1.2. Lớp phủ chịu ăn mịn và ơxy hóa nhiệt độ cao trên cánh tuốc bin khí
1.2.3. Hệ lớp phủ cách nhiệt (TBCs) trên cánh tuốc bin kh
Các lớp phủ khuếch tán hay lớp phủ bề mặt trên nền siêu hợp kim niken có thể bảo vệ kim loại nền ở nhiệt độ lên tới 1100 oC. Để nâng cao hơn nữa nhiệt độ làm việc của các cánh tuốc bin khí, người ta đã sử dụng một lớp vật liệu cách nhiệt ceramic (có độ dẫn nhiệt rất thấp) để phủ lên bề mặt của cánh tuốc bin. Mục đích cơ bản của lớp ceramic cách nhiệt là kết hợp với hệ thống làm mát làm giảm nhiệt độ tác động của mơi trường khí cháy tới bề mặt vật liệu cánh tuốc bin, đồng thời làm giảm các tác động của môi trường như cản trở một phần tác nhân ăn mịn và ơxy hóa, hạn chế mài mịn do va đập với các vật rắn trong khí cháy và giảm sốc nhiệt cho cánh tuốc bin. Do lớp vật liệu ceramic có cấu trúc với độ xốp cao và cấu trúc dạng cột vng góc với bề mặt cần bảo vệ, các tác nhân ăn mịn và ơxy hóa dễ dàng thâm nhập qua lớp ceramic cách nhiệt này để tấn công kim loại nền. Như vậy bản thân lớp ceramic không thể tự bảo vệ nền khỏi bị ăn mịn và ơxy hóa mà nó cần được phủ trực tiếp lên trên một lớp phủ lót có khả năng bảo vệ chống ăn mịn và ơxy hóa nhiệt độ cao. Hệ thống bao gồm lớp phủ ceramic bề mặt cùng với lớp phủ bảo vệ ăn mịn và ơxy hóa nhiệt độ cao bên trong ngày nay được gọi chung là hệ lớp phủ chịu nhiệt cho tuốc bin khí (thermal barrier coating system-TBCs). Lớp ceramic trên bề mặt là lớp phủ ngoài (top coating), lớp phủ chịu ăn mịn và ơxy hóa nhiệt độ cao gọi là lớp phủ kết dính hay lớp phủ lót (bond coatings). Đồng thời, trong q trình làm việc, bề mặt giao diện giữa lớp ceramic ngồi cùng và lớp phủ lót sẽ hình thành một lớp ơxyt bền nhiệt Al2O3 bảo vệ
cho lớp phủ lót và nền khỏi ăn mịn và ơxy hóa nhiệt độ cao (lớp TGO). Cấu tạo chung của một hệ TBCs được thể hiện trên hình 1.20.
Hình 1.20. Cấu tạo của hệ lớp phủ chịu nhiệt TBCs trên cánh tuốc bin khí
Sự phát triển của lớp phủ TBCs bắt đầu từ những năn 1950 với những nỗ lực phát triển cho các động cơ tuốc bin khí trong quân đội [88]. Sau đó, vào những năm của thập niên 60, lớp phủ ceramic trên nền lớp phủ lót NiAl lần đầu tiên được ứng dụng trên những động cơ hàng không thương mại [89]. Đến những năm 1980, hệ lớp phủ này có bước phát triển vượt bậc [10-12, 90]. Trong thời gian này, hợp chất ôxyt zirconi ZrO2 ổn định bởi ôxyt yttri Y2O3 (yttria-stabilised zirconia - YSZ) được tìm ra và được sử dụng như là vật liệu tiêu chuẩn cho lớp phủ TBCs cho tới ngày nay [91]. Ơxyt ZrO2 là dạng ơxyt chỉ tồn tại ở nhiệt độ cao, tuy nhiên khi kết hợp với Y2O3, chúng có thể tồn tại ổn định ở nhiệt độ thường và trở thành vật liệu phủ cách nhiệt lý tưởng trên cánh tuốc bin khí. Với hàm lượng khoảng 7 % ôxyt yttri, hợp chất YSZ có độ dẫn nhiệt thuộc loại thấp nhất trong số các ceramic hiện nay (~2.3 W·m-1·K-1 ở 1000 ºC). YSZ cũng có hệ số giãn nở nhiệt lớn (~11×10-6 ºC-1) gần bằng hệ số giãn
nở nhiệt của kim loại nền (~14×10-6 ºC-1). Điều này giúp cho lớp phủ có khả năng giãn nở tương đồng với vật liệu nền khi bị nung nóng và làm giảm ứng suất nhiệt sinh ra trong q trình làm việc, qua đó làm tăng độ bền của hệ lớp phủ. YSZ cũng có nhiệt độ nóng chảy rất cao (~2700 ºC) và khả năng chống mài mịn tốt [92]. Lớp phủ TBCs có thể được chế tạo bằng phương pháp phun plasma khơng khí (APS) hoặc lắng đọng hơi vật lý chùm điện tử (EB-PVD). Phương pháp APS tạo ra lớp phủ có độ xốp cao nằm thành lớp trên bề mặt lớp phủ lót (hình 1.21a). Trong khi đó, lớp phủ EB-PVD, ceramic YSZ kết tinh thành dạng cột nằm vng góc với lớp phủ (hình 1.21b). Phương pháp APS tạo ra lớp phủ có khả năng cách nhiệt tốt hơn nhưng phương pháp EB-PVD lại cho khả năng bám dính với lớp phủ lót tốt hơn nên nó được sử dụng phổ biến trên các cánh tuốc bin khí ngày nay.
Hình 1.21. Cấu tạo của lớp phủ TBCs theo phương pháp (a): APS và (b): phương
pháp EB-PVD.
Cơ chế cách nhiệt và làm giảm nhiệt độ môi trường tác động vào kim loại nền của lớp phủ TBCs được mơ tả trên hình 1.22. Lớp ceramic có độ dẫn nhiệt thấp phủ ngồi cánh tuốc bin sẽ khơng phát huy hiệu quả nếu khơng có hệ thống làm mát bên trong lòng vật liệu cánh tuốc bin. Khơng khí nén có nhiệt độ thấp từ vùng buồng nén của động cơ được dẫn qua hệ thống làm mát bên trong cánh tuốc bin. Khơng khí mát được đưa ra ngồi bề mặt của cánh tuốc bin thơng qua các lỗ khoan nhỏ trên bề mặt cánh. Hệ thống lớp phủ TBCs có độ dẫn nhiệt rất thấp kết hợp với hệ thống làm mát có thể làm giảm đáng kể nhiệt độ của môi trường buồng đốt tác động vào lớp phủ chịu nhiệt và nền hợp kim. Các nghiên cứu trên động cơ tuốc bin khí Pratt & Whitney
PW2000 năm 1994 bởi Meier và Gupta cho thấy, với lớp phủ TBCs có chiều dày 125 µm được chế tạo bằng phương pháp EB-PVD, nhiệt độ trên bề mặt của cánh tuốc bin có thể giảm tới 139 oC [23]
Hình 1.22. Cơ chế giảm nhiệt độ của lớp phủ TBCs cho vật liệu nền [23]