Nghiên cứu tạo lớp phủ bề mặt van cầu silo DN80 dùng trong nhà máy nhiệt điện bằng phương pháp HVOF

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu từ viết tắt Ý nghĩa từ viết tắt D Đường kính ngoài của mẫu thí nghiệm mm d Đường kính trong của mẫu thí nghiệm mm d1, d2 Đường chéo vết l

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS ĐINH VĂN CHIẾN

Hà Nội, tháng 4/2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng những điều được nêu ra trong luận văn thạc sĩ

kỹ thuật "Nghiên cứu tạo lớp phủ bề mặt van cầu Silo DN80 dùng trong nhà

máy nhiệt điện bằng phương pháp HVOF" là sự thật

Tác giả cam đoan không có sự sao chép nguyên văn từ bất kỳ luận văn nào hay nhờ người khác viết

Hà Nội, ngày tháng 4 năm 2019

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Tất Quyết

MỤC LỤC

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU IX DANH MỤC HÌNH VẼ x

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 3

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn 3

6 Bố cục luận văn 3

7 Lời Cảm ơn 4

CHƯƠNG 1TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ 5

1.1 Công nghệ phun kim loại 5

1.2 Vai trò của các phương pháp phun nhiệt 7

1.3 Các phương pháp phun nhiệt 8

1.3.1 Phân loại các phương pháp phun phủ 8

1.3.2 So sánh các đặc tính của các phương pháp phun phủ nhiệt phổ biến 14

1.4 Một số kết quả nghiên cứu về phun phủ nhiệt trên thế giới và ở Việt Nam 16

1.5 Một số vấn đề đặt ra cần nghiên cứu 19

Nhận xét chương 1 21

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHƯƠNG PHÁP PHUN PHỦ HVOF 22

2.1 Khái quát về sự hình thành lớp phủ HVOF 22

2.2 Cơ chế hình thành lớp phun 23

2.2.1 Quá trình chảy và sự phân tán kim loại phun 23

2.2.2 Quá trình bay các hạt 24

2.2.3 Sự hình thành lớp phun 24

2.3 Tính chất của lớp phun 26

2.4 Cấu trúc lớp phun 27

2.5 Độ bám lớp phủ 28

2.5.1 Lực bám dính của hạt kim loại lỏng lên trên bề mặt các chất rắn 28

2.5.2 Lực Vanderwall 30

2.5.3 Lực bám dính kim loại với kim loại 31

2.6 Độ xốp của lớp phủ 33

2.7 Độ cứngcủa lớp phủ 34

2.8 Các yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ 34

2.8.1 Ảnh hưởng của khoảng cách phun đến chất lượng lớp phủ 35

2.8.2 Ảnh hưởng của tốc độ trung bình dòng kim loại phun đến chất lượng lớp phủ 36

2.8.3 Ảnh hưởng của lưu lượng cấp bột phun đến chất lượng lớp phủ 36

2.8.4 Ảnh hưởng của việc chuẩn bị bề mặt phun 37

Nhận xét chương 2 38

CHƯƠNG 3 VẬT LIỆU, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 39

3.1 Vật liệu phun phủ 39

3.1.1 Chi tiết phun phủ 39

3.1.2 Vật liệu bột phun 40

3.2 Thiết bị thực nghiệm 41

3.2.1 Thiết bị phục vụ thực nghiệm 41

3.2.2 Thiết bị phun 42

3.2.3 Thiết bị đánh giá tổ chức và tính chất lớp phủ 46

3.3 Phương pháp đánh giá chất lượng lớp phủ 47

3.3.1 Phương pháp xác định độ cứng lớp phủ 47

3.3.2 Phương pháp chụp ảnh SEM và EDX-line scan lớp phủ 49

3.4 Lập quy trình phun 50

3.5 Lựa chọn thông số công nghệ phun 53

3.6 Chế tạo đồ gá tiện và phun chi tiết 54

3.7 Phương pháp phân tích phương sai và xây dựng hàm toán học 59

3.7.1 Phân tích phương sai 59

3.7.2 Phương pháp xây dựng hàm toán học 61

Nhận xét chương 3 61

CHƯƠNG 4THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 62

4.1 Mục tiêu 62

4.2 Tiến hành phun phủ thực nghiệm 62

4.3 Cấu trúc lớp phủ 63

4.3.1 Phân tích cấu trúc lớp phủ thông qua ảnh chụp tê vi và SEM 63

4.3.2 Phân tích sự phân bố thành phần lớp phủ bằng EDX – line Scane 69

4.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số phun đến độ cứng của lớp phủ 71 4.4.1 Kết quả đo độ cứng lớp phủ 71

4.4.2 Phân tích phương sai đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số phun 73

4.4.3 Xây dựng phương trình toán học về mối quan hệ của các thông số phun tới độ cứng 75

4.5 Mối quan hệ toán học và xu thế ảnh hưởng của thông số phun đến độ cứng của lớp phủ 78

4.5.1 Xác định sự ảnh hưởng của từng thông số V, m, L đến độ cứng lớp phủ 79

4.5.2 Ảnh hưởng đồng thời của hai thông số phun tới độ cứng lớp phủ 80

Nhận xét chương 4 83

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 84

KẾT LUẬN 84

KIẾN NGHỊ 85

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

PHỤ LỤC 90

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu

từ viết

tắt

Ý nghĩa từ viết tắt

D Đường kính ngoài của mẫu thí nghiệm (mm)

d Đường kính trong của mẫu thí nghiệm (mm)

d1, d2 Đường chéo vết lõm (µm)

Ec Mô đun đàn hồi của lớp phủ (Pa)

Es Mô đun đàn hồi của vật liệu nền (Pa)

F Diện tích bề mặt xung quanh lớp phủ tiếp xúc với mẫu (mm2)

lp Độ xốp lớp phủ (%)

h Chiều cao lớp phủ, (mm)

HVOF (High Velocity Oxy-Fuel) phun nhiệt khí tốc độ cao

L Khoảng cách từ đầu súng phun đến bề mặt kim loại nền (m) LPG Hỗn hợp nhiên liệu ở thể khí

m Lưu lượng cấp bột phun (kg/ph)

P Lực nén tiếp tuyến giữa mặt tiếp xúc của lớp phủ và bề mặt kim

lp Ứng suất bám dính của lớp phủ hợp kim với kim loại nền (MPa)

