Đề tài " SEMINAR : MÀNG MỎNG BỀN NHIỆT "

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:36

Thêm vào BST

Báo xấu

86
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tham khảo bài thuyết trình 'đề tài " seminar : màng mỏng bền nhiệt "', tài liệu phổ thông phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đề tài " SEMINAR : MÀNG MỎNG BỀN NHIỆT "

SEMINAR : MÀNG MỎNG BỀN NHIỆT GVHD : PGS -TS. LÊ VĂN HIẾU HVTH : HÀ TÂN HÒA PHAN THANH NHẬT KHOA
PHẦN I : GIỚI THIỆU MÀNG MỎNG TBC VÀ  PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO PHẦN II : ĐO ĐẠC 
PHẦN I : GIỚI THIỆU MÀNG MỎNG TBC VÀ  PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO
I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÀNG MỎNG NHIỆT • Tính năng: Màng mỏng chịu được nhiệt độ cao (màng bền nhiệt) nhằm bảo vệ các thiết bị bên trong khỏi nhiệt độ quá lớn của môi trường làm việc (tới 11000C ). Ví dụ: màng bảo vệ tuốcbin khí của động cơ đẩy của máy bay, màng phủ lên lớp thành buồng đốt của động cơ xe máy, máy phát điện… Các thiết bị này, theo nguyên lí Carnot, cần có nhiệt độ làm việc càng lớn càng tốt để tăng hiệu suất của động cơ nhiệt: T2 H  1 Trong đó T1, T2 là nhiệt độ của nguồn T1 nóng và nguồn lạnh mà khối khí trao đổi nhiệt. T1 càng lớn hiệu suất trao đổi nhiệt càng dần tới 100%.
- Màng mỏng bền cơ - bền nhiệt : trong các dụng cụ như mũi khoan, do ma sát khi làm việc, nhiệt độ có thể lên rất cao. Ở nhiệt độ cao, các vật liệu làm mũi khoan dù bền vẫn bị oxi hóa, trở thành dạng oxít kém bền cơ. Do đó nhu cầu phủ màng vừa chống mài mòn vừa bền nhiệt hoặc hai lớp cơ-nhiệt là rất cần thiết. Màng trong suốt phản xạ nhiệt : dùng để phủ - các lớp kính tủ lạnh và greenhouse… vừa lịch sự vừa giữ nhiệt. Các màng này trong suốt (truyền qua) lớn đối với vùng phổ khả kiến, nhưng phản xạ mạnh đối với vùng hồng ngoại. Sóng ngắn (khả kiến) truyền vào hoặc ra nhà kính được, nhưng khi chúng bị vật chất hấp thụ và phát ra lại thì năng lượng suy giảm, bước sóng dài ra, không thoát ra ngoài được. Đối với tủ lạnh thì tương tự. Hình 2 : Tủ lạnh với cửa kính có phủ lớp màng mỏng trong suốt phản xạ nhiệt, vừa thẩm mỹ vừa tiết kiệm điện năng cho việc làm lạnh
II. CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA MÀNG BỀN CƠ NHIỆT Khi khảo sát các loại màng nghiên cứu cũng như thương phẩm, có các đặc trưng sau mà người ta quan tâm: -Đặc trưng chung + Độ dày màng + Độ bám dính (kg/cm2) + Tuổi thọ sử dụng -Về thẩm mỹ + Thẩm mỹ (màu sắc…) -Về điện học + Điện trở -Về cơ học + Độ bền đứt giới hạn (kg/cm2)…
- Về nhiệt + Khoảng nhiệt độ làm việc + Sự mỏi nhiệt -Về quang học + Độ phản xạ quang học + Độ truyền qua Về tuổi thọ, người ta dùng định luật Paris để mô tả mối liên hệ giữa chiều dài vết nứt của màng và số chu trình làm việc: Trong đó: •a: chiều dài vết nứt •N: số chu trình •K: thừa số cường độ ứng suất •C,n: các hằng số phụ thuộc vào nhiệt độ và bản chất của môi trường làm việc, bản chất của vật liệu tạo màng
