1.2. Lớp phủ chịu ăn mịn và ơxy hóa nhiệt độ cao trên cánh tuốc bin khí
1.2.1.2. Lớp thấm nhơm có cấu trúc pha β
Lớp thấm nhôm thuần túy được phát triển trong giai đoạn đầu của hệ lớp phủ chịu nhiệt cho cánh tuốc bin khí. Với dạng lớp phủ khuếch tán nhôm, một hàm lượng nhôm cao được đưa vào bề mặt lớp hợp kim bằng phương pháp thấm thể rắn trong hộp thấm (pack cementation), bằng phương pháp bọc bột nhão hoặc phương pháp thấm thể khí. Lớp thấm được hình thành dựa trên dạng pha hợp kim trung gian β – NiAl.
Với phương pháp này, bề mặt kim loại cần bảo vệ được làm sạch và được đặt trong một hộp phản ứng có chứa bột nhơm hoặc bột hợp chất chứa nhơm. Chất hoạt hóa là hợp chất halogen (NH4Cl) được sử dụng để vận chuyển nhôm từ hộp thấm tới bề mặt của chi tiết cần thấm. Hộp phản ứng sau đó được nung tới nhiệt độ thích hợp trong mơi trường khí bảo vệ để tránh bị ơxy hóa [10].
Có hai phương pháp chế tạo lớp thấm nhơm khuếch tán được nghiên cứu phát triển: phương pháp “khuếch tán vào-inward” với hoạt độ cao và phương pháp “khuếch tán ra – outward” với hoạt độ thấp.
(*)Phương pháp khuếch tán ra/hoạt độ thấp: Nhiệt độ thấm được duy trì trong khoảng 1000-1100 oC kèm theo quá trình xử lý nhiệt khuếch tán trong 4 giờ [30]. Lớp thấm có cấu trúc β-NiAl được hình thành và phát triển ra phía bên ngồi của bề mặt nền ban đầu do sự kết hợp của lượng nhôm đưa vào và niken khuếch tán mạnh từ nền ra. Vùng gần bề mặt được gọi là vùng khuếch tán trung gian (interdiffusion zone- IDZ). Vùng này ban đầu có cấu trúc γ+γ’ nhưng do bị mất Ni nên một phần pha β-
NiAl cũng đươc tạo thành theo phương trình 1.9. Lớp phủ trong trường hợp này gồm hai lớp: lớp β-NiAl giầu nhơm ở bên ngồi và lớp khuếch tán trung gian IDZ gồm có hỗn hợp pha β-NiAl mới tạo thành và nền γ+γ’ ban đầu.
(γ-Ni + γ’-Ni3Al) –Ni = β-NiAl + 2γ-Ni (1.9)
(*) Phương pháp khuếch tán vào/hoạt độ cao, nhiệt độ thấm của nhôm thấp hơn (từ 700-950 oC). Hàm lượng nhôm trên bề mặt cao, sự hình thành lớp thấm chủ yếu do nhơm khuếch tán vào trong, hình thành hỗn hợp pha δ-Ni2Al3 và β –NiAl. Pha δ- Ni2Al3 giòn cần được chuyển biến thành β –NiAl nhờ quá trình xử lý nhiệt khuếch tán ở 1080 oC trong 4 giờ [30]. Cấu trúc của lớp phủ trong trường hợp này gồm ba lớp: lớp bề mặt là có cấu trúc pha giịn, giàu nhơm δ-Ni2Al3, lớp giữa có cấu trúc pha β
–NiAl và lớp bên trong là hỗn hợp của pha β-NiAl mới tạo thành và nền γ+γ’ ban đầu (giống như cấu trúc lớp phủ hai lớp). Phương pháp thấm nhơm hoạt tính cao làm cho nhơm khuếch tán vào trong nền nhanh hơn, kết hợp với các nguyên tố khác trong nền tạo ra dạng pha không đồng nhất làm giảm độ bền ơxy hóa nhiệt độ cao của lớp phủ so với phương pháp thấm khuếch tán ra/hoạt tính thấp [31]. Cơ chế tạo lớp phủ và cấu trúc lớp phủ đối với hai dạng lớp thấm nhôm được thể hiện trên hình 1.12.
Hình 1.12. Cấu trúc của lớp thấm nhôm (a) hoạt độ thấp và (b) hoạt độ cao. Và (c)