Pt/PtRh曲面共形厚膜元件激光微增材加工新方法的基础问题研究

The Pt/PtRh conformal thick film thermocouple， as a key conformal component, is able to sense high temperature of aircrafts’ key part. It has significant meaning to structural optimization and thermal protection of aerospace equipments. How to fabricate Pt/PtRh conformal thick film thermocouples, which have excellent thermal fatigue performance, on the free-form surface of aircrafts’ key part, are in urgent need in the field of space manufacturing. On the foundation of large scale of previous work, proposer innovatively put a new method of laser micro cladding (LMC) direct writing for conformal thick film circuit components with high performance on the free-form surface. Base on the independently developing LMC platform and divide-area algorithm structure, we will do systematical researches as following: the fundamental criteria of high precision manufacturing conformal circuits, process dynamics of LMC manufacturing circuits, effect of thermal fatigue on the properties of conformal thick film thermocouple. Base on these researches, we will reveal the microstructure forming mechanism of Pt/PtRh conformal thick film thermocouples fabricated by LMC direct writing, illuminate performance control theory of Pt/PtRh conformal thick film thermocouples, and master the process specification of LMC direct writing typical components. If this project is approved, the research results will provide a new method and theories, including microstructure forming mechanism and performance control theory, of laser micro cladding manufacturing for conformal thick film circuit components on the free-form surface.

Pt/PtRh共形热电偶是测量飞行器核心部件高温信息的关键共形电路元件，对空天装备的结构优化与热防护具有重要意义。如何在大尺寸自由曲面零部件表面制备热疲劳性能优异的Pt/PtRh共形厚膜热电偶，是航空航天领域的重大需求。在大量预研工作的基础上，申请人创新性地提出了以分区激光微熔覆（LMC）直写技术在自由曲面上制备高品质共形厚膜电路元件的新方法。本项目将基于自主研发的LMC直写平台与分区加工算法，通过研究分区LMC直写共形电路的高精度成形基础、激光微熔覆电路的过程动力学、热疲劳对共形厚膜热电偶的性能影响规律等相关内容，揭示Pt/PtRh共形厚膜电路的激光微熔覆成型机制，阐明Pt/PtRh共形厚膜热电偶的性能调控理论，掌握分区LMC直写制备典型共形厚膜电路元件的工艺规范。本项目若能顺利实施，能为制备自由曲面高性能共形厚膜电路元件的激光微熔覆成型与性能调控提供共性科学依据与工艺方法。

基于激光微熔覆直写的厚膜温度传感器能够共形贴附于高温曲面装备表面，在不影响曲面气动特性的同时规避冷点效应，准确测量气动热变化。且激光微熔覆直写的贵金属厚膜结构，可以适应1000℃以上的高温环境气动热测量，具有广阔的应用前景。本项目重要的研究结果如下：.本项目首先系统研究了激光功率密度对激光微熔覆直写厚膜铂表面温度、线宽、显微结构及电性能的影响规律，结合铂浆的热重-差热曲线分析，探索了激光微熔覆厚膜铂浆的烧结机理。结果表明：激光微熔覆厚膜铂浆膜层表面在2秒钟内迅速经历近千摄氏度的快速升/降温过程，当激光功率密度为1.37×106 W•cm-2时成形效果最优。此时，厚膜中铂颗粒间产生良好的颈部烧结，形成较好的导电网络，电阻率达到最小（46.5×10-6Ω•cm），R2=0.99954，820℃时TCR为2536ppm/℃(t0=30℃)，直写铂电极成形指标达到稳态烧结水平。.其次本项目研究了在航天典型基材2Al2铝合金基体上开发高灵敏度嵌入式厚膜Pt/Ag热电堆型热流传感器，对其形貌、界面特征及性能进行了系统研究。结果表明，研制的热电堆热流计中所有的异质界面结合紧密，其中PI薄膜与铝合金基片之间的结合强度为10.7±3 MPa，而热结点处形成良好结合且在其重叠处没有明显的元素互渗。同时，Ag和Pt电极的线宽分别为165±10μm和220±10μm，其电阻率分别为1.3×10-5Ω•cm和1.4×10-4Ω•cm。热流计的输出热电势随着输入热流的增大呈抛物线上升趋势(在113.55 kW/m2时达到1.56 V)，其灵敏度(K)高于9.4×10-3 mV/(W•m-2)，其动态响应时间为0.30~0.32秒，相当于甚至优于常用的商业热流传感器。.最后，本项目为了能在冷端能够制备集成化的导线，特研究了一种激光活化直写金属化技术。结果表明，通过调整复合材料的表面面积、微观结构和结构缺陷，可以使得铜导线最大结合强度达43.2 MPa。.本项目的研究为航空航天智能结构的开发提供了一种成套新方法，并拓展了激光微熔覆直写贵金属电子浆料的理论研究范畴，为直写高温器件的开发奠定了良好的基础。.

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