Công nghệ làm sạch các cơ phận tuabin khí, kỹ thuật hàn brazing loại bỏ oxít trong các vết nứt sâu và hẹp

Superalloy, Siêu hợp kim, hoặc hợp kim hiệu suất cao, là hợp kim có khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao. Một số đặc điểm chính của siêu hợp kim là độ bền cơ học tuyệt vời, khả năng chống biến dạng rão nhiệt, độ ổn định bề mặt tốt và khả năng chống ăn mòn hoặc oxy hóa.

Thông tin về kỹ thuật hàn vảy cứng (Brazing) hay hàn đồng

Hàn vảy cứng (Brazing) nối hai phần kim loại với nhau bằng nhiệt và kim loại bù (hợp kim) là yếu tố liên kết hai phần chi tiết và nối chúng. Kim loại bù bắt buộc phải có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn kim loại cơ bản. Thuốc hàn thường được dùng trong suốt quá trình. Thuốc hàn là loại chất lỏng xúc tác khả năng thấm ướt khiến kim loại bù và kim loại nền dễ dàng khuyếch tán vào nhau để tạo ra mối hàn. Chúng cũng giúp loại bỏ một phần oxit để kim loại bù có thể liên kết chặt chẽ với kim loại nền. Thêm vào đó, thuốc hàn còn giúp làm sạch bề mặt chi tiết.

Chi tiết được hàn cứng nếu áp dụng đúng quy trình sẽ bền hơn kim loại nền nhưng sẽ kém hơn với mối hàn bằng phương pháp hàn nóng chảy. Hàn vảy cứng cũng có ít tác động nhất tới các phần kim loại nền.

Sửa chữa các vết nứt trên cơ phận tuabin khí

Các bộ phận, chi tiết cơ khí (gọi tắt là cơ phận) sử dụng trong tuabin khí hiện đại được chế tạo bằng các vật liệu siêu hợp kim đắt tiền để có thể chịu được tải khắc nghiệt do nhiệt, cơ học và hóa học khi chúng tiếp xúc với dòng khí nóng (hot gas path). Tuy nhiên, sau hàng trăm nghìn giờ hoạt động, các cơ phận này sẽ bị oxy hóa nghiêm trọng.

Vết nứt trên cánh động tuabin khí

Để nâng cao hiệu suất và giảm nguy cơ ngừng máy ngoài dự kiến, các cơ phận này phải được phục hồi, sửa chữa lại định kỳ bằng quá trình sửa chữa bằng phương pháp hàn hoặc thay mới. Để thuận lợi cho việc sửa chữa hàn, tất cả các sản phẩm cặn của quá trình oxy hóa, sulfid hóa và ăn mòn do nhiệt cao phải được loại bỏ khỏi bề mặt của các cơ phận, đặc biệt là các vết nứt sâu và hẹp.

Lớp cặn, gỉ ôxít thường hình thành trên bề mặt tiếp giáp của các vết nứt xảy ra ở các khu vực tiếp xúc trực tiếp với khí nóng (hot gas). Những vết nứt này trở nên đóng đầy cáu cặn bên trong khe nứt.

Mục tiêu của xưởng dịch vụ sửa chữa là sửa chữa các cơ phận này bằng cách điền lại các vết nứt bằng hợp kim hàn (kim loại bù).

Thật không may, các hợp kim hàn (Brazing alloys) không thể chảy vào các vết nứt chứa đầy cặn oxit.

Hình 1: Bằng cách thay đổi áp suất giữa các mức áp dương, áp âm và áp khí quyển, hệ thống buồng Làm sạch Ion Florua Động (Dynamic Fluoride Ion Cleaning - DFIC), hình thành khí HF thoát ra khỏi các vết nứt sâu và lỗ nhỏ để làm sạch hiệu quả hơn các khu vực khó tiếp cận bị oxy hóa.

Các siêu hợp kim niken (Ni) và coban (Co) thường chứa nhôm (Al) và titan (Ti) giúp cải thiện độ bền nhưng đã làm phức tạp thêm vấn đề. Sự có mặt của các nguyên tố này làm cho cặn hình thành chứa các cấu trúc tinh thể phức tạp rất khó để loại bỏ.

Một kỹ sư tại một xưởng sửa chữa cơ phận tuabin khí, cho biết: “Ở bề mặt ngoài của một khe nứt hẹp, cặn sẽ hình thành trong quá trình tuabin vận hành và chiếm một thể tích lớn. "Bạn không thể lấp đầy vết nứt bằng hợp kim hàn/bù, nếu vết nứt đã được lấp đầy bởi cặn oxit."

