1.2. Lớp phủ chịu ăn mịn và ơxy hóa nhiệt độ cao trên cánh tuốc bin khí
1.2.1.1. Sự khuếch tán trong hợp kim
Điều kiện hình thành và sự thay đổi cấu trúc của các lớp phủ khuếch tán trên cánh tuốc bin khí tuân theo các quy luật khuếch tán của các nguyên tố trong lớp phủ và nền hợp kim. Vì vậy các kiến thức về khuếch tán đóng vai trị quan trọng trong việc tìm hiểu quy trình chế tạo cũng như độ bền của các lớp phủ trong môi trường nhiệt độ cao.
Khuếch tán là một quá trình chuyển khối trong vật liệu. Bản chất của khuếch tán là quá trình di chuyển của các nguyên tử/phân tử từ nơi có nồng độ cao sang nơi có nồng độ thấp để giảm sự chênh lệch nồng độ. Chúng ta quan tâm đến sự chuyển khối trong mơi trường chất rắn. Một cách tổng qt, có hai cơ chế đối với quá trình khuếch tán trong chất rắn. Thứ nhất là sự khuếch tán qua chỗ trống, các nguyên tử khuếch tán bằng cách dịch chuyển giữa các nút mạng thông qua các lỗ trống. Cơ chế liên quan đến việc thay đổi vị trí các ngun tử trong mạng từ vị trí bình thường đến vị trí cịn trống kế bên. Khi đó nguyên tử và lỗ trống chuyển động trái chiều. Cơ chế thứ hai là khuếch tán xen kẽ. Cơ chế này liên quan đến các chuyển động của các ngun tử (có kích thước nhỏ) giữa các lỗ hổng của mạng tinh thể vật liệu. Động lực của quá trình
khuếch tán là làm giảm năng lượng tự do. Trong hầu hết các trường hợp thực tế, khuếch tản xảy ra từ nơi có nồng độ cao tới nơi có nồng độ thấp hơn.
Tốc độ khuếch tán được đặc trưng bởi hai định luật khuếch tán: định luật Fick 1 và định luật Fick 2.
- Định luật Fick 1 (khuếch tán trạng thái ổn định): Định luật Fick 1 nêu lên mối quan hệ giữa dòng nguyên tử khuếch tán J qua một đơn vị bề mặt vng góc với phương khuếch tán và gradient nồng độ dc/dx.
(1.5) Trong đó:
c: nồng độ chênh lệch chất khuếch tán.
J: Dòng vật chất chuyển dời qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian. D: hệ số khuếch tán (cm2/s). Trong nhiều trường hợp D phụ thuộc vào nhiệt độ theo quy luật:
(1.6) Với: D0 là hằng số (cm2/s).
Q: Hoạt năng khuếch tán, kcal/mol. T: Nhiệt độ khuếch tán, K.
R = 1.98, hằng số khí.
Dấu (-) chỉ chiều dịch chuyển có hướng làm giảm chênh lệch nồng độ. Định luật Flick I chỉ cho ta biết điều kiện và chiều hướng xảy ra sự khuếch tán.
- Định luật Fick II (khuếch tán trạng thái không ổn định): Biểu thức của định luật Fick II trong trường hợp hệ số khuếch tán không phụ thuộc vào nồng độ như sau:
Nghiệm của phương trình trên trong trường hợp khuếch tán một chất có nồng độ cs trên bề mặt vào bên trong mẫu với nồng độ ban đầu c0 (cs> c0) có dạng:
(1.8)
Trong đó erf (L) là hàm sai của đại lượng L được tính sẵn trong các sổ tay toán học.