Luận án tiến sĩ nghiên cứu chế tạo và đặc tính chống oxy hóa của lớp phủ bền nhiệt độ cao trên nền hợp kim niken ứng dụng cho tuốc bin khí

i
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------

ĐÀO CHÍ TUỆ

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ĐẶC TÍNH CHỐNG OXY
HĨA CỦA LỚP PHỦ BỀN NHIỆT ĐỘ CAO TRÊN NỀN
HỢP KIM NIKEN ỨNG DỤNG CHO TUỐC BIN KHÍ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Hà Nội – 2022


ii
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
----------------------------ĐÀO CHÍ TUỆ

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ĐẶC TÍNH CHỐNG OXY
HĨA CỦA LỚP PHỦ BỀN NHIỆT ĐỘ CAO TRÊN NỀN

HỢP KIM NIKEN ỨNG DỤNG CHO TUỐC BIN KHÍ
Chuyên ngành: Kim loại học
Mã số: 9.44.01.29

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. Lê Thị Hồng Liên
2. GS.TS. Hideyuki Murakami

Hà Nội – 2022


i
LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi và không trùng
lặp với bất kỳ cơng trình khoa học nào khác. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung
thực, chưa từng được cơng bố trên bất kỳ tạp chí nào đến thời điểm này ngồi những
cơng trình của tác giả.

Hà Nội, ngày tháng
Tác giả luận án

Đào Chí Tuệ

năm


ii
LỜI CẢM ƠN!

Lời đầu tiên với lòng biết ơn sâu sắc tôi xin gửi lời cảm ơn tới
PGS.TS. Lê Thị Hồng Liên và GS.TS. Hideyuki Murakami bởi những chỉ dẫn quý báu
về định hướng nghiên cứu cũng như phương pháp luận và tạo mọi điều kiện tốt nhất
để tơi hồn thành bản luận án này!
Tôi cũng bày tỏ lời cảm ơn đối với Học viện Khoa học và Công nghệ cũng như
Viện Khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều
kiện thuận lợi về cơ sở vật chất và thời gian để tơi hồn thành luận án.
Tơi xin gửi lời cảm ơn tới chương trình hợp tác đào tạo NCS giữa Viện Khoa
học vật liệu và Viện Khoa học vật liệu quốc gia Nhật Bản (NIMS) đã tạo điều kiện
giúp đỡ tơi thực hiện các nghiên cứu q báu tại phịng thí nghiệm Surface Kinetics
Group của TS. Hideyuki Murakami tại NIMS.
Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các đồng nghiệp trong Trung tâm đánh
giá hư hỏng vật liệu (COMFA), Viện Khoa học vật liệu Viện Hàn lâm Khoa học và
Cơng nghệ Việt Nam đã chia sẻ, đóng góp những kinh nghiệm quý báu để tôi thực
hiện các nghiên cứu.
Tôi đồng thời gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các đồng nghiệp tại nhóm nghiên cứu
Surface Kinetics Group của TS. Hideyuki Murakami tại NIMS đã hỗ trợ tôi thực hiện
các nghiên cứu trên các thiết bị tiên tiến của nhóm và của Viện NIMS.
Và tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các đồng nghiệp, bạn bè – những
người đã luôn quan tâm, động viên tôi trong suốt thời gian qua!
Cuối cùng, tơi xin dành tình cảm đặc biệt đến gia đình, người thân của tơi những người đã luôn động viên và tiếp sức cho tôi thêm nghị lực để tơi
vững bước hồn thành luận án
Tác giả
Đào Chí Tuệ


iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN! ............................................................................................................ ii

MỤC LỤC .................................................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ................................................................................... ix
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................ xvi
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TUỐC BIN KHÍ VÀ LỚP PHỦ CHỊU NHIỆT
TRÊN CÁNH TUỐC BIN KHÍ ................................................................................. 5
1.1. Tuốc bin khí và vật liệu sử dụng trong tuốc bin khí ................................... 6
1.1.1. Cấu tạo và điều kiện làm việc của tuốc bin khí ........................................ 6
1.1.1.1. Cấu tạo của tuốc bin khí và mơi trường nhiệt độ cao trong tuốc bin
khí .................................................................................................................... 6
1.1.1.2. Hiện tượng ăn mịn và ơxy hóa nhiệt độ cao trên cánh tuốc bin khí . 9
1.1.2. Vật liệu sử dụng trong tuốc bin khí......................................................... 14
1.1.2.1. Các thế hệ hợp kim đầu tiên và cơng nghệ đúc cánh tuốc bin khí ... 15
1.1.2.2. Siêu hợp kim đơn tinh thể nền niken ............................................... 16
1.2. Lớp phủ chịu ăn mịn và ơxy hóa nhiệt độ cao trên cánh tuốc bin khí ... 18
1.2.1. Lớp phủ khuếch tán trên cánh tuốc bin khí ............................................. 19
1.2.1.1. Sự khuếch tán trong hợp kim ........................................................... 19
1.2.1.2. Lớp thấm nhôm có cấu trúc pha β .................................................... 21
1.2.1.3. Lớp thấm nhơm biến tính bằng platin .............................................. 23
1.2.1.4. Lớp thấm nhơm biến tính bằng Pt có cấu trúc pha γ + γ’ ................ 26
1.2.1.5. Lớp phủ khuếch tán nhơm biến tính bằng Pt có cấu trúc pha γ + γ’ 27
1.2.1.6. Iridi và khả năng sử dụng Ir trong lớp phủ khuếch tán nhôm .......... 29
1.2.2. Lớp phủ không khuếch tán (overlay coating) trên cánh tuốc bin khí ..... 30
1.2.3. Hệ lớp phủ cách nhiệt (TBCs) trên cánh tuốc bin kh.............................. 32
1.3. Các phương pháp chế tạo lớp phủ khuếch tán .......................................... 35


iv
1.3.1. Phương pháp chế tạo lớp thấm nhôm...................................................... 35
1.3.2. Phương pháp chế tạo lớp thấm nhơm biến tính với platin ...................... 38
1.3.3. Phương pháp chế tạo lớp phủ khuếch tán nhơm biến tính bằng Pt ......... 39

