- MÀNG MỎNG BỀN NHIỆT.
- GIỚI THIỆU MÀNG MỎNG TBC VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO.
- PHẦN I : GIỚI THIỆU MÀNG MỎNG TBC VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO.
- GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÀNG MỎNG NHIỆT 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: Tính năng:.
- Trong đó T1, T2 là nhiệt độ của nguồn nóng và nguồn lạnh mà khối khí trao đổi nhiệt.
- 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.
- 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.
- Độ bám dính (kg/cm2).
- 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:.
- 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 nhiệt.
- Khoảng nhiệt độ làm việc.
- Sự mỏi nhiệt -Về quang học.
- Về vấn đề oxi hoá, cũng liên quan tới tuổi thọ của màng: người ta sử dụng tỉ số Pilling-Bedworth (PBR):.
- PBR=thể tích phần kim loại đã bị oxi hoá / thể tích phần kim loại chưa bị oxi hoá Nếu PBR<1, trong lớp màng Al2O3 , oxít chiếm ít thể tích hơn kim loại, màng sẽ khá -rỗng xốp, khiến oxi vẫn len vào được.
- Nếu 1<PBR<2, trong lớp màng Al2O3 , oxít chiếm thể tích tương đương kim loại, màng sẽ chặt, khiến oxi không len vào được..
- Nếu 2<PBR, trong lớp màng Al2O3 , oxít chiếm thể tích nhiều hơn kim loại, màng không còn bám dính được với đế nữa, bị bong tróc từng màng lớn.
- Thể tích lớp oxit phát triển theo thời gian được mô tả bằng 3 phương trình trong 3 chế độ:.
- CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO – CÁC PHƯƠNG PHÁP KHẮC PHỤC NHƯỢC ĐIỂM.
- Vật liệu này rất thích hợp cho việc chịu các tải (lực) lớn, nhưng không chịu đựng tốt trước môi trường..
- 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 được gọi là lớp bond layer (tạo đô dính), 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..
- 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 (6-8.10−6/K)) không khác biệt quá mức so với đế 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.
- 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.
- Ở nhiệt độ thường, zirconia ở trong pha monoclinic.
- 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.
- 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 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.
- Nội dung : bột hợp kim được bơm vào dòng khí plasma nhiệt độ cao của súng phóng plasma.
- Nhiệt độ trong quá trình phủ là C.
- Hạt bột quá bé (<10micromet) thì khi va chạm với plasma lại bị tiêu tán mất năng lượng, không đủ sức xuyên qua lớp plasma để đi tới đế, tuy nhiên các hạt tới được đế thì nóng chảy hết, tạo ra lớp màng mịn, có độ xốp bé..
- 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..
- 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.
- Phương pháp thực hiện trong buồng chân không cao :10-4 torr.
- Vật liệu cần phủ dược đưa vào dưới dạng các thỏi.
- Các electron phát xạ ra được gia tốc để thu được động năng cao, đến đập vào các thỏi vật liệu màng..
- Người ta điều chỉnh điện thế gia tốc sao cho đạt cỡ 25kV và dòng phát xạ điện tử là cỡ vài ampe, khi đó, vào lúc va chạm vào thỏi vật liệu, đến 85% động năng của electron chuyển thành nhiệt năng cho thỏi và vật liệu bốc hơi.
- Hiệu suất sử dụng vật liệu là cao hơn các quá trình khác -Nhược.
- Nguồn phát xạ điện tử bị thoái hoá theo thời gian trong khi phủ màng, dẫn đến dòng phát xạ điện tử cũng biến đổi-->.
- tốc độ phủ màng bị biến đổi theo thời gian.
- Độ dẫn nhiệt của màng TBC Ứng suất đàn hồi của màng TBC Sự mỏi nhiệt Đo sức căng của màng bằng sự truyền sóng âm.
- Độ dẫn nhiệt của màng TBC.
- Độ dẫn nhiệt thấp là một trong những đòi hỏi quan trọng nhất trong việc chế tạo màng TBC.
- Màng hiện tại có độ dẫn nhiệt thấp (khoảng 2,5W/m-K), và có thể giảm độ dẫn nhiệt bằng cách tạo ra các vi lỗ rỗng và các vi vết nứt trong màng.
- Màng phủ bằng phương pháp plasma-sprayed có độ dẫn nhiệt ban đầu khoảng 1W/m-K.