Về vấn đề oxi hoá, cũng liên quan tới tuổi thọ của màng: người ta sử dụng tỉ số Pilling-Bedworth (PBR): / thể tích phần kim loại chưa PBR=thể tích phần kim loại đã bị oxi hoá bị oxi hoá - Nếu PBR
Nếu PBR
III. CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO – CÁC PHƯƠNG PHÁP KHẮC PHỤC NHƯỢC ĐIỂM 1. Phủ màng TBC (thermal barrier coatings) Thông thường màng chống ăn mòn- bền nhiệt bao gồm 3 lớp sau Bond coat
- Đế: chính là lớp hợp kim của thành buồng đốt, thông thường là các hợp kim chứa nickel, sắt-nickel, cobalt có thể hoạt động bình thường ở 54000C. Vật liệu này rất thích hợp cho việc chịu các tải (lực) lớn, nhưng không chịu đựng tốt trước môi trường. Bond Bond coat
- Lớp màng tạo độ kết dính: nếu lớp hợp kim dễ bị oxi hóa ở nhiệt độ cao, thì lớp màng là màng nhôm, muốn chống ăn mòn thì phủ màng crôm. Lớp màng này ở trên màng kim loại Bond Bond được gọi là lớp bond layer (tạo đô dính), coat vì thường lớp cách nhiệt yttrium stabilized zirconia ở trên cùng (sẽ nói dưới đây) là một loại ceramic bền nhiệt bám dính không tốt trên đế kim loại. Một nguyên nhân nữa, khi nhiệt độ tăng cao, hệ số giãn nở nhiệt của lớp gốm và hợp kim khác nhau quá nhiều khiến chúng dễ dàng tróc ra khỏi nhau. Lớp này thường là nhôm, khi oxi gặp Al sẽ hình thành nhôm oxit. Khác với các oxit khác của sắt, kẽm… vốn rỗng, oxit của Al rất bền và có độ chặt cao, khiến oxi không thể len vào tiếp và các lớp bên trong được bảo vệ. Chúng ta cũng đã biết là các vật dụng bằng Al thực ra mặt ngoài của chúng đã bị oxi hoá thành một lớp Al2O3 mỏng, nhưng lớp này có cấu trúc quá chặt làm cho oxi hay nước không đi vào được nữa và kim loại Al bên trong được bảo vệ. Các vật dụng bằng sắt không có tính chất này, khi đã bị oxi hoá bên ngoài, oxi tiếp tục khuếch tán vào trong thông qua lớp oxít sắt có cấu trúc rỗng xốp, và phá hoại tất cả kim loại bên trong, dẫn đến toàn bộ vật dụng bằng sắt đều biến thành rỉ sắt hết.
Hình 3 : Sự biến đổi hằng số mạng của lớp màng khiến xảy ra sự không khớp mạng, từ đó sinh ra ứng suất Hình 4 : Sự bong tróc do không phủ lớp màng bond layer lên đế vỏ kim loại trước khi phủ lớp màng ceramic
- Lớp màng cách nhiệt: thường là yttrium stabilized zirconia. Zirconia có hệ số dẫn nhiệt rất kém 1,5-2 W/m2K và hệ số nở nhiệt (6- Bond 8.10−6/K)) không khác biệt quá mức so với đế coat (13-14.10−6/K). Lớp màng cách nhiệt sẽ làm nhiệt độ làm việc của buồng đốt (1100C), trước khi tới lớp vỏ hợp kim của buồng, sẽ suy giảm vừa đủ sức chịu đựng của vỏ hợp kim. Lớp màng này có độ xốp (rỗng) cao nhằm làm giảm hơn nữa hệ số dẫn nhiệt đồng thời giảm độ giòn. Các đặc tính khác là: không xảy ra chuyển pha khi nhiệt độ thay đổi trong khoảng nhiệt độ phòng và nhiệt độ làm việc (tức là khi máy nóng và máy nguội đi, lớp màng này không xảy ra chuyển pha), ì về mặt hóa học, dẫn nhiệt kém, hệ số nở nhiệt gần giống với đế (đây là điều cực kỳ quan trọng), bám dính tốt trên lớp màng chống ăn mòn. Vật liệu lớp này là Zirconia ZrO2, một loại gốm. Trong gốm, các liên kết mạng bản chất lực ion hút nhau giữa cation va anion. ZrO2 có khuyết điểm (và cũng là ưu điểm) là rất xốp, hệ số khuếch tán đối với oxi rất cao, đó là lí do tại sao phải có lớp phủ chống khuếch tán oxi ở phía dưới.
