Luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu: Nghiên cứu chế tạo và đặc tính chống oxy hóa của lớp phủ bền nhiệt độ cao trên nền hợp kim niken ứng dụng cho tuốc bin khí

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:143

Thêm vào BST

Báo xấu

20
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu "Nghiên cứu chế tạo và đặc tính chống oxy hóa của lớp phủ bền nhiệt độ cao trên nền hợp kim niken ứng dụng cho tuốc bin khí" trình bày nghiên cứu chế tạo lớp phủ khuếch tán bằng phương pháp mạ điện kết hợp xử lý nhiệt khuếch tán; Nghiên cứu chế tạo lớp phủ khuếch tán bằng phương pháp phun phủ bột nhão (slurry) kết hợp xử lý nhiệt khuếch tán; Nghiên cứu đặc tính về cấu trúc và khả năng chịu ôxy hóa chu kỳ ở nhiệt độ cao của các lớp phủ đã chế tạo.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Khoa học vật liệu: Nghiên cứu chế tạo và đặc tính chống oxy hóa của lớp phủ bền nhiệt độ cao trên nền hợp kim niken ứng dụng cho tuốc bin khí

i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- ĐÀO CHÍ TUỆ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ĐẶC TÍNH CHỐNG OXY HÓA CỦA LỚP PHỦ BỀN NHIỆT ĐỘ CAO TRÊN NỀN HỢP KIM NIKEN ỨNG DỤNG CHO TUỐC BIN KHÍ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội – 2022
ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- ĐÀO CHÍ TUỆ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ĐẶC TÍNH CHỐNG OXY HÓA CỦA LỚP PHỦ BỀN NHIỆT ĐỘ CAO TRÊN NỀN HỢP KIM NIKEN ỨNG DỤNG CHO TUỐC BIN KHÍ Chuyên ngành: Kim loại học Mã số: 9.44.01.29 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Lê Thị Hồng Liên 2. GS.TS. Hideyuki Murakami Hà Nội – 2022
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và không trùng lặp với bất kỳ công trình khoa học nào khác. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực, chưa từng được công bố trên bất kỳ tạp chí nào đến thời điểm này ngoài những công trình của tác giả. Hà Nội, ngày tháng năm Tác giả luận án Đào Chí Tuệ
ii LỜI CẢM ƠN! Lời đầu tiên với lòng biết ơn sâu sắc tôi xin gửi lời cảm ơn tới PGS.TS. Lê Thị Hồng Liên và GS.TS. Hideyuki Murakami bởi những chỉ dẫn quý báu về định hướng nghiên cứu cũng như phương pháp luận và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành bản luận án này! Tôi cũng bày tỏ lời cảm ơn đối với Học viện Khoa học và Công nghệ cũng như Viện Khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất và thời gian để tôi hoàn thành luận án. Tôi xin gửi lời cảm ơn tới chương trình hợp tác đào tạo NCS giữa Viện Khoa học vật liệu và Viện Khoa học vật liệu quốc gia Nhật Bản (NIMS) đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi thực hiện các nghiên cứu quý báu tại phòng thí nghiệm Surface Kinetics Group của TS. Hideyuki Murakami tại NIMS. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các đồng nghiệp trong Trung tâm đánh giá hư hỏng vật liệu (COMFA), Viện Khoa học vật liệu Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã chia sẻ, đóng góp những kinh nghiệm quý báu để tôi thực hiện các nghiên cứu. Tôi đồng thời gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các đồng nghiệp tại nhóm nghiên cứu Surface Kinetics Group của TS. Hideyuki Murakami tại NIMS đã hỗ trợ tôi thực hiện các nghiên cứu trên các thiết bị tiên tiến của nhóm và của Viện NIMS. Và tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các đồng nghiệp, bạn bè – những người đã luôn quan tâm, động viên tôi trong suốt thời gian qua! Cuối cùng, tôi xin dành tình cảm đặc biệt đến gia đình, người thân của tôi - những người đã luôn động viên và tiếp sức cho tôi thêm nghị lực để tôi vững bước hoàn thành luận án Tác giả Đào Chí Tuệ
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN! ............................................................................................................ ii MỤC LỤC .................................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ................................................................................... ix DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................ xvi CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TUỐC BIN KHÍ VÀ LỚP PHỦ CHỊU NHIỆT TRÊN CÁNH TUỐC BIN KHÍ ................................................................................. 5 1.1. Tuốc bin khí và vật liệu sử dụng trong tuốc bin khí ................................... 6 1.1.1. Cấu tạo và điều kiện làm việc của tuốc bin khí ........................................ 