BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ --- ĐÀO CHÍ TUỆ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ĐẶC TÍNH CHỐNG OXY HÓA CỦA LỚP PHỦ BỀN NHIỆT ĐỘ CA
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ -
ĐÀO CHÍ TUỆ
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ĐẶC TÍNH CHỐNG OXY HÓA CỦA LỚP PHỦ BỀN NHIỆT ĐỘ CAO TRÊN NỀN
HỢP KIM NIKEN ỨNG DỤNG CHO TUỐC BIN KHÍ
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU
Hà Nội – 2022
Trang 2ii
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ -
ĐÀO CHÍ TUỆ
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ĐẶC TÍNH CHỐNG OXY HÓA CỦA LỚP PHỦ BỀN NHIỆT ĐỘ CAO TRÊN NỀN
HỢP KIM NIKEN ỨNG DỤNG CHO TUỐC BIN KHÍ
Chuyên ngành: Kim loại học Mã số: 9.44.01.29
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1 PGS.TS Lê Thị Hồng Liên 2 GS.TS Hideyuki Murakami
Hà Nội – 2022
Trang 3LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và không trùng lặp với bất kỳ công trình khoa học nào khác Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực, chưa từng được công bố trên bất kỳ tạp chí nào đến thời điểm này ngoài những công trình của tác giả
Hà Nội, ngày tháng năm Tác giả luận án
Đào Chí Tuệ
Trang 4LỜI CẢM ƠN!
Lời đầu tiên với lòng biết ơn sâu sắc tôi xin gửi lời cảm ơn tới PGS.TS Lê Thị Hồng Liên và GS.TS Hideyuki Murakami bởi những chỉ dẫn quý báu về định hướng nghiên cứu cũng như phương pháp luận và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành bản luận án này!
Tôi cũng bày tỏ lời cảm ơn đối với Học viện Khoa học và Công nghệ cũng như Viện Khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất và thời gian để tôi hoàn thành luận án
Tôi xin gửi lời cảm ơn tới chương trình hợp tác đào tạo NCS giữa Viện Khoa học vật liệu và Viện Khoa học vật liệu quốc gia Nhật Bản (NIMS) đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi thực hiện các nghiên cứu quý báu tại phòng thí nghiệm Surface Kinetics Group của TS Hideyuki Murakami tại NIMS
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các đồng nghiệp trong Trung tâm đánh giá hư hỏng vật liệu (COMFA), Viện Khoa học vật liệu Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã chia sẻ, đóng góp những kinh nghiệm quý báu để tôi thực hiện các nghiên cứu
Tôi đồng thời gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các đồng nghiệp tại nhóm nghiên cứu Surface Kinetics Group của TS Hideyuki Murakami tại NIMS đã hỗ trợ tôi thực hiện các nghiên cứu trên các thiết bị tiên tiến của nhóm và của Viện NIMS
Và tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các đồng nghiệp, bạn bè – những người đã luôn quan tâm, động viên tôi trong suốt thời gian qua!
Cuối cùng, tôi xin dành tình cảm đặc biệt đến gia đình, người thân của tôi - những người đã luôn động viên và tiếp sức cho tôi thêm nghị lực để tôi vững bước hoàn thành luận án
Tác giả
Đào Chí Tuệ
Trang 5DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xvi
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TUỐC BIN KHÍ VÀ LỚP PHỦ CHỊU NHIỆT TRÊN CÁNH TUỐC BIN KHÍ 5