1.3.4. Phương pháp phun phủ bột nhão slurry .................................................. 40
1.3.4.1. Lịch sử phương pháp ........................................................................ 40
1.3.4.2. Thành phần của hỗn hợp bột nhão dùng để tạo lớp phủ .................. 42
1.4. Tình hình nghiên cứu lớp phủ chịu ơxy hóa nhiệt độ cao trong nước và
định hướng nghiên cứu của Nghiên cứu sinh (NCS). ...................................... 42
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....... 45
2.1. Chuẩn bị mẫu hợp kim nền ......................................................................... 45
2.1.1. Chuẩn bị thành phần và cấu trúc hợp kim nền ........................................ 46
2.1.2. Chuẩn bị bề mặt hợp kim nền ................................................................. 47
2.2. Chế tạo lớp phủ khuếch tán Pt và Pt-Ir bằng phương pháp mạ điện kết
hợp với xử lý nhiệt khuếch tán........................................................................... 48
2.2.1. Mạ lớp màng Pt ....................................................................................... 49
2.2.1.1. Thông số bể mạ Pt ............................................................................ 49
2.2.1.2. Quy trình thực hiện lớp mạ Pt .......................................................... 50
2.2.2. Mạ lớp màng Pt-Ir ................................................................................... 51
2.2.2.1. Thơng số bể mạ Pt-Ir ........................................................................ 51
2.2.2.2. Quy trình mạ lớp màng hợp kim Pt-Ir.............................................. 52
2.2.3. Xử lý nhiệt tạo lớp phủ khuếch tán Pt và Pt-Ir ....................................... 53
2.3. Chế tạo lớp phủ khuếch tán Pt, Pt-Ir bằng phương pháp phun phủ
slurry .................................................................................................................... 54
2.3.1. Chuẩn bị vật liệu phun phủ ..................................................................... 54
2.3.1.1. Vật liệu bột Pt và Pt-Ir ..................................................................... 54
2.3.1.2. Hỗn hợp dung dịch chất mang và chất kết dính ............................... 55
2.3.2. Q trình tạo lớp phủ .............................................................................. 55
2.3.3. Quy trình xử lý nhiệt khuếch tán tạo lớp phủ ......................................... 57


v
2.4. Các phương pháp nghiên cứu đặc tính chịu ơxy hóa nhiệt độ cao của lớp
phủ chịu nhiệt trên nền hợp kim niken ............................................................. 57

2.4.1. Phương pháp nghiên cứu tốc độ ơxy hóa. ............................................... 58
2.4.1.1. Thiết bị thử nghiệm ơxy hóa chu kỳ ................................................ 58
2.4.1.2. Phương pháp xác định tốc độ ơxy hóa nhiệt độ cao ........................ 60
2.4.2. Phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) nghiên cứu sự thay đổi cấu
trúc pha của vật liệu. ......................................................................................... 60
2.4.3. Nghiên cứu hình thái học bề mặt lớp phủ và cấu trúc mặt cắt ngang lớp
phủ trên hiển vi điện tử quét (SEM) ................................................................. 61
2.4.4. 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 .... 62
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN............................................................. 63
3.1. Chế tạo và đặc trưng tính chất của lớp phủ khuếch tán Pt/Pt-Ir trên nền
hợp kim Ni-Al-Cr ................................................................................................ 64
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. ........................................................................................................ 64
3.1.1.1. Kết quả chế tạo các lớp mạ Pt và Pt-Ir trên nền hợp kim Ni-16Al10Cr. .............................................................................................................. 64
3.1.1.2. Sự khuếch tán các nguyên tố và cấu trúc của lớp phủ Pt/Pt-Ir sau khi
xử lý nhiệt khuếch tán ................................................................................... 66
3.1.1.3. Sự hình thành pha trong lớp phủ Pt/Pt-Ir ......................................... 71
3.1.1.4. Đặc tính chịu ơxi 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 ........................................................................................ 73
3.1.2. 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. ............................................................................................... 81
3.1.2.1. Thành phần lớp phủ Pt và Pt-Ir ........................................................ 81


