Phương pháp dự đoán tuổi thọ và hiệu suất mỏi do ăn mòn nhiệt đối với các bộ phận đầu nóng của động cơ máy bay trên tàu sân bay

Môi trường hoạt động của các bộ phận thuộc phần nóng của động cơ máy bay trên tàu và tuabin khí là vô cùng khắc nghiệt. Ngoài việc phải chịu đựng nhiệt độ, áp suất và tốc độ quay cao, các bộ phận này còn phải đối mặt với tác động ăn mòn từ môi trường biển, vốn có độ mặn và độ ẩm cao.

Các bộ phận của rôto tuabin là những thành phần chịu ứng suất nghiêm trọng nhất trong các động cơ và tuabin này. Các bộ phận này phải chịu tải trọng dao động lớn ở nhiệt độ dao động từ 600 đến 1300°C, đồng thời phải chịu sự ăn mòn nhiệt do khí thải nóng và môi trường biển gây ra, điều này làm tăng đáng kể tỷ lệ hư hỏng của chúng. Do đó, các bộ phận của rôto tuabin nằm trong số các bộ phận vận hành có tỷ lệ hỏng hóc cao nhất.

Như được thể hiện trong Hình 1, cánh tuabin gặp phải hiện tượng hư hỏng do ăn mòn-mỏi nhiệt trong môi trường kết hợp giữa khí thải nóng và không khí biển, trong điều kiện nhiệt độ cao và tải trọng tốc độ cao. Khác với hư hỏng do mỏi gây ra bởi các tải trọng cơ học đơn lẻ, cơ chế hư hỏng do ăn mòn nhiệt-mỏi ở các bộ phận nóng của động cơ hàng không và tuabin khí phức tạp hơn nhiều, do đó đặt ra những thách thức lớn hơn trong việc dự đoán tuổi thọ chống ăn mòn nhiệt-mỏi. Cho đến nay, cả trong nước và quốc tế đã có một số hiểu biết ban đầu về cơ chế hư hỏng do ăn mòn nhiệt và mỏi ở các bộ phận nóng này. Các nghiên cứu đã được thực hiện về cơ chế ăn mòn nhiệt đối với vật liệu của các bộ phận nóng, cơ chế hư hỏng do ăn mòn nhiệt và mỏi, cũng như dự đoán tuổi thọ do ăn mòn nhiệt và mỏi, và đã đạt được một số kết quả sơ bộ.

Cơ chế ăn mòn do nhiệt của các vật liệu cấu thành bộ phận đầu nóng

Các siêu hợp kim gốc niken đã trở thành vật liệu chính cho các bộ phận chịu nhiệt cao như động cơ máy bay và cánh tuabin khí, đĩa tuabin, v.v. nhờ khả năng chống mỏi, chống biến dạng chậm và độ bền tuyệt vời ở nhiệt độ cao [7,8,9] [10,11,12]. Đồng thời, để giảm nhiệt độ bề mặt của cánh tuabin và nâng cao khả năng chống oxy hóa/ăn mòn, các lớp phủ kim loại hoặc lớp phủ rào cản nhiệt (TBC) thường được phun lên bề mặt cánh tuabin [13,14]. Trong quá trình vận hành động cơ, tạp chất S trong nhiên liệu sẽ tạo ra các hợp chất sunfua như SO₂ và SO₃ trong quá trình đốt cháy. Sau khi phản ứng với NaCl trong môi trường khí quyển ven biển, một lớp màng muối nóng chảy Na₂SO₄ sẽ lắng đọng trên bề mặt hợp kim. Các cặn sunfat và các cặn khác hình thành sẽ gây ra hiện tượng ăn mòn nhiệt đối với lớp phủ và hợp kim chịu nhiệt độ cao, cuối cùng dẫn đến hỏng hóc sớm của các bộ phận phần nóng của động cơ.

Hai lĩnh vực kiến thức về máy móc và các công nghệ then chốt!