 Ứng suất bám trượt (MPa)

tc Độ dày của lớp phủ (m)

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

Tf Nhiệt độ lắng đọng (0C)

Tm Nhiệt độ nóng chảy của một lớp mỏng (°C)

TR Nhiệt độ môi trường (0C)

Ts Nhiệt độ của vật liệu nền (°C)

ts Độ dày của vật liệu nền (m)

V Tốc độ trung bình dòng kim loại phun (km/s)

αc Hệ số giãn nở nhiệt của lớp phủ (/0C)

αs Hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu nền (/0C)

σc Ứng suất do làm nguội (Pa)

σq Ứng suất do tôi (Pa)

m Trung bình của các tỉ số nhiễu ứng với từng mức i (i=1,2,3)

fHV Các giá trị tính được từ hàm hồi quy lý thuyết

(HV i)

f Các giá trị đo được từ thực nghiệm

nji Số thử nghiệm của yếu tố j ở mức i

CF Hệ số điều chỉnh yếu tố

T Tổng các kết quả thí nghiệm

Vj Bình phương trung bình phương sai các yếu tố

Pj Phần trăm phân bố ảnh hưởng

ST Tổng bình phương

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Bảng đặc tính một số phương pháp phun hiện nay 15 Bảng 3.1Thành phần vật liệu thép C45 40 Bảng 3.2 Thông số thiết bị của hệ thống phun HVOF sử dụng 51 Bảng 4.1 Kết quả đo độ cứng lớp phủ bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B trên nền thép C45 (van cầu silo DN80) bằng phương pháp phun HVOF 72Bảng 4-2 Phân mức và tỷ lệ ảnh hưởng của các yếu tố tới độ cứng lớp phủ 74 Bảng 4.3 Kết quả so sánh sự sai lệch giữa kết quả dự đoán qua hàm số với kết quả thực nghiệm 77

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Lịch sử phát triển của công nghệ phun phủ kim loại 5

Hình 1.2 Quá trình phun nhiệt theo từng nguồn cấp nhiệt 8

Hình 1.3 Sơ đồ phun nhiệt bằng ngọn lửa thông thường 9

Hình 1.4 Sơ đồ phun phủ bằng hồ quang 10

Hình 1.5 Sơ đồ phun phủ bằng Plasma 11

Hình 1.6 Nguyên lý công nghệ phun nổ 12

Hình 1.7 Sơ đồ phun phủ bằng HVOF 13

Hình 1.8 Các lĩnh vực ứng dụng công nghệ HVOF 16

Hình 1.9 Quá trình phun nhiệt tốc độ cao 19

Hình 2.1 Quá trình phun nhiệt theo giai đoạn 23

Hình 2.2 Sơ đồ trạng thái của lớp kim loại mỏng rơi trên bề mặt 26

Hình 2.3 Sơ đồ mặt cắt cấu trúc của lớp phủ phun nhiệt 28

Hình 2.4 Sự bám dính của giọt lỏng lên vật rắn 29

Hình 2.5 Hình dáng giọt lỏng 30

Hình 2.6 Biểu diễn cấu trúc rỗ xốp của lớp phủ phun nhiệt 33

Hình 2.7 Độ cứng phụ thuộc vào khoảng cách phun 35

Hình 2.8 Độ bám dính phụ thuộc vào khoảng cách phun 35

Hình 2.9 Quan hệ độ nhấp nhô bề mặt đến độ bám dính 37

Hình 3.1 Cụm van cầu Silo DN80 và van cầu Silo DN80 39

Hình 3.2 Hình ảnh bột phun 67Ni18Cr5Si4B 41

Hình 3.3 Máy tiện MAZAK_860 41

Hình 3.4 Máy phun cát DT300 42

Hình 3.5 Thiết bị phun HVOF bằng tay 42

Hình 3.6 Thiết bị phun HVOF bán tự động 43

Hình 3.7 Thiết bị phun HVOF tự động 43

Hình 3.8 Thiết bị phun HVOF tiên tiến 43

Hình 3.9 Sơ bộ lắp thiết bị phun phủ HVOF 44

Hình 3.10 Súng phun Hipojet - 2700 44

Hình 3.11 Bảng điều khiển thiết bị phun HVOF 45

Hình 3.12 Bộ phận cấp bột phun PF -2810 46

Hình 3.13 Máy đo độ cứng tế vi 401 MVD - Wilson Wolpert 46

Hình 3.14 Kính hiển vi khoa học Axioplan 2 - Carl Zeiss 47

Hình 3.15 Vết đo độ cứng và hình dạng vết đo độ cứng Vickers 48

Hình 3.16 Quy trình vết đo độ cứng Vickers 49

Hình 3.17 Máy đo độ cứng tế vi 401 MVD - Wilson Wolpert 49

Hình 3.18 Quy trình phun oxy-nhiên liệu tốc độ cao HVOF 52

Hình 3.19 Mặt cắt bản vẽ lắp cụm van cầu Silo DN80 54

Hình 3.20 Chi tiết van cầu silo DN80 55

Hình 3.21 Bệ gá cố định van cầu silo DN80 55

Hình 3.22 Van được lắp cố định vào bệ gá 56

Hình 3.23 Thớt gá kẹp dao tiện và súng phun 56

Hình 3.24 Bộ bánh răng thanh răng 57

Hình 3.25 Mặt cắt đứng chi tiết bản lắp ráp các chi tiết bộ đồ gá 58

Hình 3.26 Bộ đồ gá lắp 3D 58

Hình 3.27 Mặt cắt ngang chi tiết bản lắp ráp các chi tiết 58

Hình 3.28 Ảnh thực sử dụng bộ đồ gá trong sản xuất van cầu silo DN80 59

Hình 4.1 Hình ảnh van cầu trước, sau khi phun và sau khi gia công 63

Hình 4.2 Ảnh cấu trúc tế vi và vùng biên giới liên kết của lớp phủ với nền 64 Hình 4.3 Ảnh chụp tổ chức tế vi biên giới liên kết giữa lớp phủ với nền 65

Hình 4.4 Ảnh chụp tế vi lớp phủ có vết đo độ cứng theo hướng từ trong ra phía ngoài lớp phủ 66

Hình 4.5 Vùng biên giới liên kết giữa lớp phủ bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B và thép nền C45 trên mẫu chụp ảnh SEM 67

