CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TUỐC BIN KHÍ VÀ LỚP PHỦ CHỊU NHIỆT TRÊN CÁNH TUỐC BIN KHÍ Tuốc bin khí ngày nay được sử dụng rất rộng rãi trong ngành hàng không và công nghiệp phát điện. Với việc phát triển đột biến trong thời gian gần đây do nhu cầu vận chuyển và năng lượng tăng cao, số lượng tuốc bin khí được sử dụng trong ngành hàng không và năng lượng đã tiêu thụ một lượng nhiên liệu khổng lồ, kèm theo đó là một lượng lớn khí nhà kính CO2 phát thải ra môi trường, đóng góp một phần không nhỏ gây nên tình trạng biến đổi khí hậu trái đất. Vì vậy, các nghiên cứu tập trung vào vấn đề nâng cao hiệu suất của tuốc bin nhằm tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải khí nhà kính đang rất được quan tâm.
Hiệu suất của tuốc bin khí tăng theo nhiệt độ buồng đốt, do đó các tuốc bin khí ngày nay được phát triển với nhiệt độ làm việc ngày càng cao. Để đáp ứng được điều kiện làm việc khắc nghiệt trong buồng đốt của tuốc bin khí, các hệ vật liệu sử dụng trong tuốc bin khí cũng được nghiên cứu phát triển tương ứng. Trong chương này, cấu tạo và nguyên lý hoạt động cơ bản của một tuốc bin khí sẽ được giới thiệu ngắn gọn cùng với các điều kiện nhiệt độ, áp suất và môi trường ăn mòn, ôxy hóa nhiệt độ cao trong môi trường buồng đốt của tuốc bin. Cùng với đó, các hướng phát triển về vật liệu sử dụng trong cánh tuốc bin như: (i) Phát triển các thế hệ hợp kim có độ bền nóng cao; (ii) Phát triển công nghệ chế tạo từ đúc truyền thống đến đúc kết tinh định hướng và đúc đơn tinh thể để loại bỏ dần biên hạt vật liệu, nâng cao độ bền dão của vật liệu nền niken; (iii) Các loại lớp phủ chịu nhiệt độ cao cũng được giới thiệu.
Đặc biệt, loại lớp phủ khuếch tán nhôm biến tính bằng Pt có cấu trúc pha γ+γ’ cùng với đặc điểm và khả năng sử dụng nguyên tố Ir trong lớp phủ được tổng hợp và đánh giá chi tiết, nhằm tạo cơ sở cho việc phát triển các thế hệ lớp phủ khuếch tán nhôm biến tính bằng Pt và Pt-Ir ứng dụng cho lớp phủ chịu nhiệt độ cao trên cánh tuốc bin khí. an an tien si TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi n (LUAN. Tuốc bin khí và vật liệu sử dụng trong tuốc bin khí 1. Cấu tạo và điều kiện làm việc của tuốc bin khí 1.
Cấu tạo của tuốc bin khí và môi trường nhiệt độ cao trong tuốc bin khí Buồng nén Buồng đốt Ống xả Trục Cánh tuốc bin Hình 1. Cấu tạo cơ bản của một tuốc bin khí [1] Tuốc bin khí là bộ phận quan trọng, được sử dụng rộng rãi trong động cơ máy bay, tàu thủy và hệ thống nhà máy nhiệt điện chạy khí. Cấu tạo cơ bản của một tuốc bin khí gồm có các phần: bộ phận nén khí (compressor), buồng đốt (combustion chamber), các tầng cánh tuốc bin gắn vào trục và phần ống xả (exhaust nozzle) như trên hình 1. Tuốc bin khí hoạt động dựa trên nguyên lý: không khí được nén với áp suất cao và trộn với nhiên liệu cháy được đưa vào buồng đốt nơi phản ứng cháy diễn ra.