1.1 Tuốc bin khí và vật liệu sử dụng trong tuốc bin khí 6
1.1.1 Cấu tạo và điều kiện làm việc của tuốc bin khí 6
1.1.1.1 Cấu tạo của tuốc bin khí và môi trường nhiệt độ cao trong tuốc bin khí 6
1.1.1.2 Hiện tượng ăn mòn và ôxy hóa nhiệt độ cao trên cánh tuốc bin khí 9 1.1.2 Vật liệu sử dụng trong tuốc bin khí 14
1.1.2.1 Các thế hệ hợp kim đầu tiên và công nghệ đúc cánh tuốc bin khí 15
1.1.2.2 Siêu hợp kim đơn tinh thể nền niken 16
1.2 Lớp phủ chịu ăn mòn và ôxy hóa nhiệt độ cao trên cánh tuốc bin khí 18
1.2.1 Lớp phủ khuếch tán trên cánh tuốc bin khí 19
1.2.1.1 Sự khuếch tán trong hợp kim 19
1.2.1.2 Lớp thấm nhôm có cấu trúc pha β 21
1.2.1.3 Lớp thấm nhôm biến tính bằng platin 23
1.2.1.4 Lớp thấm nhôm biến tính bằng Pt có cấu trúc pha γ + γ’ 26
1.2.1.5 Lớp phủ khuếch tán nhôm biến tính bằng Pt có cấu trúc pha γ + γ’ 27 1.2.1.6 Iridi và khả năng sử dụng Ir trong lớp phủ khuếch tán nhôm 29
1.2.2 Lớp phủ không khuếch tán (overlay coating) trên cánh tuốc bin khí 30
1.2.3 Hệ lớp phủ cách nhiệt (TBCs) trên cánh tuốc bin kh 32
1.3 Các phương pháp chế tạo lớp phủ khuếch tán 35
Trang 61.3.1 Phương pháp chế tạo lớp thấm nhôm 35
1.3.2 Phương pháp chế tạo lớp thấm nhôm biến tính với platin 38
1.3.3 Phương pháp chế tạo lớp phủ khuếch tán nhôm biến tính bằng Pt 39
1.3.4 Phương pháp phun phủ bột nhão slurry 40
1.3.4.1 Lịch sử phương pháp 40
1.3.4.2 Thành phần của hỗn hợp bột nhão dùng để tạo lớp phủ 42
1.4 Tình hình nghiên cứu lớp phủ chịu ôxy hóa nhiệt độ cao trong nước và định hướng nghiên cứu của Nghiên cứu sinh (NCS) 42
CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 45
2.1 Chuẩn bị mẫu hợp kim nền 45
2.1.1 Chuẩn bị thành phần và cấu trúc hợp kim nền 46
2.2.2.2 Quy trình mạ lớp màng hợp kim Pt-Ir 52
2.2.3 Xử lý nhiệt tạo lớp phủ khuếch tán Pt và Pt-Ir 53
2.3 Chế tạo lớp phủ khuếch tán Pt, Pt-Ir bằng phương pháp phun phủ slurry 54
2.3.1 Chuẩn bị vật liệu phun phủ 54
Trang 72.4 Các phương pháp nghiên cứu đặc tính chịu ôxy hóa nhiệt độ cao của lớp
phủ chịu nhiệt trên nền hợp kim niken 57
2.4.1 Phương pháp nghiên cứu tốc độ ôxy hóa 58
2.4.1.1 Thiết bị thử nghiệm ôxy hóa chu kỳ 58
2.4.1.2 Phương pháp xác định tốc độ ôxy hóa nhiệt độ cao 60
2.4.2 Phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) nghiên cứu sự thay đổi cấu trúc pha của vật liệu 60
2.4.3 Nghiên cứu hình thái học bề mặt lớp phủ và cấu trúc mặt cắt ngang lớp phủ trên hiển vi điện tử quét (SEM) 61
2.4.4 Nghiên cứu sự khuếch tán nguyên tố và phân bố nguyên tố trong mặt cắt ngang lớp phủ bằng phương pháp quét đường phổ tán xạ năng lượng EDS 62
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 63
3.1 Chế tạo và đặc trưng tính chất của lớp phủ khuếch tán Pt/Pt-Ir trên nền hợp kim Ni-Al-Cr 64
3.1.1 Chế tạo và đặc trưng tính chất của lớp phủ Pt/Pt-Ir trên hệ hợp kim ba nguyên Ni-16Al-10Cr bằng phương pháp mạ điện kết hợp với xử lý nhiệt khuếch tán 64
3.1.1.1 Kết quả chế tạo các lớp mạ Pt và Pt-Ir trên nền hợp kim 10Cr 64