6 1.1.1.1. Cấu tạo của tuốc bin khí và môi trường nhiệt độ cao trong tuốc bin khí .................................................................................................................... 6 1.1.1.2. Hiện tượng ăn mòn và ôxy hóa nhiệt độ cao trên cánh tuốc bin khí . 9 1.1.2. Vật liệu sử dụng trong tuốc bin khí......................................................... 14 1.1.2.1. Các thế hệ hợp kim đầu tiên và công nghệ đúc cánh tuốc bin khí ... 15 1.1.2.2. Siêu hợp kim đơn tinh thể nền niken ............................................... 16 1.2. Lớp phủ chịu ăn mòn và ôxy hóa nhiệt độ cao trên cánh tuốc bin khí ... 18 1.2.1. Lớp phủ khuếch tán trên cánh tuốc bin khí ............................................. 19 1.2.1.1. Sự khuếch tán trong hợp kim ........................................................... 19 1.2.1.2. Lớp thấm nhôm có cấu trúc pha β .................................................... 21 1.2.1.3. Lớp thấm nhôm biến tính bằng platin .............................................. 23 1.2.1.4. Lớp thấm nhôm biến tính bằng Pt có cấu trúc pha γ + γ’ ................ 26 1.2.1.5. Lớp phủ khuếch tán nhôm biến tính bằng Pt có cấu trúc pha γ + γ’ 27 1.2.1.6. Iridi và khả năng sử dụng Ir trong lớp phủ khuếch tán nhôm .......... 29 1.2.2. Lớp phủ không khuếch tán (overlay coating) trên cánh tuốc bin khí ..... 30 1.2.3. Hệ lớp phủ cách nhiệt (TBCs) trên cánh tuốc bin kh.............................. 32 1.3. Các phương pháp chế tạo lớp phủ khuếch tán .......................................... 35
iv 1.3.1. Phương pháp chế tạo lớp thấm nhôm...................................................... 35 1.3.2. Phương pháp chế tạo lớp thấm nhôm biến tính với platin ...................... 38 1.3.3. Phương pháp chế tạo lớp phủ khuếch tán nhôm biến tính bằng Pt ......... 39 1.3.4. Phương pháp phun phủ bột nhão slurry .................................................. 40 1.3.4.1. Lịch sử phương pháp ........................................................................ 40 1.3.4.2. Thành phần của hỗn hợp bột nhão dùng để tạo lớp phủ .................. 42 1.4. Tình hình nghiên cứu lớp phủ chịu ôxy hóa nhiệt độ cao trong nước và định hướng nghiên cứu của Nghiên cứu sinh (NCS). ...................................... 42 CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....... 45 2.1. Chuẩn bị mẫu hợp kim nền ......................................................................... 45 2.1.1. Chuẩn bị thành phần và cấu trúc hợp kim nền ........................................ 46 2.1.2. Chuẩn bị bề mặt hợp kim nền ................................................................. 47 2.2. Chế tạo lớp phủ khuếch tán Pt và Pt-Ir bằng phương pháp mạ điện kết hợp với xử lý nhiệt khuếch tán........................................................................... 48 2.2.1. Mạ lớp màng Pt ....................................................................................... 49 2.2.1.1. Thông số bể mạ Pt ............................................................................ 49 2.2.1.2. Quy trình thực hiện lớp mạ Pt .......................................................... 50 2.2.2. Mạ lớp màng Pt-Ir ................................................................................... 51 2.2.2.1. Thông số bể mạ Pt-Ir ........................................................................ 51 2.2.2.2. Quy trình mạ lớp màng hợp kim Pt-Ir.............................................. 52 2.2.3. Xử lý nhiệt tạo lớp phủ khuếch tán Pt và Pt-Ir ....................................... 53 2.3. Chế tạo lớp phủ khuếch tán Pt, Pt-Ir bằng phương pháp phun phủ slurry .................................................................................................................... 54 2.3.1. Chuẩn bị vật liệu phun phủ ..................................................................... 54 2.3.1.1. Vật liệu bột Pt và Pt-Ir ..................................................................... 54 2.3.1.2. Hỗn hợp dung dịch chất mang và chất kết dính ............................... 55 2.3.2. Quá trình tạo lớp phủ .............................................................................. 55 2.3.3. Quy trình xử lý nhiệt khuếch tán tạo lớp phủ ......................................... 57
