1.2. Lớp phủ chịu ăn mịn và ơxy hóa nhiệt độ cao trên cánh tuốc bin khí
1.2.2. Lớp phủ không khuếch tán (overlay coating) trên cánh tuốc bin khí
Hình 1.18. Giá của các kim loại trong nhóm PGMs trên thị trường [77]
1.2.2. Lớp phủ không khuếch tán (overlay coating) trên cánh tuốc binkhí khí
Song song với dạng lớp phủ khuếch tán, một dạng lớp phủ khác cũng đã được nghiên cứu và sử dụng, đó là lớp phủ không khuếch tán trên bề mặt (overlay coating). Khác với lớp phủ khuếch tán, lớp phủ bề mặt được chế tạo bởi sự tương tác vừa đủ với nền để tạo nên sự bám dính, trong khi nền kim loại hầu như không ảnh hưởng đến thành phần và đặc tính của lớp phủ. Vì vậy, thành phần của lớp phủ có thể được điều chỉnh dễ dàng theo mong muốn và giảm được sự suy thoái của hợp kim nền trong quá trình làm việc. Thành phần của lớp phủ bề mặt thơng thường có dạng MCrAlY trong đó M thường là Ni hoặc Co. Cr là nguyên tố rất khó thêm vào trong thành phần lớp phủ khuếch tán nhưng lại dễ dàng sử dụng trong thành phần lớp phủ bề mặt. Ơxyt crơm khơng bảo vệ được bề mặt lớp phủ ở nhiệt độ cao hơn 900 oC nhưng crôm lại rất hữu dụng trong việc tạo các lớp phủ chống lại q trình ăn mịn nóng. Đối với ăn
Gi á th ươ ng m ại củ a nh ó m P M
mịn nóng loại II, hàm lượng crơm trong lớp phủ u cầu từ 25-40% trong khi đó, để đối phó với ăn mịn nóng loại I, lượng crom được đề xuất là khoảng từ 12 -20% [78, 79]. Lớp phủ bề mặt với thành phần 18–22% Cr và 8–12% Al được thiết kế để
chống ăn mịn nóng trên 900 oC [80]. Các lớp phủ MCrAlY chỉ được sử dụng trong giới hạn nhiệt độ tới 1100 oC, ở nhiệt độ cao hơn, sự hình thành lớp ơxyt quá dày trên bề mặt làm lớp phủ bị bong tróc khi làm việc với nhiệt độ cao có tính chu kỳ.
Lớp phủ bề mặt MCrAlY có thể được chế tạo bằng nhiều phương pháp, từ đó tạo ra các lớp phủ có mật độ và khả năng chịu ơxy hóa khác nhau [81]. Phương pháp
lắng đọng hơi vật lý chùm điện tử (Electron-beam physical vapour deposition - EBPVD) có thể tạo được lớp phủ sít đặc chất lượng cao, có bổ sung một lượng lớn các nguyên tố ổn định như Hf, Y, Zr và Si [82]. Tuy nhiên lớp phủ dạng này bị hạn chế bởi các vấn đề liên quan đến giá thành của thiết bị chế tạo và quá trình bảo dưỡng thiết bị. Sau đó, các phương pháp phun plasma được sử dụng rộng rãi nhờ giá thành thấp hơn so với các phương pháp lắng đọng hơi vật lý và khả năng áp dụng cho các chi tiết có kích thước lớn. Trong số các phương pháp phun plasma, phun plasma áp suất thấp (low-pressure plasma spray - LPPS) được sử dụng phổ biến hơn cả [83]. Tuy nhiên, do phải sử dụng buồng chân không nên phương pháp LPPS vẫn còn tương đối đắt đỏ. Bởi vậy, phương pháp phun plasma trong khơng khí thường (atmospheric plasma spray–APS) hoặc sử dụng khí trơ bảo vệ được nghiên cứu và áp dụng [84, 85]. Phương pháp phun ôxy nhiên liệu tốc độ cao (high-velocity
oxyfuel - HVOF) cũng được phát triển và có thể tạo lớp phủ với mật độ tốt hơn so với phương pháp APS [10, 86].
Mặc dù các hệ lớp phủ không khuếch tán trên bề mặt có ưu điểm về việc điều chỉnh thành phần lớp phủ nhưng cũng có nhiều điểm hạn chế. Phương pháp chế tạo đang sử dụng hiện nay dẫn tới sự hình thành các lớp ôxyt bên trong của lớp phủ (hình 1.19). Các lớp ơxyt này nằm song song với bề mặt nền làm yếu liên kết trong lớp phủ, làm giảm độ bền lớp phủ và đặc biệt là ngăn cản quá trình khuếch tán nhôm ra bề mặt để tạo thành lớp ơxyt bảo vệ. Vì vậy, độ bền của lớp phủ giảm và đồng thời làm giảm liên kết với lớp phủ ceramic bên ngoài, làm giảm tuổi thọ của hệ lớp phủ. Do đó các hệ lớp phủ khuếch tán chịu ơxy hóa nhiệt độ cao vẫn được sử dụng rộng rãi hiện nay trên các cánh tuốc bin khí.
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) [87]