vi
3.1.2.2. Cấu trúc của các lớp phun phủ bột nhão Pt và Pt-Ir sau khi xử lý

nhiệt khuếch tán ............................................................................................ 82
3.1.2.3. Sự khuếch tán nguyên tố trong các lớp phun phủ Pt và Pt-Ir sau khi
xử lý nhiệt khuếch tán ................................................................................... 86
3.1.2.4. Sự hình thành pha trong lớp phun phủ Pt và Pt-Ir sau khi xử lý nhiệt
khuếch tán ..................................................................................................... 88
3.1.2.5. Đặc tính chống oxi hóa chu kỳ nhiệt độ cao của các lớp phủ Pt và PtIr trên nền hợp kim Ni-16Al-10Cr chế tạo bằng phương pháp phun phủ bột
nhão kết hợp với xử lý nhiệt khuếch tán. ...................................................... 88
3.1.3. Thảo luận ................................................................................................. 97
3.1.3.1. Ảnh hưởng của Ir ............................................................................. 97
3.1.3.2. Quá trình tạo pha trong các lớp phủ ................................................. 98
3.1.3.3. Ảnh hưởng của phương pháp chế tạo .............................................. 99
3.1.3.4. Hiện tượng tạo lỗ rỗng trong lớp phủ ............................................ 100
3.2. Chế tạo và đặc trưng tính chất của lớp phủ khuếch tán Pt/Pt-Ir trên nền
hợp kim UCSX-8 ............................................................................................... 101
3.2.1. 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. .............................................................................. 101
3.2.1.1. Phương pháp mạ điện ..................................................................... 101
3.2.1.2. Phương pháp phun phủ .................................................................. 102
3.2.2. Cấu trúc của các lớp phủ sau khi ủ khuếch tán ..................................... 102
3.2.3. Khả năng chịu oxi hóa nhiệt độ cao của lớp phủ. ................................ 107
Kết luận chương 3 .................................................................................................. 111
KẾT LUẬN

CHUNG .......................................................................................... 113

DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN .. 116


vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt và

Tên Tiếng Anh

ký hiệu

Tên tiếng Việt

TBCs

Thermal Barrier Coattings

Hệ lớp phủ cách nhiệt

TGO

Thermally-Grown Oxide

Lớp ơxyt bảo vệ

YSZ

Yttria-stabilised zirconia

Ơxyt Zirconi ổn định hóa
bởi oxyt yttri

γ

Gamma

Pha gamma

γ’

Gamma prime

Pha gamma phẩy

β

Beta

Pha bêta

α

Alpha

Pha anpha

δ

Delta

Pha denta

DS

Directionally Solidification

Kết tinh định hướng

SC

Single crytstall

Đơn tinh thể

IDZ

Interdiffusion zone

Vùng khuếch tán trung gian

TCP

Topologically close-packed

Cấu trúc topho xếp chặt

LTHC

Low temperature hot corrosion

Ăn mịn nóng nhiệt độ thấp

HTHC

High temperature hot corrosion

Ăn mịn nóng nhiệt độ cao

PGMs

Platin Group Metals

Kim loại thuộc nhóm Platin

CTEs

Coefficient of Thermal Expansion hệ số giãn nở nhiệt

LPPS

Low-pressure plasma spray

Phun plasma áp suất thấp

APS

Air plasma spray

Phun plasma trong khơng
khí

PVD

Physical vapour deposition

Lắng đọng pha hơi vật lí


viii
EBPVD

Electron-beam physical vapour Lắng đọng pha hơi vật lí
deposition
chùm điện tử

CVD

Chemical vapour deposition

Lắng đọng hơi hóa học

PVA

Polyvinyl alcohol

Chất kết dính PVA

SEM

Scanning electron microscopy

Kính hiển vi điện tử quét

EDS

Energy
Dispersive
Spectroscopy

Phổ tán xạ năng lượng tia X

SE

Secondary electron

Chùm điện tử thứ cấp

BSE

Backscatter electron

Chùm điện tử tán xạ ngược

XRD

X-ray Diffraction

Phổ nhiễu xạ tia X

2

Peak position in XRD

Góc nhiễu xạ

αAl

Chemical activity of Al

Hoạt tính hóa học của nhôm

Z

Atomic number

Số khối Z

JAl

Diffusion flux of aluminum

Mật độ dịng khuếch tán
nhơm

at.%

Atomic percent

Thành phần
ngun tử

wt.%

Weight percent

Thành phần phần trăm khối
lượng

O

Celsius degree

Độ C

ph

Minute

Phút

pH

Acid number

Độ pH

C

X-ray

phần

trăm

ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Cấu tạo cơ bản của một tuốc bin khí ........................................................... 6
Hình 1.2. 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) ............................................... 7
Hình 1.3. Nhiệt độ làm việc và hiệu suất tương ứng của tuốc bin khí. ....................... 8
Hình 1.4. Quá trình phát triển của vật liệu chịu nhiệt độ cao làm cánh tuốc bin khí . 9
Hình 1.5. Cấu tạo của lớp phủ chịu nhiệt trên siêu hợp kim..................................... 10
Hình 1.6. Ăn mịn nóng nhiệt độ cao ........................................................................ 11
Hình 1.7. Quá trình vận chuyển và phản ứng ở bề mặt tiếp xúc trong cơ chế ơxy hóa
nhiệt độ cao ............................................................................................................... 12
Hình 1.8. Thử nghiệm ơxy hóa chu kỳ ở 1100 oC (1 giờ giữ nhiệt ở nhiệt độ cao) đối
với các thế hệ hợp kim nền niken khác nhau. ........................................................... 13
Hình 1.9. Vật liệu sử dụng trong động cơ Rolls Royce Trent 800 ........................... 14
Hình 1.10. Các dạng cánh tuốc bin khí; (a): đúc truyền thống; (b): đúc kết tinh định
hướng; (c): đúc đơn tinh thể…………………………………………………………15
Hình 1.11. Các nguyên tố được sử dụng trong siêu hợp kim nền niken. Các nguyên
tố gạch chéo là ít ảnh hưởng đến hợp kim và các nguyên tố gạch ngang là bất lợi cho
hợp kim...................................................................................................................... 16
Hình 1.12. Cấu trúc của lớp thấm nhơm (a) hoạt độ thấp và (b) hoạt độ cao. Và (c)
sự phụ thuộc độ khuếch tán của Ni và Al vào thành phần của NiAl ........................ 22
Hình 1.13. Mơ hình các dạng cấu trúc của lớp thấm nhơm biến tính bằng Pt theo cơ
chế hoạt tính cao/khuếch tán vào (a,b,c) và cấu trúc thực tế tương ứng (d,e,f) ........ 25
Hình 1.14. Cấu trúc hai lớp đặc trưng của lớp thấm nhơm biến tính bằng platin dạng
hoạt tính thấp/khuếch tán ra. ..................................................................................... 26
Hình 1.15. Cấu trúc đặc trưng của lớp phủ γ + γ’ ..................................................... 27