Hình 4.6 Phân tích vùng biên giới liên kết giữa lớp phủ bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B với bề mặt thép C45 trên mẫu chụp ảnh SEM 68

Hình 4.7 Phân tích line scan đường cho lớp phủ 70

Hình 4.8 Ảnh chụp 27 mẫu được chuẩn bị để đo độ cứng lớp phủ 71

Hình 4.9 Biểu đồ mức độ ảnh hưởng của các thông số phun V, m, L 75

đến độ cứng của lớp phủ 75

Hình 4.10 Biểu đồ tương quan giữa kết quả thực nghiệm và dự đoán qua hàm toán học dựa trên các thông số phun 78Hình 4.11 Ảnh hưởng của từng thông số phun V, m, L đến độ cứng lớp phủ 79Hình 4.12 Biểu đồ 3D biểu diễn mối quan hệ đồng thời của V và m tới độ cứng lớp phủ 80 Hình 4.13 Biểu đồ 3D biểu diễn mối quan hệ đồng thời của V, L tới độ cứng 81 Hình 4.14 Biểu đồ 3D biểu diễn mối quan hệ đồng thời của m, L tới độ cứng 82

Ở trong nước đã có một số nghiên cứu gần đây về sự ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến độ bám dính của lớp kim loại được phủ lên bề mặt chi tiết máy Nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ lưu lượng cấp bột, khoảng cách phun đến độ cứng, độ xốp, độ bám dính và độ mài mòn của lớp phủ bột hợp kim lên nền thép C45 Ngoài ra còn có một số các đề tài khoa

học cấp Bộ, Ngành về công nghệ phun HVOF cũng đã được thực hiện

Căn cứ vào các phương pháp phục hồi hoặc tạo bề mặt mới cho van cầu Silo DN80 trong các nhà máy nhiệt điện để lựa chọn các phương pháp phù

hợp đáp ứng được nhu cầu cấp thiết của nhà máy

Căn cứ theo thực trạng sử dụng của các loại van cầu Silo tro trong nhà

máy nhiệt điện, môi trường làm việc của chi tiết hiện nay

Căn cứ vào tính hình thực tiễn việc phục hồi, tạo mới lớp bề mặt có độ chịu nhiệt cao, chịu mòn do mài mòn lên bề mặt chi tiết

a, Van cầu bị mòn tròn đều b, Van cầu bị mòn theo tiếp tuyến với hình cầu

c, Van cầu bị mòn xuyên thủng

Hình 1 Các dạng mòn của van cầu

Với nhu cầu sản xuất tăng cao của các nhà máy nhiệt điện và từ những chi tiết van cầu được khảo sát trực tiếp tại các nhà máy nhiệt điện hiện nay thì

van cầu Silo DN80 hiện trạng có một số đã có những dạng hỏng như hình

trên

Những van cầu Silo DN80 này được lắp ở các đường ống dẫn thải tro bằng khí ở nhiều vị trí khác nhau trên đường ống để vận trải tro bụi ra ngoài sau khi đốt cháy ra ngoài các silo hút tro tĩnh điện Từ đó xả tro và vận chuyển đi những nơi khác Bề mặt van cầu Silo DN80 đóng mở tùy theo chế

độ cài đặt tự động của các nhà máy khác nhau Sự tiếp xúc giữa bề mặt van cầu với dòng khí chảy qua lẫn tro bụi dẫn đến tiếp xúc bề mặt tạo nên những

vết mòn trên bề mặt van

Theo đội ngũ kỹ thuật, vận hành của nhà máy nhiệt điện, van cầu Silo này chỉ có tuổi thọ khoảng 8-15 tháng Trên thị trường hiện này không có sẵn sản phẩm mà phải nhập khẩu hoặc cải tiến bằng phương pháp đúc trong nước Đã có những sản phẩm được làm trong nước nhưng phải đợi thời gian đúc rồi gia công rất lâu và mất thời gian, không chủ động được trong việc

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: van cầu silo DN80 có vật liệu nền là C45 có bán

kính mặt cầu là R72mm

Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu ảnh hưởng tốc độ trung tốc độ trung

bình dòng kim loại phun V = 0,8 ÷ 1(km/s), lưu lượng cấp bột phun m = 0,25 ÷ 45 (gam/phút) và khoảng cách phun L = 0,15 ÷ 35 (m), đến chất

lượng lớp phủ bột trên nền van cầu Silo DN80 thép C45 bằng phương pháp

phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF

4 Phương pháp nghiên cứu

Để đạt được mục đích nghiên cứu đã đề ra, phương pháp nghiên cứu là kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm

Lý thuyết: ứng dụng các lý thuyết, các tài liệu khoa học liên quan đến sự

hình thành và tính chất lớp phủ bột hợp kim trên nền thép Lý thuyết về xử lý

số liệu thực nghiệm

Thực nghiệm: tạo mẫu thực nghiệm, thiết kế và chế tạo đồ gá, phun trên

mẫu thực nghiệm; xác định chất lượng lớp phủ với bề mặt van cầu Silo DN80

có vật liệu nền thép C45

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn

Trên cơ sở tạo được lớp phủ bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B lên bề mặt van cầu Silo DN80 (nền thép C45) bằng phương pháp phun HVOF, làm cơ sở cho việc tạo lớp phủ hợp kim cứng trên nền thép C45 phục vụ chế tạo mới, phục hồi van cầu silo DN80 trong nước và các chi tiết khác có tính chất tương tự Kết quả nghiên cứu có thể làm tài liệu tham khảo và lựa chọn các phương pháp, thiết bị để phục hồi hay tạo mới các chi tiết bị hỏng bị mòn dạng van cầu trong các nhà máy nhiệt điện, một số chi tiết khác có mặt cầu tương tự Tạo thế chủ động trong nước và hạn chế nhập khẩu

6 Bố cục luận văn

Luận văn bao gồm phần mở đầu, 4 chương,

Chương 1 Tổng quan về công nghệ phun phủ

Chương 2 Cơ sở lý thuyết về phương pháp phun phủ HVOF

Chương 3 Vật liệu, thiết bị và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Chương 4 Thực nghiệm và đánh giá kết quả

