Lớp phủ chống oxy hóa nhiệt độ cao cho hợp kim niken dùng trong tuabin khí: Chế tạo và đặc tính
MỤC LỤC
THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Chuẩn bị mẫu hợp kim nền
Chế tạo lớp phủ khuếch tán Pt và Pt-Ir bằng phương pháp mạ điện kết hợp với xử lý nhiệt khuếch tán
Sau đó, các mẫu hợp kim đã phủ Pt và Pt-Ir được xử lý nhiệt khuếch tán ở nhiệt độ 1100 oC để khuếch tán các nguyên tố tạo thành lớp phủ giàu nhôm gần bề mặt của nền niken. Các thông số về thành phần bể mạ cũng như các yếu tố về nhiệt độ bể mạ, độ pH, mật độ dòng mạ, tốc độ khuấy trộn, tốc độ mạ theo thời gian… đã được nhóm nghiên cứu thử nghiệm khảo sát và lựa chọn các thông số tối ưu cho quy trình mạ Pt và Pt-Ir [76, 116, 117], NCS đã sử dụng quy trình này để chế tạo lớp mạ. Khi tăng nhiệt độ mạ → hàm lượng Ir trong lớp mạ tăng Khi tăng mật độ dòng → hàm lượng Ir trong lớp mạ tăng Khi tăng tốc độ khuấy trộn → hàm lượng Ir trong lớp mạ tăng.
Do đó, thành phần Ir trong lớp mạ có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi các thông số về nhiệt độ bể mạ, mật độ dòng và tốc độ khuấy trộn trong dải phù hợp. Lớp mạ hợp kim Pt-Ir tạo thành có ứng suất dư rất lớn nên bề mặt lớp mạ bị nứt/bị bong tróc do đó rất khó thực hiện việc mạ Pt-Ir trực tiếp trên nền hợp kim niken, mặc dù bề mặt đã được làm nhám bằng cách phun nhám với bột alumina. Để khắc phục khó khăn này, trước hết cần phải tạo một lớp mạ lót Pt mỏng trên bề mặt mẫu để giảm bong tróc, sau đó mới mạ lớp Pt-Ir lên trên lớp mạ Pt.
Lớp màng Pt được mạ theo các thông số của bể mạ như trong bảng 2.4 và bảng 2.5 nhưng thời gian mạ chỉ 15 phỳt để cú thể tạo được lớp màng Pt cú chiều dày khoảng 2 àm. Như vậy, để chế tạo lớp mạ Pt-Ir đạt chiều dày khoảng 8àm trờn nền hợp kim Ni, cần mạ lút Pt với chiều dày 2 àm theo quy trỡnh mạ Pt đó nờu trờn. Lớp mạ hợp kim Pt-Ir với hàm lượng Ir khoảng 20% về trọng lượng (được gọi tắt là lớp mạ Pt-20Ir) dày khoảng 6 àm được phủ trờn bề mặt lớp mạ lút Pt cú chiều dày khoảng 2 àm.
Quy trỡnh chế tạo lớp mạ Pt-20Ir dày 6 àm trờn nền hợp kim niken Đối với các lớp mạ hợp kim Pt-Ir, thành phần hợp kim của lớp mạ được kiểm tra định lượng trên thiết bị phân tích thành phần nguyên tố huỳnh quang tia X (XRF). Khối lượng riêng của hợp kim mạ được tính toán dựa trên khối lượng riêng và tỷ phần của hai nguyên tố Pt, Ir trong thành phần lớp mạ đã phân tích được. Các mẫu mạ Pt và Pt-Ir sau đó được xử lý nhiệt để khuếch tán các nguyên tố từ lớp mạ vào nền hợp kim (sau đây gọi là “nền”) và từ nền ra bề mặt lớp mạ (sau đây.
Chế tạo lớp phủ khuếch tán Pt, Pt-Ir bằng phương pháp phun phủ slurry Các lớp phủ khuếch tán Pt và Pt-Ir trên nền hợp kim niken được chế tạo bằng
Quá trình xử lý nhiệt khuếch tán được thực hiện ở nhiệt độ 1100 oC trong lò ống với khí bảo vệ Argon nhằm tránh bị ôxy hóa trong quá trình nung. Sau khi cho mẫu vào trong buồng lò, lò ống được hút chân không kết hợp xả khí Argon 3 lần nhằm đảm bảo hút tối đa lượng ôxy có trong lò. Sau đó, lò được xả khí Argon để duy trì áp suất trong lò dương 0,3MPa tránh không khí bên ngoài xâm nhập vào lò trong quá trình nung.
Hỗn hợp gồm chất mang hệ nước và chất kết dính nền polyvinyl alcohol (PVA) được phát triển và cung cấp bởi công ty T.K.K Nhật Bản trong khuôn khổ đề tài hợp tác giữa NIMS và công ty T.K.K. Bột kim loại Pt và bột hợp kim Pt-Ir được trộn với dung dịch chứa chất mang và chất kết dính, khuấy trộn đều nhẹ nhàng để tránh tạo bọt khí trong hỗn hợp. Sau khi tạo được hỗn hợp bột nhão, hỗn hợp này được phun lên bề mặt mẫu nhờ thiết bị đầu phun sử dụng áp suất không khí 0,3 MPa.