x

Hình 1.16. Cấu trúc và sự phân bố nguyên tố qua cặp vật liệu CMSX-4/ γ + γ’ (Ni22Al-30Pt) sau 50 giờ khuếch tán ở 1150 oC............................................................ 28
Hình 1.17. Hệ số khuếch tán của các nguyên tố PGMs trong nền niken ở nhiệt độ
1300 oC ...................................................................................................................... 29
Hình 1.18. Giá của các kim loại trong nhóm PGMs trên thị trường ......................... 30
Hình 1.19. Cấu trúc của lớp phủ khơng khuếch tán trên bề mặt (a) NiCoCrAlY và
(b) CoNiCrAlY với các lớp ôxyt bên trong (dải màu đen) ....................................... 32
Hình 1.20. Cấu tạo của hệ lớp phủ chịu nhiệt TBCs trên cánh tuốc bin khí............. 33
Hình 1.21. Cấu tạo của lớp phủ TBCs theo phương pháp (a): APS và (b): phương
pháp EB-PVD............................................................................................................ 34
Hình 1.22. Cơ chế giảm nhiệt độ của lớp phủ TBCs cho vật liệu nền ...................... 35
Hình 1.23. Phương pháp thấm nhơm trong hộp ........................................................ 36
Hình 1.24. Cơ chế phản ứng tạo lớp thấm nhơm trong hộp thấm............................. 37
Hình 1.25. Phương pháp thấm nhơm ngồi hộp ....................................................... 37
Hình 1.26. Hệ thống thấm nhơm biến tính theo ngun lý CVD ............................. 38
Hình 2.1. Quy trình xử lý nhiệt tạo pha γ+γ’ cho hợp kim Ni-16Al-10Cr, UCSX-8
và cấu trúc pha của hợp kim sau khi xử lý nhiệt. ...................................................... 46
Hình 2.2. Thiết bị và vị trí đo độ nhám bề mặt mẫu sau phum nhám ....................... 47
Hình 2.3. Quy trình chế tạo lớp mạ Pt dày 8 µm trên nền hợp kim niken ................ 50
Hình 2.4. Quy trình chế tạo lớp mạ Pt-20Ir dày 6 µm trên nền hợp kim niken ........ 53
Hình 2.5. Quy trình xử lý nhiệt khuếch tán các mẫu phủ Pt và Pt-Ir ........................ 54
Hình 2.6. Kết quả chụp SEM kích thước hạt hợp kim Pt-Ir ..................................... 55
Hình 2.7. Quy trình chế tạo lớp phủ khuếch tán Pt-Ir bằng phương pháp phun phủ
bột nhão và xử lý nhiệt khuếch tán ........................................................................... 56


xi
Hình 2.8 Lị ống có khí argon bảo vệ và quy trình xử lý nhiệt khuếch tán các mẫu
phun phủ bột nhão ..................................................................................................... 57
Hình 2.9. Chu trình thử nghiệm ơxy hóa chu kỳ ở 1150 oC và thiết bị lị thử nghiệm
ơxy hóa chu kỳ SUGA tại Viện NIMS, Nhật Bản .................................................... 59

Hình 2.10. Cân điện tử độ chính xác cao tại NIMS, Nhật Bản ................................. 60
Hình 2.11. Thiết bị phân tích XRD MiniFlex 600 của hãng Rigaku ........................ 61
Hình 2.12. Thiết bị FE-SEM Hitachi S4700 ............................................................. 62
Hình 3.1. Mẫu lớp mạ Pt và Pt-Ir .............................................................................. 65
Hình 3.2. Hình thái bề mặt của các mẫu lớp mạ Pt và Pt-Ir ..................................... 65
Hình 3.3. Bề mặt các mẫu lớp mạ Pt và Pt-Ir sau khi xử lý nhiệt khuếch tán .......... 66
Hình 3.4. Hình thái học bề mặt các lớp phủ Pt, Pt20Ir và Pt30Ir sau khi xử lý nhiệt
khuếch tán ................................................................................................................. 66
Hình 3.5. Hình thái học mặt cắt ngang của lớp phủ Pt sau khi xử lý nhiệt khuếch tán
................................................................................................................................... 67
Hình 3.6. Hình thái học mặt cắt ngang của lớp phủ Pt20Ir sau khi xử lý nhiệt khuếch
tán .............................................................................................................................. 68
Hình 3.7. Hình thái học mặt cắt ngang của lớp phủ Pt30Ir sau khi xử lý nhiệt khuếch
tán .............................................................................................................................. 68
Hình 3.8. Kết quả phân tích line scan SEM/EDS sự phân bố nguyên tố trong lớp phủ
khuếch tán Pt và Pt-Ir sau khi xử lý nhiệt 1 giờ ở 1100 oC ....................................... 69
Hình 3.9. Kết quả phân tích XRD thành phần pha trong các lớp phủ sau khi xử lý
nhiệt khuếch tán ........................................................................................................ 72
Hình 3.10. Cấu trúc pha ’-Ni3Al .............................................................................. 72
Hình 3.11. Giản đồ pha của hệ hợp kim nguyên Ni-Al-Pt ở 1100 oC và cấu trúc tinh
thể kiểu mạng L10 của pha α ..................................................................................... 73