7 Lời Cảm ơn

Trước tiên, tôi xin chân thành cảm ơn đến các thầy, cô trong Trường Đại học Mỏ địa chất và đồng nghiệp trong cơ quan, cùng các anh trong xưởng phun phủ thuộc Viện KHCN cơ khí, Tự động hóa và Môi trường, Mỹ hào, Hưng Yên, đã trang bị cho tôi nhiều kiến thức quý báu trong thời gian qua

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Đinh Văn Chiến, người hướng dẫn khoa học của luận văn đã tận tình giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Sau cùng, tôi xin cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và những người thân đã tận tình góp ý và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian nghiên cứu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ 1.1 Công nghệ phun kim loại

Công nghệ phun phủ kim loại đã được một kỹ sư người Thụy Sĩ tên là Max Ulrich Schoop phát minh ra từ những năm đầu của thế kỷ 20 [33], [34] Lúc đầu, phun phủ kim loại chỉ dùng cho mục đích trang trí Đến chiến tranh thế giới lần thứ hai, công nghệ này bắt đầu được sử dụng với quy mô rộng ở hầu hết các nước châu Âu và càng ngày càng tỏ ra có nhiều tính ưu việt trong các lĩnh vực như bảo vệ bề mặt, phục hồi, trang trí thay cho kim loại quý hiếm Đến những năm 1980 phun phủ kim loại đã trở thành một lĩnh vực khoa học công nghệ riêng được biểu hiện như một công nghệ xử lý bề mặt, mặt khác nó cũng giống như một phương pháp công nghệ chế tạo mới trong sản xuất

Hình 1.1 Lịch sử phát triển của công nghệ phun phủ kim loại

Để đánh giá sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ phun phủ nhiệt kim loại, dựa trên sự phát triển của công nghệ trên thế giới và sự phát triển của thiết bị và phạm vi ứng dụng trong công nghệ và thực tế sản xuất Lịch sử phát của công nghệ phun phủ được thể hiện như (hình 1.1)

Hiện nay công nghệ phun phủ nhiệt đang phát triển rất nhanh và ứng dụngrất phổ biến Sự phát triển của phun phủ nhiệt gắn liền với sự phát triển của thiết bị và vật liệu phun Đối với đầu phun phủ nhiệt, nhiều loại đầu phun

đã được chế tạo và ứng dụng các phương pháp phun phủ nhiệt khác nhau: đầu phun dùng nhiên liệu khí cháy, đầu phun hồ quang điện, đầu phun plasma, đầu phun dùng nhiên liệu cháy bằng oxy tốc độ cao HVOF (high velocity ox-ygene fuel), đầu phun bằng dòng cao tần, đầu phun bằng kích nổ, phun nguội Nguyên nhân dẫn đến ứng dụng phổ biến của phun phủ nhiệt bởi những ưu điểm:

1 Tiết kiệm nguyên vật liệu quý

2 Tạo các lớp vật liệu phủ có độ dày theo ý muốn

3 Với khả năng cơ động cao và dễ dàng điều khiển tự động, phun phủ nhiệt thích hợp cho việc chế tạo mới cũng như phục hồi chi tiết cũ; cũng có thể ứng dụng để xử lý tại chỗ, cục bộ đối với các kết cấu lớn hoặc chi tiết phức tạp

4 Nguồn năng lượng cách ly với bề mặt chi tiết, nhiệt độ bề mặt chi tiết khi phủ có thể giữ ở mức trên dưới 100oC Do vậy, có thể ứng dụng để phủ các loại vật liệu khác lên bề mặt các vật liệu dễ cháy như phủ lên gỗ, vải, giấy, polyme Đặc biệt, công nghệ này thích hợp cho việc xử lý các chi tiết dễ biến dạng do nhiệt (trục khuỷu động cơ, cánh bơm, cánh turbin )

Công nghệ phun kim loại ngày càng được quan tâm do có ý nghĩa quan trọng và quyết định đến tính chất của vật liệu lớp phủ vì nó tạo ra một lớp bề mặt có khả năng đáp ứng các điều kiện làm việc như chịu mài mòn, chống ăn mòn, chịu nhiệt Công nghệ phun phủ kim loại còn được sử dụng trong

nhiều lĩnh vực với các mục đích khác nhau như:

- Bảo vệ chống gỉ, chống ăn mòn trong môi trường khí quyển, môi trường

đất và nước

- Tạo ra lớp dẫn điện trên bề mặt không dẫn điện, dùng cho trang trí cho

các công trình kỹ thuật

- Phục hồi các chi tiết máy bị mài mòn

- Sửa chữa khuyết tật cho vật đúc hoặc các khuyết tật xuất hiện khi gia

công cơ khí, tiết kiệm được các kim loại quý hiếm

Hiện nay, công nghệ phun phủ kim loại nói chung và phương pháp phun nhiệt khí nói riêng tuy còn rất mới so với các công nghệ khác nhưng đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là trong cơ khí chế tạo máy, giao thông vận tải, dầu khí, hàng không và đã trở thành

một công nghệ không thể thiếu trong quá trình phục hồi chi tiết bị mài mòn

- Phun nhiệt có thể sử dụng vật liệu có cơ lý hóa tính khác nhau: kim loại, hợp kim, các bít kim loại, ô xít gốm, vật liệu chịu nhiệt, các vật liệu có nhiệt độ nóng chảy khác nhau, nhiệt độ làm việc không quá 800oC;

- Thiết bị phun nhiệt có thể tạo ra các tốc độ phun khác nhau phù hợp với

các loại vật liệu phun và yêu cầu bám dính khác nhau;

- Có thể phủ được các chiều dày khác nhau đến hàng chục mm

- Nhiệt độ bề mặt chi tiết được nung nóng do vật liệu phủ truyền nhiệt

sang, không vượt quá nhiệt độ chuyển biến pha, nên không gây chuyển biến

tổ chức, bảo đảm tổ chức và tính chất ban đầu của vật liệu nền

- Lớp phủ có độ bám dính với kim loại nền tốt, độ xốp nhỏ và ứng suất

dư âm, nên được sử dụng cho nhiều chi tiết chịu tải trọng phức tạp và chịu mỏi tốt