v 2.4. Các phương pháp nghiên cứu đặc tính chịu ôxy hóa nhiệt độ cao của lớp phủ chịu nhiệt trên nền hợp kim niken ............................................................. 57 2.4.1. Phương pháp nghiên cứu tốc độ ôxy hóa. ............................................... 58 2.4.1.1. Thiết bị thử nghiệm ôxy hóa chu kỳ ................................................ 58 2.4.1.2. Phương pháp xác định tốc độ ôxy hóa nhiệt độ cao ........................ 60 2.4.2. Phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) nghiên cứu sự thay đổi cấu trúc pha của vật liệu. ......................................................................................... 60 2.4.3. Nghiên cứu hình thái học bề mặt lớp phủ và cấu trúc mặt cắt ngang lớp phủ trên hiển vi điện tử quét (SEM) ................................................................. 61 2.4.4. Nghiên cứu sự khuếch tán nguyên tố và phân bố nguyên tố trong mặt cắt ngang lớp phủ bằng phương pháp quét đường phổ tán xạ năng lượng EDS .... 62 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN............................................................. 63 3.1. Chế tạo và đặc trưng tính chất của lớp phủ khuếch tán Pt/Pt-Ir trên nền hợp kim Ni-Al-Cr ................................................................................................ 64 3.1.1. Chế tạo và đặc trưng tính chất của lớp phủ Pt/Pt-Ir trên hệ hợp kim ba nguyên Ni-16Al-10Cr bằng phương pháp mạ điện kết hợp với xử lý nhiệt khuếch tán. ........................................................................................................ 64 3.1.1.1. Kết quả chế tạo các lớp mạ Pt và Pt-Ir trên nền hợp kim Ni-16Al- 10Cr. .............................................................................................................. 64 3.1.1.2. Sự khuếch tán các nguyên tố và cấu trúc của lớp phủ Pt/Pt-Ir sau khi xử lý nhiệt khuếch tán ................................................................................... 66 3.1.1.3. Sự hình thành pha trong lớp phủ Pt/Pt-Ir ......................................... 71 3.1.1.4. Đặc tính chịu ôxi hóa nhiệt độ cao của lớp phủ Pt và Pt-Ir trên nền hợp kim Ni-16Al-10Cr tổng hợp bằng phương pháp mạ điện kết hợp với xử lý nhiệt khuếch tán ........................................................................................ 73 3.1.2. Chế tạo và đặc trưng tính chất của lớp phủ Pt/Pt-Ir trên hệ hợp kim ba nguyên Ni-16Al-10Cr bằng phương pháp phun phủ bột nhão kết hợp với xử lý nhiệt khuếch tán. ............................................................................................... 81 3.1.2.1. Thành phần lớp phủ Pt và Pt-Ir ........................................................ 81
vi 3.1.2.2. Cấu trúc của các lớp phun phủ bột nhão Pt và Pt-Ir sau khi xử lý nhiệt khuếch tán ............................................................................................ 82 3.1.2.3. Sự khuếch tán nguyên tố trong các lớp phun phủ Pt và Pt-Ir sau khi xử lý nhiệt khuếch tán ................................................................................... 86 3.1.2.4. Sự hình thành pha trong lớp phun phủ Pt và Pt-Ir sau khi xử lý nhiệt khuếch tán ..................................................................................................... 88 3.1.2.5. Đặc tính chống oxi hóa chu kỳ nhiệt độ cao của các lớp phủ Pt và Pt- Ir trên nền hợp kim Ni-16Al-10Cr chế tạo bằng phương pháp phun phủ bột nhão kết hợp với xử lý nhiệt khuếch tán. ...................................................... 88 3.1.3. Thảo luận ................................................................................................. 97 3.1.3.1. Ảnh hưởng của Ir ............................................................................. 97 3.1.3.2. Quá trình tạo pha trong các lớp phủ ................................................. 98 3.1.3.3. Ảnh hưởng của phương pháp chế tạo .............................................. 99 3.1.3.4. Hiện tượng tạo lỗ rỗng trong lớp phủ ............................................ 100 3.2. Chế tạo và đặc trưng tính chất của lớp phủ khuếch tán Pt/Pt-Ir trên nền hợp kim UCSX-8 ............................................................................................... 101 3.2.1. Kết quả chế tạo các lớp phủ khuếch tán Pt và Pt-Ir trên nền siêu hợp kim đơn tinh thể UCSX-8 bằng phương pháp mạ điện và phun phủ bột nhão kết hợp với xử lý nhiệt khuếch tán. .............................................................................. 