Nhiên liệu cháy giãn nở thể tích và được đẩy ra bên ngoài qua các tầng cánh động và cánh tĩnh của tuốc bin. Áp lực từ không khí và nhiên liệu cháy sẽ được đẩy vào các cánh tuốc bin động, sinh công làm quay trục tuốc bin. Tùy thuộc vào mục đích sử dụng của tuốc bin mà cấu tạo buồng đốt và các tầng cánh tuốc bin sẽ khác nhau. Tuốc bin khí sử dụng cho động cơ đẩy ưu tiên sử dụng lực đẩy của khối khí nóng ra phía sau để đẩy máy bay, tên lửa…tiến lên phía trước, còn tuốc bin khí sử dụng trong các nhà máy phát điện hay trên tàu biển thì ưu tiên tạo mô men quay cho trục tuốc bin để sinh công phát điện hoặc quay chân vịt của tàu [2].
Cánh tuốc bin khí là chi tiết làm việc trong điều kiện rất khắc nghiệt với nhiệt độ cao, áp suất cao và tải trọng lớn.2 mô tả các vùng làm việc tương ứng với nhiệt độ và áp suất làm việc trong các tuốc bin khí phản lực. Nhiệt độ làm việc trong buồng đốt có khả năng lên tới 1400-1500 oC trong khi áp suất buồng đốt lên tới 40 atm. Vật liệu chế tạo các an an tien si TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi n (LUAN.khi 7 cánh tuốc bin khí cần phải có độ bền cơ học ở nhiệt độ cao, độ bền chảy dão cao, độ bền oxi hóa ở nhiệt độ cao. Nhiệt độ làm việc của các cánh tuốc bin khí hiện nay lên tới trên nhiệt độ nóng chảy của vật liệu siêu hợp kim (nhiệt độ làm việc của cánh tuốc bin > 1500oC trong khi nhiệt độ nóng chảy của siêu hợp kim nền Ni chỉ vào khoảng 1350oC) [1, 3].
Buồng đốt Cánh quạt Nhiệt độ/oC Áp suất/atm Hình 1. 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 [4]) Các nghiên cứu cho thấy hiệu suất của các tuốc bin khí phụ thuộc vào nhiệt độ làm việc của tuốc bin: nhiệt độ làm việc càng cao thì hiệu suất đạt được của tuốc bin càng cao (Hình 1. Do đó, ngay từ khi tuốc bin khí được phát triển, các nghiên cứu trên thế giới đã tập trung vào vấn đề nâng cao nhiệt độ làm việc của vật liệu chế tạo cánh tuốc bin nhằm tăng nhiệt độ buồng đốt và vì vậy tăng được hiệu suất của tuốc bin. Ban đầu, các hệ siêu hợp kim nền Co, nền Ni cùng với công nghệ đúc kết tinh định hướng, đúc đơn tinh thể đã được phát triển nhằm đáp ứng những yêu cầu về độ an an tien si TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi n (LUAN.khi 8 bền của vật liệu ở nhiệt độ cao [1, 5].
Cùng với sự phát triển của công nghệ thiết kế, chế tạo và công nghệ bề mặt, các nghiên cứu nâng cao hiệu suất tuốc bin hiện nay được tập trung hướng tới 3 yếu tố: o Nghiên cứu hợp kim hóa vật liệu nền để gia tăng khả năng chịu nhiệt. o Nghiên cứu các phương pháp thiết kế, chế tạo vật liệu để tăng khả năng chịu dão, tăng làm mát để giảm nhiệt độ vật liệu nền: đúc tinh thể định hướng, đúc đơn tinh thể, thiết kế rãnh làm mát. o Nghiên cứu chế tạo lớp phủ cách nhiệt (TBCs) để giảm nhiệt độ làm việc của vật liệu nền. Nhiệt độ buồng đốt, oC Máy bay phản lực Hiệu suất, % Máy bay dân dụng Năm Hình 1.
Nhiệt độ làm việc và hiệu suất tương ứng của tuốc bin khí [5]. Với sự phát triển của nền khoa học thế giới, nhiệt độ làm việc của các tuốc bin khí đã tăng lên rất đáng kể thông qua các nỗ lực nghiên cứu theo các định hướng trên. Trong giai đoạn hiện nay, các nghiên cứu trên thế giới đang tập trung vào lớp phủ chịu nhiệt trên bề mặt các cánh tuốc bin và nhiệt độ buồng đốt có thể tăng cao tới khoảng 1150 o C (hình 1. Từ những năm 1960, các lớp phủ chịu nhiệt TBCs (Thermal Barrier Coattings) đã được nghiên cứu và phát triển cho các siêu hợp kim nền Ni [5-12].