xii
Hình 3.12. Tốc độ ơxy hóa của các mẫu phủ Pt và Pt-Ir sau 100 chu kỳ thử nghiệm ở
nhiệt độ 1150 oC ........................................................................................................ 74
Hình 3.13. Ảnh SEM bề mặt mẫu phủ Pt30Ir bị bong tróc sau 100 chu kỳ ............. 75
Hình 3.14. Ảnh SEM/BSE trạng thái bề mặt các mẫu phủ Pt, Pt20Ir và Pt30Ir sau
100 chu kỳ thử nghiệm ở 1150 oC............................................................................. 76
Hình 3.15. Kết quả phân tích mapping SEM/EDS sự phân bố nguyên tố trong mặt

cắt ngang lớp phủ Pt20Ir sau khi thử nghiệm100 chu kỳ ......................................... 76
Hình 3.16. Chiều dày các lớp ơxyt trên bề mặt các mẫu lớp phủ sau 100 chu kỳ thử
nghiệm ôxy hóa ở 1150 oC ........................................................................................ 77
Hình 3.17. Phân bố các nguyên tố trên mặt cắt ngang của các lớp phủ sau 100 chu
kỳ thử nghiệm ở 1150 oC. ......................................................................................... 78
Hình 3.18. Ảnh SEM/BSE cấu trúc mặt cắt ngang của các lớp phủ sau khi thử
nghiệm ơxy hóa chu kỳ (1; 10; 30; 100 chu kỳ) ....................................................... 79
Hình 3.19. Kết quả phân tích XRD thành phần pha trên bề mặt các mẫu phủ sau thử
nghiệm 100 chu kỳ oxi hóa ở 1150 oC ...................................................................... 80
Hình 3.20. Hình ảnh các mẫu phủ Pt và PtIr (phủ hai mặt) bằng phương pháp phun
phủ sau khi ủ khuếch tán ở 1100 oC .......................................................................... 82
Hình 3.21. Ảnh SEM hình thái học bề mặt các lớp phủ Pt, và Pt-Ir sau khi xử lý
nhiệt khuếch tán ........................................................................................................ 82
Hình 3.22. Hình thái học mặt cắt ngang của lớp phun phủ Pt sau khi xử lý nhiệt
khuếch tán ................................................................................................................. 83
Hình 3.23. Hình thái học mặt cắt ngang của lớp phun phủ Pt20Ir sau khi xử lý nhiệt
khuếch tán ................................................................................................................. 83
Hình 3.24. Hình thái học mặt cắt ngang của lớp phủ Pt30Ir sau khi xử lý nhiệt
khuếch tán ................................................................................................................. 84


xiii
Hình 3.25. Hình thái học mặt cắt ngang của lớp phủ Pt50Ir sau khi xử lý nhiệt
khuếch tán ................................................................................................................. 84
Hình 3.26. Kết quả phân tích mapping SEM/EDS sự phân bố nguyên tố trong mặt
cắt ngang lớp phủ Pt20Ir sau khi xử lý nhiệt khuếch tán .......................................... 86
Hình 3.27. Kết quả phân tích line scan SEM/EDS sự phân bố các nguyên tố trong
lớp phủ Pt và Pt-Ir sau khi xử lý nhiệt khuếch tán .................................................... 87
Hình 3.28. Kết quả phân tích XRD thành phần pha trên bề mặt các mẫu phun phủ
sau khi xử lý nhiệt khuếch tán................................................................................... 88

Hình 3.29. Hình dạng các mẫu phun phủ trong quá trình thử nghiệm ơxy hóa chu kỳ
ở nhiệt độ 1150 oC ..................................................................................................... 89
Hình 3.30. Tốc độ ơxy hóa của các mẫu phun phủ trong q trình thử nghiệm oxi
hóa chu kỳ ................................................................................................................. 90
Hình 3.31. Bề mặt mẫu phủ Pt sau 100 chu kỳ thử nghiệm ơxy hóa ở 1150 oC....... 91
Hình 3.32. Chiều dày lớp ôxyt trên bề mặt các mẫu phun phủ sau 100 chu kỳ thử
nghiệm ....................................................................................................................... 91
Hình 3.33. Kết quả phân tích SEM (BSE) hình thái học bề mặt các mẫu phủ Pt và
Pt-Ir sau khi thử nghiệm 1; 10; 30; 50 và 100 chu kỳ ơxy hóa ................................. 92
Hình 3.34. Kết quả đo phân bố các nguyên tố trên mặt cắt ngang của các lớp phủ sau
100 chu kỳ thử nghiệm ở 1150 oC............................................................................. 94
Hình 3.35. Hình thái học mặt cắt ngang của lớp phủ Pt và Pt-Ir sau khi thử nghiệm
ơxy hóa 1; 10; 50 và 100 chu kỳ. .............................................................................. 95
Hình 3.36. Kết quả phân tích XRD thành phần pha trên bề mặt các mẫu phun phủ
sau khi thử nghiệm 100 chu kỳ ơxy hóa ................................................................... 96
Hình 3.37. Quá trình khuếch tán và hình thành pha của hệ lớp phủ Pt và Pt-25Ir trên
nền Ni-12Al-10Cr [124] ............................................................................................ 99