101 3.2.1.1. Phương pháp mạ điện ..................................................................... 101 3.2.1.2. Phương pháp phun phủ .................................................................. 102 3.2.2. Cấu trúc của các lớp phủ sau khi ủ khuếch tán ..................................... 102 3.2.3. Khả năng chịu oxi hóa nhiệt độ cao của lớp phủ. ................................ 107 Kết luận chương 3 .................................................................................................. 111 KẾT LUẬN CHUNG .......................................................................................... 113 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN .. 116
vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt và Tên Tiếng Anh Tên tiếng Việt ký hiệu TBCs Thermal Barrier Coattings Hệ lớp phủ cách nhiệt TGO Thermally-Grown Oxide Lớp ôxyt bảo vệ Ôxyt Zirconi ổn định hóa YSZ Yttria-stabilised zirconia bởi oxyt yttri γ Gamma Pha gamma γ’ Gamma prime Pha gamma phẩy β Beta Pha bêta α Alpha Pha anpha δ Delta Pha denta DS Directionally Solidification Kết tinh định hướng SC Single crytstall Đơn tinh thể IDZ Interdiffusion zone Vùng khuếch tán trung gian TCP Topologically close-packed Cấu trúc topho xếp chặt LTHC Low temperature hot corrosion Ăn mòn nóng nhiệt độ thấp HTHC High temperature hot corrosion Ăn mòn nóng nhiệt độ cao PGMs Platin Group Metals Kim loại thuộc nhóm Platin CTEs Coefficient of Thermal Expansion hệ số giãn nở nhiệt LPPS Low-pressure plasma spray Phun plasma áp suất thấp Phun plasma trong không APS Air plasma spray khí PVD Physical vapour deposition Lắng đọng pha hơi vật lí
viii Electron-beam physical vapour Lắng đọng pha hơi vật lí EBPVD deposition chùm điện tử CVD Chemical vapour deposition Lắng đọng hơi hóa học PVA Polyvinyl alcohol Chất kết dính PVA SEM Scanning electron microscopy Kính hiển vi điện tử quét Energy Dispersive X-ray EDS Phổ tán xạ năng lượng tia X Spectroscopy SE Secondary electron Chùm điện tử thứ cấp BSE Backscatter electron Chùm điện tử tán xạ ngược XRD X-ray Diffraction Phổ nhiễu xạ tia X 2 Peak position in XRD Góc nhiễu xạ αAl Chemical activity of Al Hoạt tính hóa học của nhôm Z Atomic number Số khối Z Mật độ dòng khuếch tán JAl Diffusion flux of aluminum nhôm Thành phần phần trăm at.% Atomic percent nguyên tử Thành phần phần trăm khối wt.% Weight percent lượng O C Celsius degree Độ C ph Minute Phút pH Acid number Độ pH
ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Cấu tạo cơ bản của một tuốc bin khí ........................................................... 6 Hình 1.2. Cấu tạo và điều kiện môi trường làm việc của tuốc bin khí phản lực sử dụng trên máy bay (nguồn: Courtesy of Rolls-Royce) ............................................... 7 Hình 1.3. Nhiệt độ làm việc và hiệu suất tương ứng của tuốc bin khí. ....................... 8 Hình 1.4. Quá trình phát triển của vật liệu chịu nhiệt độ cao làm cánh tuốc bin khí . 9 Hình 1.5. Cấu tạo của lớp phủ chịu nhiệt trên siêu hợp kim..................................... 10 Hình 1.6. Ăn mòn nóng nhiệt độ cao ........................................................................ 11 Hình 1.7. Quá trình vận chuyển và phản ứng ở bề mặt tiếp xúc trong cơ chế ôxy hóa nhiệt độ cao ............................................................................................................... 12 Hình 1.8. Thử nghiệm ôxy hóa chu kỳ ở 1100 oC (1 giờ giữ nhiệt ở nhiệt độ cao) đối với các thế hệ hợp kim nền niken khác nhau. ........................................................... 13 Hình 1.9. Vật liệu sử dụng trong động cơ Rolls Royce Trent 800 ........................... 14 Hình 1.10. Các dạng cánh tuốc bin khí; (a): đúc truyền thống; (b): đúc kết tinh định hướng; (c): đúc đơn tinh thể…………………………………………………………15 Hình 1.11. Các nguyên tố được sử dụng trong siêu hợp kim nền niken. Các nguyên tố gạch chéo là ít ảnh hưởng đến hợp kim và các nguyên tố gạch ngang là bất lợi cho hợp kim...................................................................................................................... 16 Hình 1.12. Cấu trúc của lớp thấm nhôm (a) hoạt độ thấp và (b) hoạt độ cao. Và (c) sự phụ thuộc độ khuếch tán của Ni và Al vào thành phần của NiAl ........................ 22 Hình 1.13. Mô hình các dạng cấu trúc của lớp thấm nhôm biến tính bằng Pt theo cơ chế hoạt tính cao/khuếch tán vào (a,b,c) và cấu trúc thực tế tương ứng (d,e,f) ........ 25 Hình 1.14. Cấu trúc hai lớp đặc trưng của lớp thấm nhôm biến tính bằng platin dạng hoạt tính thấp/khuếch tán ra. ..................................................................................... 26 Hình 1.15. Cấu trúc đặc trưng của lớp phủ γ + γ’ ..................................................... 27
