Nghiên Cứu Chế Tạo Lớp Phủ Chống Oxy Hóa Trên Hợp Kim Niken Ứng Dụng Cho Tuốc Bin Khí

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN!

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TUỐC BIN KHÍ VÀ LỚP PHỦ CHỊU NHIỆT TRÊN CÁNH TUỐC BIN KH

1.1. Tuốc bin khí và vật liệu sử dụng trong tuốc bin khí

1.2. Cấu tạo và điều kiện làm việc của tuốc bin khí

1.3. Cấu tạo của tuốc bin khí và môi trường nhiệt độ cao trong tuốc bin khí

1.4. Hiện tượng ăn mòn và ôxy hóa nhiệt độ cao trên cánh tuốc bin khí

1.5. Vật liệu sử dụng trong tuốc bin khí. Các thế hệ hợp kim đầu tiên và công nghệ đúc cánh tuốc bin khí

1.6. Siêu hợp kim đơn tinh thể nền niken

1.7. Lớp phủ chịu ăn mòn và ôxy hóa nhiệt độ cao trên cánh tuốc bin khí

1.8. Lớp phủ khuếch tán trên cánh tuốc bin khí

1.9. Sự khuếch tán trong hợp kim

1.10. Lớp thấm nhôm có cấu trúc pha β

1.11. Lớp thấm nhôm biến tính bằng platin

1.12. Lớp thấm nhôm biến tính bằng Pt có cấu trúc pha γ + γ’

1.13. Lớp phủ khuếch tán nhôm biến tính bằng Pt có cấu trúc pha γ + γ’

1.14. Iridi và khả năng sử dụng Ir trong lớp phủ khuếch tán nhôm

1.15. Lớp phủ không khuếch tán (overlay coating) trên cánh tuốc bin khí

1.16. Hệ lớp phủ cách nhiệt (TBCs) trên cánh tuốc bin khí

1.17. Các phương pháp chế tạo lớp phủ khuếch tán

2. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Chuẩn bị mẫu hợp kim nền

2.2. Chuẩn bị thành phần và cấu trúc hợp kim nền

2.3. Chuẩn bị bề mặt hợp kim nền

2.4. Chế tạo lớp phủ khuếch tán Pt và Pt-Ir bằng phương pháp mạ điện kết hợp với xử lý nhiệt khuếch tán

2.4.1. Mạ lớp màng Pt

2.4.2. Thông số bể mạ Pt

2.4.3. Quy trình thực hiện lớp mạ Pt

2.4.4. Mạ lớp màng Pt-Ir

2.4.5. Thông số bể mạ Pt-Ir

2.4.6. Quy trình mạ lớp màng hợp kim Pt-Ir

2.5. Xử lý nhiệt tạo lớp phủ khuếch tán Pt và Pt-Ir

2.6. Chế tạo lớp phủ khuếch tán Pt, Pt-Ir bằng phương pháp phun phủ slurry

2.6.1. Chuẩn bị vật liệu phun phủ

2.6.2. Vật liệu bột Pt và Pt-Ir

2.6.3. Hỗn hợp dung dịch chất mang và chất kết dính

2.6.4. Quá trình tạo lớp phủ

2.6.5. Quy trình xử lý nhiệt khuếch tán tạo lớp phủ

2.7. Các phương pháp nghiên cứu đặc tính chịu ôxy hóa nhiệt độ cao của lớp phủ chịu nhiệt trên nền hợp kim niken

2.7.1. Phương pháp nghiên cứu tốc độ ôxy hóa

2.7.2. Thiết bị thử nghiệm ôxy hóa chu kỳ

2.7.3. Phương pháp xác định tốc độ ôxy hóa nhiệt độ cao

2.7.4. Phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) nghiên cứu sự thay đổi cấu trúc pha của vật liệu

2.7.5. Nghiên cứu hình thái học bề mặt lớp phủ và cấu trúc mặt cắt ngang lớp phủ trên hiển vi điện tử quét (SEM)

2.7.6. 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

3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Chế tạo và đặc trưng tính chất của lớp phủ khuếch tán Pt/Pt-Ir trên nền hợp kim Ni-Al-Cr

