Nghiên cứu công nghệ phun phủ nhiệt khí để tạo bề mặt có độ chịu mòn và bám dính cao

Chia sẻ: Nguyen Lan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:111

Thêm vào BST

Báo xấu

103
lượt xem 35
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phun phủ kim loại đã được một kỹ sư người Thụy Sỹ tên là Max Ulrich Schoop phát minh ra từ những năm đầu của thế kỷ 20. Nguyên lý của phương pháp công nghệ này là dùng nguồn nhiệt (hồ quang, khí cháy, plasma) làm nóng chảy kim loạ

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu công nghệ phun phủ nhiệt khí để tạo bề mặt có độ chịu mòn và bám dính cao

bé c«ng nghiÖp viÖn nghiªn cøu c¬ khÝ b¸o c¸o tæng kÕt ®Ò tµi KHCN cÊp nhµ n−íc m∙ sè kc 05.10 nghiªn cøu øng dông c«ng nghÖ phun phñ nhiÖt khÝ ®Ó t¹o bÒ mÆt cã ®é chÞu mµi mßn vµ b¸m dÝnh cao phôc håi c¸c chi tiÕt m¸y cã chÕ ®é lµm viÖc kh¾c nghiÖt chñ nhiÖm ®Ò tµi: KS u«ng sü ¸p 5848 31/5/2006 hµ néi – 2006
bµi tãm t¾t Môc ®Ých cña ®Ò tµi lµ nghiªn cøu øng dông nh÷ng thµnh tùu tiªn tiÕn nhÊt trªn thÕ giíi vÒ c«ng nghÖ phun nhiÖt, ®Ó x¸c lËp quy tr×nh c«ng nghÖ t¹o líp bÒ mÆt cã ®é b¸m dÝnh, ®é chÞu mµi mßn vµ chÞu nhiÖt ®é cao nh»m phôc håi c¸c chi tiÕt lµm viÖc trong ®iÒu kiÖn kh¾c nghiÖt, ®Æc biÖt lµ c¸c chi tiÕt tuabin khÝ. Ph-¬ng ph¸p nghiªn cøu: kÕt hîp lý thuyÕt vµ thùc nghiÖm. §èi t-îng nghiªn cøu lµ c«ng nghÖ phun plasma ¸p dông vµo viÖc phôc håi c¸c chi tiÕt tuabin khÝ bÞ h- háng d-íi d¹ng bong trãc líp phñ, ®iÓn h×nh lµ c¸nh tuabin, èng vßi voi .v.v... B¶n b¸o c¸o gåm 6 ch-¬ng, 39 h×nh vÏ, 21 b¶ng biÓu vµ 4 phô lôc vµ mét phô biÓu kÌm theo. Trªn c¬ së nghiªn cøu tæng quan c¸c thµnh tùu khoa häc c«ng nghÖ phun trªn thÕ giíi ( th«ng qua c¸c tµi liÖu s¸ch b¸o, t¹p chÝ, patents ) vµ kh¶o s¸t t×nh h×nh thùc tÕ ë nhiÒu nhµ m¸y nhiÖt ®iÖn phÝa Nam, nhãm ®Ò tµi ®· x¸c ®Þnh nhiÖm vô chÝnh cña c«ng t¸c nghiªn cøu lµ x¸c ®Þnh chÕ ®é phun tèi -u trªn m¸y phun hå quang plasma ®Ó phôc håi thÝ ®iÓm 2  5 chi tiÕt ( cïng lo¹i ) ®¶m b¶o c¸c tÝnh chÊt cña líp phñ lµm viÖc trong ®iÒu kiÖn kh¾c nghiÖt cña tuabin khÝ. Lý thuyÕt vÒ qu¸ tr×nh t¹o h¹t vµ h×nh thµnh líp phñ, ph-¬ng ph¸p tÝnh to¸n c¸c th«ng sè kü thuËt phun, c¸c tÝnh chÊt c¬, lý, ho¸ cña líp phun, sù chän vËt liÖu phun cña c¸c líp ( trung gian, phñ ), c«ng nghÖ chuÈn bÞ bÒ mÆt, kü thuËt phun ... ®· ®-îc nghiªn cøu lµm c¬ së cho c«ng t¸c thùc nghiÖm. Ba ®ît thÝ nghiÖm ®· ®-îc tiÕn hµnh ®Ó x¸c ®Þnh chÕ ®é phun tèi -u. Mçi ®ît gåm 5  7 l«, mçi l« 6 mÉu tiªu chuÈn. C¸c chØ tiªu ®Ó ®¸nh gi¸ lµ ®é b¸m dÝnh, ®é cøng vµ ®é xèp líp trung gian. Trªn c¬ së c¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu lý thuyÕt vµ thÝ nghiÖm, c«ng nghÖ phôc håi èng vßi voi ®· ®ù¬c x¸c lËp, vµ 02 èng vßi voi ®· ®-îc phôc håi thÝ ®iÓm cã kÕt qu¶ kh¶ quan. KÕt luËn: 1. §Ò tµi ®· ®i ®óng h-íng, chän ®-îc ph-¬ng ph¸p phun hîp lý vµ ®èi t-îng nghiªn cøu - c¸c chi tiÕt cÇn phôc håi, võa mang tÝnh bøc xóc, yªu cÇu kü thuËt cao võa phï hîp víi xu thÕ nghiªn cøu ph¸t triÓn hiÖn nay cña c¸c n-íc tiªn tiÕn trªn thÕ giíi. 2. Qu¸ tr×nh nghiªn cøu ®· kÕt hîp chÆt chÏ víi c¸c c¬ së s¶n xuÊt, tham quan c¸c c«ng nghÖ vµ thµnh tùu khoa häc míi cña n-íc ngoµi, thu thËp ®-îc nhiÒu tµi liÖu khoa häc kü thuËt quý gi¸ liªn quan ®Õn ®Ò tµi, kÓ c¶ nh÷ng vËt liÖu cÇn thiÕt cho c«ng 3
t¸c thÝ nghiÖm. Sù tæng hîp ®Çy ®ñ c¸c tµi liÖu, c¸c patents, lý thuyÕt c¸c qu¸ tr×nh phun gióp ®-a ra ®-îc kÕ ho¹ch thÝ nghiÖm bµi b¶n, do ®ã c¸c kÕt qu¶ thÝ nghiÖm lµ tin cËy. 3. Tuy cã chËm so víi tiÕn ®é ®Ò ra, nh-ng ®Ò tµi ®· thùc hiÖn ®Çy ®ñ vµ kÕt qu¶ c¸c nhiÖm vô quy ®Þnh. C¸c s¶n phÈm thu ®-îc cña ®Ò tµi bao gåm hai quy tr×nh c«ng nghÖ, c¸c thiÕt bÞ ®å g¸ vµ hai s¶n phÈm phôc håi ®· ®-îc nghiÖm thu vµ ®¸nh gi¸ ®¹t yªu cÇu. C¸c chØ tiªu c¬ b¶n cña líp phun trªn bÒ mÆt chi tiÕt phôc håi ( èng vßi voi ) nh- sau: - §é b¸m dÝnh víi kim lo¹i nÒn 378 kG/ cm2 - §é xèp Líp trung gian2% - §é cøng líp phñ RC15N 75 S¶n phÈm sÏ ®-îc l¾p ®Æt thö nghiÖm trong thêi gian tíi. 4. Qu¸ tr×nh c«ng nghÖ phun phôc håi èng vßi voi ®-îc tiÕn hµnh theo ba c«ng ®o¹n: ChuÈn bÞ, phun phñ vµ kiÓm tra. C«ng ®o¹n chuÈn bÞ bao gåm viÖc lµm s¹ch chi tiÕt b»ng ph-¬ng ph¸p c¬ häc, kiÓm tra vµ xö lý nÒn, tÈy röa ho¸ häc, t¹o nh¸m bÒ mÆt b»ng ph-¬ng ph¸p phun bét oxit nh«m cì h¹t G24. C«ng ®o¹n phun phñ ®-îc thùc hiÖn trªn m¸y phun plasma SG 100 vµ c¸c ®å g¸ tÜnh vµ ®éng, chÕ ®é phun nh- sau: a. Phun líp trung gian ( líp liªn kÕt ) víi bét Ni-164-2: + §iÖn ¸p phun, Up ………….. …………....40 V + C-êng ®é dßng ®iÖn, Ip ……………...800A + VËn tèc di chuyÓn sóng phun, Vp …..10mm/ gi©y + Kho¶ng c¸ch phun, lp........................76 ÷ 102 mm + N¨ng suÊt cÊp bét, mb........................23 ÷ 30 g/ ph + ¸p suÊt khÝ argon, Par...........................50 Psi + ¸p suÊt khÝ heli, PHe………………...110 Psi + ¸p suÊt khÝ argon ( khÝ t¶i bét ), PAr…..30 ÷ 35 Psi + Gãc phun, ®é …………………....75 ÷ 900 + NhiÖt ®é ®èt nãng s¬ bé, 0C……….…120 ÷ 1600C b. Phun líp phñ víi bét ZRO -182: + §iÖn ¸p phun, UP..................................40V 4