xiv
Hình 3.38. Ảnh SEM (SE) hình thái học bề mặt của lớp phủ sau khi xử lí nhiệt: (a)
Pt mạ điện, (b) Pt20Ir mạ điện, (c) Pt phun phủ, (d) Pt20Ir phun phủ và (e) Pt30Ir
phun phủ .................................................................................................................. 102
Hình 3.39. Cấu trúc mặt cắt ngang của các lớp phủ sau ủ khuếch tán. (a) Pt mạ điện,
(b) Pt20Ir mạ điện, (c) Pt phun phủ, (d) Pt20Ir phun phủ và (e) Pt30Ir phun phủ. 103
Hình 3.40. Ảnh SEM cấu trúc mặt cắt ngang của các lớp phủ chế tạo bằng mạ điện
và phân bố nguyên tố từ bề mặt vào nền; (a)-lớp phủ Pt, (b)-lớp phủ Pt20Ir ......... 104
Hình 3.41. Ảnh SEM cấu trúc mặt cắt ngang của các lớp phủ chế tạo bằng phun phủ
và phân bố nguyên tố từ bề mặt vào nền;................................................................ 105
(a)-lớp phủ Pt, (b)-lớp phủ Pt20Ir, (c)-lớp phủ Pt30Ir ............................................ 105

Hình 3.42. Kết quả kiểm tra thành phần pha của các lớp phủ sau ủ khuếch tán bằng
phương pháp phổ nhiễu xạ tia X (XRD); (a)-phương pháp mạ điện, (b)-phương pháp
phun phủ. ................................................................................................................. 106
Hình 3.43. Ảnh bề mặt lớp phủ của các mẫu sau 100 chu kì thử nghiệm oxi hóa
trong khơng khí tại 1150 oC. ................................................................................... 107
Hình 3.44. Tốc độ ơxy hóa của các lớp phủ chịu nhiệt sau thử nghiệm oxi hóa chu kì
tại 1150 oC. .............................................................................................................. 108
Hình 3.45. Kết quả phân tích XRD sự thay đổi thành phần pha của các lớp phủ trong
q trình thử nghiệm ơxy hóa chu kì ...................................................................... 109
Hình 3.46. So sánh tương đối cường độ đỉnh nhiễu xạ lớn nhất (116) α- Al2O3/ (311)
NiAl2O4 ................................................................................................................... 110
Hình 3.47. Ảnh SEM/BSE sự thay đổi cấu trúc tế vi mặt cắt ngang của lớp phủ chịu
nhiệt chế tạo bằng phương pháp mạ sau khi thử nghiệm oxi hóa chu kì ở 1150 oC;
(a) mạ Pt sau 10 chu kì, (b) mạ Pt sau 30 chu kì, (c) mạ Pt sau 100 chu kì, (d) mạ
Pt20Ir sau 10 chu kì, (e) mạ Pt20Ir sau 30 chu kì, (f) mạ Pt30Ir sau 100 chu kì. ... 110


xv
Hình 3.48. Ảnh SEM/BSE cấu trúc tế vi mặt cắt ngang của lớp phủ chịu nhiệt chế
tạo bằng phương pháp phun phủ sau thử nghiệm 100 chu kì ơxy hóa ở 1150oC; (a)
phun phủ Pt, (b) phun phủ Pt20Ir, (c) phun phủ Pt30Ir. ......................................... 111


xvi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Thành phần của các thế hệ siêu hợp kim nền niken hiện nay [21] ............ 17
Bảng 2.1. Thành phần hợp kim UCSX-8, % khối lượng .......................................... 46
Bảng 2.2. Kết quả đo độ nhám bề mặt các mẫu hợp kim nền UCSX-8, µm ............ 48
Bảng 2.3. Kết quả đo độ nhám bề mặt các mẫu hợp kim nền Ni-16Al-10Cr, µm ... 48
Bảng 2.4. Thành phần bể mạ Pt ................................................................................ 49

Bảng 2.5. Thông số bể mạ và điều kiện tạo lớp mạ Pt dày 8 µm ............................. 49
Bảng 2.6. Thành phần bể mạ hợp kim Pt-Ir .............................................................. 51
Bảng 2.7. Thông số bể mạ và điều kiện tạo các lớp mạ Pt-Ir dày 6 µm ................... 52
Bảng 3.1. Kết quả chế tạo lớp mạ Pt-Ir trên nền hợp kin niken ................................ 64
Bảng 3.2. Chiều dày lớp phủ theo thực tế đo trên SEM và theo tính tốn từ sự thay
đổi khối lượng và mật độ hỗn dịch khơ sau khi phu phủ, µm .................................. 85
Bảng 3.3. Kết quả chế tạo lớp mạ Pt trên nền hợp kim UCSX-8 ........................... 101
Bảng 3.4. Kết quả chế tạo lớp mạ Pt-Ir trên nền hợp kin UCSX-8 ........................ 101


