Đề tài " SEMINAR : MÀNG MỎNG BỀN NHIỆT " docx

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 T T

PHẦN I :

PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO

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

T

T

H   Trong đó T1, T2 là nhiệt độ của nguồn

nóng và nguồn lạnh mà khối khí trao đổinhiệt T1 càng lớn hiệu suất trao đổi nhiệtcàng dần tới 100%

- 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

- Màng trong suốt phản xạ nhiệt : dùng để phủ

các lớp kính tủ lạnh và greenhouse… vừa lịch sự

vừa giữ nhiệt Các màng này trong suốt (truyền

qua) lớn đối với vùng phổ khả kiến, nhưng phản

xạ mạnh đối với vùng hồng ngoại Sóng ngắn

(khả kiến) truyền vào hoặc ra nhà kính được,

nhưng khi chúng bị vật chất hấp thụ và phát ra

lại thì năng lượng suy giảm, bước sóng dài ra,

không thoát ra ngoài được Đối với tủ lạnh thì

tương tự

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

II CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA MÀNG BỀN CƠ NHIỆT

Khi khảo sát các loại màng nghiên cứu cũng như thương phẩm, có cácđặc trưng sau mà người ta quan tâm:

-Đặc trưng chung

+ Độ dày màng+ Độ bám dính (kg/cm2) + Tuổi thọ sử dụng

-Về thẩm mỹ

+ Thẩm mỹ (màu sắc…)

-Về điện học

+ Điện trở-Về cơ học

+ Độ bền đứt giới hạn (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:

Trong đó:

•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 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

Do đó, người ta mong muốn tỉ số PBR nằm trong cửa sổ 1-2 để tuổi thọ màng được lâu Thể tích lớp oxit phát triển theo thời gian được mô tả bằng 3 phương trình trong 3 chế độ:

Nếu PBR<1

Nếu 1<PBR<2

Nếu 2<PBR

III CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO – CÁC PHƯƠNG

PHÁP KHẮC PHỤC NHƯỢC ĐIỂM

1 Phủ màng TBC (thermal barrier coatings)

Thông thường màng chống ăn mòn- bền nhiệt bao gồm 3 lớp sau

Bond coat

- Đế: chính là lớp hợp kim của thành buồng đốt, thông thường là các hợp kim chứa nickel, sắt-nickel, cobalt có thể hoạt động bình thường ở 54000C Vật liệu này rất thích hợp cho việc chịu các tải (lực) lớn, nhưng không chịu đựng tốt trước môi trường

Bond coat Bond coat

- 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.

Bond coat

Lớp này thường là nhôm, khi oxi gặp Al sẽ hình thành nhôm oxit Khác với các oxit khác của sắt, kẽm… vốn rỗng, oxit của Al rất bền và có độ chặt cao, khiến oxi không thể len vào tiếp và các lớp bên trong được bảo vệ Chúng ta cũng đã biết là các vật dụng bằng Al thực ra mặt ngoài của chúng đã bị oxi hoá thành một lớp Al2O3 mỏng, nhưng lớp này có cấu trúc quá chặt làm cho oxi hay nước không đi vào được nữa và kim loại Al bên trong được bảo vệ Các vật dụng bằng sắt không có tính chất này, khi

đã bị oxi hoá bên ngoài, oxi tiếp tục khuếch tán vào trong thông qua lớp oxít sắt có cấu trúc rỗng xốp, và phá hoại tất cả kim loại bên trong, dẫn đến toàn bộ vật dụng bằng sắt đều biến thành rỉ sắt hết

Bond coat

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

Hình 3 : Sự biến đổi hằng số mạng của lớp màng khiến xảy ra sự không

khớp mạng, từ đó sinh ra ứng suất

- Lớp màng cách nhiệt: thường là yttrium

stabilized zirconia Zirconia có hệ số dẫn nhiệt

rất kém 1,5-2 W/m 2 K và hệ số nở nhiệt

(6-8.10 −6 /K)) không khác biệt quá mức so với đế

(13-14.10 −6 /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.

Bond coat

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 Trong gốm, các liên kết mạng bản chất lực ion hút nhau giữa cation va anion ZrO2 có khuyết điểm (và cũng là

ưu điểm) là rất xốp, hệ số khuếch tán đối với oxi rất cao, đó là lí do tại sao phải có lớp phủ chống khuếch tán oxi ở phía dưới.