+ C-êng ®é dßng ®iÖn, IP ………………450A + VËn tèc di chuyÓn sóng phun, VP…….10 mm/ gi©y + Kho¶ng c¸ch phun, lP………………...76 ÷ 102 mm + N¨ng suÊt cÊp bét, mb………………..38 ÷ 53 g/ phót + ¸p suÊt khÝ argon, PAr………………..40 Psi + ¸p suÊt khÝ hydro, PH2……………....10/ 15 Psi + ¸p suÊt khÝ argon( khÝ t¶i bét ), PAr…..30/ 35 Psi + Gãc phun, ®é…………………………75 ÷ 90 + NhiÖt ®é ®èt nãng s¬ bé, 0C……….…120 ÷ 1600C C«ng ®o¹n kiÓm tra ®-îc tiÕn hµnh trong c¶ qu¸ tr×nh phôc håi bao gåm kiÓm tra chÊt l-îng bÒ mÆt tr-íc, trong vµ sau khi phun, kiÓm tra chiÒu dµy líp phun. 5. C¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu tuy míi dõng l¹i trong ph¹m vi phßng thÝ nghiÖm nh-ng qua kiÓm tra chÊt l-îng cña c¸c c¬ quan khoa häc ( ViÖn C«ng NghÖ Bé C«ng nghiÖp, Trung t©m kü thuËt 1- Tæng côc Tiªu chuÈn §o l-êng ChÊt l-îng, Tr-êng §¹i häc B¸ch Khoa Hµ néi), líp phun chÞu nhiÖt cã thÓ ®¸p øng ®-îc c¸c yªu cÇu lµm viÖc cña c¸c chi tiÕt tuabin khÝ ( èng vßi voi, ®Õ c¸nh vµ c¸nh tÜnh vv….). Sù phôc håi c¸c chi tiÕt nãi trªn sÏ mang l¹i hiÖu qu¶ kinh tÕ to lín vµ chñ ®éng trong s¶n xuÊt cña c¸c nhµ m¸y nhiÖt ®iÖn hiÖn ®ang sö dông c¸c lo¹i m¸y nµy. 6. LÇn ®Çu tiªn ë ViÖt Nam mét c«ng nghÖ míi, hiÖn ®¹i ®· ®-îc tiÕn hµnh nghiªn cøu, ®ã lµ c«ng nghÖ phun phñ nhiÖt hå quang plasma víi thiÕt bÞ hiÖn ®¹i vµ vËt liÖu míi. Nã ®· gióp n©ng cao tr×nh ®é hiÓu biÕt khoa häc kü thuËt vµ ph-¬ng ph¸p nghiªn cøu khoa häc kü thuËt cho nhiÒu c¸n bé, ®Æc biÖt c¸n bé trÎ. 7. Trong qóa tr×nh héi nhËp khu vùc vµ thÕ giíi, xu thÕ ®-a khoa häc c«ng nghÖ vµo ®êi sèng x· héi ®ang ®-îc ph¸t triÓn m¹nh mÏ, nhiÒu ®¬n vÞ nghiªn cøu, s¶n xuÊt trong lÜnh vùc c¬ khÝ chÕ t¹o m¸y vµ tù ®éng ho¸ ®Æc biÖt lµ mét sè trung t©m söa ch÷a cña tæng C«ng ty §iÖn lùc ViÖt Nam, Tæng côc hµng kh«ng - Bé Quèc phßng v.v… ®ang ®Èy m¹nh viÖc t¨ng c-êng trang thiÕt bÞ phun phñ hiÖn ®¹i tiÕp cËn vµ nhËp khÈu c«ng nghÖ tiªn tiÕn, th× kÕt qu¶ nghiªn cøu ®Ò tµi vµ 2 quy tr×nh c«ng nghÖ ®· x¸c lËp sÏ gãp phÇn tÝch cùc víi tÝnh thùc tiÔn cao ®Èy nhanh lé tr×nh øng dông c«ng nghÖ phun phñ nhiÖt phôc håi c¸c chi tiÕt m¸y cã chÕ ®é lµm viÖc kh¾c nghiÖt t¹o nªn b-íc ph¸t triÓn míi trong lÜnh vùc øng dông c«ng nghÖ tiªn tiÕn nãi riªng vµ trong ngµnh c¬ khÝ chÕ t¹o m¸y nãi chung. 5
Môc lôc Trang Bµi tãm t¾t 3 B¶ng chó gi¶i 7 Lêi më ®Çu 8 Ch-¬ng 1 Tæng quan 9 1.1. T×nh tr¹ng h- háng cña tuabin nhiÖt qua kh¶o s¸t 9 1.2. T×nh h×nh nghiªn cøu ngoµi n-íc 12 1.3. C¸c ®éc quyÒn s¸ng chÕ ( patents) 17 1.4. T×nh h×nh nghiªn cøu trong n-íc 21 1.5. VÒ c¸c líp phun chÞu nhiÖt ®é cao 23 Ch-¬ng 2 Chän ph-¬ng ph¸p vµ ®èi t-îng nghiªn cøu 28 2.1. Chän ph-¬ng ph¸p phun ®Ó nghiªn cøu 28 2.2. NhiÖm vô nghiªn cøu cña ®Ò tµi 32 Ch-¬ng 3 lý thuyÕt vÒ c¸c qu¸ tr×nh phun phñ nhiÖt 33 3.1. Kh¸i niÖm chung 33 3.2. C¬ chÕ h×nh thµnh líp phun 35 3.3. C¸c tÝnh chÊt cña líp phñ 38 3.4. Ph-¬ng ph¸p thö c¸c tÝnh chÊt líp phun 48 Ch-¬ng 4 thÝ nghiÖm phun phñ nhiÖt 52 4.1. Quy ho¹ch thÝ nghiÖm 52 4.2. Nh÷ng hiÓu biÕt vÒ èng vßi voi 52 4.3. C¸c líp phñ chÞu nhiÖt trªn èng vßi voi 53 4.4. LËp quy tr×nh thÝ nghiÖm 55 4.5. M« t¶ thÝ nghiÖm 58 4.6. KÕt qu¶ thÝ nghiÖm 61 4.7. Phôc håi thö nghiÖm èng vßi voi 78 4.8. Ph©n tÝch vµ ®¸nh gi¸ kÕt qu¶ thÝ nghiÖm 87 Ch-¬ng 5 x¸c lËp Quy tr×nh c«ng nghÖ phôc håi c¸c chi tiÕt M¸y cã chÕ ®é lµm viÖc kh¾c nghiÖt b»ng C«ng nghÖ phun phñ nhiÖt 91 5.1. Ph©n tÝch lùa chän kÕt qu¶ thÝ nghiÖm 91 5.2. Quy tr×nh c«ng nghÖ phun phñ phôc håi c¸c chi tiÕt m¸ycã chÕ lµm viÖc kh¾c nghiÖt 91 5.3. Quy tr×nh c«ng nghÖ phun plasma phôc håi èng vßi voi 94 Ch-¬ng 6 tæng qu¸t ho¸ vµ ®¸nh gi¸ kÕt qu¶ thu ®-îc 101 KÕt luËn vµ kiÕn nghÞ 106 Lêi c¶m ¬n 109 Tµi liÖu tham kh¶o 110 6
B¶ng chó gi¶i TBK - Tuabin khÝ PPN - Phun phñ nhiÖt m - Khèi l-îng cña phÇn tö phun (4-1) v - Tèc ®é cña phÇn tö khi va ®Ëp ( 4-2 ) C - Tû nhiÖt ( 4-2 ) t1 - NhiÖt ®é cña phÇn tö khi va ®Ëp ( 4-2 ) t2 - NhiÖt ®é ch¶y cña phÇn tö ( 4-2 ) S - Èn nhiÖt ( 4-2 ) t - HÖ sè d·n në nhiÖt cña kim lo¹i phñ ( 4-13 ) E - Modun ®µn håi ( 4-13 ) Up - §iÖn ¸p phun IP - C-êng ®é dßng ®iÖn phun VP - Tèc ®é di chuyÓn sóng phun lP - Kho¶ng c¸ch phun mb - N¨ng suÊt cÊp bét PAr - ¸p suÊt khÝ argon PHe - ¸p suÊt khÝ heli PH2 - ¸p suÊt khÝ hydro PArb - ¸p suÊt khÝ argon t¶i bét bd - §é b¸m dÝnh líp phñ 7