Ni-16Al-3.1.1.2 Sự khuếch tán các nguyên tố và cấu trúc của lớp phủ Pt/Pt-Ir sau khi xử lý nhiệt khuếch tán 66
3.1.1.3 Sự hình thành pha trong lớp phủ Pt/Pt-Ir 71
3.1.1.4 Đặc tính chịu ôxi hóa nhiệt độ cao của lớp phủ Pt và Pt-Ir trên nền hợp kim Ni-16Al-10Cr tổng hợp bằng phương pháp mạ điện kết hợp với xử lý nhiệt khuếch tán 73
3.1.2 Chế tạo và đặc trưng tính chất của lớp phủ Pt/Pt-Ir trên hệ hợp kim ba nguyên Ni-16Al-10Cr bằng phương pháp phun phủ bột nhão kết hợp với xử lý nhiệt khuếch tán 81
3.1.2.1 Thành phần lớp phủ Pt và Pt-Ir 81
Trang 83.1.2.2 Cấu trúc của các lớp phun phủ bột nhão Pt và Pt-Ir sau khi xử lý
Pt-3.1.3 Thảo luận 97
3.1.3.1 Ảnh hưởng của Ir 97
3.1.3.2 Quá trình tạo pha trong các lớp phủ 98
3.1.3.3 Ảnh hưởng của phương pháp chế tạo 99
3.1.3.4 Hiện tượng tạo lỗ rỗng trong lớp phủ 100
3.2 Chế tạo và đặc trưng tính chất của lớp phủ khuếch tán Pt/Pt-Ir trên nền hợp kim UCSX-8 101
3.2.1 Kết quả chế tạo các lớp phủ khuếch tán Pt và Pt-Ir trên nền siêu hợp kim đơn tinh thể UCSX-8 bằng phương pháp mạ điện và phun phủ bột nhão kết hợp với xử lý nhiệt khuếch tán 101
3.2.1.1 Phương pháp mạ điện 101
3.2.1.2 Phương pháp phun phủ 102
3.2.2 Cấu trúc của các lớp phủ sau khi ủ khuếch tán 102
3.2.3 Khả năng chịu oxi hóa nhiệt độ cao của lớp phủ 107
Kết luận chương 3 111
KẾT LUẬN CHUNG 113
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 116
Trang 9DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt và
ký hiệu Tên Tiếng Anh Tên tiếng Việt
YSZ Yttria-stabilised zirconia Ôxyt Zirconi ổn định hóa bởi oxyt yttri
LTHC Low temperature hot corrosion Ăn mòn nóng nhiệt độ thấp HTHC High temperature hot corrosion Ăn mòn nóng nhiệt độ cao
CTEs Coefficient of Thermal Expansion hệ số giãn nở nhiệt
khí
PVD Physical vapour deposition Lắng đọng pha hơi vật lí
Trang 10EBPVD Electron-beam physical vapour deposition
Lắng đọng pha hơi vật lí chùm điện tử
SEM Scanning electron microscopy Kính hiển vi điện tử quét
Trang 11DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Cấu tạo cơ bản của một tuốc bin khí 6 Hình 1.2 Cấu tạo và điều kiện môi trường làm việc của tuốc bin khí phản lực sử dụng trên máy bay (nguồn: Courtesy of Rolls-Royce) 7 Hình 1.3 Nhiệt độ làm việc và hiệu suất tương ứng của tuốc bin khí 8 Hình 1.4 Quá trình phát triển của vật liệu chịu nhiệt độ cao làm cánh tuốc bin khí 9 Hình 1.5 Cấu tạo của lớp phủ chịu nhiệt trên siêu hợp kim 10 Hình 1.6 Ăn mòn nóng nhiệt độ cao 11 Hình 1.7 Quá trình vận chuyển và phản ứng ở bề mặt tiếp xúc trong cơ chế ôxy hóa nhiệt độ cao 12 Hình 1.8 Thử nghiệm ôxy hóa chu kỳ ở 1100 oC (1 giờ giữ nhiệt ở nhiệt độ cao) đối với các thế hệ hợp kim nền niken khác nhau 13 Hình 1.9 Vật liệu sử dụng trong động cơ Rolls Royce Trent 800 14
Hình 1.10 Các dạng cánh tuốc bin khí; (a): đúc truyền thống; (b): đúc kết tinh định