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

3.1.2. Kết quả chế tạo các lớp mạ Pt và Pt-Ir trên nền hợp kim Ni-16Al-10Cr

3.1.3. Sự khuếch tán các nguyên tố và cấu trúc của lớp phủ Pt/Pt-Ir sau khi xử lý nhiệt khuếch tán

3.1.4. Sự hình thành pha trong lớp phủ Pt/Pt-Ir

3.1.5. 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

3.1.6. 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

3.1.7. Thành phần lớp phủ Pt và Pt-Ir

3.2. Cấu trúc của các lớp phun phủ bột nhão Pt và Pt-Ir sau khi xử lý nhiệt khuếch tán

3.2.1. Sự khuếch tán nguyên tố trong các lớp phun phủ Pt và Pt-Ir sau khi xử lý nhiệt khuếch tán

3.2.2. Sự hình thành pha trong lớp phun phủ Pt và Pt-Ir sau khi xử lý nhiệt khuếch tán

3.2.3. 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

3.2.4. Ảnh hưởng của Ir

3.2.5. Quá trình tạo pha trong các lớp phủ

3.2.6. Ảnh hưởng của phương pháp chế tạo

3.2.7. Hiện tượng tạo lỗ rỗng trong lớp phủ

3.3. Chế tạo và đặc trưng tính chất của lớp phủ khuếch tán Pt/Pt-Ir trên nền hợp kim UCSX-8

3.3.1. 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

3.3.2. Phương pháp mạ điện

3.3.3. Phương pháp phun phủ

3.3.4. Cấu trúc của các lớp phủ sau khi ủ khuếch tán

3.3.5. Khả năng chịu oxi hóa nhiệt độ cao của lớp phủ

3.4. Kết luận chương 3

KẾT LUẬN CHUNG

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Lớp Phủ Chống Oxy Hóa Cho Tuốc Bin Khí

Tuốc bin khí hoạt động trong môi trường khắc nghiệt với nhiệt độ cao và áp suất lớn, đòi hỏi vật liệu phải có khả năng chống oxy hóa và ăn mòn nhiệt tuyệt vời. Hợp kim niken là lựa chọn phổ biến, tuy nhiên, chúng cần được bảo vệ bằng lớp phủ chống oxy hóa. Nghiên cứu này tập trung vào việc chế tạo lớp phủ bền nhiệt độ cao trên nền hợp kim niken để kéo dài tuổi thọ tuốc bin và nâng cao hiệu suất tuốc bin. Các phương pháp phân tích XRD, phân tích SEM và phân tích TEM được sử dụng để đánh giá cấu trúc vi mô và đặc tính lớp phủ. Luận án này dựa trên công trình nghiên cứu riêng và không trùng lặp với bất kỳ công trình nào khác (Đào Chí Tuệ, 2022).

1.1. Vai trò của lớp phủ chống oxy hóa cho tuốc bin khí

Lớp phủ chống oxy hóa đóng vai trò then chốt trong việc bảo vệ hợp kim niken khỏi sự ăn mòn nhiệt và oxy hóa nhiệt độ cao, đặc biệt trong môi trường làm việc khắc nghiệt của tuốc bin khí. Sự hình thành lớp oxit bảo vệ như Alumina hoặc Chromia trên bề mặt lớp phủ giúp làm chậm quá trình oxy hóa và kéo dài tuổi thọ tuốc bin. Độ bền oxy hóa của lớp phủ là yếu tố quyết định đến hiệu suất tuốc bin và độ tin cậy của hệ thống. Các yếu tố như bám dính lớp phủ và stress dư cũng ảnh hưởng đến khả năng bảo vệ của vật liệu phủ.

1.2. Tổng quan về hợp kim niken dùng trong tuốc bin khí

Hợp kim niken (nickel-based superalloys) được sử dụng rộng rãi trong tuốc bin khí nhờ khả năng duy trì độ bền và tính chất cơ học ở nhiệt độ cao. Tuy nhiên, khả năng chống oxy hóa của chúng có giới hạn và cần được cải thiện bằng lớp phủ. Các thành phần hợp kim như Al, Cr và Y đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành lớp oxit bảo vệ. Các thế hệ siêu hợp kim niken khác nhau có thành phần và cấu trúc vi mô khác nhau, ảnh hưởng đến độ bền oxy hóa và tính chất cơ học.

II. Thách Thức Ăn Mòn Nhiệt Độ Cao Cho Hợp Kim Tuốc Bin Khí

Ăn mòn nhiệt độ cao là một trong những thách thức lớn nhất đối với hợp kim niken trong tuốc bin khí. Quá trình này xảy ra khi hợp kim tiếp xúc với môi trường oxy hóa ở nhiệt độ cao, dẫn đến sự hình thành các lớp oxit không mong muốn và làm suy giảm tính chất cơ học. Ăn mòn nóng (Hot corrosion) là một dạng ăn mòn nhiệt đặc biệt nguy hiểm, xảy ra khi có sự hiện diện của muối nóng chảy trên bề mặt hợp kim. Việc phát triển lớp phủ chống oxy hóa hiệu quả là rất quan trọng để giảm thiểu tác động của ăn mòn nhiệt và ăn mòn nóng.

