Siêu hợp kim niken: vì sao cánh tuabin chịu nóng hơn điểm chảy của nó

Cánh tuabin trong động cơ phản lực và tuabin khí phát điện làm bằng siêu hợp kim niken, loại bắt đầu chảy ở khoảng 1.300 °C, nhưng phải đứng trong dòng khí nóng có thể vượt 1.500 °C. Chúng sống sót nhờ ba lớp bảo vệ cùng lúc: hợp kim được đúc thành một tinh thể duy nhất không có biên hạt, bên trong khoét hệ kênh dẫn không khí làm mát thoát ra qua hàng trăm lỗ nhỏ, và mặt ngoài phủ lớp gốm cách nhiệt. Nhờ vậy kim loại thật sự chỉ chịu khoảng 1.000–1.100 °C.

Cánh tuabin phải chịu những gì?

Trong động cơ phản lực, không khí bị nén, trộn nhiên liệu và đốt cháy trong buồng đốt. Khí nóng phụt ra đi qua tầng cánh tuabin đầu tiên, làm tuabin quay để kéo máy nén phía trước. Tầng cánh này chịu điều kiện khắc nghiệt bậc nhất mà con người bắt kim loại chịu:

• Nhiệt độ: khí vào tuabin của động cơ hiện đại thường ở khoảng 1.400–1.700 °C, tuỳ thế hệ và chế độ chạy.
• Lực ly tâm: đĩa tuabin quay hàng nghìn tới hàng chục nghìn vòng mỗi phút. Mỗi cánh nặng chỉ vài chục tới vài trăm gam nhưng bị kéo ra ngoài bởi lực tương đương sức nặng của nhiều tấn.
• Ăn mòn và ôxy hoá: khí cháy chứa ôxy, hơi nước, đôi khi lưu huỳnh và muối biển hút vào từ không khí.
• Chu kỳ nóng lạnh: mỗi lần khởi động và tắt máy, cánh nở ra co lại, tạo ứng suất nhiệt.

Hư hỏng nguy hiểm nhất là dão (creep): ở nhiệt độ cao, kim loại chịu lực kéo liên tục sẽ dài ra từ từ dù lực nhỏ hơn giới hạn bền. Cánh tuabin dão dài thêm chỉ một chút cũng có thể cạ vào vỏ máy.

Siêu hợp kim niken là gì?

"Siêu hợp kim" là tên gọi nhóm hợp kim nền niken, coban hoặc sắt – niken được thiết kế để giữ độ bền ở nhiệt độ trên khoảng 700 °C. Hợp kim nền niken là nhóm quan trọng nhất cho cánh tuabin. Một siêu hợp kim điển hình có thể chứa hơn mười nguyên tố:

Điều kỳ diệu nằm ở pha gamma phẩy (γ′). Đó là những khối lập phương nhỏ cỡ nửa micrômét, xếp đều như gạch lát, chiếm tới khoảng 60–70% thể tích hợp kim. Pha này có tính chất hiếm: trong một khoảng nhiệt độ, nó càng nóng càng bền hơn, tới khoảng 700–800 °C mới bắt đầu yếu đi. Lệch mạng muốn đi qua các khối γ′ phải tốn rất nhiều năng lượng.

Từ thế hệ thứ hai trở đi, người ta thêm khoảng 3–6% reni, một trong những nguyên tố hiếm nhất vỏ Trái Đất, vì nó khuếch tán cực chậm và làm hợp kim chống dão tốt hơn hẳn.

Vì sao cánh tuabin được đúc thành một tinh thể duy nhất?

Kim loại đúc bình thường gồm vô số hạt tinh thể nhỏ, ngăn cách bởi biên hạt. Ở nhiệt độ thấp, biên hạt giúp kim loại bền hơn. Nhưng ở nhiệt độ cao, biên hạt lại là điểm yếu: các hạt trượt lên nhau dọc biên, nguyên tử khuếch tán nhanh theo biên, vết nứt dão bắt đầu từ đó.

Giải pháp đi qua ba bước, kéo dài từ thập niên 1960 tới 1980:

1. Đúc đa tinh thể thường: hạt mọc theo mọi hướng, biên hạt nằm ngang cánh, dễ dão.
2. Đông đặc định hướng: khuôn được rút chậm ra khỏi vùng nóng, kim loại đông từ chân lên đỉnh, hạt mọc thành cột dài dọc theo cánh. Không còn biên hạt nằm ngang chịu lực kéo ly tâm.
3. Đơn tinh thể: ở chân khuôn có một ống xoắn nhỏ hình lò xo, gọi là bộ chọn hạt. Nhiều hạt cùng mọc vào nhưng đường xoắn chỉ cho một hạt duy nhất lọt qua. Cả cánh tuabin là một tinh thể liền khối, không có biên hạt nào.