1.2 Vai trò của các phương pháp phun nhiệt

Phun nhiệt có thể ứng dụng rộng rãi với các loại vật liệu, bất kỳ vật liệu nào tan ra mà không phân hủy đều có thể sử dụng được.Trên thực tế để chế tạo chi tiết có yêu cầu làm việc trong điều kiện khắc nghiệt như: Chịu nhiệt độ cao, chịu xói mòn tốt, tính cách nhiệt tốt cần sử dụng vật liệu phức hợp và

tổ hợp nhiều công nghệ đặc biệt Trong nhiều năm qua, công nghệ hóa nhiệt luyện, thấm trên bề mặt các kim loại và phi kim, công nghệ điện hóa, công nghệ sơn phủ đã giải quyết được một phần yêu cầu làm việc của chi tiết nhưng công nghệ này có một số nhược điểm về kinh tế - kỹ thuật và môi trường Công nghệ phun phủ kim loại ra đời đã đáp ứng được cơ bản các vấn

đề trên, bằng phun phủ kim loại có thể tạo ra lớp: Chịu nhiệt, chịu mài mòn, dẫn điện, chống ăn mòn… cho các kết cấu thép làm việc trong môi trường, điều kiện khác nhau có thể làm tăng tuổi thọ mà không thay đổi công nghệ

chế tạo trước đó hoặc phục hồi được hình dáng kích thước của các chi tiết mà không cần phải chế tạo lại chi tiết mới hoàn toàn

1.3 Các phương pháp phun nhiệt

Cùng với quá trình phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, các phương pháp phun phủ nhiệt không ngừng được cải tiến và phát triển Nếu dựa theo nguồn nhiệt sử dụng để phun thì phun phủ nhiệt được chia làm 2 phương pháp chính đó là nguồn điện (hồ quang điện, plasma) và nguồn hóa (ngọn lửa khí cháy, HVOF ) Các phương pháp phun phủ nhiệt được giới thiệu khái quát như sau

1.3.1 Phân loại các phương pháp phun phủ

Các phương pháp phun phủ nhiệt hiện này thường sử dụng hai nguồn nhiệt chính đó là nguồn nhiệt sinh ra từ khí oxy-khí cháy và nguồn điện thông qua hệ thông phun tạo ra dải nhiệt độ cao làm nóng chảy hầu hết các loại vật liệu Quá trình phun nhiệt và phân loại theo nguồn nhiệt được mô tả trên hình

1.2

Hình 1.2 Quá trình phun nhiệt theo từng nguồn cấp nhiệt [23], [34]

Hiện nay phương pháp phun phủ nhiệt khí được sử dụng rộng rãi và đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như vũ trụ, hàng không,quốc phòng, giao thông, chế tạo máy Nguyên lý của một số các phương pháp phun phổ biến khác được trình bày dưới đây

 Phương pháp phun khí cháy thông thường

Phương pháp này dùng năng lượng từ nhiệt năng của phản ứng cháy giữa khí nhiên liệu với oxy để nung chảy vật liệu phun Trong phương pháp này được phân loại thành hai phương pháp theo dạng vật liệu được cấp là phun dây và phun bột

+ Phương pháp phun dây (hình 1.3) với vật liệu phun được cấp vào súng phun qua cơ cấu đẩy dây, từ đó dây phun được nung chảy bên trong bằng ngọn lửa Dưới tác động của nhiệt độ ngọn lửa, vật liệu phun được nung chảy sau đó được khí nén với áp suất cao phân tán thành các giọt nhỏ và tăng tốc trước khi đến va đập với bề mặt nền để hình thành lớp phủ Diễn biến quá trình cũng tuân theo nguyên lý chung của phun phủ nhiệt Các khí nhiên liệu này có thể là khí axetylen, khí propan hoặc hydro, dây sẽ bị nung chảy và bị đẩy về phía bề mặt phôi nhờ áp lực nén của dòng khí

+ Phương pháp phun bột (hình 1.3) dựa trên các nguyên tắc hoạt động giống như quá trình phun dây, tuy nhiên có sự khác biệt là các vật liệu phủ có dạng bột Nhờ vậy, vật liệu phun được sử dụng đa dạng hơn, bởi một số loại vật liệu như gốm, các bít là những vật liệu cải thiện tính chất bề mặt rất tốt nhưng không thể sản xuất dưới dạng dây

Hình 1.3 Sơ đồ phun nhiệt bằng ngọn lửa thông thường

- Ưu điểm: Giá trang thiết bị thấp, hệ số hiệu dụng vật liệu cao khi dùng

vật liệu dây

- Nhược điểm: Năng suất thấp, đặc biệt khi phun phủ dùng vật liệu có

nhiệt độ nóng chảy cao, chất lượng lớp phủ không cao và hệ số hiệu dụng vật liệu thấp khi dùng các vật liệu bột Chất lượng lớp phủ thấp chỉ phù hợp với lớp phủ chống mài mòn

 Phương pháp phun hồ quang điện

Phương pháp phun bằng hồ quang điện (hình 1.4) hồ quang được hình thành giữa hai đầu dây phun Lúc này hai đầu dây phun đóng vai trò là hai điện cực Hồ quang hình thành nung chảy dây phun, sau đó vật liệu dây phun sau khi bị nung chảy được dòng khí nén với áp suất cao đến tăng tốc, phân tách và tiếp tục tăng tốc trước khi đến va đập và hình thành lớp phủ Hồ quang được duy trì ổn định để nung chảy vật liệu phun nhờ cơ cấu cấp dây duy trì tốc độ phun theo cơ chế được tính toán đảm bảo khoảng cách giữa hai

đầu dây phun không thay đổi trong quá trình phun

Hình 1.4 Sơ đồ phun phủ bằng hồ quang [10], [28]

- Ưu điểm

+ Năng suất cao

+ Hệ số hiệu dụng năng lượng và hệ số sử dụng vật liệu phủ cao (0,6 

0,85)

+ Chất lượng lớp phủ khá tốt, độ bámdính cao

- Nhược điểm

+ Chỉ dùng được vật liệu dây kim loại để phun

+ Nhạy cảm với các khí hoạt tính

+ Một số Thiết bị chuyên dùng để phun kim loại bằng hồ quang điện

+ Chất lượng lớp phủ thấp (độ xốp cao, độ bám dính thấp)

 Phương pháp phun Plasma:

