Hotline: 0918.343.696

Chuẩn bị mẫu hiện trường | In situ metallography preparation & Replica Technics

GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT REPLICA VÀ ỨNG DỤNG

Bài viết được tổng hợp từ bài viết của tác giả Phan Anh Tú - Trung tâm đánh giá hư hỏng vật liệu COMFA và bài Replication Microscopy Techniques for NDE của tác giả A.R. Marder, Energy Research Center, Lehigh University

I. Giới thiệu kỹ thuật Replica:

Kỹ thuật Replica hiểu một cách đơn giản là kỹ thuật sao chép cấu trúc bề mặt của cấu kiện bằng màng phim hay chất dẻo. Việc lấy mẫu được thực hiện tại hiện trường mà không cần cắt hay phá mẫu. Các mẫu replica thu được sẽ được phân tích, chụp ảnh trong phòng thí nghiệm bằng kính hiển vi quang học hay SEM.
Kỹ thuật Replica được sử dụng nhiều nhất để đánh giá sự hư hại của các cấu kiện nhà máy điện (ví dụ xác định mức độ chảy dão- lỗ rỗng dão của rotor hay ống hơi làm việc với nhiệt độ hơi >540oC ).
Ngoài ra trong công nghiệp thép KT Replica được dùng để đánh giá chất lượng, phân tích nguyên nhân hư hỏng của trục cán…
Về mặt kỹ thuật KT Replica có hai ứng dụng chính:
a) Nghiên cứu vi cấu trúc (lỗ rỗng chảy dão, sự tiết pha, kích thước hạt...) bằng kính hiển vi quang học, và kính hiển vi điện tử. Ứng dụng này gọi là Replica bề mặt.
b) Kiểm tra và xác định các hạt pha thứ cấp nhỏ bằng kỹ thuật chiết, tách. Ứng dụng này gọi là phương pháp replica chiết tách
Hình 1. Sơ đồ lấy mẫu replica bề mặt
hinh_2
Hình 2. Sơ đồ lấy mẫu replica chiết tách carbon dương bản
hinh_3_01
Các bước cơ bản của Replica bề mặt, tuỳ thuộc vào vật liệu, mà sử dụng các loại giấy mài kích cỡ hạt, vải đánh bóng và bột sệt hay dung dịch mài khác nhau, cũng như các loại chất tẩm thực được sử dụng. Đây là qui trình phổ biến mà Comfa sử dụng trong việc đánh giá cấu kiện thép Carbon.
- Mài bề mặt được lựa chọn bằng giấy mài đến số 600 (1200) và đánh bóng bằng hỗn hợp nhão kim tương 6 – 3 – 1 um
- Đánh bóng lại bằng dung dịch g - Al2O3 và tẩm thực 2 – 5% Nital (cho thép)
- Lấy mẫu Replica bằng màng film xenlulo axetat được làm mềm bằng dung môi
- Lấy mẫu Replica đã khô ra khỏi bề mặt kim loại, gắn nó lên miếng kính
- Bốc bay bề mặt cần nghiên cứu của mẫu Replica ban đầu bằng Cr, Al, hay Ag... để tăng độ tương phản
- Phủ một lớp cacbon để tăng độ phản xạ của bề mặt.
- Trong 1 số trường hợp, do qui trình mài/đánh bóng cơ khí vẫn chưa đạt, sẽ sử dụng đánh bóng và tẩm thực điện phân để có bề mặt hoàn toàn không vết xước.
Việc lựa chọn vật liệu replica phụ thuộc vào hình thể bề mặt của chi tiết và đặc điểm cấu trúc tế vi muốn được kiểm tra.
BẢNG SO SÁNH CÁC KỸ THUẬT SAO CHÉP

Loại

Lợi điểm

Nhược điểm

Replica bề mặt

Acetate

Acrylic

Cao su

 

Độ phân giải rất tốt

Xem trực tiếp

Dễ dàng bóc tách

 

Yêu cầu phủ

Dính

Độ phân giải

Replica chiết tách

 

 

Nhựa bóc trực tiếp

Dễ dàng chuẩn bị

Duy trì các phần tử

Triết carbon dương

Duy trì các phần tử rất tốt với việc tẩm thực cấp 2

Yêu cầu phủ

Triết carbon trực tiếp

Độ phân giải rất tốt

Không áp dụng cho hiện trương

Replica bề mặt

Phương pháp acetate, miếng acetate được làm ướt với aceton và áp lên bề mặt. Nếu bề mặt lớn thì nên sử dụng hỗn hợp ít bay hơi hơn như methyl acetate. Để cải thiện độ phân giải, mặt sau của replica có thể được sơn với mực đen hay sơn đen khô nhanh trước khi bóc nó ra khỏi bề mặt sao chép.

Phương pháp nhựa đúc acrylic, sử dụng bột pha với chất lỏng để làm vật liệu sao chép.Sau khi đông rắn, âm bản được sao chép có thể xem trực tiếp trên kính hiển vi quang học. Nếu nhựa quá dính thì nên dùng sơn Parlodian sơn lên bề mặt mẫu trước khi áp nhựa lên.