Lêi më ®Çu Nh÷ng kÕt qu¶ nghiªn cøu vÒ phun phñ b»ng hå quang vµ khÝ ®èt trong mÊy thËp niªn cuèi cña thÕ kû tr-íc, mét vµi c¬ së nghiªn cøu vµ s¶n xuÊt ( nh- ViÖn Khoa häc C«ng nghÖ GTVT, ViÖn nghiªn cøu C¬ khÝ, Nhµ m¸y C¬ khÝ CÈm Ph¶ ...) chØ ®-îc øng dông ®Ó phôc håi mét sè chi tiÕt m¸y mµi mßn lµm viÖc trong ®iÒu kiÖn ®-îc b«i tr¬n vµ va ®Ëp nh- trôc cam, trôc khuûu, trôc b¬m thuû lîi.... Nh÷ng kÕt qu¶ nµy còng ®-îc øng dông ®Ó b¶o vÖ c¸c chi tiÕt lµm viÖc trong m«i tr-êng x©m thùc cña n-íc mÆn ( nh- giµn khoan ) vµ n-íc lî ( nh- c¸nh cöa ®Ëp n-íc ).v.v... . Nh÷ng chi tiÕt lµm viÖc trong ®iÒu kiÖn kh¾c nghiÖt ph¶i cã bÒ mÆt ®-îc b¶o vÖ bëi mét líp phun phñ cã ®é b¸m cao, ®é bÒn mßn cao. Nh÷ng ph-¬ng ph¸p phun truyÒn thèng ( phun hå quang 2 d©y, phun trong ngän löa oxy - acetylen ) kh«ng thÓ t¹o ®-îc líp phun cã c¸c tÝnh chÊt ®Æc biÖt nh- vËy. Ph¶i cã mét ph-¬ng ph¸p phun phñ “ ®Æc biÖt ” ®Ó t¹o ®-îc líp phun cã c¸c tÝnh chÊt “ ®Æc biÖt ”. §Ò tµi KC.05.10 ®-îc tiÕn hµnh nghiªn cøu nh»m môc ®Ých nµy. §Ó ®¹t ®-îc môc ®Ých nªu trªn nhiÖm vô cña §Ò tµi ®-îc kh¸i qu¸t nh- sau: 1. Nghiªn cøu tæng quan ®Ó n¾m ®-îc nhu cÇu thùc tÕ cña ViÖt Nam, chän ®èi t-îng nghiªn cøu vµ ph-¬ng ph¸p nghiªn cøu ( ph-¬ng ph¸p phun phñ ). 2. Nghiªn cøu lý thuyÕt qu¸ tr×nh phun phñ ®-îc lùa chän nh»m x¸c lËp s¬ bé quy tr×nh c«ng nghÖ phun phñ. 3. ThÝ nghiÖm chän chÕ ®é phun phñ vµ thÝ nghiÖm x¸c ®Þnh c¸c tÝnh chÊt cña líp phun trªn, ®ã lµ c¬ së chuÈn x¸c c«ng nghÖ phun phñ phôc håi chi tiÕt lµm viÖc trong ®iÒu kiÖn kh¾c nghiÖt. 4. Phun phôc håi thö nghiÖm 1- 2 chi tiÕt nh»m øng dông c¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu. 8
Ch-¬ng 1 Tæng quan 1.1. T×nh tr¹ng h- háng cña tuabin nhiÖt qua kh¶o s¸t 1.1.1. C«ng viÖc kh¶o s¸t thùc tÕ ®· ®-îc tiÕn hµnh t¹i 4 nhµ m¸y nhiÖt ®iÖn (phô lôc 1). KÕt qu¶ kh¶o s¸t tuabin GT13E2 cho thÊy: C¸nh ®éng tÇng 1 ( H×nh 1-1) - Toµn bé c¸c c¸nh ®éng tÇng 1 bÞ nøt, r¹n t¹i phÇn th©n vµ ®u«i c¸nh, n¬i ¸p lùc dßng m«i chÊt t¸c dông vµo lín nhÊt. - T¹i c¸c lç dÉn khÝ lµm m¸t, trªn toµn bé c¸nh ®éng tÇng 1 bÞ nøt r¹n. - HÇu hÕt c¸c c¸nh ®éng tÇng 1 cã hiÖn t-îng bÞ qu¸ nhiÖt ( biÕn mÇu ). - Toµn bé c¸c c¸nh ®éng tÇng 1 bÞ bong trãc líp phñ chÞu nhiÖt ( 60% 80%). C¸nh tÜnh tÇng 1 ( h×nh 1-2 ) - Toµn bé 63 c¸nh ®Òu cã hiÖn t-îng bÞ qu¸ nhiÖt trªn vïng th©n c¸nh víi kÝch th-íc 35 x 100 mm. - Cã 58 c¸nh bÞ bong trãc líp phñ víi kÝch th-íc tõ 5 x ( 30  50 ) mm. C¸nh ®éng tÇng 2 - Cã hiÖn t-îng qu¸ nhiÖt t¹i vïng ®u«i c¸nh víi kÝch th-íc 20 x 40 mm, t¹i vïng ch©n c¸nh kho¶ng 30 x 50 mm. - Bong trãc líp phñ t¹i th©n c¸nh. C¸nh tÜnh tÇng 2 - HiÖn t-îng bÞ ¨n mßn hãa häc vµ qu¸ nhiÖt t¹i ®Ønh c¸nh ( 1015 mm ). - C¸nh sè 16 bÞ trãc líp phñ ( 50 mm ) t¹i th©n c¸nh. - C¸nh sè 27 bÞ bong trãc líp phñ t¹i th©n c¸nh ( kho¶ng 4 mm ). - C¸nh sè 25 bÞ qu¸ nhiÖt t¹i vïng ®Ønh c¸nh. - C¸nh sè 24 bÞ qu¸ nhiÖt t¹i ®u«i c¸nh. C¸nh ®éng tÇng 3 - BÞ qóa nhiÖt t¹i vïng ®Ønh c¸nh. - Bong trãc líp phñ t¹i vïng th©n c¸nh ( kho¶ng 50% ). C¸nh tÜnh tÇng 3 - Toµn bé 63 c¸nh tÜnh tÇng 3 bÞ qu¸ nhiÖt vµ t¹i ®u«i c¸nh bÞ bong trãc líp phñ. - Toµn bé phÇn ®Ønh c¸nh còng bÞ bong trãc líp phñ vµ qu¸ nhiÖt. 9
- T¹i phÇn th©n c¸nh bÞ nøt tÕ vi vµ bong trãc líp phñ ( kho¶ng 40% ®Õn 60%) trªn bÒ mÆt. C¸nh ®éng tÇng 4 - T¹i bÒ mÆt chÞu t¸c ®éng trùc tiÕp cña ¸p lùc dßng m«i chÊt bÞ qu¸ nhiÖt. - Toµn bé c¸c bÒ mÆt bÞ bong trãc líp phñ ( kho¶ng 50% ). - Cã hiÖn t-îng bÞ ¨n mßn hãa häc t¹i ®u«i c¸nh. C¸nh tÜnh tÇng 4 - Toµn bé 63 c¸nh bÞ bong trãc líp phñ t¹i bÒ mÆt chÞu t¸c ®éng trùc tiÕp cña ¸p lùc dßng m«i chÊt víi kÝch th-íc 200 x 20 mm. - T¹i ®Ønh c¸nh bÞ bong trãc líp phñ vµ ¨n mßn hãa häc ( kho¶ng 40 ®Õn 60 mm ). - T¹i phÇn ®u«i c¸nh, n¬i chÞu t¸c ®éng cña ¸p lùc dßng m«i chÊt bÞ mßn líp phñ ( kho¶ng 50 mm2 ). C¸nh ®éng tÇng 5 - T¹i vïng th©n c¸nh vµ ®u«i c¸nh bÞ bong trãc líp phñ. - T¹i vïng ®Ønh c¸nh bÞ ¨n mßn hãa häc trªn suèt chiÒu réng phÇn ®Ønh. C¸nh tÜnh tÇng 5 - C¸c c¸nh sè 43, 60, 61 bÞ ¨n mßn hãa häc ( kho¶ng 8 x 4 mm ). - Toµn bé 63 c¸nh bÞ bong trãc líp phñ t¹i vïng th©n c¸nh vµ nöa trªn phÇn ®u«i c¸nh. - Toµn bé c¸nh bÞ b¸m bÈn. C¸c èng vßi voi ( transition pieces ) C¸c èng vßi voi cã nhiÖm vô dÉn luång khÝ nãng vµo trong buång tuabin, chÞu t¸c dông rÊt lín cña nguån nhiÖt khÝ ®èt. Sau mét thêi gian lµm viÖc cã hiÖn t-îng bong trãc líp phñ chÞu nhiÖt vµ nøt thµnh èng. 10