hướng; (c): đúc đơn tinh thể………15 Hình 1.11 Các nguyên tố được sử dụng trong siêu hợp kim nền niken Các nguyên tố gạch chéo là ít ảnh hưởng đến hợp kim và các nguyên tố gạch ngang là bất lợi cho hợp kim 16 Hình 1.12 Cấu trúc của lớp thấm nhôm (a) hoạt độ thấp và (b) hoạt độ cao Và (c) sự phụ thuộc độ khuếch tán của Ni và Al vào thành phần của NiAl 22 Hình 1.13 Mô hình các dạng cấu trúc của lớp thấm nhôm biến tính bằng Pt theo cơ chế hoạt tính cao/khuếch tán vào (a,b,c) và cấu trúc thực tế tương ứng (d,e,f) 25 Hình 1.14 Cấu trúc hai lớp đặc trưng của lớp thấm nhôm biến tính bằng platin dạng hoạt tính thấp/khuếch tán ra 26 Hình 1.15 Cấu trúc đặc trưng của lớp phủ γ + γ’ 27
Trang 12Hình 1.16 Cấu trúc và sự phân bố nguyên tố qua cặp vật liệu CMSX-4/ γ + γ’
(Ni-22Al-30Pt) sau 50 giờ khuếch tán ở 1150 oC 28
Hình 1.17 Hệ số khuếch tán của các nguyên tố PGMs trong nền niken ở nhiệt độ 1300 oC 29
Hình 1.18 Giá của các kim loại trong nhóm PGMs trên thị trường 30
Hình 1.19 Cấu trúc của lớp phủ không khuếch tán trên bề mặt (a) NiCoCrAlY và (b) CoNiCrAlY với các lớp ôxyt bên trong (dải màu đen) 32
Hình 1.20 Cấu tạo của hệ lớp phủ chịu nhiệt TBCs trên cánh tuốc bin khí 33
Hình 1.21 Cấu tạo của lớp phủ TBCs theo phương pháp (a): APS và (b): phương pháp EB-PVD 34
Hình 1.22 Cơ chế giảm nhiệt độ của lớp phủ TBCs cho vật liệu nền 35
Hình 1.23 Phương pháp thấm nhôm trong hộp 36
Hình 1.24 Cơ chế phản ứng tạo lớp thấm nhôm trong hộp thấm 37
Hình 1.25 Phương pháp thấm nhôm ngoài hộp 37
Hình 1.26 Hệ thống thấm nhôm biến tính theo nguyên lý CVD 38
Hình 2.1 Quy trình xử lý nhiệt tạo pha γ+γ’ cho hợp kim Ni-16Al-10Cr, UCSX-8 và cấu trúc pha của hợp kim sau khi xử lý nhiệt 46
Hình 2.2 Thiết bị và vị trí đo độ nhám bề mặt mẫu sau phum nhám 47
Hình 2.3 Quy trình chế tạo lớp mạ Pt dày 8 µm trên nền hợp kim niken 50
Hình 2.4 Quy trình chế tạo lớp mạ Pt-20Ir dày 6 µm trên nền hợp kim niken 53
Hình 2.5 Quy trình xử lý nhiệt khuếch tán các mẫu phủ Pt và Pt-Ir 54
Hình 2.6 Kết quả chụp SEM kích thước hạt hợp kim Pt-Ir 55
Hình 2.7 Quy trình chế tạo lớp phủ khuếch tán Pt-Ir bằng phương pháp phun phủ bột nhão và xử lý nhiệt khuếch tán 56
Trang 13Hình 2.8 Lò ống có khí argon bảo vệ và quy trình xử lý nhiệt khuếch tán các mẫu
phun phủ bột nhão 57
Hình 2.9 Chu trình thử nghiệm ôxy hóa chu kỳ ở 1150 oC và thiết bị lò thử nghiệm ôxy hóa chu kỳ SUGA tại Viện NIMS, Nhật Bản 59
Hình 2.10 Cân điện tử độ chính xác cao tại NIMS, Nhật Bản 60
Hình 2.11 Thiết bị phân tích XRD MiniFlex 600 của hãng Rigaku 61
Hình 2.12 Thiết bị FE-SEM Hitachi S4700 62
Hình 3.1 Mẫu lớp mạ Pt và Pt-Ir 65
Hình 3.2 Hình thái bề mặt của các mẫu lớp mạ Pt và Pt-Ir 65
Hình 3.3 Bề mặt các mẫu lớp mạ Pt và Pt-Ir sau khi xử lý nhiệt khuếch tán 66
Hình 3.4 Hình thái học bề mặt các lớp phủ Pt, Pt20Ir và Pt30Ir sau khi xử lý nhiệt khuếch tán 66
Hình 3.5 Hình thái học mặt cắt ngang của lớp phủ Pt sau khi xử lý nhiệt khuếch tán 67
Hình 3.6 Hình thái học mặt cắt ngang của lớp phủ Pt20Ir sau khi xử lý nhiệt khuếch tán 68
Hình 3.7 Hình thái học mặt cắt ngang của lớp phủ Pt30Ir sau khi xử lý nhiệt khuếch tán 68
Hình 3.8 Kết quả phân tích line scan SEM/EDS sự phân bố nguyên tố trong lớp phủ khuếch tán Pt và Pt-Ir sau khi xử lý nhiệt 1 giờ ở 1100 oC 69