- Tuy nhiên, ủ nhiệt gốm có thể làm tăng đáng kể độ dẫn nhiệt của màng TBC lên lại..
- Sự cấp nhiệt ở bề mặt và sự làm mát ở mặt sau của màng tạo ra một gradient nhiệt độ ở trạng thái dừng..
- Phương pháp đo bằng laser cung cấp nhiệt : xác định động học sự phụ thuộc độ dẫn nhiệt vào nhiệt độ phục vụ cho việc chế tạo và dự đoán tuổi thọ của màng TBC .
- Trong suốt quá trình khảo sát, nhiệt độ của bề mặt gốm và mặt sau của tấm kim loại được đo bằng infrared pyrometry.
- Nhiệt độ tại điểm giữa của đế được xác định nhờ cặp nhiệt điện..
- Gradient độ dẫn nhiệt sẽ lớn nhất ở lớp gốm, lớp ngoài cùng, do lớp này tăng độ dẫn nhiệt nhiều hơn so với lớp gần giao diện gốm-lớp kết dính.
- Độ dẫn nhiệt tăng theo thời gian nhưng sau khoảng thời gian dài thì độ dẫn nhiệt đạt đến giá trị bão hòa.
- Gradient nhiệt độ của hệ có phủ màng TBC..
- Đồ thị độ dẫn nhiệt của lớp gốm theo thời gian ứng với 3 nhiệt độ bề mặt khác nhau : 9900C, 11000C và 11000C.
- Khảo sát độ dẫn nhiệt của màng theo thời gian ủ nhiệt.
- Khảo sát độ dẫn nhiệt của màng theo nhiệt độ ủ : Độ dẫn nhiệt của màng tăng theo nhiệt độ ủ..
- Khảo sát độ dẫn nhiệt của màng theo khoảng cách : Độ dẫn nhiệt tại bề mặt tăng nhiều nhất..
- Đối với một thời gian ủ cố định, nhiệt độ chỗ tiếp xúc giữa các lớp càng thấp thì độ dẫn nhiệt tăng càng ít.
- Ứng suất đàn hồi của màng TBC : Ứng suất đàn hồi của sự phủ gốm rỗng là một thông số quan trọng.
- Những trạng thái ứng suất trong sự phủ gốm thì liên quan trực tiếp tới ứng suất phủ.
- Sự chống bong tróc thì cũng liên quan đến ứng suất phủ..
- Ứng suất vừa phủ thì tương đối thấp do độ rỗng cao.
- Giá trị của ứng suất trong trạng thái nén ban đầu của màng phủ bằng phương pháp plasma-sprayed có giá trị trong khoảng 34 đến 64GPa trong vùng biến dạng thấp (low stress-strain).
- Trong vùng biến dạng nhiều thì ứng suất phủ tăng từ 100 đến 120GPa do sự xuất hiện của các vi nứt bề mặt.
- Ứng suất toàn bộ của màng thì tăng theo chu trình nén tại nhiệt độ phòng do những lần bị khí nén tạm thời..
- Ở nhiệt độ cao hơn, ứng suất đàn hồi của sự phủ gốm rỗng sẽ tăng đáng kể do sự ủ nhiệt.
- Dưới mật độ dòng nhiệt chiếu vào cao một gradient ứng suất đàn hồi đáng kể sẽ xuất hiện và biến đổi theo thời gian.
- Kiểm nghiệm bằng laser nhiệt CO2 cho thấy độ rỗng của màng gốm giảm theo thời gian chiếu..
- Sự mỏi nhiệt: Định nghĩa : Sự mỏi nhiệt là sự tăng dần các microcrack của vật liệu sau nhiều chu trình làm việc trong điều kiện tăng nhiệt độ.
- Tác hại của sự mỏi nhiệt : Do các microcrack tăng dần và phát triển theo số chu trình nên khi tích lũy đủ thì gây ra sự phá hoại vật liệu tai nạn.
- LCF (low cycle fatigue) thì khoảng 103 cycle là xảy ra sự phá hoại vật liệu..
- HCF (hight cycle fatigue) thì khoảng 106 cycle là xảy ra sự phá hoại vật liệu.
- Nguyên nhân chính là do sự mỏi nhiệt.
- Trong phương pháp này hai microphone được gắn trên mẫu được dùng để “nghe” sự phá hủy xuất hiện trong màng khi màng được làm cho biến dạng (kéo căng)..
- Đo sức căng của màng bằng sự truyền sóng âm