H×nh 1.1: C¸nh ®éng tuabin khÝ bÞ h- háng H×nh 1-2: C¸nh tÜnh tuabin khÝ bÞ bong trãc líp phñ 11
1.1.2. C«ng viÖc kh¶o s¸t còng ®· tiÕn hµnh ®èi víi c¸c tæ m¸y tuabin khÝ F5, F6, GT3, GT4, GT21, GT22 t¹i c¸c nhµ m¸y nhiÖt ®iÖn Phó Mü, CÇn Th¬, Thñ §øc, Bµ RÞa. T×nh tr¹ng h- háng cña c¸c chi tiÕt m¸y nÐn vµ tuabin khÝ còng t-¬ng tù nh- tæ m¸y GT13E2 ( Phó Mü ). 1.1.3. HÇu hÕt c¸c tæ m¸y tuabin khÝ sau 24000h c«ng t¸c ph¶i söa ch÷a ®¹i tu, nh»m ®¶m b¶o sù ho¹t ®éng cña c¸c tÇng c¸nh ( ®éng vµ tÜnh ) ®¹t 48000h. Trong c¸c kú söa ch÷a nh÷ng c¸nh tuabin vµ c¸c chi tiÕt kh¸c bÞ h- háng ®-îc thay míi hoÆc phôc håi. C¸c chi tiÕt phôc håi ®-îc thùc hiÖn ë n-íc ngoµi ( Thuþ Sü, Singapo....). Thêi gian phôc håi ( phun phñ ) tõ khi th¸o ®Õn khi l¾p ®Æt sau phôc håi mÊt Ýt nhÊt 15 tuÇn. Ngoµi ra, nhµ chÕ t¹o cã toµn quyÒn quyÕt ®Þnh viÖc phôc håi c¸c chi tiÕt sau khi nhËn ®-îc. Chi phÝ cho mçi kú ®¹i tu m¸y lµ rÊt lín. Vµi vÝ dô: - Tæng chi phÝ ®¹i tu m¸y GT21 lµ trªn 72.629.000.000 ®ång. - Tæng chi phÝ ®¹i tu m¸y GT22 lµ trªn 47.996.000.000 ®ång. Trong ®ã chi phÝ cho viÖc thuª phôc håi ë n-íc ngoµi chiÕm tØ lÖ ®¸ng kÓ. 1.1.4. Qua c«ng t¸c kh¶o s¸t ®iÒu kiÖn lµm viÖc vµ t×nh tr¹ng thiÕt bÞ tuabin khÝ t¹i c¸c nhµ m¸y nhiÖt ®iÖn phÝa Nam, nhãm thùc hiÖn ®Ò tµi ®· rót ra mét sè nhËn xÐt chung nh- sau: - HÇu hÕt c¸c nhµ m¸y nhiÖt ®iÖn sö dông thiÕt bÞ tuabin khÝ, sau mét chu kú vËn hµnh, nhu cÇu vÒ c«ng t¸c ®¹i tu, phôc håi c¸c chi tiÕt tuabin lµ rÊt lín. ®iÓn h×nh lµ c¸c chi tiÕt nh-: èng löa, c¸nh tuabin ( ®éng vµ tÜnh ), èng vßi voi .v.v... C¸c chi tiÕt nµy hiÖn nay ®Òu ph¶i thuª c¸c c«ng ty vµ tËp ®oµn lín, chuyªn s¶n xuÊt cung cÊp thiÕt bÞ tuabin khÝ víi gi¸ thµnh rÊt cao, v× ®©y lµ c¸c tËp ®oµn ®éc quyÒn do ®ã kh«ng tr¸nh khái t×nh tr¹ng bÞ Ðp gi¸ vµ chÞu nhiÒu thiÖt thßi do nh÷ng yªu s¸ch tõ phÝa ®èi t¸c ®Æt ra. - §èi víi c¸c chi tiÕt phôc håi l¹i líp phñ chÞu nhiÖt nh-: èng dÉn löa, èng vßi voi, c¸nh tuabin cã thÓ nghiªn cøu, øng dông quy tr×nh c«ng nghÖ phun phñ nhiÖt khÝ ®Ó phôc håi l¹i líp phñ chÞu nhiÖt t¹i ViÖt Nam mµ kh«ng cÇn ph¶i thuª c¸c ®èi t¸c ®éc quyÒn n-íc ngoµi, võa tèn kÐm ngo¹i tÖ, võa khã chñ ®éng trong s¶n xuÊt. 1.2. T×nh h×nh nghiªn cøu ngoµi n-íc Phun phñ kim lo¹i lµ lÜnh vùc c«ng nghÖ cßn míi mÎ so víi c¸c ph-¬ng ph¸p c«ng nghÖ kh¸c nh- m¹, hµn ,v.v… MÆc dï nã ®-îc ph¸t minh ra tõ n¨m 1919 do mét 12
kü s- ng-êi Thôy SÜ ( M.Shoop ) nh-ng m·i ®Õn n¨m 1923 ph-¬ng ph¸p c«ng nghÖ nµy míi ®-îc øng dông vµo s¶n xuÊt vµ còng chØ dõng l¹i ë møc ®é trang trÝ. §Õn chiÕn tranh thÕ giíi thø II, phun kim lo¹i b¾t ®Çu ®-îc sö dông víi quy m« réng r·i h¬n, cã tÝnh v¹n n¨ng h¬n, ®Æc biÖt lµ trong lÜnh vùc phôc håi chi tiÕt m¸y, chèng gØ v.v…. HiÖn nay, c«ng nghÖ phun phñ kim lo¹i ®· cã tèc ®é ph¸t triÓn vµ øng dông m¹nh mÏ trong nhiÒu ngµnh c«ng nghiÖp, ®Æc biÖt lµ trong c¬ khÝ chÕ t¹o m¸y, giao th«ng vËn t¶i, dÇu khÝ .v.v…. Nã dÇn dÇn trë thµnh mét lÜnh vùc chuyªn m«n riªng biÖt, biÓu hiÖn mét mÆt nh- ph-¬ng ph¸p xö lý bÒ mÆt, mÆt kh¸c nh- mét ph-¬ng ph¸p c«ng nghÖ trong s¶n xuÊt. Thùc chÊt cña qu¸ tr×nh phun phñ kim lo¹i lµ phñ lªn bÒ mÆt chi tiÕt mét líp kim lo¹i, hîp kim hoÆc gèm kim lo¹i nh»m n©ng cao tÝnh n¨ng lµm viÖc cña chi tiÕt vµ thiÕt bÞ trong c¸c ®iÒu kiÖn kh¸c nhau. Qu¸ tr×nh c«ng nghÖ phun phñ gåm ba giai ®o¹n chñ yÕu lµ: - ChuÈn bÞ bÒ mÆt tr-íc khi phun; - Phun phñ; - Xö lý nhiÖt líp phun phñ sau khi phun. Ba qu¸ tr×nh c«ng nghÖ nµy cã quan hÖ mËt thiÕt, hç trî lÉn nhau t¹o nªn chÊt l-îng cña líp phñ víi c¸c chØ tiªu chñ yÕu lµ: - §é b¸m cña líp phñ víi kim lo¹i nÒn; - C¬, lý tÝnh cña líp phun ( ®é cøng, ®é dai va ®Ëp, kh¶ n¨ng chÞu nhiÖt, chÞu mßn .v.v…). §Ó ®¸nh gi¸ qu¸ tr×nh ph¸t triÓn cña c«ng nghÖ phun kim lo¹i ph¶i dùa trªn c¬ së cña sù ph¸t triÓn vÒ thiÕt bÞ, c¸c ph-¬ng ph¸p c«ng nghÖ, vËt liÖu phun vµ ph¹m vi øng dông. Víi sù ph¸t triÓn vÒ c«ng nghÖ phun, ng-êi ta ®· chÕ t¹o ra c¸c lo¹i ®Çu phun kh¸c nhau nh-: ®Çu phun bét kim lo¹i, ®Çu phun dïng nhiªn liÖu khÝ ch¸y, ®Çu phun hå quang ®iÖn, ®Çu phun b»ng dßng cao tÇn, ®Çu phun plasma víi d©y chuyÒn phun tù ®éng. §Çu phun plasma ®Æc chñng cã thÓ phun ®-îc c¸c bÒ mÆt chi tiÕt cã biªn d¹ng phøc t¹p, kh«ng gian thao t¸c vµ dÞch chuyÓn ®Çu phun bÞ h¹n chÕ ( vÝ dô ®Çu phun SG100-2086A cña h·ng Praxair- Tafa- Mü, sóng phun plasma A9 cña h·ng Flame-Corporation-USA, sóng phun plasma PLA500 cña h·ng Metalisation-Anh .v.v…). Song song víi c¸c thiÕt bÞ vµ d©y chuyÒn phun tù ®éng ®ã, ng-êi ta ®· nghiªn 13
