1.3. Các phương pháp chế tạo lớp phủ khuếch tán
1.3.4.1. Lịch sử phương pháp
Phương pháp tạo lớp phủ kim loại bằng bột nhão đã được phát triển thương mại từ những năm 1960 cùng với sự phát triển của các phương pháp tạo lớp phủ chịu nhiệt độ cao cho cánh tuốc bin khí. Mặc dù phương pháp này ít được sử dụng hơn so với các phương pháp tạo lớp phủ bằng lắng đọng hơi hóa học (CVD) hay lắng đọng hơi vật lý (PVD) hoặc phương pháp phun nhiệt do khó khăn trong việc điều chỉnh chất lượng lớp phủ, nhưng phương pháp phủ slurry lại có nhiều ưu điểm như tính kinh tế (rẻ hơn), có thể tạo lớp phủ cho các chi tiết ở mọi kích thước và hình dạng khác nhau bằng nhiều cách như phun phủ, quét phủ, nhúng…[93]. Slurry là một hỗn hợp của các hạt rắn phân bố trong môi trường lỏng. Tùy mục đích phủ mà hạt rắn có thể là kim loại hoặc ceramic. Chất lỏng, đơi khi cịn gọi là sơn, bao gồm hai thành phần: chất mang và chất kết dính. Chất mang sẽ bay hơi khi lớp phủ bột nhão được nung nóng, chất kết dính sẽ được giữ lại và liên kết các hạt rắn lại thành màng phủ. Bước cuối cùng là nung nóng lớp màng phủ chứa hạt rắn và chất kết dính trong mơi trường khí bảo vệ hoặc chân khơng để làm bay hơi loại bỏ chất kết dính, khuếch tán các nguyên tố và tạo thành lớp phủ có mật độ sít đặc bám chắc vào vật liệu nền [94].
Lớp phủ slurry đầu tiên được báo cáo vào năm 1958 bởi General Motors Corporation với mục đích tăng cứng bề mặt của tấm titan [95]. Trong những năm
1960, International Nickel Company nghiên cứu sâu hơn về phương pháp tạo lớp phủ bột nhão slurry trên các tấm thép [96-98]. Các vật liệu thép có lớp phủ Ni này được sử dụng trong cơng nghiệp hóa chất, xe hơi và đồ gia dụng. Quá trình xử lý nhiệt được thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của kim loại và lớp phủ được tạo thành nhờ quá trình khuếch tán thể rắn.
Lớp phủ slurry ứng dụng cho mục đích chống ơxy hóa nhiệt độ cao được báo cáo lần đầu tiên vào năm 1963 bởi United Aircraft Corporation [99]. Trong những năm 1970, lớp phủ slurry thấm nhôm thể rắn và thấm nhôm thể hơi được nghiên cứu sử dụng cho các ứng dụng lớp phủ trên cánh tuốc bin khí nền siêu hợp kim niken
[100]. Vào cuối những năm bảy mươi, lớp phủ chống ơxy hóa hệ silic được phát triển bởi Lockheed, Sylvania Electric Products và US Navy. Các lớp phủ này được ứng dụng cho các hợp kim chịu lửa làm việc ở nhiệt độ cao hơn 1200 oC trong các thiết bị tên lửa, vệ tinh hay công nghệ không gian [101, 102]. Các nghiên cứu cho
thấy lớp phủ đồng đều hơn khi lớp bột nhão được nung nóng chảy trong q trình xử lý nhiệt.
Vào những năm bảy mươi, phương pháp chế tạo lớp phủ kết hợp hơi-bột nhão (vapour-slurry) được phát triển cho công nghệ thấm nhôm. Trong phương pháp này, thành phần bột nhão bao gồm bột hợp kim nhôm và chất hoạt hóa (thường là amoniclorua hoặc lithiclorua). Q trình xử lý nhiệt khơng làm nóng chảy lớp phủ nhưng hình thành các hợp chất halogen nhơm dễ bay hơi. Các hợp chất này phân ly, lắng đọng nhôm trên bề mặt nền và khuếch tán tạo thành lớp thấm nhôm. Công nghệ này lần đầu tiên được áp dụng để sửa chữa các lớp phủ được chế tạo bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD) [103] và được gọi là phương pháp phủ vá (patch- coating). Sau đó, phương pháp phủ vá được cải tiến và sử dụng để sửa chữa cho các lớp phủ EB-PVD hoặc lớp phun plasma chân không MCrAlY [104, 105].
Phương pháp trên cũng được sử dụng để tạo các lớp phủ khuếch tán nhơm biến tính bằng platin cho nền hợp kim niken trên cánh tuốc bin khí [106, 107].
Trong một thời gian dài, phương pháp phủ bột nhão chỉ được sử dụng chủ yếu trong chế tạo lớp thấm nhôm với sự kết hợp công nghệ hơi-bột nhão. Chất lượng của lớp phủ cũng bị hạn chế do hạn chế của công nghệ chế tạo vật liệu phủ và tính ổn định của cơng nghệ chế tạo lớp phủ. Tuy nhiên, trong thời gian gần đây, cùng với sự phát triển của rộng rãi của công nghệ chế tạo hợp kim bột với khả năng tạo hạt bột nhỏ hơn, đồng đều hơn về kích thước và thành phần, việc chế tạo lớp phủ bằng phương pháp slurry lại được quan tâm nghiên cứu, áp dụng cho lớp phủ khuếch tán trên cánh tuốc bin khí nhằm nâng cao tính linh hoạt cho các chi tiết lớn và hạ giá thành sản phẩm của lớp phủ.