x Hình 1.16. Cấu trúc và sự phân bố nguyên tố qua cặp vật liệu CMSX-4/ γ + γ’ (Ni- 22Al-30Pt) sau 50 giờ khuếch tán ở 1150 oC............................................................ 28 Hình 1.17. Hệ số khuếch tán của các nguyên tố PGMs trong nền niken ở nhiệt độ 1300 oC ...................................................................................................................... 29 Hình 1.18. Giá của các kim loại trong nhóm PGMs trên thị trường ......................... 30 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) ....................................... 32 Hình 1.20. Cấu tạo của hệ lớp phủ chịu nhiệt TBCs trên cánh tuốc bin khí............. 33 Hình 1.21. Cấu tạo của lớp phủ TBCs theo phương pháp (a): APS và (b): phương pháp EB-PVD............................................................................................................ 34 Hình 1.22. Cơ chế giảm nhiệt độ của lớp phủ TBCs cho vật liệu nền ...................... 35 Hình 1.23. Phương pháp thấm nhôm trong hộp ........................................................ 36 Hình 1.24. Cơ chế phản ứng tạo lớp thấm nhôm trong hộp thấm............................. 37 Hình 1.25. Phương pháp thấm nhôm ngoài hộp ....................................................... 37 Hình 1.26. Hệ thống thấm nhôm biến tính theo nguyên lý CVD ............................. 38 Hình 2.1. Quy trình xử lý nhiệt tạo pha γ+γ’ cho hợp kim Ni-16Al-10Cr, UCSX-8 và cấu trúc pha của hợp kim sau khi xử lý nhiệt. ...................................................... 46 Hình 2.2. Thiết bị và vị trí đo độ nhám bề mặt mẫu sau phum nhám ....................... 47 Hình 2.3. Quy trình chế tạo lớp mạ Pt dày 8 µm trên nền hợp kim niken ................ 50 Hình 2.4. Quy trình chế tạo lớp mạ Pt-20Ir dày 6 µm trên nền hợp kim niken ........ 53 Hình 2.5. Quy trình xử lý nhiệt khuếch tán các mẫu phủ Pt và Pt-Ir ........................ 54 Hình 2.6. Kết quả chụp SEM kích thước hạt hợp kim Pt-Ir ..................................... 55 Hình 2.7. Quy trình chế tạo lớp phủ khuếch tán Pt-Ir bằng phương pháp phun phủ bột nhão và xử lý nhiệt khuếch tán ........................................................................... 56
xi Hình 2.8 Lò ống có khí argon bảo vệ và quy trình xử lý nhiệt khuếch tán các mẫu phun phủ bột nhão ..................................................................................................... 57 Hình 2.9. Chu trình thử nghiệm ôxy hóa chu kỳ ở 1150 oC và thiết bị lò thử nghiệm ôxy hóa chu kỳ SUGA tại Viện NIMS, Nhật Bản .................................................... 59 Hình 2.10. Cân điện tử độ chính xác cao tại NIMS, Nhật Bản ................................. 60 Hình 2.11. Thiết bị phân tích XRD MiniFlex 600 của hãng Rigaku ........................ 61 Hình 2.12. Thiết bị FE-SEM Hitachi S4700 ............................................................. 62 Hình 3.1. Mẫu lớp mạ Pt và Pt-Ir .............................................................................. 65 Hình 3.2. Hình thái bề mặt của các mẫu lớp mạ Pt và Pt-Ir ..................................... 65 Hình 3.3. Bề mặt các mẫu lớp mạ Pt và Pt-Ir sau khi xử lý nhiệt khuếch tán .......... 66 Hình 3.4. Hình thái học bề mặt các lớp phủ Pt, Pt20Ir và Pt30Ir sau khi xử lý nhiệt khuếch tán ................................................................................................................. 66 Hình 3.5. Hình thái học mặt cắt ngang của lớp phủ Pt sau khi xử lý nhiệt khuếch tán ................................................................................................................................... 67 Hình 3.6. Hình thái học mặt cắt ngang của lớp phủ Pt20Ir sau khi xử lý nhiệt khuếch tán .............................................................................................................................. 68 Hình 3.7. Hình thái học mặt cắt ngang của lớp phủ Pt30Ir sau khi xử lý nhiệt khuếch tán .............................................................................................................................. 