Sau khi phun phủ kín bề mặt mẫu trong vòng 5 giây, mẫu được đưa vào lò nung 120 oC nung nóng 20 phút để làm khô chất mang, sau đó, mẫu được đưa ra làm nguội và phun bột nhão lần 2 để tăng thêm chiều dày lớp phủ. Chiều dày lớp phủ cho mỗi lần phun bị hạn chế bởi tính chảy nhão và khả năng bám dính của lớp phủ lên bề mặt đế. Vì vậy, để tăng chiều dày lớp phủ thì cần phải áp dụng phương pháp làm khô lớp phủ sau mỗi chu kỳ phun như trên.
Xử lý nhiệt khuếch tán để tạo lớp phủ chịu ôxy hóa nhiệt độ cao Cân khối lượng mẫu và đánh giá chiều dày lớp phủ. Quy trình chế tạo lớp phủ khuếch tán Pt-Ir bằng phương pháp phun phủ bột nhão và xử lý nhiệt khuếch tán. Sau khi làm khô, các mẫu đã phủ được xử lý nhiệt để làm bay hơi chất kết dính và làm khuếch tán các nguyên tố trong lớp phủ.
Các phương pháp nghiên cứu đặc tính chịu ôxy hóa nhiệt độ cao của lớp phủ chịu nhiệt trên nền hợp kim niken
Sự giảm dần nhôm trong lớp vật liệu gần bề mặt và sự khuếch tán các nguyên tố khác từ nền ra cũng làm thay đổi cấu trúc pha của lớp phủ và ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng bảo vệ cũng như tuổi thọ của lớp phủ. Vì vậy, để nghiên cứu đặc trưng của các lớp phủ chịu nhiệt độ cao trên cánh tuốc bin khí, các phương pháp nghiên cứu tốc độ ôxy hóa nhiệt độ cao (thường là phương pháp đánh giá tốc độ ăn mòn do ôxy hóa chu kỳ) và các phương pháp nghiên cứu về cấu trúc cũng như thành phần pha của vật liệu được sử dụng trong luận án này. Trên thực tế, các lớp phủ chịu ôxy hóa nhiệt độ cao trên cánh tuốc bin khí được bao phủ bởi lớp ceramic trên bề mặt nhằm làm hạ nhiệt độ tác động của môi trường khí đốt đến kim loại nền và giảm bớt tác động mài mòn.
Để tăng tốc các thử nghiệm ôxy hóa chu kỳ cho các hệ lớp phủ đã được chế tạo, trong luận án này, NCS đã thực hiện các thử nghiệm ôxy hóa chu kỳ trực tiếp cho các lớp phủ trên nền hợp kim niken mà không sử dụng các lớp phủ ceramic trên bề mặt. Thiết bị thử nghiệm ôxy hóa chu kỳ được sử dụng trong luận án này là lò nung điện trở SUGA có hệ thống điều khiển nhiệt độ tự động cùng với khả năng di chuyển buồng lò theo chu trình tạo ra môi trường nhiệt độ cao mang tính chu kỳ cho các thử nghiệm. Trong phạm vi của luận án, thiết bị phân tích XRD được sử dụng là MiniFlex 600 của hãng Rigaku với phần mềm phân tích pha PDXL 2 được cập nhật cơ sở dữ liệu mới nhất của NIMS, Nhật Bản (hình 2.11).
Khác với hình ảnh tạo bởi các điện tử thứ cấp SE mang thông tin của các lớp nguyên tử gần bề mặt mẫu, hình ảnh tạo bởi các điện tử tán xạ ngược BSE mang nhiều thông tin từ các lớp nguyên tử nằm sâu hơn trong vật liệu và bị ảnh hưởng bởi khối lượng (số khối Z) của vật liệu. Các nhiễu xạ đàn hồi tăng lên theo số nguyên tử khối của vật liệu (tăng theo Z2) do vậy, vật liệu có số khối Z lớn sẽ cho nhiều điện tử tán xạ ngược hơn và ảnh SEM tạo bởi điện tử tán xạ ngược của vật liệu này sẽ sáng hơn so với ảnh tạo bởi SE. Ứng dụng SEM với chế độ đầu dò tán xạ ngược BSE trên thiết bị Hitachi S4700 (hình 2.12) được sử dụng để phân tích hình thái học bề mặt và cấu trúc mặt cắt ngang các mẫu lớp phủ khuếch tán trong luận án này.
Phương pháp vi phân tích thành phần nguyên tố bằng phổ tán xạ năng lượng EDS tích hợp trên kính hiển vi điện tử quét SEM được sử dụng rộng rãi trong vi phân tích thành phần hóa học và phân tích sự phân bố nguyên tố trên bề mặt mẫu phân tích (mapping). Trong luận án này, phương pháp phân tích phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS) theo đường (line scan) và phân tích phân bố nguyên tố (mapping) được thực hiện trên các mặt cắt ngang của các mẫu lớp phủ sau khi xử lý nhiệt khuếch tán và sau các chu kỳ thử nghiệm ôxy hóa nhiệt độ cao. Số lượng điểm quét là 100 điểm, tương ứng với khoảng cỏch quột từ bề mặt vào trong nền là khoảng 80 àm đối với cỏc mẫu sau ủ khuếch tỏn và khoảng 160 àm đối với cỏc mẫu sau 100 chu kỳ thử nghiệm ụxy húa nhiệt độ cao.