cøu thªm c«ng nghÖ phun nh÷ng vËt liÖu cã nhiÖt ®é nãng ch¶y cao ( vËt liÖu gèm- ceramic, c¸c lo¹i cacbit, c¸c lo¹i oxit kim lo¹i kh¸c .v.v..). §Çu phun plasma lµ thiÕt bÞ tiªn tiÕn vµ ®-îc dïng réng r·i trªn thÕ giíi hiÖn nay. NhiÒu n-íc tiÕn tiÕn ®· s¶n xuÊt thiÕt bÞ nµy vµ øng dông rÊt cã hiÖu qu¶ trong c«ng nghiÖp nh- Anh, Ph¸p, §øc, Mü, NhËt, Nga, Thuþ Sü, v.v.... ¦u ®iÓm næi bËt cña ®Çu phun plasma lµ: cã thÓ phun ®-îc c¸c lo¹i vËt liÖu khã nãng ch¶y nhê dßng nhiÖt cao cña dßng plasma, cã kh¶ n¨ng ®iÒu chØnh nhiÖt ®é vµ tèc ®é cña dßng plasma b»ng c¸ch lùa chän h×nh d¹ng vµ ®-êng kÝnh cña vßi phun vµ chÕ ®é phun, do ®ã ph¹m vi cña vËt liÖu phun ®-îc më réng vµ rÊt ®a d¹ng ( kim lo¹i, gèm, vËt liÖu h÷u c¬ .v.v... ). ViÖc sö dông khÝ tr¬ lµm khÝ c«ng t¸c më ra kh¶ n¨ng phun trong buång cã m«i tr-êng khÝ tr¬, líp phun plasma cã ®é b¸m tèt víi kim lo¹i nÒn. Nh-îc ®iÓm cña ph-¬ng ph¸p phun plasma lµ n¨ng suÊt phun t-¬ng ®èi thÊp, cã tiÕng ån khi phun vµ qu¸ tr×nh phun cã ph¸t ra tia cùc tÝm. Ngoµi ra, thiÕt bÞ phun plasma cã gi¸ thµnh cao, chi phÝ vËn hµnh lín. TÝnh n¨ng kü thuËt cña mét sè thiÕt bÞ phun plasma ®-îc sö dông trªn thÕ giíi hiÖn nay ®-îc thèng kª theo b¶ng 1.1. B¶ng 1.1. TÝnh n¨ng kü thuËt cña thiÕt bÞ phun plasma Tuæi N¨ng suÊt Dßng KhÝ t¹o plasma C«ng thä tèi ®a, kg/h Ký hiÖu, h·ng, n-íc ®iÖn suÊt, L-u ®iÖn Bét s¶n xu©t Imax, Thµnh Bét kW l-îng, cùc, h kim A phÇn gèm m3/h lo¹i PAL-160-2 TiÖp kh¾c 35 160 460 H2 O - 56 3,2 cò mm/p METCO 3MB- Mü Ar, H2, 40 400 1,7 100 1,7 - He METCO 9MB- Mü 80 1000 Ar, N2 1,7 4 - - METCO 10MB Mü 80 1100 Ar, He - 12 - - PLASMAGAN 60 700 N2 5 100 5,6 4,2 SYSTEM 12-92B Mü NOBEL-BOREL Ph¸p 35 900 Ar, H2 3 75 1,3 - PLA-9AED Anh 11 600 Ar 1,6 200 2 1 FPV-105 Nga 80 - khÝ ®èt - - - - 19V-B (VISP) Nga 30 600 Ar, H2 10 10 3,5 2 UPU-3 Plasma Ar, H2, 45 850 3,5 150 4 3 Technique Thuþ Sü N2,He 14
Song song víi qu¸ tr×nh nghiªn cøu, chÕ t¹o vµ øng dông c¸c lo¹i ®Çu phun, c¸c lo¹i vËt liÖu phun còng ®ång thêi ®-îc ph¸t triÓn cµng ngµy cµng m¹nh víi nh÷ng tÝnh n¨ng kü thuËt, yªu cÇu cao. C¸c lo¹i vËt liÖu phun phæ biÕn hiÖn nay trªn thÕ giíi cã 3 d¹ng chñ yÕu sau: d¹ng d©y, d¹ng thanh vµ d¹ng bét. VËt liÖu d¹ng thanh vµ d¹ng d©y ®-îc dïng trong phun khÝ ch¸y, phun hå quang vµ xung ®iÖn, vËt liÖu bét chñ yÕu dïng trong c«ng nghÖ phun plasma, phun næ vµ phun khÝ ch¸y. VËt liÖu phun d¹ng bét ®-îc sö dông kh¸ phæ biÕn vµ réng r·i trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y v× c«ng nghÖ chÕ t¹o chóng kh«ng ®ßi hái ®é phøc t¹p cao vµ cã thÓ chÕ t¹o tõ bÊt k× mét lo¹i vËt liÖu nµo víi gi¸ thµnh t-¬ng ®èi thÊp. H¬n n÷a, c«ng nghÖ phun plasma, phun næ vµ phun khÝ ch¸y ®èi víi mét sè vËt liÖu chØ cã thÓ ®-îc thùc hiÖn khi vËt liÖu phun ë d¹ng bét. HiÖn nay, vËt liÖu phun d¹ng bét rÊt phong phó vµ ®a d¹ng. D-íi ®©y lµ mét sè kim lo¹i vµ hîp kim ®-îc øng dông réng r·i trªn thÕ giíi: - Bét Al: cã t¸c dông chèng gØ vµ t¹o líp phun cho d©y ®iÖn. - Bét Zn: dïng ®Ó t¹o líp phun chèng gØ. - Bét hîp kim Zn-Al: Dïng ®Ó t¹o líp phun chèng ¨n mßn ho¸ häc vµ chÞu ®-îc oxy ho¸ ë nhiÖt ®é cao. - Bét Cu vµ hîp kim Cu: dïng ®Ó t¹o líp phun dÉn ®iÖn. - Bét Mo: th-êng dïng ®Ó phun t¹o líp vËt liÖu lãt tr-íc khi phun líp vËt liÖu mong muèn lªn bÒ mÆt chi tiÕt. Ngoµi ra, ®èi víi c¸c chi tiÕt lµm viÖc trong m«i tr-êng axit HCl líp phun Mo cßn cã t¸c dông chèng mµi mßn vµ ¨n mßn ho¸ häc. - Bét vonfram ( W ): lµ lo¹i vËt liÖu bét cã nhiÖt ®é nãng ch¶y rÊt cao. Bét W th-êng ®-îc chÕ t¹o ë d¹ng tinh khiÕt chøa rÊt Ýt t¹p chÊt, ®Æc biÖt lµ Fe. Líp phun bét W cã ®é b¸m dÝnh tèt víi bÒ mÆt gèm ( ceramic ). Lo¹i bét nµy th-êng ®-îc øng dông ®Ó phun t¹o líp vËt liÖu chÞu nhiÖt ®é cao, ma s¸t lín trong c¸c chi tiÕt m¸y cã ®iÒu kiÖn lµm viÖc t-¬ng tù. - Bét thÐp chÞu ¨n mßn vµ nicrom: Líp phun b»ng vËt liÖu nµy cã tÝnh chÊt chèng gØ vµ chÞu nhiÖt, th-êng ®-îc dïng lµm líp trung gian cho líp phñ gèm. - C¸c lo¹i bét hîp kim kh¸c nh- thiÕc ch× ( babit) vµ ®ång thau ch× chÞu ma s¸t tèt, th-êng ®-îc dïng cho æ tr-ît. VËt liÖu phun d¹ng gèm ( ceramic ) ®-îc chÕ t¹o d-íi d¹ng hîp chÊt cña oxit kim lo¹i, borua nitrit, silicat vµ cacbit. §©y lµ lo¹i vËt liÖu cã nhiÖt ®é nãng ch¶y rÊt 15