Phun Plasma (hình 1.5) là một tần số hồ quang cao được tạo ra bằng sự đánh lửa giữa 2 cực anode và cathode Các dòng khí chảy qua giữa các điện cực (ví dụ: khí He, H2, N2 hoặc hỗn hợp khí) sẽ bị ion hóa và tạo thành một chùm plasma Nhiệt độ trong chùm plasma rất cao các vật liệu phun được cung cấp từ bên ngoài vào dưới dạng bột qua các ống dẫn và được cấp vào vùng hồ quang plasma, tại đó chúng sẽ bị nóng chảy Sau đó chúng cũng được tăng tốc, phân tán thành hạt nhỏ và tiếp tục gia tốc để đến va đập với bề mặt chi tiết phun và tạo lớp phủ Đối với các ứng dụng chuyên ngành, quá trình này còn có thể phun dưới một môi trường khác đó là phun plasma trong một bầu không khí được kiểm soát dưới áp suất thấp (phun trong môi trường chân không), nó ngược lại với phun trong không khí (phun plasma trong khí quyển, hoặc APS), các hạt tan chảy và oxy hóa ít hơn nên lớp phủ khi phun trong

chân không có chất lượng cao hơn đáng kể

Hình 1.5 Sơ đồ phun phủ bằng Plasma [4]

- Ưu điểm:

+ Năng suất cao (2  8) kg/h với công suất (20  60)kW và năng suất (50

 80)kg/h với công suất (150  200)kW

+ Vật liệu phủ đa dạng và có nhiệt độ nóng chảy khác nhau

+ Tạo ra lớp phủ có chất lượng cao

- Nhược điểm:

+ Hệ số hiệu dụng năng lượng rất thấp, lớp phủ còn tồn tại độ xốp cao với phun plasma trong không khí, độ bám dính chưa cao, tiếng ồn lớn

 Phương pháp phun nổ

Phương pháp phun nổ là phương pháp kích nổ bằng khí, nguồn nhiệt tạo ra

do kích nổ có công suất nhiệt cao và vận tốc phần tử lớn (800 – 1300 m/s) Công suất nhiệt cao và áp suất lớn sẽ làm nóng chảy và phân tán vật liệu tạo thành dòng phần tử phun

Lúc đầu, trong buồng cháy một lượng hỗn hợp khí (năng lượng và oxi)

sẽ được nạp qua hệ thống nạp Nhờ tác động của bộ phận phóng điện (buji), hỗn hợp khí sẽ cháy, kết quả là xuất hiện sóng nhiệt tạo ra va chạm và sóng

nổ, trong kênh sóng nổ lan truyền gây ra sự cháy của hỗn hợp khí, đồng thời với sự nổ là việc cấp vật liệu phủ (dạng bột) vào buồng nổ (hình 1.6)

Hình 1.6 Nguyên lý công nghệ phun nổ [4]

Việc cung cấp bột có thể theo chiều trục và cũng có thể theo hướng kính (muốn đạt được chất lượng lớp phủ phải cung cấp bột đều dặn theo mặt cắt) Sau mỗi chu kỳ nổ, khí nén sẽ được cấp vào buồng phun để thổi làm sạch buồng phun.Tại miệng của đầu phun, ngọn lửa và dòng phần tử phun được tạo

ra Xung quanh đầu phun có hệ thống tuần hoàn nước làm mát bảo vệ đầu phun Buồng cháy là một hệ hở luôn mở, các chu kỳ diễn ra liên tiếp nhau trong buồng

CO, H2O, H2, O2, H, O, N đẽ phản ứng với vật liệu phủ làm xấu tính chất của lớp phủ; dễ gây biến dạng hoặc phá huỷ chi tiết, nhất là trong trường hợp chi tiết không đủ độ cứng vững (do sóng nổ)

 Phương pháp phun phủ bằng HVOF

Công nghệ HVOF (hình 1.7) là một sự bổ sung rất tốt vào các quá trình phun nhiệt vì được sử dụng nhiều so với các quá trình phun nhiệt khác Quá trình HVOF, có động năng cao và năng lượng nhiệt tương đối thấp, thuận lợi

cho các vật liệu phun như phủ vonfram các bít

Nguyên lý phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF như sau: Hỗn hợp của nhiên liệu ở thể khí (khí hydro, khí mê-tan, propan, propylen, axetylen, khí tự nhiên, ) hoặc các chất lỏng (dầu lửa ) và oxy được đưa vào buồng đốt chúng được đốt cháy và cháy liên tục tạo thành khí nóng với áp suất cao khoảng 10 bar qua vòi phun hội tụ - phân kì và đi qua một đoạn ống thẳng với vận tốc vượt quá tốc độ của âm thanh, bột phun được hòa trộn vào trong dòng khí đạt tốc độ lên đến trên 800 m/s Hỗn hợp dòng khí nóng và bột kim loại tan chảy trong dòng khí nóng và được phun lên bề mặt kim loại nền Kết quả

là hình thành các lớp phủ có độ xốp thấp và lực liên kết cao

Hình 1.7 Sơ đồ phun phủ bằng HVOF [4]

So sánh các phương pháp phun phủ cơ bản khác nhau bởi nhiệt năng và động năng truyền cho các hạt của quá trình phun Năng lượng nhiệt được xác định bởi nhiệt độ ngọn lửa đạt được và động năng của các hạt phun được vận tốc khí tạo ra Sự so sánh năng lượng của các quá trình phun để ứng dụng vào việc lựa chọn vật liệu phun như nhiệt độ cao của phương pháp phun plasma đặc biệt thích hợp cho các vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao, chẳng hạn như kim loại, gốm

- Ưu điểm của công nghệ phun HVOF

+ Mật độ cao hơn do tác động lớn của vận tốc hạt phun

+ Chống mài mòn tốt do độ cứng và độ bền của lớp phủ

+ Độ cứng được cải thiện tốt hơn do sử giảm các pha cacbit

+ Nâng cao bảo vệ chống ăn mòn do độ xốp thấp

+ Lực liên kết cao hơn giữa vật liệu nền và lớp phủ

+ Thành phần oxit thấp do thời gian tiếp xúc nhiệt ngắn

+ Thành phần hóa học của kim loại phun không thay đổi do thời gian tiếp xúc với nhiệt ngắn

+ Chiều dày lớp phủ cao do ít suất dư

+ Bề mặt lớp phủ láng mịn do vận tốc phun cao và kích cỡ hạt phun nhỏ

- Nhược điểm của công nghệ phun phủ HVOF

+ Công nghệ cực kỳ phức tạp, phụ thuộc vào nhiều vào sự thay đổi các thông số trong quá trình phun