1
MỞ ĐẦU
Cánh tuốc bin khí trong động cơ máy bay hay hệ thống máy phát điện ngày
nay làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao, tải trọng lớn và môi trường ăn mịn, ơxy
hóa khắc nghiệt. Hiệu suất của tuốc bin khí phụ thuộc vào nhiệt độ buồng đốt của tuốc
bin, do vậy nhu cầu nghiên cứu vật liệu có khả năng làm việc ở nhiệt độ ngày càng
cao ứng dụng cho các cánh tuốc bin khí rất được quan tâm. Một trong những phương
pháp hiệu quả để nâng cao khả năng làm việc ở nhiệt độ cao của cánh tuốc bin là chế
tạo hệ lớp phủ bền ăn mòn do ơxy hóa nhiệt độ cao, bảo vệ nền hợp kim niken, loại
vật liệu với cấu trúc đơn tinh thể được sử dụng chế tạo các cánh tuốc bin khí hiện nay.
Gần đây, lớp phủ khuếch tán nhơm biến tính bằng platin (Pt) với cấu trúc
dạng pha γ+γ’ được sử dụng rộng rãi như là lớp phủ chịu ăn mòn và ơxy hóa nhiệt độ
cao trên các cánh tuốc bin, thay thế cho các lớp phủ khuếch tán nhôm truyền thống
với cấu trúc dạng pha β-NiAl. Mặc dù Pt là nguyên tố đắt đỏ nhưng các lớp phủ biến
tính bằng Pt có thể nâng cao khả năng bảo vệ chống ăn mịn, ơxy hóa đồng thời tăng
cao tuổi thọ của hệ lớp phủ. Vì vậy Pt vẫn được lựa chọn phổ biến trong các hệ lớp
phủ của cánh tuốc bin khí.
Nhu cầu phát triển các hệ lớp phủ có giá thành rẻ hơn, khả năng làm việc ở
nhiệt độ cao hơn dẫn tới các nghiên cứu thay thế Pt bằng các nguyên tố tương tự trong
nhóm kim loại Pt (Platin Group Metals-PGMs). Trong số các kim loại thuộc nhóm

PGMs, Iridi (Ir) nổi lên là nguyên tố có nhiều ưu điểm. Với nhiệt độ nóng chảy cao
(2716 K-cao nhất trong nhóm), độ bền cao, đặc tính ổn định hóa học tốt, khả năng
làm giảm hoạt tính hóa học của các ngun tố trong nền niken tốt hơn Pt và đặc biệt
là Ir rẻ hơn Pt, các lớp phủ khuếch tán nhôm biến tính bằng Ir được kỳ vọng sẽ nâng
cao khả năng làm việc ở nhiệt độ cao đồng thời hạ giá thành của lớp phủ.
Trước tình hình đó, NCS đã lựa chọn đề tài nghiên cứu của luận án là: “Nghiên
cứu chế tạo và đặc tính chống oxy hóa của lớp phủ bền nhiệt độ cao trên nền hợp kim
niken ứng dụng cho tuốc bin khí”


2
Trong luận án này, NCS đã thực hiện chế tạo các lớp phủ khuếch tán nhơm
biến tính bằng Pt và Pt-Ir với các hàm lượng Ir khác nhau. Các thử nghiệm, tính tốn
tốc độ ơxy hóa chu kỳ nhiệt độ cao và các phân tích sự thay đổi cấu trúc vật liệu, thành
phần pha của lớp phủ được thực hiện nhằm đánh giá khả năng bền nhiệt của lớp phủ
và triển vọng thay thế Pt bằng Ir trong lớp phủ với hàm lượng nhất định.
Cũng trong luận án này, ngoài phương pháp chế tạo lớp phủ bằng phương
pháp mạ điện truyền thống tạo lớp màng Pt, Pt-Ir trên bề mặt hợp kim nền niken và
kết hợp với quá trình xử lý nhiệt khuếch tán, một phương pháp mới cũng được thử
nghiệm. Đó là phương pháp tạo lớp phủ bằng phun bột nhão (slurry). Phương pháp
này có thể khắc phục được một số nhược điểm gây nứt vỡ lớp phủ Pt-Ir của phương
pháp mạ điện truyền thống, đồng thời có thể tạo lớp phủ trên mẫu lớn có hình dạng
phức tạp và chi phí phủ thấp hơn.
Mục tiêu của luận án:
1. Chế tạo các lớp phủ khuếch tán chịu ơxy hóa nhiệt độ cao Pt và Pt-Ir trên nền hợp
kim niken bằng hai phương pháp:
 Mạ điện kết hợp xử lý nhiệt khuếch tán
 Phun phủ bột nhão kết hợp xử lý nhiệt khuếch tán
2. Đánh giá khả năng sử dụng Ir thay thế một phần Pt trong lớp phủ khuếch tán.
3. Đánh giá khả năng áp dụng phương pháp phun phủ bột nhão để chế tạo lớp phủ

khuếch tán Pt-Ir.
Nội dung nghiên cứu:
1. Nghiên cứu chế tạo lớp phủ khuếch tán bằng phương pháp mạ điện kết hợp xử
lý nhiệt khuếch tán.
2. Nghiên cứu chế tạo lớp phủ khuếch tán bằng phương pháp phun phủ bột nhão
(slurry) kết hợp xử lý nhiệt khuếch tán.