cao ( 30000C ) nªn chØ dïng trong c«ng nghÖ phun plasma hoÆc phun kÝch næ. VËt liÖu phun d¹ng gèm ®-îc sö dông réng r·i hiÖn nay lµ c¸c oxit vµ cacbit. - Gèm oxit cã tÝnh dÉn nhiÖt, dÉn ®iÖn thÊp vµ cã ®é bÒn nhiÖt rÊt cao. Cã hai lo¹i gèm oxit: gèm oxit ®¬n gi¶n vµ gèm oxit phøc t¹p. Gèm oxit ®¬n gi¶n lµ hîp chÊt cña mét kim lo¹i víi oxy, gèm oxit phøc t¹p lµ hîp chÊt cña c¸c oxit cña hai hoÆc nhiÒu h¬n hai kim lo¹i. - Gèm cacbit kim lo¹i cã nhiÖt ®é nãng ch¶y cao h¬n nhiÒu so víi chÝnh kim lo¹i ®ã ( nhiÖt ®é lµm mÒm cacbit lµ h¬n 30000C ). VËt liÖu gèm ®Ó phun th-êng dïng lµ cacbit vonfram, cacbit cr«m, cacbit titan, cacbit ziriconi .v.v... . C¸c lo¹i gèm nµy th-êng ®-îc dïng trong c«ng nghÖ phun ®Ó t¹o líp bÒ mÆt chÞu nhiÖt ®é cao ( vÝ dô nh- c¸c chi tiÕt tuabin khÝ ). Bªn c¹nh c¸c lo¹i vËt liÖu phun trªn, ngµy nay trªn thÕ giíi cã c¸c lo¹i vËt liÖu phun d¹ng tæng hîp vµ d¹ng hîp kim tù nãng ch¶y. VËt liÖu phun d¹ng tæng hîp lµ hçn hîp c¬ häc cña mét sè thµnh phÇn nh- Ni, Cr, Al, Mo, v.v...®Ó t¹o ra líp phun cã tÝnh chÊt tèt h¬n so víi líp phun ®-îc phun tõ mçi thµnh phÇn riªng biÖt. Nh×n chung c¸c líp phun d¹ng vËt liÖu tæng hîp cã ®é bÒn mßn cao. Líp phun d¹ng hîp kim tù nãng ch¶y cã ®Æc ®iÓm lµ kh«ng cã rç vµ cã mËt ®é cao khi phun lªn kim lo¹i nÒn. C¸c hîp kim tù nãng ch¶y th-êng lµ c¸c hîp kim nÒn Ni, hîp kim Cr-Ni hoÆc hîp kim Cr- Co. Líp phun tõ hîp kim tù nãng ch¶y cã ®é chÞu mµi mßn vµ ¨n mßn cao, chèng oxy ho¸ trong m«i tr-êng kh«ng khÝ ë nhiÖt ®é cao. Trªn thùc tÕ, c«ng nghÖ phun nhiÖt khÝ ®· ®ãng mét vai trß quan träng trong nhiÒu lÜnh vùc c«ng nghiÖp hµng ®Çu nh-: dÇu khÝ, n¨ng l-îng, c¬ khÝ v.v... vµ gãp phÇn t¹o ra nhiÒu lo¹i s¶n phÈm cã chÊt l-îng cao, ®¸p øng ®-îc nhu cÇu hiÖn ®¹i ho¸ vµ n©ng cao hiÖu qu¶ kinh tÕ, x· héi. Mét trong nh÷ng øng dông rÊt quan träng cña c«ng nghÖ phun phñ nhiÖt khÝ lµ viÖc chÕ t¹o, söa ch÷a, phôc håi c¸c lo¹i c¸nh tuabin khÝ lµm viÖc trong ®iÒu kiÖn kh¾c nghiÖt, chÞu mµi mßn lín, nhiÖt ®é cao ( 850  11500C ). Trong thêi gian gÇn ®©y, mét sè tËp ®oµn c«ng nghiÖp hµng ®Çu thÕ giíi vÒ lÜnh vùc thiÕt bÞ ®iÖn khÝ nh-: SULZER ( Thuþ Sü ), MITSHUBISHI ( NhËt B¶n ), DONALDSON .v.v... ®· nghiªn cøu thµnh c«ng viÖc n©ng cao tÝnh n¨ng cña líp phun, trªn c¬ së ®ã chÕ t¹o nh÷ng lo¹i tuabin míi cã kh¶ n¨ng lµm viÖc tíi nhiÖt ®é 13000C gãp phÇn n©ng cao hiÖu qu¶ kinh tÕ, kü thuËt cu¶ c¶ hÖ thèng. Tuy nhiªn, do tÝnh chÊt ®éc quyÒn vµ th-¬ng m¹i ho¸ cao ®é cña mét sè tËp ®oµn c«ng nghiÖp vµ c¸c n-íc c«ng nghiÖp ph¸t triÓn nªn c«ng nghÖ phun chÊt l-îng 16
cao cßn bÞ b¶o mËt ch-a ®-îc øng dông trong c¸c n-íc ®ang ph¸t triÓn vµ chËm ph¸t triÓn. 1.3. C¸c ®éc quyÒn s¸ng chÕ ( patents ) Cã tÊt c¶ 12 patents ®· ®-îc s-u tÇm [21], trong ®ã cã 3 patents cña NhËt B¶n vµ 9 patents cña Mü. C¸c patents giíi thiÖu néi dung c¸c s¸ng chÕ vÒ c«ng nghÖ, thiÕt bÞ vµ vËt liÖu phun nhiÖt. D-íi ®©y tr×nh bµy tãm t¾t néi dung cña mét sè patents cã liªn quan nhÊt ®Õn §Ò tµi. 1.3.1. Patent No JP2003034856 ( cña NhËt B¶n )- Ph-¬ng ph¸p phun nhiÖt ( Thermal Spraying Method ) * VÊn ®Ò ®Æt ra: Phun nhiÖt ®Ó t¹o mét líp phun ®ång ®Òu vÒ ®é dµy vµ cã ®é b¸m dÝnh cao trªn bÒ mÆt trong cña vËt h×nh trô. Gi¶i ph¸p: §Æt chi tiÕt h×nh trô ®øng yªn, g¸ thiÕt bÞ bªn trong chi tiÕt trô. ThiÕt bÞ nµy ®¶m nhËn vai trß phun hå quang plasma lµm nãng ch¶y vËt liÖu phun vµ b¾n c¸c tia vËt liÖu nãng ch¶y lªn mÆt trong cña chi tiÕt trô theo h-íng b¸n kÝnh. §Ó t¹o ®-îc líp phun ®ång ®Òu cÇn di chuyÓn thiÕt bÞ däc theo trôc cña chi tiÕt trô. 1.3.2. Patent No US2002164430 ( cña Mü )- Qu¸ tr×nh s¶n xuÊt líp gèm chÞu nhiÖt cho c¸c chi tiÕt m¸y tuabin khÝ ( Process for producing a ceramic thermal barrier layer for gas turbine engine component ) * C¬ së cña s¸ng chÕ S¸ng chÕ ®Ò cËp tíi líp phun b¶o vÖ c¸c chi tiÕt lµm viÖc trong m«i tr-êng x©m thùc khi nãng, ®Æc biÖt lµ c¸c chi tiÕt m¸y tuabin khÝ. C¸c chÊt khÝ di chuyÓn qua m¸y tuabin víi vËn tèc vµ nhiÖt ®é cùc cao, cã thÓ v-ît qu¸ 10000C. C¸c yªu cÇu ®èi víi c¸c c¸nh tuabin lµ ®Æc biÖt nghiªm ngÆt bëi chóng ph¶i lµm viÖc trong ®iÒu kiÖn chÊt khÝ nhiÖt ®é cao vµ quay víi tèc ®é lín ( tíi hµng ngµn vßng/phót). C¸nh tuabin ®Æc tr-ng bëi kÕt cÊu l¸ máng ®iÓn h×nh, ®-îc lµm tõ hîp kim “ siªu cao ” cã phñ mét líp bÒn nhiÖt. C¸c hîp kim siªu cao nµy lµ nh÷ng vËt liÖu nÒn coban hoÆc niken. C¸c líp phun cã nhiÒu chñng lo¹i kh¸c nhau. Mét trong nh÷ng thµnh phÇn cña líp phun lµ hîp kim MCrAl, trong ®ã: Cr- crom, Al- nh«m, - ytri hoÆc nguyªn tè ®Êt hiÕm víi chÊt b¶o tr× M ®-îc chän tõ nhãm s¾t, coban, niken hoÆc hîp chÊt cña chóng; líp phun ®ã t¹o nªn mµng oxit gèm liªn kÕt bÒn nhiÖt ( chÞu ®-îc nhiÖt ®é cao ). 17