2.1. Cơ chế ăn mòn nhiệt độ cao trên hợp kim niken

Cơ chế ăn mòn nhiệt độ cao bao gồm các giai đoạn: khuếch tán oxy vào hợp kim, hình thành oxit kim loại, và sự phát triển của lớp oxit. Tốc độ ăn mòn phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất oxy, và thành phần của hợp kim. Các nguyên tố như Al và Cr có thể tạo thành lớp oxit bảo vệ, làm chậm quá trình ăn mòn. Tuy nhiên, trong điều kiện khắc nghiệt, lớp oxit này có thể bị phá vỡ hoặc bong tróc, dẫn đến ăn mòn nhanh chóng.

2.2. Ảnh hưởng của ăn mòn nóng đến tuổi thọ tuốc bin khí

Ăn mòn nóng (Hot corrosion) xảy ra khi hợp kim niken tiếp xúc với muối nóng chảy như natri sulfat (Na2SO4) ở nhiệt độ cao. Muối này có thể phá vỡ lớp oxit bảo vệ và thúc đẩy quá trình ăn mòn nhanh chóng. Ăn mòn nóng có thể dẫn đến giảm tuổi thọ tuốc bin, giảm hiệu suất tuốc bin, và tăng chi phí bảo trì. Việc sử dụng lớp phủ chống ăn mòn có thể giúp giảm thiểu tác động của ăn mòn nóng.

III. Phương Pháp Chế Tạo Lớp Phủ Chống Oxy Hóa Cho Hợp Kim Niken

Có nhiều phương pháp chế tạo lớp phủ khác nhau được sử dụng để bảo vệ hợp kim niken khỏi oxy hóa. Các phương pháp phổ biến bao gồm phương pháp khuếch tán, phương pháp phun phủ nhiệt, phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD), phương pháp lắng đọng vật lý pha hơi (PVD) và phương pháp sol-gel. Mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng. Mục tiêu là tạo ra lớp phủ có độ bám dính lớp phủ tốt, độ bền oxy hóa cao, và khả năng chịu bền nhiệt tốt.

3.1. Chế tạo lớp phủ bằng phương pháp mạ điện và xử lý nhiệt

Phương pháp mạ điện kết hợp với xử lý nhiệt khuếch tán là một cách hiệu quả để tạo ra lớp phủ khuếch tán trên hợp kim niken. Quá trình này bao gồm việc mạ một lớp kim loại (ví dụ: Pt, Ir) lên bề mặt hợp kim, sau đó xử lý nhiệt để khuếch tán kim loại vào hợp kim, tạo thành lớp phủ có thành phần và cấu trúc mong muốn. Mạ điện giúp kiểm soát chính xác độ dày và thành phần của lớp phủ, trong khi xử lý nhiệt khuếch tán cải thiện độ bám dính lớp phủ và tạo ra lớp phủ đồng nhất.

3.2. Phương pháp phun phủ bột nhão Slurry cho lớp phủ oxy hóa

Phương pháp phun phủ bột nhão (slurry) là một phương pháp đơn giản và tiết kiệm chi phí để tạo ra lớp phủ chống oxy hóa. Quá trình này bao gồm việc phun một hỗn hợp bột kim loại hoặc oxit lên bề mặt hợp kim, sau đó nung ở nhiệt độ cao để kết dính bột và tạo thành lớp phủ. Phương pháp phun phủ bột nhão thích hợp cho việc tạo ra lớp phủ có thành phần phức tạp và diện tích lớn.

IV. Nghiên Cứu Đặc Tính Chống Oxy Hóa Lớp Phủ Pt Pt Ir Trên Niken

Nghiên cứu này tập trung vào việc chế tạo và đặc trưng tính chất chống oxy hóa của lớp phủ Pt/Pt-Ir trên nền hợp kim niken. Sự kết hợp của Pt và Ir được kỳ vọng sẽ cải thiện độ bền oxy hóa và độ bám dính lớp phủ. Các phương pháp phân tích như phân tích XRD, phân tích SEM và phân tích EDS được sử dụng để đánh giá hiệu quả của lớp phủ trong điều kiện nhiệt độ cao.

4.1. Ảnh hưởng của Iridium Ir đến tính chất lớp phủ chống oxy hóa

Việc bổ sung Iridium (Ir) vào lớp phủ Pt được kỳ vọng sẽ cải thiện khả năng chống oxy hóa và độ bám dính lớp phủ. Ir có tính chất hóa học ổn định và khả năng tạo thành lớp oxit bảo vệ tốt. Nghiên cứu này sẽ đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng Ir đến cấu trúc vi mô, độ bền oxy hóa, và tính chất cơ học của lớp phủ.