Về vật liệu yttrium stabilized zirconia: Zirconia nguyên chất có nhiều ưu điểm cũng như khuyết điểm: - Có hệ số khuếch tán đối với oxi rất cao. - Trong khi nhiệt độ hay áp suất biến đổi, zirconia chuyển pha qua rất nhiều dạng thù hình. Đây là điều rất có hại. Ở nhiệt độ thường, zirconia ở trong pha monoclinic. Đến 12400C, chuyển qua tetragonal. Đến 2370, chuyển qua cubic. Còn nếu áp suất quá cao, zirconia sẽ chuyển qua orthorhombic. Khi chuyển pha, các hằng số mạng thay đổi, dẫn tới hai lớp màng không còn bám dính nhau được nữa, hoặc thể tích của lớp zirconia tăng. Do đó người ta phải pha tạp yttria Y2O3, nồng độ 8%. Chất pha tạp này sẽ làm cho trạng thái cubic rất bền, và giữ cho màng không chuyển pha khi nhiệt độ thay đổi. Ngoài ra còn pha tạp MgO, CaO. Hình 3 : Sự biến đổi hằng số mạng của lớp màng khiến xảy ra sự không khớp mạng, từ đó sinh ra ứng suất
Chế tạo lớp màng bền nhiệt: plasma spraying và electron beam physical vapor deposition (EB-PVD). Hai phương pháp dẫn tới hai loại màng có cấu trúc khác nhau và do đó có ưu nhược khác nhau. -Phương pháp plasma spraying tạo ra màng gồm các hạt nóng chảy, có dạng bánh pancakes, do đó màng tạo ra có độ xốp cao, có thể có các vết nứt. -Phương pháp EB-PVD tạo ra màng phát triển theo cấu trúc cột, không có độ rỗng, nhưng độ dẫn nhiệt lại cao, giá thành lại mắc
Phương pháp plasma spraying. Nội dung : bột hợp kim được bơm vào dòng khí plasma nhiệt độ cao của súng phóng plasma. Bột sẽ nóng chảy và được bắn vào đế. Chạm vào đế, các hạt bột sẽ nguội dần và hình thành lớp phủ dạng splat (vảy). Do đó các không gian rỗng sẽ nằm ngang. Nhiệt độ trong quá trình phủ là 10.000- 200.0000C. Do đó nhất định phải thực hiện trong buồng chân không, hoặc buồng áp suất thấp nhưng phải là khí trơ. Sử dụng hạt bột quá to (>40 micromet) thì hạt đi ra khỏi súng plasma mà chỉ có vỏ ngoài của hạt nóng chảy, do đó khi phủ sẽ tạo thành các cục thô trên đế, màng thô, độ xốp cao. Hạt bột quá bé (
Phương pháp plasma spraying. Màng thô thì tạo độ bám dính tốt đối với lớp màng bền nhiệt phía trên. Do đó, thường người ta phủ lớp màng chống ăn mòn và oxi hóa thành 2 lần: lần thứ nhất dùng các hạt bột mịn phủ lên vỏ đế (vỏ buồng đốt), lần thứ hai dùng hạt bột to phủ một lớp thô để tạo độ bám dính tốt với lớp màng bền nhiệt sẽ phủ sau này. Bond coat
Khi phủ màng bằng phương pháp plasma spraying, có một số thông số chúng ta cần lưu ý như sau: -Lưu lượng thổi của dòng plasma quá yếu, bột của vật liệu rơi ra từ ống đựng bột sẽ chảy xuống qua plasma mà không được thổi tới đế hoặc thổi tới đế quá ít. -Lưu lượng quá mạnh, bột của vật liệu rơi ra từ ống đựng bột sẽ bị luồng plasma đấy chếch ra khỏi phương ngang, cũng không được tới được đế hoặc tới đế quá ít. - Lưu lượng vừa phải, bột của vật liệu rơi ra từ ống đựng bột sẽ bị luồng plasma đẩy đúng tới vị trí đế