hào)軌道航天飛船的設(shè)計(jì)及飛行試驗(yàn)[5]。目前，國外的晶體測溫技術(shù)已比較成熟，尤其是美國、俄羅斯和烏克蘭，已形成了完整的研發(fā)及應(yīng)用體系[6-8]。國內(nèi)對晶體測溫技術(shù)的研究起步較晚，尚處在理論研究與驗(yàn)證階段。張興等[9]針對航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件高溫測試的技術(shù)難題，開展了SiC晶體測溫技術(shù)研究，闡述SiC晶體的退火特性和缺陷觀察方法。

由于國外的核心技術(shù)不公開，只介紹原理以及測試應(yīng)用案例，國內(nèi)用戶想用SiC 晶體測溫方法判讀溫度需要支付昂貴的費(fèi)用，導(dǎo)致SiC 晶體測溫方法尚未在國內(nèi)得到廣泛使用。為此，本文對航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片SiC 晶體測溫判讀技術(shù)進(jìn)行了探究。深入研究了輻照SiC晶體的殘余缺陷濃度與退火溫度之間的關(guān)系，建立了溫度判讀數(shù)據(jù)庫，并且通過Matlab 軟件搭建了溫度判讀可視化界面，用戶可以通過該溫度判讀軟件輕松實(shí)現(xiàn)渦輪葉片所經(jīng)歷最高溫度的判讀。

2 SiC晶體的熱處理與分析方法

2.1 熱處理

實(shí)驗(yàn)中使用的SiC單晶樣品由中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院提供。在標(biāo)定爐中標(biāo)定同批次的輻照SiC單晶樣品。標(biāo)定處理溫度范圍為500～1 400℃，溫度梯度為100℃，恒溫時(shí)間為5 min。第一輪溫度標(biāo)定后，完成拉曼光譜及X 射線衍射等相關(guān)測試。繼而，利用同一批樣品進(jìn)行第二輪標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，單次標(biāo)定時(shí)間為5 min，相當(dāng)于標(biāo)定15 min的樣品。標(biāo)定過程中，盡量避免升降溫過程帶來的誤差，控制晶體只經(jīng)歷最高溫度。

2.2 SiC晶體的拉曼光譜分析

利用拉曼光譜[10]分析SiC 單晶樣品的輻照缺陷和退火過程中的晶體缺陷變化。當(dāng)SiC晶體樣品經(jīng)過中子輻照后點(diǎn)缺陷表現(xiàn)明顯，產(chǎn)生弗倫克爾對[11]。X 射線衍射峰的變化體現(xiàn)在峰位偏移和峰形展寬上，即樣品衍射角(2θ)和半高寬(FWHM)增大[12-14]。本實(shí)驗(yàn)中SiC 單晶樣品的中子輻照條件為：中子注量1.72×1019n/cm2，輻照溫度60～80℃。圖1 為中子輻照后SiC單晶樣品的拉曼光譜。分析可得，SiC單晶樣品出現(xiàn)了光學(xué)拉曼峰的位置偏移和非對稱性展寬，并且在534 cm-1出現(xiàn)了新的散射峰。這是因?yàn)橹凶虞椪掌茐牧司Ц竦拈L程有序，導(dǎo)致晶格平移，對稱性遭到破壞。

圖1 中子輻照前后SiC單晶樣品的拉曼光譜Fig.1 Raman spectroscopy of SiC single crystal samples before and after neutron irradiation

圖2 中子輻照SiC單晶樣品隨退火溫度變化的拉曼光譜Fig.2 Raman spectra of neutron irradiated SiC single crystal samples with annealing temperature

圖2 為中子輻照SiC 單晶經(jīng)過不同溫度退火后的拉曼光譜。由圖可知，隨著退火溫度的逐漸升高，在792 cm-1、975 cm-1位置的峰不斷向高波數(shù)方向移動(dòng)。輻照后新出現(xiàn)的峰也隨著退火溫度的升高而降低，并逐漸消失。這些現(xiàn)象說明，隨著退火溫度的升高，晶格內(nèi)部缺陷逐漸減少，晶格也在恢復(fù)長程有序的結(jié)構(gòu)。