Phương pháp cao su nén, vật liệu cao su lỏng chưa đông được bơm lên bề mặt sao chép bởi 1 thiết bị súng bắn. Sau khi lấy ra, replica có thể được xem trực tiếp hoặc phủ để cho độ phân giải tốt hơn

Replica chiết tách

Sau khi mài và đánh bóng cơ xong, bước đầu tiên sử dụng tẩm thực mạnh để thấy được các phần tử quan tâm. Phương pháp replica chiết tách carbon dương, miếng film cellulose acetate được làm mềm trong dung dịch được áp lên bề mặt đã tẩm. Khi dung dịch bay hơi có nghĩa đã thực hiện bước 1. Miếng film có thể bóc ra khỏi bề mặt để lấy âm bản hay mẫu có thể tẩm tiếp lần 2 để phóng thích các phần tử đã lộ ra trong bước tẩm đầu tiên. Trong bước tẩm thứ 2, mẫu có thể được tẩm thông qua lớp nhựa, hầu hết các lớp nhựa có thể thấm dung dịch tẩm và mẫu có thể được tẩm nhanh chóng như không có miếng phim nhựa. Carbon sau đó bị bốc bay trong chân không vào replica nhựa. Carbon và nhựa chứa các phần tử bây giờ tạo thành 1 replica dương tính. Cellulose acetate sau đó bị phân huỷ và replica dương carbon được phép đem đi sấy khô.

Một số ưu điểm của KT Replica:
. Kỹ thuật rất gọn nhẹ và có thể thực hiện ở hiện trường
. Replica có thể dùng để kiểm tra chất lượng của cấu kiện máy được mua
. KT Replica là KT phân tích kim tương không phá huỷ và bổ sung rất tốt cho các NDT khác như kiểm tra siêu âm…
. Replica là lý tưởng cho cả bề mặt phẳng và cong
. KT Replica có thể dùng để đánh giá sự thay đổi của cấu trúc vật liệu trong quá trình làm việc của cấu kiện . KT Replica có thể được áp dụng cho nhiều loại vật liệu khác nhau
Nhược điểm:
-   Kỹ thuật này chỉ phân tích cấu trúc của bề mặt vật liệu / cấu kiện. Điều này cần chú ý khi nghiên cứu vì nhiều khi cấu trúc ở bề mặt vật liệu khác với cấu trúc bên trong nó.
-   Thành phần hoá học của các thành phần pha trong cấu trúc không thể phân tích được vì Replica chỉ làm rõ được tính chất về địa hình của bề mặt vật liệu, tuy thế kỹ thuật chiết tách bằng Replica lại có thể phân tích được các hạt tách ra từ bề mặt bằng SEM...
-   Kỹ thuật đòi hỏi thiết bị cầm tay chuyên dụng...
-   Có thể có vấn đề khi lấy mẫu Replica ở môi trường bẩn và độc hại.
Hình 3. Các khả năng thay đổi cấu trúc của vật liệu làm việc ở nhiệt độ cao
a) Dão; b) Mỏi; c) Ăn mòn ứng suất; d) Ăn mòn tinh thể
hinh_3_02
Hình 4: Sơ đồ đánh giá và xác định cấu kiện nguy hiểm
hinh_4
Hình 5. Đánh giá các cấp chảy dão của thép bainit theo vi cấu trúc (VdTUV 451-78/1)
hinh_5
BẢNG ĐÁNH GIÁ CÁC CẤP CHẢY DÃO CỦA CẤU KIỆN LÀM VIỆC Ở NHIỆT ĐỘ CAO

Loại    Cấu trúc tế vi Biện pháp
0 Vi cấu trúc không có thay đổi Không cần hành động đặc biệt
1

Các thay đổi bắt đầu hoặc các thay đổi tiếp theo

- Tiết pha mịn trong ferit

- Không hoặc tiết pha ít trên biên hạt

2

Thay đổi tiếp theo:

- Tiết pha cacbít trên biên hạt (dạng chuỗi)

- Các lỗ rỗng không tập trung nhiều ở biên hạt

Quan sát sự tiến triển, thường trong lần dừng hoạt động sau đó

 

 

3

Bắt đầu xuất hiện hư hỏng chảy dão:

- Các lỗ rỗng tập trung dọc biên hạt

- Bắt đầu hình thành nứt dọc 1 biên hạt

 

 

Xác định quy mô và sự phát triển của hư hỏng, chảy dão bằng các đợt kiểm tra phù hợp, giảm nhiệt độ, áp suất, nếu cần thiết phải sửa chữa hoặc thay thế
4

Hư hỏng chảy dão tiếp theo

- Nứt tế vi xuất hiện trên một số biên hạt

Có quyết định ngay về việc có vận hành tiếp, biện pháp như ở cấp 3
5

Suy thoái: Xuất hiện các vết nứt thô lớn hơn vài milimet

Không vận hành tiếp, sửa chữa hoặc thay thế

 

Hình 6. Đánh giá tuổi thọ dựa trên phân loại biến dạng dão (cấu trúc tế vi bainit)
hinh_6
Các thiết bị cơ bản và dụng cụ cần thiết để lấy mẫu Replica
Hình 7. Máy mài/ đánh bóng chuyên dụng
ELECTER-SET_1001
Hình 8. Bộ Replicating media dùng để lấy mẫu replica bằng chất dẻo; kính hiển vi xách tay
replica_mediakinh_hien_vi
Hình 9. Đĩa mài, đĩa cao su, giấy mài, vải đánh bóng tự dính; Bột đánh bóng kim cương dạng nhão
hinh_7hinh_8
II. MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ ỨNG DỤNG KT REPLICA 
ĐỂ NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC THÉP
Ảnh Replica mẫu thép ống lửa lò hơi (P295GH) tại DIELAC Biên hoà
hinh_10
Trái: Vùng lõm- 250x- xuất hiện cacbit ở biên hạt, đánh giá: cấp 2b
Phải. Vùng tốt- 250x- đánh giá: cấp giữa 1 và 2a
Ảnh Replica Heater Tag (Thái Lan) thép ASTM A691 Gr11
hinh_12
Cấu trúc ferrite+ pearlite Ảnh Replica Heater Tube (Thái Lan) thép A335
hinh_13
Cấu trúc tế vi của Replica chiết tích a) và phân tích vi hoá của các chất kết tủa b)
hinh_9
 

Bản quyền thuộc về công ty D.V.G