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 Đây là điều rất có hại Ở nhiệt độ thường, zirconia ở trong pha monoclinic Đến

1240 0 C, chuyển qua tetragonal Đến 237 0 , chuyển qua cubic Còn nếu áp suất quá cao,

zirconia sẽ chuyển qua orthorhombic 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 Ngoài ra

còn pha tạp MgO, CaO

Hình 3 : Sự biến đổi hằng số mạng của lớp màng khiến xảy ra

sự không khớp mạng, từ đó sinh ra ứng suất

-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

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

hiện trong buồng chân không, hoặc

buồng áp suất thấp nhưng phải là khí

trơ.

Sử dụng hạt bột quá to (>40 micromet) thì hạt đi ra khỏi súng plasma mà chỉ có vỏ ngoài của hạt nóng chảy, do đó khi phủ sẽ tạo thành các cục thô trên đế, màng thô, độ xốp cao.

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.

Phương pháp plasma spraying.

Bond coat

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

B) Nội dung phưong pháp EB PVD

Phương pháp thực hiện trong buồng

chân không cao :10 -4 torr Vật liệu cần

phủ dược đưa vào dưới dạng các thỏi

Có khoảng 6 súng phóng chùm điện tử

có công suất từ 10 đến 100 kW Các

súng này ứng dụng các hiện tượng

phát xạ nhiệt điện tử hoặc phát xạ

lạnh để phóng ra các electron 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% độngnăng của electron chuyển thành nhiệt năng cho thỏi và vật liệu bốc hơi Chúng bay khắp buồng chân không và bám vào tất cả các bề mặt trong buồng

Ưu điểm và nhược điểm của phưong pháp EB PVD

-Ưu:

+ Tốc độ phủ màng cao từ 1nm/phút đến micromet/phút, do đó

ứng dụng mạnh trong sản xuất đại trà

màng, dẫn đến dòng phát xạ điện tử

cũng biến đổi > tốc độ phủ màng bị

biến đổi theo thời gian

PHẦN II : ĐO ĐẠC

I Độ dẫn nhiệt của màng TBC

II Ứng suất đàn hồi của màng TBC

III Sự mỏi nhiệt

IV Đo sức căng của màng bằng sự truyền sóng âm

I 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

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

b) Khảo sát độ dẫn nhiệt của màng theo nhiệt độ ủ :

 Độ dẫn nhiệt của màng tăng theo nhiệt độ ủ.

c) Khảo sát độ dẫn nhiệt của màng theo khoảng cách :

giữa các lớp càng thấp thì độ dẫn nhiệt tăng càng ít.

Gradient nhiệt độ của

hệ có phủ màng TBC.

II 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

III 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 10 3 cycle là xảy ra sự phá hoại vật liệu.

 HCF (hight cycle fatigue) thì khoảng 10 6 cycle là xảy ra sự phá hoại vật liệu.

Trong các màng bền nhiệt, sự phát triển các vết nứt ở chỗ tiếp xúc gốm-lớp kết dính sẽ gây ra sự bong tróc màng Nguyên nhân chính là do sự mỏi nhiệt Tốc độ phát triển vết nứt do mỏi nhiệt có thể đo đạc qua hai thí nghiệm : dùng nhiều chu

trình hoặc gia nhiệt cao hơn.

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)

Khi một vết nứt xuất hiện hoặc

đang tăng trưởng sẽ giải phóng

năng lượng, năng lượng được giải

phóng này sẽ tạo ra một sóng đàn

hồi Sóng này sẽ lan truyền tới bề

mặt màng Các microphone sẽ phát

hiện sóng này và chuyển nó thành

tín hiệu điện Tín hiệu điện sau đó

được phân tích bằng máy vi tính

IV Đo sức căng của màng bằng sự truyền sóng âm :

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 GS Nguyễn Hữu Chí, “Giáo Trình Vật Lý Màng Mỏng”,

2007.

2 Dongming Zhu, Thermophysical and Thermomechanical

Properties of Thermal Barrier, NASA Center of Aerospace

Information, 2000.

3 Karin Carlsson, A Study of Failure Development in Thermal Barrier Coatings, Lingkoping University 2007

4 wikipedia.org, “Fatigue”

Thermal Fatigue

fatigue/oxidation is a problem caused by

impingement HiPerCoat retards oxidation and heat buildup even at temperatures up to 1,600°

F Bonded onto steel, it extends component survivability by over 100-times.

Gradient nhiệt độ của hệ có phủ màng TBC.