Bỏ được biên hạt, người ta cũng bỏ được các nguyên tố vốn thêm vào để gia cố biên hạt (như bo, cacbon, zirconi), những nguyên tố này lại làm hạ điểm chảy. Nhờ vậy hợp kim đơn tinh thể chịu nóng cao hơn thêm vài chục độ, con số rất lớn trong ngành này. Toàn bộ quá trình nấu và rót diễn ra trong lò chân không, theo phương pháp đúc mẫu chảy với khuôn vỏ gốm.

Lỗ làm mát hoạt động thế nào?

Cánh tuabin không đặc. Bên trong là hệ kênh ngoằn ngoèo, được tạo ra khi đúc nhờ những lõi gốm đặt sẵn trong khuôn, sau đó hoà tan lõi bằng hoá chất. Không khí lấy từ máy nén, "mát" tương đối (vẫn có thể vài trăm độ nhưng nguội hơn khí cháy rất nhiều), được dẫn vào chân cánh, chạy qua các kênh, rồi thoát ra qua hàng trăm lỗ nhỏ khoan bằng laser hoặc tia lửa điện trên mặt cánh.

Lớp khí thoát ra bám dọc bề mặt như một tấm chăn mỏng, gọi là màng làm mát, ngăn khí cháy chạm trực tiếp vào kim loại. Thiết kế hình dạng, góc và vị trí các lỗ là một trong những bí quyết được giữ kỹ nhất của các hãng chế tạo động cơ. Đổi lại, khí lấy đi để làm mát là khí không sinh công, nên làm mát càng nhiều thì động cơ càng tốn nhiên liệu; mỗi cải tiến vật liệu giúp bớt khí làm mát đều có giá trị kinh tế lớn.

Lớp phủ gốm cách nhiệt dày bao nhiêu?

Mặt ngoài cánh được phủ hai lớp. Lớp dưới là lớp kim loại liên kết (thường gồm niken hoặc coban, crom, nhôm, ytri) tạo màng ôxit nhôm bám chắc, chống ôxy hoá. Lớp trên là gốm zirconi ôxit ổn định bằng ytri, dày thường chỉ khoảng 0,1–0,3 milimét. Gốm này dẫn nhiệt rất kém, nên dù mỏng hơn tờ bìa, nó có thể làm nhiệt độ mặt kim loại thấp hơn mặt gốm khoảng một trăm độ hoặc hơn.

Lớp gốm thường được phun bằng plasma hoặc bằng chùm tia điện tử trong chân không, tạo cấu trúc cột nhỏ như bàn chải, cho phép gốm co giãn theo kim loại mà không bong. Lớp phủ bị mòn dần, nên khi bảo dưỡng lớn, cánh có thể được tháo, bóc lớp phủ cũ, kiểm tra và phủ lại.

Cộng lại, cánh tuabin chịu nóng hơn điểm chảy của nó bằng cách nào?

Các con số chỉ để minh hoạ thứ tự, thực tế khác nhau theo từng động cơ. Ý chính: kim loại không bao giờ thật sự chạm nhiệt độ của khí. Nó luôn đứng sau tấm chắn gốm và được làm mát từ bên trong, chạy ở khoảng 80–90% điểm chảy của chính nó. Không có vật liệu kết cấu thông dụng nào khác làm việc gần sát điểm chảy như vậy hàng chục nghìn giờ.

Góc nhìn hôm nay: siêu hợp kim ở quanh ta

Không chỉ máy bay, siêu hợp kim niken còn có trong tuabin khí của các nhà máy điện khí, như cụm nhà máy điện Phú Mỹ (Bà Rịa – Vũng Tàu cũ, nay thuộc Thành phố Hồ Chí Minh), trong bộ tăng áp ô tô, lò công nghiệp, thiết bị hoá chất. Bảo dưỡng tuabin khí là công việc kỹ thuật cao, có những xưởng sửa chữa, phủ lại cánh tuabin chuyên ngành.

Hướng nghiên cứu tiếp theo là vật liệu composite gốm – gốm (sợi gốm silic cacbua trong nền gốm), nhẹ hơn và chịu nóng hơn siêu hợp kim, đã bắt đầu dùng ở một số chi tiết động cơ mới. Ai muốn tìm hiểu có thể đọc chương vật liệu nhiệt độ cao trong giáo trình "Vật liệu học" hoặc các bài phổ biến khoa học của NASA về động cơ phản lực.