Hình 3.9 Kết quả phân tích XRD thành phần pha trong các lớp phủ sau khi xử lý nhiệt khuếch tán 72
Hình 3.10 Cấu trúc pha ’-Ni3Al 72
Hình 3.11 Giản đồ pha của hệ hợp kim nguyên Ni-Al-Pt ở 1100 oC và cấu trúc tinh thể kiểu mạng L10 của pha α 73
Trang 14Hình 3.12 Tốc độ ôxy hóa của các mẫu phủ Pt và Pt-Ir sau 100 chu kỳ thử nghiệm ở nhiệt độ 1150 oC 74 Hình 3.13 Ảnh SEM bề mặt mẫu phủ Pt30Ir bị bong tróc sau 100 chu kỳ 75 Hình 3.14 Ảnh SEM/BSE trạng thái bề mặt các mẫu phủ Pt, Pt20Ir và Pt30Ir sau 100 chu kỳ thử nghiệm ở 1150 oC 76 Hình 3.15 Kết quả phân tích mapping SEM/EDS sự phân bố nguyên tố trong mặt cắt ngang lớp phủ Pt20Ir sau khi thử nghiệm100 chu kỳ 76 Hình 3.16 Chiều dày các lớp ôxyt trên bề mặt các mẫu lớp phủ sau 100 chu kỳ thử nghiệm ôxy hóa ở 1150 oC 77 Hình 3.17 Phân bố các nguyên tố trên mặt cắt ngang của các lớp phủ sau 100 chu kỳ thử nghiệm ở 1150 oC 78 Hình 3.18 Ảnh SEM/BSE cấu trúc mặt cắt ngang của các lớp phủ sau khi thử
nghiệm ôxy hóa chu kỳ (1; 10; 30; 100 chu kỳ) 79 Hình 3.19 Kết quả phân tích XRD thành phần pha trên bề mặt các mẫu phủ sau thử nghiệm 100 chu kỳ oxi hóa ở 1150 oC 80 Hình 3.20 Hình ảnh các mẫu phủ Pt và PtIr (phủ hai mặt) bằng phương pháp phun phủ sau khi ủ khuếch tán ở 1100 oC 82 Hình 3.21 Ảnh SEM hình thái học bề mặt các lớp phủ Pt, và Pt-Ir sau khi xử lý nhiệt khuếch tán 82 Hình 3.22 Hình thái học mặt cắt ngang của lớp phun phủ Pt sau khi xử lý nhiệt khuếch tán 83 Hình 3.23 Hình thái học mặt cắt ngang của lớp phun phủ Pt20Ir sau khi xử lý nhiệt khuếch tán 83Hình 3.24 Hình thái học mặt cắt ngang của lớp phủ Pt30Ir sau khi xử lý nhiệt
khuếch tán 84
Trang 15Hình 3.25 Hình thái học mặt cắt ngang của lớp phủ Pt50Ir sau khi xử lý nhiệt
khuếch tán 84 Hình 3.26 Kết quả phân tích mapping SEM/EDS sự phân bố nguyên tố trong mặt cắt ngang lớp phủ Pt20Ir sau khi xử lý nhiệt khuếch tán 86 Hình 3.27 Kết quả phân tích line scan SEM/EDS sự phân bố các nguyên tố trong lớp phủ Pt và Pt-Ir sau khi xử lý nhiệt khuếch tán 87 Hình 3.28 Kết quả phân tích XRD thành phần pha trên bề mặt các mẫu phun phủ sau khi xử lý nhiệt khuếch tán 88 Hình 3.29 Hình dạng các mẫu phun phủ trong quá trình thử nghiệm ôxy hóa chu kỳ ở nhiệt độ 1150 oC 89 Hình 3.30 Tốc độ ôxy hóa của các mẫu phun phủ trong quá trình thử nghiệm oxi hóa chu kỳ 90Hình 3.31 Bề mặt mẫu phủ Pt sau 100 chu kỳ thử nghiệm ôxy hóa ở 1150 oC 91 Hình 3.32 Chiều dày lớp ôxyt trên bề mặt các mẫu phun phủ sau 100 chu kỳ thử nghiệm 91 Hình 3.33 Kết quả phân tích SEM (BSE) hình thái học bề mặt các mẫu phủ Pt và Pt-Ir sau khi thử nghiệm 1; 10; 30; 50 và 100 chu kỳ ôxy hóa 92 Hình 3.34 Kết quả đo phân bố các nguyên tố trên mặt cắt ngang của các lớp phủ sau 100 chu kỳ thử nghiệm ở 1150 oC 94 Hình 3.35 Hình thái học mặt cắt ngang của lớp phủ Pt và Pt-Ir sau khi thử nghiệm ôxy hóa 1; 10; 50 và 100 chu kỳ 95 Hình 3.36 Kết quả phân tích XRD thành phần pha trên bề mặt các mẫu phun phủ sau khi thử nghiệm 100 chu kỳ ôxy hóa 96 Hình 3.37 Quá trình khuếch tán và hình thành pha của hệ lớp phủ Pt và Pt-25Ir trên nền Ni-12Al-10Cr [124] 99