3
3. Nghiên cứu đặc tính về cấu trúc và khả năng chịu ơxy hóa chu kỳ ở nhiệt độ cao
của các lớp phủ đã chế tạo. Đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng Ir trong lớp phủ
và phương pháp chế tạo đến tính chất của các lớp phủ.
Đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu là các lớp phủ khuếch tán nhơm biến tính bằng Pt và
Pt-xIr (với x = 20; 30; 50 wt%) trên nền hợp kim niken (Ni-16Al-10Cr và UCSX-8)
được chế tạo bằng phương pháp mạ điện và phun phủ bột nhão kết hợp với xử lý nhiệt
khuếch tán.
Phương pháp nghiên cứu: Luận án được thực hiện bằng phương pháp thực
nghiệm. Các lớp phủ được chế tạo bằng phương pháp mạ điện và phun phủ bột nhão
kết hợp với xử lý nhiệt khuếch tán. Khả năng chịu ơxy hóa nhiệt độ cao được đánh
giá qua thử nghiệm ơxy hóa chu kỳ ở 1150 oC. Các đặc điểm về sự chuyển biến và
hình thành pha trên bề mặt lớp phủ được xác định bằng phương pháp phân tích nhiễu
xạ tia X (XRD). Hình thái học bề mặt lớp phủ và cấu trúc mặt cắt ngang lớp phủ được
nghiên cứu trên hiển vi điện tử quét (SEM). Sự khuếch tán nguyên tố, phân bố nguyên
tố trong mặt cắt ngang lớp phủ được xác định bằng phương pháp quét đường phổ tán
xạ năng lượng EDS.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Ý nghĩa khoa học:
- Xác định được các thơng số quy trình chế tạo lớp phủ khuếch tán Pt và Pt-Ir
bằng phương pháp mạ điện và phun phủ bột nhão kết hợp với xử lý nhiệt

khuếch tán trên nền hợp kim Ni.
- Đánh giá được quá trình khuếch tán các nguyên tố và hiện tượng tạo pha của
các hệ hợp kim Pt /Pt-Ir đối với nền hợp kim niken trong quá trình xử lý nhiệt
ở nhiệt độ cao.
- Xác định tốc độ ơxy hóa và độ bền ơxy hóa nhiệt độ cao của các hệ lớp phủ
khuếch tán nhơm biến tính bằng Pt và Pt-Ir trên nền hợp kim niken.
Ý nghĩa thực tiễn:


4
- Mở ra khả năng sử dụng Ir thay thế một phần Pt trong lớp phủ khuếch tán
nhôm ứng dụng để chế tạo lớp phủ chịu ơxy hóa nhiệt độ cao của các cánh
tuốc bin khí, nhằm nâng cao chất lượng và giảm giá thành của lớp phủ.
- Xây dựng được phương pháp chế tạo lớp phủ khuếch tán nhôm biến tính bằng
Pt-Ir mới thay thế cho phương pháp mạ điện truyền thống kết hợp với xử lý
nhiệt và mở ra khả năng áp dụng vào thực tiễn chế tạo các lớp phủ chịu nhiệt
độ cao trên cánh tuốc bin khí.
Cấu trúc của luận án:
Phần mở đầu giới thiệu lý do chọn đề tài, mục đích, đối tượng, phương
pháp, phạm vi nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án.
Chương 1: Phần tổng quan trình bày những vấn đề chính:
1. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động tuốc bin khí và vật liệu sử dụng trong tuốc bin
khí
2. Giới thiệu các loại lớp phủ chịu nhiệt độ cao trên cánh tuốc bin khí.
3. Các phương pháp chế tạo lớp phủ khuếch tán trên cánh tuốc bin khí
4. Lý do lựa chọn Ir trong hệ lớp phủ khuếch tán
Chương 2 trình bày các vấn đề:
1. Phương pháp và thiết bị chế tạo lớp phủ khuếch tán nhôm biến tính bằng Pt và
Pt-Ir bằng phương pháp mạ điện và phương pháp phun phủ bột nhão kết hợp xử
lý nhiệt khuếch tán.

2. Các phương pháp và thiết bị nghiên cứu đặc tính ơxy hóa nhiệt độ cao của lớp
phủ.
Chương 3 trình bày các kết quả nghiên cứu và thảo luận đối với các lớp phủ
khuếch tán Pt và Pt-Ir trên nền hợp kim ba nguyên Ni-16Al-10Cr và nền hợp kim đơn
tinh thể thương mại thế hệ thứ tư UCSX-8.
Phần kết luận tóm tắt các kết quả chính của luận án
Các kết quả chủ yếu của luận án đã được công bố ở 5 bài báo đã đăng.


5
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 mơi trường, đóng góp một phần khơng
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 mơi
trường ăn mịn, ơxy 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 nhơm 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 nhơm biến tính bằng Pt và Pt-Ir ứng dụng cho lớp phủ chịu nhiệt độ cao
trên cánh tuốc bin khí.


6
1.1. Tuốc bin khí và vật liệu sử dụng trong tuốc bin khí
1.1.1. Cấu tạo và điều kiện làm việc của tuốc bin khí
1.1.1.1. Cấu tạo của tuốc bin khí và mơi trường nhiệt độ cao trong tuốc bin khí

Buồng nén

Trục

Buồng đốt

Ống xả

Cánh tuốc bin

Hình 1.1. 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 1.1[1]. Tuốc bin khí hoạt động dựa trên ngun lý: khơng 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 khơng 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, cịn 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. Hình 1.2 mơ 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


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

Nhiệt độ/oC Áp suất/atm

Cánh quạt

Hình 1.2. Cấu tạo và điều kiện mơi 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 1.3). 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