Theo phương pháp truyền thống được phát triển vào những năm 1970, đó là làm sạch bằng ion florua được thực hiện ở áp suất khí quyển để loại bỏ chất cặn oxy hóa. Tuy nhiên, các nghiên cứu về luyện kim học đã chỉ ra rằng nó chỉ cho kết quả tốt khi làm sạch các vết nứt rộng. Do có những hạn chế đối với việc sử dụng các hợp chất florua ở dạng bột và hoạt động ở áp suất khí quyển bình thường, nên nó khó xuyên qua các vết nứt hẹp, các quy trình ban đầu sử dụng một lượng bột xác định để tạo ra khí HF.

Do đó, khi sử dụng các hợp chất ở dạng bột, chẳng hạn như crom-florua, nhôm-florua hoặc PTFE (teflon), quy trình làm sạch thường phải được làm nhiều lần.

Khắc phục nhược điểm trên, phương pháp được gọi là Làm sạch Ion Florua Động (Dynamic Fluoride Ion Cleaning - DFIC), có khả năng làm sạch các vết nứt hẹp hơn bằng cách luân chuyển giữa áp suất âm, áp khí quyển và áp dương trước khi tiến hành hàn sửa vết nứt.

Quy trình DFIC, còn được gọi là Làm sạch Ion Hydrogen Fluoride (HF), do HF là kết quả của phản ứng của florua với các oxit khác nhau (trên bề mặt vết nứt). Khí HF có thể độc nếu nó thoát ra ngoài khí quyển.

Tuy nhiên, những cải tiến trong việc sử dụng các máy đo dùng cảm biến để giám sát khí rò rỉ và sử dụng các thiết bị điều khiển điện tử đã giúp cho việc vệ sinh các bộ phận trở nên an toàn hơn.

Ở nhiệt độ lớn hơn 955°C, ion florua sẽ phản ứng với các oxit hình thành trên bề mặt vết nứt, chuyển chúng thành florua kim loại ở thể khí. Điều này cho phép dòng khí này được đưa ra ngoài của vùng phản ứng.

Với DFIC, nhiệt độ phản ứng, nồng độ florua, mức áp suất và thời gian là các biến số được kiểm soát. Hệ thống điều khiển có thể được lập trình để làm sạch các loại hợp kim cụ thể, các độ rộng khác nhau của vết nứt, mức độ đóng cáu cặn và các quá trình oxy hóa khác nhau.

Trong quá trình làm sạch, khí HF và H2 được đưa vào buồng dần dần. Một chu trình làm sạch điển hình có thể bắt đầu từ 94% đến 96% hydro, nhưng có thể được thay đổi thành tỷ lệ 82:18 khí H2:HF, tùy thuộc vào kim loại nền.

Một số hệ thống có thể làm sạch ở áp suất dưới áp khí quyển từ 0,13 bar đến 0,86 bar trong khi vẫn ở nhiệt độ xử lý. Bằng cách thay đổi áp suất giữa các mức áp dương, áp âm và áp khí quyển, hệ thống tạo khí HF vào và ra khỏi các vết nứt và lỗ nhỏ (Hình).

Người ta đã sử dụng thiết bị DFIC để điều chỉnh áp suất từ thấp đến cao, để đẩy các ion florua xuống các chân của các vết nứt và giữ chúng ở đó một thời gian. Bằng cách thực hiện quá trình làm sạch trong điều kiện chân không, nhôm và titan bị làm cho cạn kiệt khỏi kim loại nền, và tạo ra một vùng bị bóc mòn sâu khoảng 0,0127mm. ”

Điều này cung cấp một lớp đệm là oxy dư trong buồng chân không có thể tái oxy hóa một phần đã làm sạch trong quá trình hàn sửa chữa. Vùng bóc mòn cho phép có đủ thời gian để chất điền hợp kim hàn (braze alloy) chảy và len lỏi vào các vết nứt trước khi quá trình oxy hóa xảy ra.
Các hợp kim của coban có thể phản ứng với florua để tạo ra một màng crom florua. Crom florua là hợp chất chịu nhiệt độ cao nhất trong số các loại florua kim loại. Kết quả là, nó không bay hơi ở nhiệt độ thông thường được sử dụng trong DFIC.

Nếu không có chân không, cơ phận phải được chuyển đến buồng chân không mà chịu nhiệt độ cao hơn và áp suất thấp hơn cần thiết cho đến khi crom florua bay hơi.

Tuy nhiên, florua tạo thành có thể gây ô nhiễm cho buồng hàn hoặc máy bơm chân không. Ở áp suất khoảng 0,2 bar, crom florua sẽ ở thể khí, vì vậy có thể làm sạch mà không để lại cặn trên mối hàn.

Ngoài ra, quá trình chân không kép này sử dụng ít HF hơn vì các ôxít bị bay hơi ở nhiệt độ và nồng độ HF thấp hơn khi thực hiện dưới khí quyển. Điều này cũng làm giảm nguy cơ tấn công giữa các hạt (Intergranular attack- IGA) hay Ăn mòn giữa các hạt (IGC - Intergranular corrosion), hoặc có thể làm thay đổi cấu trúc vi mô của kim loại được làm sạch về mặt hóa học.

Tìm kiếm Blog này