Sự ăn mòn nóng của hợp kim nhiệt độ cao là hiện tượng trong đó các cặn sunfat và các cặn khác bám trên bề mặt hợp kim làm hỏng lớp oxit bề mặt và đẩy nhanh quá trình ăn mòn của hợp kim [17]. Đối với hợp kim nhiệt độ cao, mức độ hư hại do sự ăn mòn nóng gây ra nghiêm trọng hơn nhiều so với hư hại do quá trình oxy hóa đơn thuần ở nhiệt độ cao. Mức độ nghiêm trọng của hiện tượng này bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm nhiệt độ, loại và hàm lượng muối lắng đọng, điều kiện môi trường, thành phần khí và thành phần hợp kim. Tùy theo nhiệt độ môi trường, ăn mòn nhiệt có thể được chia thành ăn mòn nhiệt ở nhiệt độ thấp và ăn mòn nhiệt ở nhiệt độ cao [18]. Ăn mòn nóng ở nhiệt độ thấp (560–815 ℃) thường xảy ra dưới điểm nóng chảy của muối ăn mòn, với điều kiện tiên quyết là phải có áp suất riêng phần cao hơn của SO₃ ở pha khí để phản ứng với các nguyên tố hợp kim trong lớp phủ hoặc vật liệu nền, từ đó hình thành các sunfat mới. Các sunfat này phản ứng với Na₂SO₄ để tạo thành các hợp chất eutectic có điểm nóng chảy thấp (điểm nóng chảy là 540 ℃), gây ra hiện tượng ăn mòn rỗ cục bộ trên hợp kim.

Sự ăn mòn do nhiệt độ cao (815–980 ℃) thường xảy ra ở nhiệt độ cao hơn điểm nóng chảy của muối ăn mòn. Các muối kim loại kiềm nóng chảy bám vào bề mặt vật liệu nền, dần dần làm hỏng lớp oxit và tiêu hao Cr trong kim loại nền. Khi hàm lượng Cr cạn kiệt, tốc độ oxy hóa tăng nhanh, và các lỗ rỗng nhỏ bắt đầu hình thành bên trong lớp phủ hoặc vật liệu nền, tạo thành các kênh cho môi trường ăn mòn xâm nhập.

Tại thời điểm này, muối lắng đọng ở trạng thái nóng chảy gây ra sự ăn mòn đồng đều của hợp kim, và giao diện giữa lớp oxit ăn mòn nhiệt độ cao và nền hợp kim tương đối phẳng, với sự hình thành sunfua rõ rệt bên dưới giao diện. Rapp [19] và Singh cùng các cộng sự [20] đã tổng hợp cơ chế ăn mòn nhiệt của các vật liệu kim loại, đặc biệt là các hợp kim nhiệt độ cao gốc sắt và gốc niken, vào đầu thế kỷ 21. Do đó, bài báo này chủ yếu tổng quan về cơ chế ăn mòn nhiệt của các hợp kim và lớp phủ chịu nhiệt độ cao cho đĩa tuabin và cánh tuabin trong 20 năm qua.

Cơ chế ăn mòn ở nhiệt độ cao của lớp phủ

Theo các điều kiện vận hành cụ thể và nhiệt độ mặt trước tuabin của động cơ máy bay và tuabin khí, các lớp phủ thường được sử dụng bao gồm lớp phủ thấm nhôm [21] (chẳng hạn như lớp phủ thấm nhôm trên bề mặt cánh tuabin và khoang bên trong, lớp phủ thấm nhôm-silic), lớp phủ MCrAlY [22] và lớp phủ rào cản nhiệt [23]. Lớp phủ rào cản nhiệt điển hình cho các cánh tuabin hợp kim chịu nhiệt cao thường bao gồm một lớp liên kết kim loại và một lớp gốm cách nhiệt, cung cấp các lớp cách nhiệt và chống oxy hóa giữa chất nền cánh tuabin hợp kim chịu nhiệt cao và khí nhiệt độ cao, từ đó đảm bảo hoạt động an toàn của cánh tuabin ở nhiệt độ mặt trước tuabin cao hơn. Lớp liên kết kim loại có thể cải thiện độ bám dính giữa hợp kim nền và lớp gốm bề mặt. Trong quá trình hoạt động ở nhiệt độ cao, lớp này cũng có thể hình thành một lớp oxit phát triển nhiệt (TGO) dày đặc, đóng vai trò chống lại quá trình oxy hóa ở nhiệt độ cao. Các vật liệu TBC thường được sử dụng hiện nay bao gồm ZrO₂ được ổn định bằng Y₂O₃ (YSZ, tỷ lệ khối lượng Y₂O₃ thường từ 7% đến 8%), mullite, Al₂O₃, YSZ+CeO₂, La₂Zr₂O₇, silicat, trong đó YSZ là vật liệu TBC được sử dụng rộng rãi nhất [21,24,25].

