Xử lý nhiệt và bề mặt van
Lớp phủ bề mặt cho van và các kim loại nhẹ khác.
Khi lựa chọn hợp kim nhẹ, hầu hết các kỹ sư thường chỉ tập trung vào các hợp kim Al, Mg và Ti. Tuy nhiên, bài viết này sẽ khám phá những ứng dụng và lợi ích của một số hợp kim nhẹ ít được sử dụng hơn, chẳng hạn như Zirconium, Tantalum và Hafnium.
Những tiến bộ trong khoa học vật liệu và nghiên cứu về lớp phủ bề mặt đã dẫn đến việc hợp kim nhẹ trở thành một trong những kim loại được sử dụng nhiều nhất trong môi trường hoạt động khắc nghiệt. Từ áp suất cực lớn của ngành công nghiệp dầu khí đến các bộ phận chuyển động nhẹ nhưng bền chắc của máy bay, hợp kim nhẹ được sử dụng rộng rãi. Ngành y tế và quốc phòng cũng không hề xa lạ với việc sử dụng hợp kim nhẹ.
Hầu hết các kỹ sư và nhà khoa học vật liệu đều lựa chọn các kim loại nhẹ như nhôm, magie và titan để giải quyết những thách thức kỹ thuật khắt khe. Tuy nhiên, vẫn còn những kim loại nhẹ khác có các đặc tính riêng biệt, phù hợp với những ứng dụng hiệu năng cao rất đặc thù. Một số trong số đó ít được biết đến hơn, nhưng xứng đáng được chú ý như những loại được biết đến rộng rãi hơn.
Các kim loại van bao gồm các nguyên tố như zirconium và tantalum, nổi tiếng với khả năng chống ăn mòn cao, chịu được nhiệt độ khắc nghiệt, cùng với các đặc tính điện môi và siêu dẫn. Một số kim loại van không hấp thụ neutron và do đó được sử dụng rộng rãi trong việc sản xuất điện hạt nhân không phát thải.
Cũng giống như các kim loại nhẹ quen thuộc hơn, chẳng hạn như nhôm và magie, các đặc tính của kim loại van có thể được cải thiện bằng cách sử dụng lớp phủ bề mặt.
Các loại kim loại thay thế cho van có những lợi ích gì?
Các kim loại cấu thành van lõi được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Hầu hết chúng được sử dụng trong nhiều loại hợp kim thép và kim loại nhẹ để tăng cường độ bền và khả năng chống ăn mòn, cùng với các đặc tính khác. Và nhờ đặc tính chịu nhiệt và chống ăn mòn chung, các kim loại, hợp kim và oxit của chúng được sử dụng trong nhiều thiết bị phòng thí nghiệm và hóa học.
Do không hấp thụ neutron, chịu nhiệt và chống ăn mòn, hợp kim zirconium thường được tìm thấy trong đường ống, lớp vỏ thanh nhiên liệu và các bộ phận cấu trúc của nhà máy điện hạt nhân. Đặc tính chịu nhiệt của nó cũng giúp nó được sử dụng trong tàu vũ trụ, động cơ phản lực và các bộ phận tuabin khí. Zirconium còn được biết đến là loại đá bán quý giống kim cương – và zirconia khối (cubic zirconia) cũng rẻ hơn rất nhiều.
Niobi cũng được sử dụng trong các ứng dụng không gian và hàng không vũ trụ. Ở dạng này, nó được tìm thấy trong các vật liệu kết cấu cho xây dựng, giàn khoan ngoài khơi và trong các đường ống dẫn dầu khí. Với đặc tính siêu dẫn, niobi được sử dụng rộng rãi trong điện tử và nam châm được sử dụng trong thiết bị hình ảnh y tế như máy quét NMR và MRI, thường được kết hợp với zirconium.
Oxit niobi cho phép làm cho tròng kính mỏng hơn bằng cách tăng chỉ số khúc xạ của thủy tinh. Do không gây hại về mặt sinh lý và không gây dị ứng, các thiết bị như máy tạo nhịp tim và các thiết bị y tế khác có chứa hợp kim niobi. Lớp phủ bề mặt có thể được sử dụng để tạo ra một lớp trên cùng xốp giúp tăng tốc độ và sự thành công của quá trình tích hợp xương.
Lớp oxit điện môi hình thành trên bề mặt và khả năng được phủ mỏng lên các thành phần khác cho phép tantali trở thành một tụ điện hiệu quả cao và có kích thước nhỏ. Ở dạng này, nó được sử dụng trong điện thoại di động và các thiết bị điện tử khác. Và nó có chung các đặc tính tăng cường độ bền với các kim loại van khác, vì vậy nó thường được sử dụng trong mũi máy bay Concorde, vòi phun tên lửa và cánh tuabin. Tantali cũng được tìm thấy trong các thiết bị cấy ghép phẫu thuật, vì nó không độc hại và không gây ra phản ứng miễn dịch ở động vật có vú.
Các công nghệ xử lý bề mặt cho kim loại van
Mặc dù nhìn chung có đặc tính hiệu suất ấn tượng, kim loại van vẫn có một số điểm yếu. Ví dụ, hợp kim zirconium ở điều kiện nhiệt độ cao trên 900 độ C sẽ phản ứng với nước tạo ra khí hydro và làm suy giảm lớp vỏ thanh nhiên liệu hạt nhân.
Những đặc tính độc đáo của niobi cho phép nó hoạt động hiệu quả trong rất nhiều ứng dụng đòi hỏi cao. Tuy nhiên, khi chịu nhiệt độ cao hơn 400 độ C, nó bị oxy hóa và trở nên giòn. Tantalum, vốn rất trơ và do đó có khả năng chống lại hầu hết các axit và kiềm, có thể bị ăn mòn bởi kiềm được đun nóng, axit sulfuric nóng và axit hydrofluoric.
Tương tự như cách các kim loại nhẹ thông thường được cải tiến, những khuyết điểm về hóa học và cơ học của kim loại van cũng có thể dễ dàng được khắc phục. Lớp phủ bề mặt có thể bảo vệ chống lại các chất ăn mòn cụ thể, cung cấp khả năng chịu nhiệt bổ sung và có thể được thêm các chất phụ gia để cải thiện hiệu suất khác.
Một phương pháp là áp dụng công nghệ phủ bề mặt tiên tiến, chẳng hạn như oxy hóa điện phân plasma (PEO). Phương pháp này sử dụng bể điện phân và plasma để tạo ra lớp phủ giống gốm trên cả các kim loại nhẹ và kim loại van thông dụng. Lớp phủ PEO có nhiều đặc tính có lợi mà kim loại và hợp kim kim loại ban đầu cũng như các lớp phủ oxit cơ bản của chúng không có. Các nhà nghiên cứu tại Jewellok có nhiều kinh nghiệm trong việc phát triển các lớp phủ độc đáo giúp cải thiện hiệu suất của tất cả các kim loại van.