+ HVOF phun đòi hỏi kinh nghiệm, nhân viên đủ điều kiện để đảm bảo hoạt động an toàn và để đạt được chất lượng phủ phù hợp

+ Kích thước bột được giới hạn trong một phạm vi hẹp, khoảng 5 - 60μm, với khả năng các nhà cung cấp hạn chế

+ Phải được thực hiện trong một phòng phun đặc biệt, với các thiết bị bảo vệ âm thanh và xử lý bụi phù hợp

+ Khó áp dụng cho việc phun bề mặt bên trong các hình trụ tròn đường kính nhỏ, do khoảng cách phun tối thiểu là 80 mm

1.3.2 So sánh các đặc tính của các phương pháp phun phủ nhiệt phổ biến

Đặc tính của các phương pháp phun được hình thành từ việc tạo ra nhiệt độ của ngọn lửa/ hồ quang làm nóng chảy của các vật liệu phun và tốc

độ phun của hạt ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ Các số liệu trong bảng 1.1 cho thấy khả năng tạo nhiệt độ trong buồng đốt và tốc độ bay của các hạt phun ứng với các phương pháp phun khác nhau

Bảng 1.1 Bảng đặc tính một số phương pháp phun hiện nay

Thông số Phun khí

cháy

Phun plasma

Phun HVOF Phun nổ

Phun hồ quang dây

Phun

nổ Nguyên liệu Bột/dây Bột Bột/dây Bột Dây Bột

Nguồn nhiệt

Sự đốt cháy H/hợp oxi-nhiên liệu

Plasma

Sự đốt cháy H/hợp oxi-nhiên liệu

Sự nổ H/hợp oxi-nhiên liệu

Hồ quang điện

Sự nổ H/hợp oxi-nhiên liệu

khí ( m/s ) < 300 200÷400 > 1500 3000 < 240 3000

Độ xốp ( %) 10 ÷ 15 1÷5 1 ÷ 2 < 1 5÷10 < 1

Độ bám dính

( MPa ) 8 < 70 > 70 > 70 >60 > 70 Nhiệt dẫn

(hình 1.8)

Hình 1.8 Các lĩnh vực ứng dụng công nghệ HVOF

Hệ thống phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF có nhiều thiết kế khác nhau, các loại có sự khác biệt thể hiện trong thiết kế kết cấu súng phun, nhưng tất cả đều dựa trên các nguyên tắc cơ bản giống nhau đó là sự kết hợp

áp lực và lưu lượng khí cao tạo ra vận tốc khí siêu thanh Tất cả các kết cấu súng phun đều gồm có một buồng đốt áp lực, một ống trụ hoặc phân kỳ Laval Một số thậm chí còn có một thùng sau những vòi phun, một phần cấp bột trong súng phun và một phần cấp bột ngoài Súng phun được cải tiến về

kỹ thuật theo từng giai đoạn để nâng cấp chất lượng và phù hợp hơn với quy trình phun

1.4 Một số kết quả nghiên cứu về phun phủ nhiệt trên thế giới và ở Việt Nam

Hiện nay, công nghệ phun phủ nhiệt được ứng dụng rộng rãi, bởi việc lựa chọn vật liệu phun và vật liệu nền trong phạm vi rộng Vật liệu được sử dụng chủ yếu trong phun nhiệt là kim loại và các bít Lớp phủ phun nhiệt chủ yếu được sử dụng để bảo vệ các chi tiết hoặc phục hồi từ các dạng mòn khác nhau như: bảo vệ bề mặt chi tiết trong ngành khai thác dầu mỏ, bảo vệ các kết cấu trong môi trường xâm thực, ngành công nghiệp ô tô và các ngành công

nghiệp hàng không, vũ trụ

Từ xu hướng nghiên cứu và những thành tựu đạt được của phương pháp phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF cho thấy rằng hướng nghiên cứu của

các tác giả đã tập trung vào việc nâng cao chất lượng lớp bề mặt của chi tiết bằng cách phủ lên bề mặt của chi tiết một lớp kim loại hoặc hợp kim có tính chịu nhiệt, chịu mài mòn cao, nhằm đáp ứng các điều kiện làm việc khác nhau Ở Việt Nam, công nghệ phun phủ nhiệt đang nằm trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển, ứng dụng của các nước trên thế giới Với những đề tài nghiên cứu của cấp Bộ, cấp nhà nước cho ta thấy công nghệ phun phủ

nhiệt mang lại một số hiệu quả nhất định như sau:

Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của khoảng cách phun, vận tốc phun, lưu lượng phun đến độ xốp, độ bám dính lớp phủ bột hợp kim Cr20Ni3 trên nền trục thép 40Cr bằng phương pháp phun nổ ”, ứng dụng kết quả nghiên cứu vào phục hồi trục khuỷu xe tải CAT 773E tập đoàn than - khoáng sản Việt Nam làm cho tuổi thọ tăng gấp 4 lần so với mua mới và giá thành chỉ

bằng 30% mua mới

Đề tài “Nghiên cứu xác định độ cứng, độ bám dính, độ bền uốn lớp phủ bột hợp kim Ni-Cr-B-Si trên nền thép CT38” kết quả nghiên cứu ứng dụng vào phục hồi trục piton thủy lực, đế piton bơm tại công ty kỹ nghệ hàn Việt

Nam đảm bảo yêu cầu đề ra

Và có một số đề tài nghiên cứu khác theo hướng ứng dụng đã và đang nghiên cứu như: Nghiên cứu độ cứng, độ chịu mài mòn lớp phủ bột các bít crom 75Cr3C2-25NiCr bằng phương pháp phun Plasma, nghiên cứu xác định

độ cứng, độ xốp, độ bám dính và độ chịu mài mòn của lớp phủ hợp kim 67Ni18Cr5Si4B trên nền thép C45 bằng phương pháp Plasma, nghiên cứu ảnh hưởng của khoảng cách phun, áp suất khí thổi, áp suất oxy đến độ bền bám dính, độ bền bám trượt, độ bền kéo lớp phủ Ni-Cr-Si-B trên thép C45

phun theo phương pháp ngọn lửa oxy axetylen

Để nâng cao năng suất, chất lượng trong quá trình phun, người ta đã chế tạo ra các loại đầu phun khác nhau như: Đầu phun bột kim loại, đầu phun dùng nhiên liệu khí cháy, đầu phun hồ quang điện, đầu phun bằng dòng cao tần, đầu phun Plasma với dây chuyền phun tự động Song song với sự phát

triển của các thiết bị và dây chuyền phun tự động đó người ta còn nghiên cứu

về công nghệ phun với những vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao (như vật liệu

gốm Ceramic, các loại cacbit, các loại oxit kim loại khác )