Do nhiệt độ cao (>800 ℃) mà lớp phủ bề mặt của cánh tuabin có thể chịu được trong quá trình vận hành, lớp phủ này thường phải chịu sự ăn mòn nhiệt ở nhiệt độ cao trong môi trường kết hợp giữa khí và môi trường biển. Các sản phẩm ăn mòn nhiệt cũng thay đổi tùy thuộc vào loại, thành phần và cấu trúc vi mô của lớp phủ. Đối với các lớp phủ kim loại, khả năng chống ăn mòn nhiệt của chúng có mối liên hệ chặt chẽ với sự hình thành một lớp oxit bảo vệ Al₂O₃ liên tục và dày đặc trên bề mặt lớp phủ. Li Yuchun [26] đã nghiên cứu hành vi ăn mòn nhiệt của hợp kim K488 và các lớp phủ nhôm thấm nhôm và nhôm thấm coban trên bề mặt của nó bằng phương pháp chôn muối. Kết quả cho thấy một hỗn hợp của Al₂O₃ và CoCr₂O₄ đã hình thành trên bề mặt lớp phủ nhôm thấm trong dung dịch muối nóng chảy 25% NaCl + 75% Na₂SO₄ ở 900 ℃. Sự hiện diện của oxit hỗn hợp đã cải thiện khả năng chống ăn mòn, trong khi lớp phủ nhôm thấm coban thể hiện khả năng chống ăn mòn nhiệt tuyệt vời do sự hình thành màng oxit bảo vệ Al₂O₃ dày đặc trên bề mặt. Li Yanming và cộng sự [27] đã chế tạo ba loại lớp phủ, Al Si, Al và Co Al, trên vật liệu thường được sử dụng là hợp kim nhiệt độ cao gốc niken DSM11 cho cánh tuabin khí. Họ đã nghiên cứu hiệu suất của ba loại lớp phủ này bằng cách phủ muối (tỷ lệ khối lượng 5% NaCl+95% Na₂SO₄) lên bề mặt các lớp phủ.