4.2. Phân tích cấu trúc vi mô và thành phần pha lớp phủ Pt Pt Ir

Phân tích cấu trúc vi mô và thành phần pha của lớp phủ là rất quan trọng để hiểu rõ cơ chế bảo vệ của lớp phủ. Phân tích SEM và phân tích TEM được sử dụng để xác định cấu trúc tinh thể, kích thước hạt, và sự phân bố các pha trong lớp phủ. Phân tích XRD được sử dụng để xác định các pha có mặt và đánh giá sự thay đổi cấu trúc pha sau khi xử lý nhiệt hoặc thử nghiệm oxy hóa.

V. Kết Quả Thử Nghiệm Oxy Hóa Lớp Phủ Hợp Kim Niken Nhiệt Độ Cao

Các kết quả nghiên cứu cho thấy lớp phủ Pt/Pt-Ir có khả năng chống oxy hóa tốt ở nhiệt độ cao. Việc bổ sung Ir giúp cải thiện độ bền oxy hóa và độ bám dính lớp phủ. Tuy nhiên, cần tối ưu hóa hàm lượng Ir để tránh hình thành các pha không mong muốn. Động học oxy hóa của lớp phủ được nghiên cứu chi tiết để hiểu rõ cơ chế bảo vệ và dự đoán tuổi thọ của lớp phủ.

5.1. Đánh giá tốc độ oxy hóa và cơ chế bảo vệ lớp phủ Pt Pt Ir

Tốc độ oxy hóa của lớp phủ được xác định bằng phương pháp đo khối lượng sau các chu kỳ thử nghiệm oxy hóa. Cơ chế bảo vệ của lớp phủ được nghiên cứu bằng cách phân tích cấu trúc vi mô và thành phần pha của lớp oxit hình thành trên bề mặt lớp phủ. Mục tiêu là xác định yếu tố nào quyết định độ bền oxy hóa của lớp phủ và đề xuất các giải pháp để cải thiện khả năng chống oxy hóa.

5.2. So sánh hiệu quả các phương pháp chế tạo lớp phủ chống oxy hóa

Nghiên cứu này so sánh hiệu quả của các phương pháp chế tạo lớp phủ khác nhau, bao gồm phương pháp mạ điện và phương pháp phun phủ bột nhão. So sánh này dựa trên các tiêu chí như độ bền oxy hóa, độ bám dính lớp phủ, chi phí, và khả năng áp dụng cho ứng dụng công nghiệp. Kết quả so sánh sẽ giúp lựa chọn phương pháp chế tạo lớp phủ tối ưu cho tuốc bin khí.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Lớp Phủ Tuốc Bin Khí

Nghiên cứu này đã thành công trong việc chế tạo và đặc trưng lớp phủ chống oxy hóa Pt/Pt-Ir trên nền hợp kim niken cho ứng dụng tuốc bin khí. Các kết quả nghiên cứu cho thấy lớp phủ này có tiềm năng cải thiện tuổi thọ tuốc bin và nâng cao hiệu suất tuốc bin. Hướng phát triển tiếp theo của nghiên cứu là tối ưu hóa thành phần và cấu trúc của lớp phủ, cũng như thử nghiệm trong điều kiện ăn mòn nóng thực tế.

6.1. Tóm tắt các kết quả nghiên cứu chính và đóng góp khoa học

Nghiên cứu đã chứng minh rằng việc bổ sung Ir vào lớp phủ Pt có thể cải thiện độ bền oxy hóa và độ bám dính lớp phủ. Phân tích cấu trúc vi mô và thành phần pha đã giúp hiểu rõ cơ chế bảo vệ của lớp phủ. Nghiên cứu này cung cấp cơ sở khoa học cho việc phát triển lớp phủ chống oxy hóa hiệu quả hơn cho tuốc bin khí.

6.2. Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo để tối ưu hóa lớp phủ

Hướng nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc tối ưu hóa thành phần và cấu trúc của lớp phủ Pt/Pt-Ir, cũng như thử nghiệm trong điều kiện ăn mòn nóng thực tế. Cần nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố như stress dư, độ nhám bề mặt, và điều kiện môi trường đến tuổi thọ của lớp phủ. Ngoài ra, cần phát triển các phương pháp chế tạo lớp phủ mới, tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trường.

Nghiên Cứu Chế Tạo Và Đặc Tính Chống Oxy Hóa Của Lớp Phủ Bền Nhiệt Độ Cao Trên Hợp Kim Niken