68 Hình 3.8. Kết quả phân tích line scan SEM/EDS sự phân bố nguyên tố trong lớp phủ khuếch tán Pt và Pt-Ir sau khi xử lý nhiệt 1 giờ ở 1100 oC ....................................... 69 Hình 3.9. Kết quả phân tích XRD thành phần pha trong các lớp phủ sau khi xử lý nhiệt khuếch tán ........................................................................................................ 72 Hình 3.10. Cấu trúc pha ’-Ni3Al .............................................................................. 72 Hình 3.11. Giản đồ pha của hệ hợp kim nguyên Ni-Al-Pt ở 1100 oC và cấu trúc tinh thể kiểu mạng L10 của pha α ..................................................................................... 73
xii Hình 3.12. Tốc độ ôxy hóa của các mẫu phủ Pt và Pt-Ir sau 100 chu kỳ thử nghiệm ở nhiệt độ 1150 oC ........................................................................................................ 74 Hình 3.13. Ảnh SEM bề mặt mẫu phủ Pt30Ir bị bong tróc sau 100 chu kỳ ............. 75 Hình 3.14. Ảnh SEM/BSE trạng thái bề mặt các mẫu phủ Pt, Pt20Ir và Pt30Ir sau 100 chu kỳ thử nghiệm ở 1150 oC............................................................................. 76 Hình 3.15. Kết quả phân tích mapping SEM/EDS sự phân bố nguyên tố trong mặt cắt ngang lớp phủ Pt20Ir sau khi thử nghiệm100 chu kỳ ......................................... 76 Hình 3.16. Chiều dày các lớp ôxyt trên bề mặt các mẫu lớp phủ sau 100 chu kỳ thử nghiệm ôxy hóa ở 1150 oC ........................................................................................ 77 Hình 3.17. Phân bố các nguyên tố trên mặt cắt ngang của các lớp phủ sau 100 chu kỳ thử nghiệm ở 1150 oC. ......................................................................................... 78 Hình 3.18. Ảnh SEM/BSE cấu trúc mặt cắt ngang của các lớp phủ sau khi thử nghiệm ôxy hóa chu kỳ (1; 10; 30; 100 chu kỳ) ....................................................... 79 Hình 3.19. Kết quả phân tích XRD thành phần pha trên bề mặt các mẫu phủ sau thử nghiệm 100 chu kỳ oxi hóa ở 1150 oC ...................................................................... 80 Hình 3.20. Hình ảnh các mẫu phủ Pt và PtIr (phủ hai mặt) bằng phương pháp phun phủ sau khi ủ khuếch tán ở 1100 oC .......................................................................... 82 Hình 3.21. Ảnh SEM hình thái học bề mặt các lớp phủ Pt, và Pt-Ir sau khi xử lý nhiệt khuếch tán ........................................................................................................ 82 Hình 3.22. Hình thái học mặt cắt ngang của lớp phun phủ Pt sau khi xử lý nhiệt khuếch tán ................................................................................................................. 83 Hình 3.23. Hình thái học mặt cắt ngang của lớp phun phủ Pt20Ir sau khi xử lý nhiệt khuếch tán ................................................................................................................. 83 Hình 3.24. Hình thái học mặt cắt ngang của lớp phủ Pt30Ir sau khi xử lý nhiệt khuếch tán ................................................................................................................. 84
xiii Hình 3.25. Hình thái học mặt cắt ngang của lớp phủ Pt50Ir sau khi xử lý nhiệt khuếch tán ................................................................................................................. 84 Hình 3.26. Kết quả phân tích mapping SEM/EDS sự phân bố nguyên tố trong mặt cắt ngang lớp phủ Pt20Ir sau khi xử lý nhiệt khuếch tán .......................................... 86 Hình 3.27. Kết quả phân tích line scan SEM/EDS sự phân bố các nguyên tố trong lớp phủ Pt và Pt-Ir sau khi xử lý nhiệt khuếch tán .................................................... 87 Hình 3.28. Kết quả phân tích XRD thành phần pha trên bề mặt các mẫu phun phủ sau khi xử lý nhiệt khuếch tán................................................................................... 88 Hình 3.29. Hình dạng các mẫu phun phủ trong quá trình thử nghiệm ôxy hóa chu kỳ ở nhiệt độ 1150 oC ..................................................................................................... 89 Hình 3.30. Tốc độ ôxy hóa của các mẫu phun phủ trong quá trình thử nghiệm oxi hóa chu kỳ ................................................................................................................. 