Hîp kim MCrAl ®-îc øng dông ®Ó t¹o c¸c líp phun b¶o vÖ, vµ patent giíi thiÖu c¸c líp nh- vËy víi 5  40 % crom, 8  35% nh«m, 0,1  2% nguyªn tè ho¹t tÝnh oxy tõ nhãm III b cña b¶ng tuÇn hoµn, gåm lantan vµ actinid hoÆc hçn hîp cña chóng, 0,1  7% silic, 0,1  3% coban, chÊt b¶o tr× lµ niken hoÆc coban. C¸c hîp kim MCrAl ®-îc phun phñ b»ng ph-¬ng ph¸p plasma. Líp hîp kim MCrAl ®Æc biÖt chøa 18% crom, 23% coban, 12,5% nh«m vµ 0,3% ytri víi chÊt b¶o tr× lµ niken ®-îc øng dông ®Ó lµm vËt liÖu nÒn. Líp hîp kim nµy cã bÒ mÆt nh½n bãng vµ ®-îc phun mét líp oxit nh«m vµ tiÕp ®Õn lµ líp gèm c¸ch nhiÖt. Trong cÊu tróc vi m« h×nh trô cña líp phun chÞu nhiÖt, c¸c tinh thÓ h×nh trô ®-îc s¾p xÕp vu«ng gãc víi mÆt cña kim lo¹i c¬ b¶n. Oxit ziriconi æn ®Þnh ®-îc lµm vËt liÖu gèm. * Tãm t¾t patent Môc ®Ých cña patent lµ kh¾c phôc nh÷ng nh-îc ®iÓm vµ tån t¹i vÒ cÊu tróc cña c¸c líp phun tr-íc ®ã b»ng c¸ch cung cÊp cho c¸c chi tiÕt m¸y tuabin khÝ nh- c¸nh tuabin, mét líp nh- gèm chÞu nhiÖt b¶o vÖ. Môc ®Ých kh¸c n÷a lµ t¹o ®-îc mét s¶n phÈm cã nÒn kim lo¹i víi líp phun bÒn nhiÖt trªn bÒ mÆt hÖ oxit kim lo¹i hçn hîp ®-îc chän tõ nhãm lantan, aluminat vµ canxi ziriconat, trong ®ã canxi cã thÓ ®-îc thay thÕ tõng phÇn bëi Ýt nhÊt mét nguyªn tè thay thÕ canxi. Nguyªn tè thay thÕ canxi ®-îc nªu trong patent lµ stroti ( Sr ) hoÆc bari ( Ba ). Lantan trong lantan aluminat cã thÓ ®-îc thay thÕ tõng phÇn bëi Ýt nhÊt mét nguyªn tè trong thÓ lantan thuéc nhãm lantanit, ®Æc biÖt lµ gadoli ( Gd). C¸c qu¸ tr×nh t¹o líp phun nªu trªn ®-îc thùc hiÖn b»ng ph-¬ng ph¸p phun plasma hoÆc phun bay h¬i. Patent ®-îc ¸p dông thÝch hîp nhÊt cho c¸c chi tiÕt m¸y tuabin khÝ, nh- c¸nh tuabin, van chñ hoÆc c¸c phÇn tö b¶o vÖ nhiÖt lµm tõ hîp kim “ siªu cao” nÒn niken, coban hoÆc crom. 1.3.3. Patent No US2003157363 ( cña Mü ) - HÖ thèng c¸c líp phun plasma bÒn nhiÖt ( Plasma Spraying Thermal Bond Coat System ) * C¬ së cña Patent Ng-êi ta lu«n t×m c¸ch t¨ng nhiÖt ®é c«ng t¸c cña c¸c m¸y tuabin khÝ ®Ó n©ng cao hiÖu suÊt cña chóng. Tuy nhiªn, khi nhiÖt ®é c«ng t¸c t¨ng th× ®é bÒn nhiÖt cña c¸c chi tiÕt còng ph¶i t¨ng t-¬ng øng. ViÖc øng dông c¸c hîp kim “ siªu cao ” nÒn niken vµ coban ®· mang l¹i nh÷ng thµnh qu¶ ®¸ng kÓ vÒ kh¶ n¨ng lµm viÖc ë nhiÖt ®é cao cña 18
c¸c chi tiÕt m¸y tuabin khÝ, tuy nhiªn b¶n th©n c¸c hîp kim nh- vËy th«ng th-êng kh«ng thÝch øng víi viÖc t¹o c¸c phÇn tö n»m trong mét sè kÕt cÊu cña m¸y tuabin khÝ, nh- tuabin, buång ®èt vµ t¨ng ¸p. Gi¶i ph¸p chung lµ lµm c¸ch nhiÖt c¸c phÇn tö nh- vËy khái c¸c khÝ nãng nh»m gi¶m thiÓu nhiÖt ®é c«ng t¸c cña chóng vµ ng¨n ngõa t¸c dông ph¸ ho¹i cña c¸c khÝ oxy ho¸ ho¹t tÝnh nãng vµ ¨n mßn. Nh»m môc ®Ých nµy c¸c hÖ thèng phñ bÒn nhiÖt ( thermal barrier coating - TBC systems ) trªn bÒ mÆt c¸c chi tiÕt lµm viÖc ë nhiÖt ®é cao cã øng dông réng r·i. §Ó cã hiÖu qu¶, c¸c hÖ thèng tuabin khÝ ph¶i ®-îc phñ líp cã ®é dÉn nhiÖt thÊp, ®é b¸m dÝnh tèt víi chi tiÕt vµ duy tr× ®-îc ®é b¸m nµy qua c¸c chu kú ®èt nãng vµ lµm l¹nh. Chóng còng ph¶i b¶o vÖ ®-îc kim lo¹i nÒn ë bªn d-íi khái sù ph¸ huû cña m«i tr-êng. §é b¸m dÝnh víi chi tiÕt lµ mét yªu cÇu kü thuËt ®èi víi c¸c hÖ sè d·n në nhiÖt kh¸c nhau gi÷a c¸c vËt liÖu cã ®é dÉn nhiÖt thÊp nh- vËt liÖu gèm th-êng dïng ®Ó t¹o ra c¸c líp phñ bÒn nhiÖt, vµ c¸c “ siªu ” hîp kim dïng ®Ó chÕ t¹o c¸c chi tiÕt m¸y tuabin. §Ó ®¸p øng yªu cÇu trªn c¸c hÖ thèng TBC cÇn cã mét líp trung gian kim lo¹i lµm líp trung gian víi hÖ sè d·n në nhiÖt n»m gi÷a vËt liÖu c¬ b¶n vµ vËt liÖu gèm dïng cho c¸c líp phñ bÒn nhiÖt. ChÝnh líp trung gian nµy t¹o nªn oxit bÒn nhiÖt ( thermally grown oxide - TGO ) nh»m n©ng cao ®é b¸m cña TBC phñ lªn nã. Cã nhiÒu vËt liÖu gèm ®-îc øng dông lµm líp gèm nh- oxit ziriconi (ZrO2) æn ®Þnh bëi oxit ytri ( 2O3), oxit mage (MgO ), oxit xeri (CeO2 ), oxit scandi (Sc2O3) .v.v... Chóng ®-îc dïng réng r·i bëi thÝch hîp víi c«ng nghÖ phun plasma, phun ngän löa vµ kü thuËt phñ bèc h¬i vËt lý. Líp trung gian ®-îc t¹o bëi hîp kim chøa nh«m chèng oxy ho¸ nh»m t¨ng ®é b¸m dÝnh cña líp gèm ®èi víi vËt liÖu nÒn. Nã cßn cã t¸c dông n©ng cao tÝnh chèng ph©n huû cña TBC. C¸c vÝ dô vÒ líp trung gian: MCrAl ( ë ®©y M lµ s¾t, cacbon, hoÆc niken ), c¸c líp phñ khuÕch t¸n nh- niken aluminit, platin aluminit vµ pha beta NiAl lµ nh÷ng kim lo¹i trung gian nÒn nh«m chèng oxy ho¸. Khi ®-îc dïng lµm líp phun b¶o vÖ hoÆc líp trung gian cho TBC, nh«m bÞ hao hôt bëi sù khuÕch t¸n trung gian vµo vËt liÖu “siªu ” hîp kim. Cã thÓ l-îng nh«m trong líp trung gian ®-îc dïng hÕt ®Ó ng¨n chÆn sù ph¸t triÓn tiÕp cña líp mµng oxyt nh«m b¶o vÖ, øng suÊt trong TGO t¨ng ®¸ng kÓ, ®ång thêi cã thÓ x¶y ra sù ph¸ huû t¹i mÆt trung gian gi÷a líp trung gian vµ líp phun gèm. 19