2.3 SiC晶體的X射線衍射分析

SiC單晶樣品為0.2 mm×0.2 mm×0.3 mm的長方體狀。由于晶體切割偏角的影響，導(dǎo)致在衍射面不是每個(gè)方向都有衍射峰的出現(xiàn)。因此采用高分辨率X 射線衍射儀進(jìn)行φ掃描確定X 射線入射方向，再采用θ-2θ聯(lián)動(dòng)模式測量SiC晶體的(006)晶面，得到不同標(biāo)定試驗(yàn)條件處理的SiC測溫單晶樣品(006)晶面衍射峰2θ和半高寬。圖3給出了2θ隨退火溫度的變化趨勢。針對經(jīng)標(biāo)定處理5 min、10 min 和15 min的SiC單晶樣品，在400～1 200℃范圍內(nèi)，其(006)晶面衍射峰2θ隨著溫度的升高以近似線性的趨勢增大。然而，由圖3(c)可知，在標(biāo)定溫度超過1 300℃且標(biāo)定時(shí)間達(dá)到15 min時(shí)，樣品2θ判讀結(jié)果反而有所降低。這可能是15 min 標(biāo)定樣品已經(jīng)將缺陷修復(fù)到最大程度，繼續(xù)退火導(dǎo)致晶格內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力等缺陷，造成2θ判讀結(jié)果降低。由此可以推測，5 min與10 min標(biāo)定樣品，其內(nèi)部缺陷均未達(dá)到最大程度的修復(fù)。圖4為FWHM隨退火溫度的變化曲線。可見不同標(biāo)定時(shí)間下，SiC 單晶樣品(006)晶面衍射峰FWHM隨著溫度的升高以近似線性的趨勢減小。

3 SiC晶體的數(shù)據(jù)處理與溫度判讀

3.1 2θ數(shù)據(jù)處理

經(jīng)中子輻照的SiC單晶樣品產(chǎn)生的缺陷在高溫環(huán)境下被部分修復(fù)，殘余缺陷濃度可以用晶格參數(shù)表示。SiC晶體結(jié)構(gòu)經(jīng)高溫環(huán)境修復(fù)后的晶格變化即衍射角隨著修復(fù)溫度的升高和修復(fù)時(shí)間的增加而增大，可用公式(1)[15]表示：

式中：D為XRD 測得的晶格參數(shù)衍射角；A、B、C為常數(shù)；Tmax為樣品所經(jīng)歷的最高溫度(℃)；teqv為等效時(shí)間(min)。

將標(biāo)定過程中的多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入公式(1)，求得常數(shù)A、B、C；繪制2θ與teqv的變量關(guān)系圖，即2θ標(biāo)定曲線圖(圖5)，以此建立測試晶體最高溫度、時(shí)間和衍射角三個(gè)變量關(guān)系的數(shù)據(jù)庫，作為溫度判讀的依據(jù)。

3.2 半高寬數(shù)據(jù)處理

圖3 SiC單晶樣品衍射角隨退火溫度的變化曲線Fig.3 The 2θ values with annealing temperature curve

圖4 SiC單晶樣品半高寬隨退火溫度的變化曲線Fig.4 The FWHM values with annealing temperature curve

圖5 2θ 標(biāo)定曲線圖Fig.5 Calibration curve by 2θ

圖6 半高寬標(biāo)定曲線Fig.6 Calibration curve by FWHM

綜合X 射線衍射的測試結(jié)果，可得到半高寬標(biāo)定曲線(圖6)并作為溫度判讀依據(jù)。由圖6可知：隨著溫度的升高，SiC 單晶樣品(006)晶面衍射峰半高寬以近似線性的趨勢減小。由5 min 與10 min 標(biāo)定的兩條半峰寬曲線可以看出，不同溫度下標(biāo)定樣品的半高寬值很好地聚集于擬合曲線周圍。但是，當(dāng)標(biāo)定溫度超過1 100℃、標(biāo)定時(shí)間達(dá)到15 min 時(shí)，樣品的半高寬值分布較為發(fā)散。以上現(xiàn)象表明，輻照晶體經(jīng)過較低溫度熱處理時(shí)，需要較長的時(shí)間來實(shí)現(xiàn)有序結(jié)構(gòu)的回復(fù)；而經(jīng)過較高溫度熱處理時(shí)，則在較短的時(shí)間內(nèi)就能實(shí)現(xiàn)有序結(jié)構(gòu)的回復(fù)。在經(jīng)歷溫度較高的條件下，延長最高溫度下的保溫時(shí)間反而會(huì)造成新的缺陷。此結(jié)果與2θ研究結(jié)果一致。由此可以推測，溫度對SiC 單晶樣品晶格變化的影響遠(yuǎn)超于時(shí)間的作用。