90 Hình 3.31. Bề mặt mẫu phủ Pt sau 100 chu kỳ thử nghiệm ôxy hóa ở 1150 oC....... 91 Hình 3.32. Chiều dày lớp ôxyt trên bề mặt các mẫu phun phủ sau 100 chu kỳ thử nghiệm ....................................................................................................................... 91 Hình 3.33. Kết quả phân tích SEM (BSE) hình thái học bề mặt các mẫu phủ Pt và Pt-Ir sau khi thử nghiệm 1; 10; 30; 50 và 100 chu kỳ ôxy hóa ................................. 92 Hình 3.34. Kết quả đo phân bố các nguyên tố trên mặt cắt ngang của các lớp phủ sau 100 chu kỳ thử nghiệm ở 1150 oC............................................................................. 94 Hình 3.35. Hình thái học mặt cắt ngang của lớp phủ Pt và Pt-Ir sau khi thử nghiệm ôxy hóa 1; 10; 50 và 100 chu kỳ. .............................................................................. 95 Hình 3.36. Kết quả phân tích XRD thành phần pha trên bề mặt các mẫu phun phủ sau khi thử nghiệm 100 chu kỳ ôxy hóa ................................................................... 96 Hình 3.37. Quá trình khuếch tán và hình thành pha của hệ lớp phủ Pt và Pt-25Ir trên nền Ni-12Al-10Cr [124] ............................................................................................ 99
xiv Hình 3.38. Ảnh SEM (SE) hình thái học bề mặt của lớp phủ sau khi xử lí nhiệt: (a) Pt mạ điện, (b) Pt20Ir mạ điện, (c) Pt phun phủ, (d) Pt20Ir phun phủ và (e) Pt30Ir phun phủ .................................................................................................................. 102 Hình 3.39. Cấu trúc mặt cắt ngang của các lớp phủ sau ủ khuếch tán. (a) Pt mạ điện, (b) Pt20Ir mạ điện, (c) Pt phun phủ, (d) Pt20Ir phun phủ và (e) Pt30Ir phun phủ. 103 Hình 3.40. Ảnh SEM cấu trúc mặt cắt ngang của các lớp phủ chế tạo bằng mạ điện và phân bố nguyên tố từ bề mặt vào nền; (a)-lớp phủ Pt, (b)-lớp phủ Pt20Ir ......... 104 Hình 3.41. Ảnh SEM cấu trúc mặt cắt ngang của các lớp phủ chế tạo bằng phun phủ và phân bố nguyên tố từ bề mặt vào nền;................................................................ 105 (a)-lớp phủ Pt, (b)-lớp phủ Pt20Ir, (c)-lớp phủ Pt30Ir ............................................ 105 Hình 3.42. Kết quả kiểm tra thành phần pha của các lớp phủ sau ủ khuếch tán bằng phương pháp phổ nhiễu xạ tia X (XRD); (a)-phương pháp mạ điện, (b)-phương pháp phun phủ. ................................................................................................................. 106 Hình 3.43. Ảnh bề mặt lớp phủ của các mẫu sau 100 chu kì thử nghiệm oxi hóa trong không khí tại 1150 oC. ................................................................................... 107 Hình 3.44. Tốc độ ôxy hóa của các lớp phủ chịu nhiệt sau thử nghiệm oxi hóa chu kì tại 1150 oC. .............................................................................................................. 108 Hình 3.45. Kết quả phân tích XRD sự thay đổi thành phần pha của các lớp phủ trong quá trình thử nghiệm ôxy hóa chu kì ...................................................................... 109 Hình 3.46. So sánh tương đối cường độ đỉnh nhiễu xạ lớn nhất (116) α- Al2O3/ (311) NiAl2O4 ................................................................................................................... 110 Hình 3.47. Ảnh SEM/BSE sự thay đổi cấu trúc tế vi mặt cắt ngang của lớp phủ chịu nhiệt chế tạo bằng phương pháp mạ sau khi thử nghiệm oxi hóa chu kì ở 1150 oC; (a) mạ Pt sau 10 chu kì, (b) mạ Pt sau 30 chu kì, (c) mạ Pt sau 100 chu kì, (d) mạ Pt20Ir sau 10 chu kì, (e) mạ Pt20Ir sau 30 chu kì, (f) mạ Pt30Ir sau 100 chu kì. ... 110
xv Hình 3.48. Ảnh SEM/BSE cấu trúc tế vi mặt cắt ngang của lớp phủ chịu nhiệt chế tạo bằng phương pháp phun phủ sau thử nghiệm 100 chu kì ôxy hóa ở 1150oC; (a) phun phủ Pt, (b) phun phủ Pt20Ir, (c) phun phủ Pt30Ir. ......................................... 111