Hiệu suất chống ăn mòn ở nhiệt độ 900 ℃ được thể hiện trong Hình 2. Kết quả nghiên cứu cho thấy các đường cong động học của ba lớp phủ này về cơ bản tương tự nhau, đều có hình parabol. Khi thời gian ăn mòn kéo dài, khối lượng ban đầu tăng lên rồi sau đó giảm xuống. Nguyên nhân dẫn đến những thay đổi về khối lượng nêu trên là do trong giai đoạn đầu của thí nghiệm ăn mòn (0–25 giờ), các sản phẩm ăn mòn bám chặt vào lớp phủ và ít bị bong tróc; Trong giai đoạn giữa và cuối của quá trình ăn mòn, các sản phẩm ăn mòn trên bề mặt bong ra, và lớp phủ bên trong hoặc vật liệu nền bị lộ ra tiếp tục bị ăn mòn nhiệt, dẫn đến sự giảm khối lượng. Sau 200 giờ ăn mòn nhiệt ở 900 ℃, một lớp oxit liên tục và dày đặc chủ yếu gồm Al₂O₃ đã hình thành trên vùng ăn mòn bề mặt của cả lớp phủ Al-Si và lớp phủ Co-Al, lớp này ức chế quá trình ăn mòn nhiệt và có khả năng chống ăn mòn nhiệt tốt; Khác với lớp phủ Al-Si và lớp phủ Co-Al, lớp phủ Al hình thành một lớp oxit hỗn hợp trên vùng ăn mòn bề mặt, và phản ứng ăn mòn nhiệt vẫn tiếp diễn, dẫn đến khả năng chống ăn mòn nhiệt tương đối kém. Ngoài ra, Liu Delin và cộng sự [28] cũng đã xác nhận tác dụng chống oxy hóa và ăn mòn của lớp phủ NiCoCrAlYTa trên hợp kim DZ22B và hợp kim DZ22B có lớp phủ NiCoCrAlYTa ở 950 ℃ thông qua các thử nghiệm ăn mòn nhiệt. Điều này dựa trên sự hình thành các lớp oxit Al₂O₃ hoặc Cr₂O₃ dày đặc trên bề mặt lớp phủ, hoạt động như các lớp rào cản oxy (lớp bảo vệ) để ngăn chặn quá trình oxy hóa hoặc ăn mòn tiếp theo của

Tương tự như các lớp phủ kim loại, khả năng chống ăn mòn nhiệt của lớp phủ rào cản nhiệt phần lớn phụ thuộc vào màng mỏng oxit Al₂O₃ hoặc Cr₂O₃ liên tục được hình thành trên bề mặt. Như Li Faguo và cộng sự [29] đã chỉ ra trong báo cáo tiến độ nghiên cứu gần đây của họ về khả năng chống ăn mòn trong môi trường khí quyển biển của các lớp phủ chịu nhiệt độ cao cho động cơ máy bay, hiệu quả chống ăn mòn nhiệt của YSZ chủ yếu đến từ Al₂O₃ có mật độ cao, trong đó Cr, Ta và Y có thể ổn định quá trình hình thành Al₂O₃ và cải thiện khả năng chống ăn mòn nhiệt của lớp phủ. Tuy nhiên, các nguyên tố ngoại lai như Na, V và S có thể gây ra sự hình thành YVO₄ trong nguyên tố Y, dẫn đến sự suy giảm chất lượng của lớp phủ YSZ. Khi muối nóng chảy Na₂SO₄ tồn tại một mình, nó không xảy ra phản ứng hóa học với YSZ. Cơ chế ăn mòn chủ yếu là do muối nóng chảy Na₂SO₄ bám vào các lỗ rỗng và vết nứt của YSZ, và ứng suất nhiệt do sự chênh lệch hệ số giãn nở trong các chu kỳ nóng-lạnh lặp đi lặp lại dẫn đến sự hỏng hóc của lớp phủ YSZ [20,21,2,23,24,25,26,27,28,30], khiến muối nóng chảy Na₂SO₄ thấm vào lớp liên kết qua TGO-YSZ, phản ứng với lớp liên kết và hình thành một lớp sunfua lỏng lẻo bên dưới lớp TGO. Có các vết nứt giữa lớp TGO và lớp sunfua [29], cuối cùng dẫn đến hiện tượng bong tróc lớp phủ. Khi có mặt muối nóng chảy V₂O₅, nó phản ứng với chất ổn định Y₂O₃ để tạo thành YVO₄, như được thể hiện trong phương trình (1). Sự phát triển của các nhánh YVO₄ tạo ra ứng suất lan truyền vết nứt [28,30,31]; Ngoài ra, YSZ trải qua quá trình chuyển đổi từ cấu trúc tinh thể tứ giác sang cấu trúc tinh thể đơn nghiêng, kèm theo sự giãn nở thể tích từ 3% sang 5%. Hiệu ứng kết hợp giữa ứng suất chuyển pha và ứng suất phát triển dẫn đến hiện tượng nứt hoặc thậm chí bong tróc lớp phủ.