Sù t¨ng hµm l-îng c¸c nguyªn tè nh- niken, crom, titan, tantan vµ molipden trong ®ã TGO cã thÓ lµm t¨ng tèc ®é ph¸t triÓn cña c¸c mµng oxit vµ t¹o nªn c¸c líp kh«ng b¸m dÝnh trªn mÆt líp trung gian lµm mÊt kh¶ n¨ng dÝnh b¸m cña líp gèm. C¸c ph-¬ng ph¸p ®-îc chän ®Ó thùc hiÖn hiÖu qu¶ qu¸ tr×nh phun t¹o mét líp trung gian máng h¬n, gi¸ thµnh thÊp h¬n lµ ph-¬ng ph¸p phun plasma kh«ng khÝ ( Air Plasma Spray- APS ) vµ ph-¬ng ph¸p phun plasma ¸p suÊt thÊp ( Low Pressure plasma Spray- LPPS). Qu¸ tr×nh nh- vËy ch¾c h¼n sÏ c¶i thiÖn ®-îc ®é bÒn vµ tuæi thä cña líp phun bÒn nhiÖt. * Tãm t¾t patent Patent tr×nh bµy mét ph-¬ng ph¸p t¹o hÖ thèng phun chÞu nhiÖt trªn c¸c chi tiÕt lµm viÖc trong m«i tr-êng nhiÖt ®é cao cña m¸y tuabin khÝ. HÖ thèng phun gåm mét líp gèm vµ mét líp trung gian kim lo¹i trung gian niken- nh«m pha beta ( -NiAl) lµm t¨ng ®é b¸m dÝnh cña líp gèm ®èi víi kim lo¹i nÒn. Mµng máng oxit nh«m h×nh thµnh trªn bÒ mÆt pha -NiAl trong qu¸ tr×nh xö lý nhiÖt. Mét líp bæ sung cña oxit nh«m cã thÓ ®-îc h×nh thµnh trªn mÆt chi tiÕt tr-íc khi phun líp trung gian -NiAl hoÆc h×nh thµnh ngay sau khi phun líp nµy, trong c¶ hai tr-êng hîp nãi trªn oxit nh«m khuÕch t¸n lµm dÝnh kÕt líp gèm víi bÒ mÆt chi tiÕt. Cã nhiÒu ph-¬ng ph¸p phun phñ cã thÓ thùc hiÖn líp phun -NiAl trªn mÆt chi tiÕt, ch¼ng h¹n phun khÝ ®èt oxy tèc ®é cao ( High Velocity Oxyfuel - HVOF ), phun plasma kh«ng khÝ ( APS- Air Plasma Spraying ).v.v... Ph-¬ng ph¸p HVOF cho líp phun ( líp trung gian ) mÞn vµ chÆt bëi nã lµm nãng ch¶y bét mÞn vµ kh«ng oxy ho¸ chóng. Ph-¬ng ph¸p APS sö dông bét th« h¬n nªn cho líp phun cã mÆt ngoµi r¸p h¬n, cã lîi cho viÖc n©ng cao ®é b¸m dÝnh cña TBC. Theo patent, -NiAl cã thÓ chøa c¸c c¸c nguyªn tè hîp kim ho¸ ®én vµo niken vµ nh«m ®Ó t¨ng ®é bÒn trong m«i tr-êng cña -NiAl. C¸c nguyªn tè hîp kim ho¸ ®ã lµ crom vµ ziriconi.Cã thÓ dïng coban ®Ó thay thÕ mét phÇn niken. Hµm l-îng crom vµ ziriconi trong -NiAl cã thÓ thay ®æi t-¬ng øng 0  20% vµ 0,1  2,4% träng l-îng. Hµm l-îng hafini trong -NiAl cã thÓ chøa kho¶ng 0,1  1,7% träng l-îng. Ziriconi vµ hafini c¶i thiÖn ®é b¸m cña líp oxit trung gian. ViÖc sö dông ph-¬ng ph¸p phun plasma kh«ng khÝ ( APS ) ®Ó t¹o líp trung gian -NiAl cã tÝnh -u viÖt cao h¬n so víi ph-¬ng ph¸p phun plasma ¸p suÊt thÊp ( LPPS ) bëi thiÕt bÞ APS rÎ h¬n vµ c«ng nghÖ ®¬n gi¶n h¬n rÊt nhiÒu so víi LPPS. 20
Líp bét -NiAl dïng cho APS cã chiÒu dµy tõ 20  80 micron. Sau khi phun, líp trung gian cã thÓ ®-îc xö lý nhiÖt ë nhiÖt ®é 1800 - 21000F trong 14h ®Ó t¹o sù liªn kÕt hîp kim ch¾c h¬n gi÷a vËt liÖu nÒn- hîp kim “ siªu cao ” nÒn niken vµ líp phñ -NiAl. NÕu oxit nh«m khuÕch t¸n ®-îc øng dông th× sù xö lý nhiÖt còng ®-îc tiÕn hµnh ®ång thêi víi sù xö lý nhiÖt ®èi víi -NiAl. 1.4. T×nh h×nh nghiªn cøu trong n-íc Tõ gi÷a nh÷ng n¨m 1970 c«ng nghÖ phun kim lo¹i lµ mét trong ba ®Ò tµi träng ®iÓm Nhµ n-íc ( Hµn, Phun, M¹ ) do ViÖn kü thuËt Giao th«ng chñ tr×. C«ng nghÖ phun ®-îc tiÕn hµnh trªn m¸y phun hå quang hai d©y cña TiÖp Kh¾c vµ cña Liªn X«. VËt liÖu phun lµ d©y thÐp lß xo cÊp II ( 0,6% C ), d©y ®ång, d©y nh«m vµ d©y thÐp hîp kim crom- niken. KÕt qu¶ nghiªn cøu ®· ®-îc øng dông ®Ó phôc håi c¸c chi tiÕt mµi mßn nh- trôc khuûu b»ng gang, thÐp, c¸c lo¹i trôc th¼ng, c¸c qu¶ l«, trôc m¸y b¬m thuû lîi. Cho ®Õn nay c«ng nghÖ nµy vÉn ®-îc øng dông cã kÕt qu¶ æn ®Þnh trong viÖc phôc håi c¸c chi tiÕt nãi trªn vµ c¸c chi tiÕt kh¸c. C«ng nghÖ phun hå quang hai d©y ®ång, kÏm, nh«m còng ®-îc tiÕn hµnh nghiªn cøu t¹i ViÖn kü thuËt Giao th«ng ( nay lµ ViÖn khoa häc c«ng nghÖ GTVT ) vµ ®-îc øng dông ®Ó phun b¶o vÖ c¸c chi tiÕt lµm viÖc trong m«i tr-êng x©m thùc. Sau khi ®Êt n-íc thèng nhÊt ( 1975 ) ng-êi ta còng nh×n thÊy mét sè ®Çu phun khÝ cña h·ng METCO t¹i mét sè nhµ m¸y xÝ nghiÖp MiÒn Nam ( nhµ m¸y Carip, xÝ nghiÖp Toa Xe Sµi Gßn .v.v... ), nh-ng kh«ng thÊy cã c¸c dÊu hiÖu phun ë ®©y. Sau n¨m 1975 ®-îc sù gióp ®ì cña céng hoµ liªn bang Nga, Binh chñng Phßng kh«ng - Kh«ng qu©n ®· tiÕn hµnh mét sè ho¹t ®éng trong lÜnh vùc phun phñ nhiÖt khÝ ®Ó phôc håi c¸c chi tiÕt cã chÕ ®é lµm viÖc kh¾c nghiÖt mµ môc tiªu chñ yÕu lµ mét sè chi tiÕt thuéc ®éng c¬ m¸y bay. C«ng x-ëng A42 ( thuéc Binh chñng Phßng kh«ng Kh«ng qu©n ) ®-îc trang bÞ 3 hÖ thèng thiÕt bÞ phun phñ nhiÖt: - Phun phñ nhiÖt khÝ dïng bét - Phun phñ nhiÖt khÝ dïng d©y - Phun phñ plasma (do Mü s¶n xuÊt) víi: o ThiÕt bÞ xö lý bÒ mÆt tr-íc khi phun; o ThiÕt bÞ xö lý bét phun ; o ThiÕt bÞ phun phñ. 21