Thông thường, lớp phủ chịu nhiệt TBCs gồm hai phần: lớp phủ lót (bond-coat) và lớp phủ bề mặt (top-coat) như mô tả trên hình 1. Lớp phủ bề mặt được cấu tạo bởi các lớp ceramic có hệ số dẫn nhiệt rất thấp có tác dụng cách nhiệt cho chi tiết, làm giảm nhiệt độ từ an an tien si TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi n (LUAN.khi 9 ngoài môi trường tác động lên lớp phủ kết dính và nền hợp kim niken. Tuy nhiên, các lớp ceramic với độ xốp cao không có khả năng ngăn cản hoàn toàn các tác nhân ăn mòn và ôxy hóa từ môi trường buồng đốt khuếch tán vào và tấn công hợp kim nền. Vì thế lớp phủ lót, ngoài khả năng làm tăng kết dính giữa lớp phủ bề mặt với nền, nó còn đóng vai trò quan trọng trong việc chống oxi hóa cho nền siêu hợp kim do tạo ra lớp oxit bảo vệ TGO (Thermally-Grown Oxide) trên mặt phân cách lớp kết dính và lớp phủ bề mặt.
Quá trình phát triển của vật liệu chịu nhiệt độ cao làm cánh tuốc bin khí [13] 1. Hiện tượng ăn mòn và ôxy hóa nhiệt độ cao trên cánh tuốc bin khí Các chi tiết của tuốc bin khí làm việc ở nhiệt độ cao, trong môi trường có tính xâm thực mạnh, chịu sự tấn công tổng hợp của các điều kiện ăn mòn ở nhiệt độ cao như sự ôxy hóa nhiệt độ cao, sun phua hóa, sự thấm các bon, clo hóa, mài mòn và quá trình ăn mòn nhiệt độ cao do muối nóng chảy. Các lớp phủ bảo vệ nhiệt độ cao được sử dụng để đảm bảo cho sự ổn định bề mặt kim loại và hợp kim trong các môi trường làm việc khắc nghiệt bên trong tuốc bin khí. an an tien si TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi n (LUAN.
Cấu tạo của lớp phủ chịu nhiệt trên siêu hợp kim [14] Hiện tượng ăn mòn nóng nhiệt độ cao trên cánh tuốc bin khí: Hiện nay các nghiên cứu đưa ra giả thuyết về hai dạng ăn mòn nóng nhiệt độ cao là ăn mòn nóng nhiệt độ cao tuýp 1 (HTHC) và ăn mòn nóng nhiệt độ cao tuýp 2 (ăn mòn nóng nhiệt độ thấp-LTHC) như trên hình 1. Ăn mòn nóng nhiệt độ cao tuýp 1: Ăn mòn nóng nhiệt độ cao tuýp 1 xảy ra ở khoảng nhiệt độ từ 800-950oC. Ở dải nhiệt độ này, các cặn lắng đọng trên bề mặt cánh tuốc bin dạng muối sunphat (thường là Na2SO4) sẽ nóng chảy và tạo ra các môi trường axit hoặc bazơ gây ăn mòn lớp ôxyt nhôm bảo vệ trên bề mặt. Các phản ứng ăn mòn lớp ôxyt bề mặt được mô tả theo các công thức 1.1 đến công thức 1.3: Ăn mòn lớp ôxyt trong môi trường axit: Al2O3 + 3Na2SO4 = Al2(SO4)3 + 3Na2O (1.1) 3Na2O + 3SO3 = 3Na2SO4 (1.2) Ăn mòn lớp ôxyt trong môi trường bazơ 2Al2O3 + 2Na2O + O2(khí) = 4NaAlO2 (1.3) an an tien si TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi n (LUAN.khi 11 Sau khi hòa tan hết lớp ôxyt bảo vệ trên bề mặt, các muối nóng chảy sẽ tiếp xúc trực tiếp với nền hợp kim niken.
Các phản ứng ôxy hóa tạo thành các muối NiS và ôxyt niken NiO tiếp tục diễn ra với tốc độ cao có thể làm suy thoái nghiêm trọng nền hợp kim niken của cánh tuốc bin khí.