Tiến bộ nghiên cứu và xu hướng phát triển của tua-bin khí công suất lớn và lớp phủ rào cản nhiệt (3)

2.1 Chuẩn bị lớp phủ rào cản nhiệt

Ở một mức độ nhất định, vi cấu trúc của lớp phủ rào cản nhiệt không chỉ ảnh hưởng đến khả năng cách nhiệt, chống oxi hóa và các đặc tính khác của lớp phủ, mà còn quyết định tuổi thọ của lớp phủ. Vi cấu trúc của lớp phủ rào cản nhiệt phụ thuộc không chỉ vào vật liệu được sử dụng, mà còn vào quy trình chuẩn bị của nó. Do đó, việc chọn quy trình chuẩn bị phù hợp theo các yêu cầu khác nhau cũng rất quan trọng. Có nhiều phương pháp để chuẩn bị lớp phủ rào cản nhiệt, nhưng chúng chủ yếu được chia thành hai loại: một là phương pháp phun nhiệt, và loại kia là phương pháp lắng đọng hơi vật lý. Trong đó, phương pháp phun nhiệt bao gồm chủ yếu là phương pháp phun siêu âm, phun plasma, phun nổ và các phương pháp khác. Lớp phủ được tạo ra bằng phương pháp phun nhiệt có dạng vảy. Phương pháp lắng đọng hơi vật lý chủ yếu là lắng đọng hơi vật lý bằng tia điện tử (EB-PVD), và lớp phủ được tạo ra có dạng cột. Lớp gốm của lớp phủ rào cản nhiệt thường được sử dụng bằng các phương pháp như lắng đọng hơi vật lý bằng tia điện tử, phun plasma khí quyển và các phương pháp khác. Lớp kim loại kết dính chủ yếu áp dụng các công nghệ phun nhiệt như phun plasma khí quyển (APS), phun plasma áp suất thấp (LPPS) và phun ngọn lửa siêu âm (HVOF) [40]. Cho đến nay, APS và EB-PVD là những phương pháp chính để chuẩn bị lớp phủ rào cản nhiệt cho tua-bin khí.

2.1.1 Phun plasma khí quyển

APS là một loại tia hồ quang điện trực tiếp được tạo ra bởi súng phun để chuyển đổi Ar, He, N2 và các khí khác thành dòng plasma, khiến bột gốm và bột kim loại được vận chuyển bởi khí mang có thể được làm nóng nhanh chóng và tan chảy thành các hạt lỏng hoặc bán lỏng. Công nghệ này dùng để tạo lớp phủ trên bề mặt của ma trận hợp kim siêu bền bằng cách va chạm với năng lượng động lớn (80 ~ 300 m/s) dưới tác động của trường điện [42]. Lớp phủ cách nhiệt được chuẩn bị bằng công nghệ APS bao gồm nhiều hạt chồng lên nhau, và ma trận chủ yếu được liên kết cơ học với vi cấu trúc dạng tấm, chứa nhiều khuyết tật song song với ma trận hợp kim, chẳng hạn như lỗ hổng và vết nứt nhỏ (như hình 2). Nguyên nhân hình thành là do: trong điều kiện nhiệt độ cao, gốm hoặc kim loại sẽ tan chảy để tạo thành các hạt lỏng, và sẽ chứa một số khí môi trường xung quanh, nhưng tốc độ làm nguội của lớp phủ rất nhanh, khiến khí hòa tan trong các hạt lỏng trong quá trình lắng đọng không kịp ngưng tụ kịp thời, dẫn đến hình thành lỗ hổng; Đồng thời, sự liên kết không đủ giữa các hạt lỏng cũng có thể dẫn đến việc hình thành lỗ hổng và vết nứt trong lớp phủ. Do đó, nếu sử dụng APS để chế tạo lớp phủ cách nhiệt, nó có độ xốp cao và hiệu suất cách nhiệt tốt, nhưng nhược điểm là khả năng chịu biến dạng không đủ và khả năng kháng sốc nhiệt kém [43], và chủ yếu được sử dụng cho các bộ phận có môi trường làm việc tương đối tốt. Ngoài ra, chi phí chuẩn bị của APS rẻ nên có thể áp dụng cho các bộ phận lớn hơn.

2.1.2 Phương pháp bay hơi vật lý bằng tia điện tử

EB-PVD là một công nghệ sử dụng tia điện tử năng lượng cao để làm nóng bột phủ trong buồng chân không và tạo thành một hồ nóng trên bề mặt bột để bay hơi bột gốm và lắng đọng nó trên bề mặt của vật liệu nền ở trạng thái nguyên tử để tạo thành lớp phủ rào cản nhiệt [45], như được hiển thị trong Hình 3. Cấu trúc của lớp phủ EB-PVD là cấu trúc tinh thể cột thẳng đứng so với ma trận hợp kim, và lớp phủ và ma trận chủ yếu được gắn kết thông qua sự liên kết kim loại. Bề mặt không chỉ mịn mà còn có độ dày tốt, vì vậy nó có cường độ gắn kết cao, khả năng chịu biến dạng và kháng sốc nhiệt tốt. Nó chủ yếu được áp dụng cho các bộ phận làm việc trong môi trường khắc nghiệt, chẳng hạn như cánh quạt tuabin khí. Tuy nhiên, chi phí chuẩn bị của lớp phủ EB-PVD rất đắt đỏ, chỉ có thể chuẩn bị các lớp phủ mỏng, và kích thước cấu trúc của các bộ phận có yêu cầu nhất định, do đó nó hiếm khi được sử dụng trong tuabin khí.

Hai quy trình chuẩn bị trên đây đã rất chín chắn, nhưng vẫn còn tồn tại những vấn đề riêng, như được hiển thị trong Bảng 2. Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu liên quan không ngừng cải tiến và tạo ra các phương pháp chuẩn bị lớp phủ rào cản nhiệt mới. Hiện nay, trong số các phương pháp chuẩn bị lớp phủ rào cản nhiệt mới thường dùng, nổi bật nhất là công nghệ lắng đọng hơi vật lý phun plasma (PS-PVD), được công nhận là một trong những phương pháp chuẩn bị lớp phủ rào cản nhiệt đầy hứa hẹn và hiệu quả nhất.

2.1.3 Lắng đọng hơi vật lý phun plasma

Công nghệ PS-PVD được phát triển dựa trên cơ sở phun plasma áp suất thấp. Cấu trúc lớp phủ được chuẩn bị bằng phương pháp này là những chùm và cột, và các lỗ hổng trong lớp phủ nhiều và khe hở lớn, như được hiển thị trong Hình 4. Do đó, công nghệ PS-PVD đã cải thiện vấn đề cách nhiệt không đủ của lớp phủ EB-PVD và khả năng chịu sốc nhiệt kém của lớp phủ APS, và lớp phủ rào chắn nhiệt được chuẩn bị bằng công nghệ PS-PVD có độ bám dính cao, hiệu suất cách nhiệt tốt và khả năng chịu sốc nhiệt tốt, nhưng khả năng chống ăn mòn và chống oxi hóa CMAS kém. Dựa trên điều này, ZHANG và cộng sự [41] đã đề xuất một phương pháp sửa đổi lớp phủ rào chắn nhiệt PS-PVD 7YSZ bằng Al2O3. Kết quả thí nghiệm cho thấy khả năng chống oxi hóa và khả năng chống ăn mòn CMAS của lớp phủ rào chắn nhiệt 7YSZ được chuẩn bị bằng công nghệ PS-PVD có thể được tăng cường thông qua việc sửa đổi bằng nhôm.