3.3 等效時(shí)間算法處理

等效時(shí)間是指最高溫度下引起的晶格變化與實(shí)際多個(gè)階段測試?yán)鄯e所引起同樣的晶格變化所需的時(shí)間。首先將實(shí)際工況得到的渦輪葉片轉(zhuǎn)速與時(shí)間的關(guān)系曲線進(jìn)行歸一化處理。據(jù)已知的經(jīng)驗(yàn)，葉片轉(zhuǎn)速越大，溫度就越高。在實(shí)際應(yīng)用中，可將轉(zhuǎn)速歸一化等效為溫度歸一化時(shí)間歷程曲線圖，如圖7 所示。然后計(jì)算出SiC 單晶樣品所經(jīng)歷最高溫度下的等效時(shí)間和最高溫度。圖8為等效時(shí)間說明示意圖，可看出，實(shí)際過程中的每一個(gè)時(shí)間段都可以轉(zhuǎn)換為最高溫度下的等效時(shí)間，整合在一起得到最高溫度時(shí)的等效時(shí)間。本文采用迭代計(jì)算方法將實(shí)際多階段時(shí)間轉(zhuǎn)換成最高溫度下的等效時(shí)間，其計(jì)算流程如圖9所示。

圖7 歸一化時(shí)間歷程曲線Fig.7 Normalized time history curve

圖8 等效時(shí)間說明示意圖Fig.8 Equivalent time description diagram

4 SiC晶體測溫判讀軟件編寫

測溫判讀軟件編寫主要運(yùn)用數(shù)值處理、程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)可視化以及圖形用戶界面(GUI)。軟件編寫框架如圖10所示，依次為：GUI的設(shè)計(jì)；2θ和半高寬曲線的繪制；Excel文件的讀取以及溫度歷程曲線的繪制——在此步驟進(jìn)行等效時(shí)間的計(jì)算；判讀階段的最高溫度輸出；轉(zhuǎn)換成EXE文件單獨(dú)運(yùn)行。

圖9 等效時(shí)間的迭代計(jì)算流程圖Fig.9 Equivalent time flow chart with iterative calculation

圖10 軟件編寫流程圖Fig.10 Software programming flow chart

圖11 軟件運(yùn)行界面Fig.11 Software running interface

圖11為軟件運(yùn)行溫度判讀界面。如圖所示，軟件的界面分為繪制2θ標(biāo)定曲線、歸一化時(shí)間歷程曲線與半高寬標(biāo)定曲線三個(gè)部分。這樣的設(shè)計(jì)使溫度判讀過程方便快捷，并且可檢查每一個(gè)步驟及計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)過程中，將標(biāo)定溫度為850℃、標(biāo)定時(shí)間為5 min 的一個(gè)SiC 單晶樣品進(jìn)行XRD 測試，得到的晶格參數(shù)2θ值為35.584 8°，F(xiàn)WHM值為0.078 8°。將兩個(gè)晶格參數(shù)值代入軟件分別進(jìn)行判讀，2θ標(biāo)定曲線判讀溫度為822.9℃，F(xiàn)WHM標(biāo)定曲線判讀溫度為869.4℃，優(yōu)化可得最終判讀溫度為846.2℃，判讀誤差為0.447%。

5 結(jié)論

采用經(jīng)中子輻照的SiC 單晶作為測溫元件，利用其通過退火處理缺陷湮滅的原理，并通過拉曼光譜和X 射線衍射等測試手段，成功搭建了SiC 晶體的晶格常數(shù)(2θ與半高寬)與退火溫度及保溫時(shí)間的關(guān)系曲線。具體研究結(jié)果如下：

(1)拉曼光譜結(jié)果表明，SiC 單晶樣品經(jīng)過500～1 400℃退火后，隨著退火溫度的升高，晶格內(nèi)部缺陷濃度逐漸降低，晶格也在恢復(fù)長程有序的結(jié)構(gòu)。

(2)高分辨率X射線衍射結(jié)果表明，SiC單晶樣品經(jīng)過500～1 400℃退火后，隨著退火溫度的升高，(006)晶面2θ逐漸增大，而半高寬逐漸減小。

(3)采用Matlab 編制了晶體測溫判讀軟件，并實(shí)現(xiàn)了可視化。判讀軟件的測溫范圍為500～1 400℃，判讀誤差為0.447%。