xvi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Thành phần của các thế hệ siêu hợp kim nền niken hiện nay [21] ............ 17 Bảng 2.1. Thành phần hợp kim UCSX-8, % khối lượng .......................................... 46 Bảng 2.2. Kết quả đo độ nhám bề mặt các mẫu hợp kim nền UCSX-8, µm ............ 48 Bảng 2.3. Kết quả đo độ nhám bề mặt các mẫu hợp kim nền Ni-16Al-10Cr, µm ... 48 Bảng 2.4. Thành phần bể mạ Pt ................................................................................ 49 Bảng 2.5. Thông số bể mạ và điều kiện tạo lớp mạ Pt dày 8 µm ............................. 49 Bảng 2.6. Thành phần bể mạ hợp kim Pt-Ir .............................................................. 51 Bảng 2.7. Thông số bể mạ và điều kiện tạo các lớp mạ Pt-Ir dày 6 µm ................... 52 Bảng 3.1. Kết quả chế tạo lớp mạ Pt-Ir trên nền hợp kin niken ................................ 64 Bảng 3.2. Chiều dày lớp phủ theo thực tế đo trên SEM và theo tính toán từ sự thay đổi khối lượng và mật độ hỗn dịch khô sau khi phu phủ, µm .................................. 85 Bảng 3.3. Kết quả chế tạo lớp mạ Pt trên nền hợp kim UCSX-8 ........................... 101 Bảng 3.4. Kết quả chế tạo lớp mạ Pt-Ir trên nền hợp kin UCSX-8 ........................ 101
1 MỞ ĐẦU Cánh tuốc bin khí trong động cơ máy bay hay hệ thống máy phát điện ngày nay làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao, tải trọng lớn và môi trường ăn mòn, ôxy hóa khắc nghiệt. Hiệu suất của tuốc bin khí phụ thuộc vào nhiệt độ buồng đốt của tuốc bin, do vậy nhu cầu nghiên cứu vật liệu có khả năng làm việc ở nhiệt độ ngày càng cao ứng dụng cho các cánh tuốc bin khí rất được quan tâm. Một trong những phương pháp hiệu quả để nâng cao khả năng làm việc ở nhiệt độ cao của cánh tuốc bin là chế tạo hệ lớp phủ bền ăn mòn do ôxy hóa nhiệt độ cao, bảo vệ nền hợp kim niken, loại vật liệu với cấu trúc đơn tinh thể được sử dụng chế tạo các cánh tuốc bin khí hiện nay. Gần đây, lớp phủ khuếch tán nhôm biến tính bằng platin (Pt) với cấu trúc dạng pha γ+γ’ được sử dụng rộng rãi như là lớp phủ chịu ăn mòn và ôxy hóa nhiệt độ cao trên các cánh tuốc bin, thay thế cho các lớp phủ khuếch tán nhôm truyền thống với cấu trúc dạng pha β-NiAl. Mặc dù Pt là nguyên tố đắt đỏ nhưng các lớp phủ biến tính bằng Pt có thể nâng cao khả năng bảo vệ chống ăn mòn, ôxy hóa đồng thời tăng cao tuổi thọ của hệ lớp phủ. Vì vậy Pt vẫn được lựa chọn phổ biến trong các hệ lớp phủ của cánh tuốc bin khí. Nhu cầu phát triển các hệ lớp phủ có giá thành rẻ hơn, khả năng làm việc ở nhiệt độ cao hơn dẫn tới các nghiên cứu thay thế Pt bằng các nguyên tố tương tự trong nhóm kim loại Pt (Platin Group Metals-PGMs). Trong số các kim loại thuộc nhóm PGMs, Iridi (Ir) nổi lên là nguyên tố có nhiều ưu điểm. Với nhiệt độ nóng chảy cao (2716 K-cao nhất trong nhóm), độ bền cao, đặc tính ổn định hóa học tốt, khả năng làm giảm hoạt tính hóa học của các nguyên tố trong nền niken tốt hơn Pt và đặc biệt là Ir rẻ hơn Pt, các lớp phủ khuếch tán nhôm biến tính bằng Ir được kỳ vọng sẽ nâng cao khả năng làm việc ở nhiệt độ cao đồng thời hạ giá thành của lớp phủ. Trước tình hình đó, NCS đã lựa chọn đề tài nghiên cứu của luận án là: “Nghiên cứu chế tạo và đặc tính chống oxy hóa của lớp phủ bền nhiệt độ cao trên nền hợp kim niken ứng dụng cho tuốc bin khí”
2 Trong luận án này, NCS đã thực hiện chế tạo các lớp phủ khuếch tán nhôm biến tính bằng Pt và Pt-Ir với các hàm lượng Ir khác nhau. Các thử nghiệm, tính toán tốc độ ôxy hóa chu kỳ nhiệt độ cao và các phân tích sự thay đổi cấu trúc vật liệu, thành phần pha của lớp phủ được thực hiện nhằm đánh giá khả năng bền nhiệt của lớp phủ và triển vọng thay thế Pt bằng Ir trong lớp phủ với hàm lượng nhất định. Cũng trong luận án này, ngoài phương pháp chế tạo lớp phủ bằng phương pháp mạ điện truyền thống tạo lớp màng Pt, Pt-Ir trên bề mặt hợp kim nền niken và kết hợp với quá trình xử lý nhiệt khuếch tán, một phương pháp mới cũng được thử nghiệm. Đó là phương pháp tạo lớp phủ bằng phun bột nhão (slurry). Phương pháp này có thể khắc phục được một số nhược điểm gây nứt vỡ lớp phủ Pt-Ir của phương pháp mạ điện truyền thống, đồng thời có thể tạo lớp phủ trên mẫu lớn có hình dạng phức tạp và chi phí phủ thấp hơn. Mục tiêu của luận án: 1. Chế tạo các lớp phủ khuếch tán chịu ôxy hóa nhiệt độ cao Pt và Pt-Ir trên nền hợp kim niken bằng hai phương pháp:  Mạ điện kết hợp xử lý nhiệt khuếch tán  Phun phủ bột nhão kết hợp xử lý nhiệt khuếch tán 2. Đánh giá khả năng sử dụng Ir thay thế một phần Pt trong lớp phủ khuếch tán. 3. Đánh giá khả năng áp dụng phương pháp phun phủ bột nhão để chế tạo lớp phủ khuếch tán Pt-Ir. Nội dung nghiên cứu: 1. Nghiên cứu chế tạo lớp phủ khuếch tán bằng phương pháp mạ điện kết hợp xử lý nhiệt khuếch tán. 2. Nghiên cứu chế tạo lớp phủ khuếch tán bằng phương pháp phun phủ bột nhão (slurry) kết hợp xử lý nhiệt khuếch tán.