Trên thế giới nhiều nước tiên tiến đã hình thành các các trung tâm hay hiệp hội để nghiên cứu và ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt: Hiệp hội phun phủ nhiệt Nhật Bản - JTSS, Hiệp hội phun phủ nhiệt Mỹ - ATSS; viện Công nghệ Bombay (Ấn Độ); Viện Khoa học vật liệu quốc gia Tsukuba, Ibaraki (Nhật Bản) Ngoài ra, còn có các hãng thiết kế, sản xuất thiết bị và ứng dụng công nghệ phun phủ kim loại như: Hãng Plasma Technique, Castolim (Thụy

sĩ), Volvoflemotor (Thụy Điển) với các dây chuyền công suất cao

Đã có nhiều công trình nghiên cứu về công nghệ phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF được cấp bằng sáng chế như: Edward Miller và cộng sự đã nghiên cứu công nghệ phun nhiệt HVOF, vật liệu nóng chảy được phun với tốc độ

cao, kết quả cho thấy lớp phủ có độ bám dính tốt và độ cứng cao

Warren Nelson và cộng sự đã nghiên cứu về độ xốp khi phủ 2 lớp vật liệu MCrAlY/Polyester bằng công nghệ phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF, kết quả cho thấy khi phủ 2 lớp sẽ làm tuổi thọ của lớp phủ và tuổi thọ của vật liệu

nền tăng

Jie Chen và cộng sự nghiên cứu lớp phủ thép không gỉ 316L bằng công nghệ phun nhiệt HVOF, hệ thống phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF áp suất cao với áp suất buồng đốt lên đến 3,0 MPa sử dụng ngọn lửa thấp và tốc độ cao thực hiện lớp phủ thép không gỉ 316L, kết quả cho thấy áp suất buồng đốt cao hơn khi vận tốc cho phép của hạt cao hơn Tỷ lệ oxy nhiên liệu và khoảng

cách phun có ảnh hưởng nhiều tới trạng thái nóng chảy của hạt

Một trong những phương pháp phun nhiệt được ứng dụng rộng rãi đó là công nghệ phun nhiệt HVOF Về bản chất, các lớp phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF rất đa dạng phức tạp, các đặc tính và cấu trúc tế vi của lớp phủ phụ thuộc rất nhiều vào thông số của quá trình phun Mặc dù lớp phủ phức tạp, nhưng công nghệ HVOF vẫn được sử dụng rộng rãi trong thực tế, cho phép sử

dụng các loại vật liệu khác nhau để tạo lớp phủ trong điều kiện khác nhau, môi trường làm việc khắc nghiệt như: ăn mòn, mài mòn và nhiệt độ cao

Sự phát triển của phương pháp này là một bước tiến quan trọng trong các ngành công nghiệp và đây cũng là lĩnh vực có những bước tiến mới với tốc độ phát triển nhanh chóng, điều này đã tác động tới nhiều lĩnh vực trong các ngành công nghiệp và đã mang lại hiệu quả trong ứng dụng thực tiễn

1.5 Một số vấn đề đặt ra cần nghiên cứu

Phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF là một quá trình rất phức tạp, trong đó

có một lượng lớn các thông số ảnh hưởng đến việc hình thành lớp phủ Những thông số này bao gồm đặc điểm phần cứng (kết cấu hình học súng phun) và thông số quá trình phun như: khí đốt, mật độ dòng khí, và bột nguyên liệu, chế độ phun (khoảng cách, góc phun, tốc độ di chuyển giữa chi tiết với súng phun, dịch chuyển giữa các lớp phun…) Trong quá trình phun, các hạt bột được đưa vào vùng nhiệt độ rất cao và tốc độ lớn nên đã nhanh chóng nóng lên đến nhiệt độ nóng chảy của nó hoặc cao hơn Nhiệt độ cao này có thể gây

ra sự bay hơi của bột hoặc một số thành phần của nó thậm chí có thể dẫn đến

sự chuyển đổi thành phần Do tính chất phức tạp này của kỹ thuật phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF nên để đạt được lớp phủ với đặc tính mong muốn là một việc rất phức tạp như hình 1.9 mô tả sự tương tác trong quá trình phun để hình

thành lên lớp phủ

Hình 1.9 Quá trình phun nhiệt tốc độ cao HVOF [34]

Dựa trên nguyên lý tạo thành lớp phủ hình 1.9 cho thấy, để lớp phủ đạt được tính chất theo yêu cầu thiết kế thì đó là sự kết hợp rất nhiều yếu tố: từ vật liệu nền, vật liệu phun, kết cấu súng phun, nhiên liệu phun, áp suất buồng đốt, nhiệt độ hạt, tương tác của hạt trong quá trình bay với môi trường, nhiệt

độ hạt, khoảng cách bay, tương tác của dòng hạt lên bề mặt nền, chuyển động tương đối giữa chi tiết và đầu phun Tuy nhiên, bản chất của quá trình hình thành lớp phủ phun nhiệt là hiệu quả của quá trình va đập Chúng chịu sự chi phối của tất cả các thông số quá trình phun, bởi các thông số đó làm cho trạng thái năng lượng, nhiệt độ hạt thay đổi dẫn đến sự va đập có hiệu quả khác nhau Từ đó chất lượng lớp phủ hình thành khác nhau Ngoài ra, còn có nhiều các yêu tố khác Tuy nhiên, qua khảo sát các kết quả của các công trình công

bố khác cho thấy, vận tốc trung bình của phần tử phun, lưu lượng phun, khoảng cách phun là ba trong số những thông chính ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ

Phương pháp phun HVOF có nhiều ưu điểm nổi bật mà các công nghệ khác không có được Công nghệ này được nhập ngoại, trong quá trình tiếp nhận và

sử dụng thiết bị, về tính năng cơ bản của thiết bị đã được các nhà cung cấp khuyến cáo và đưa ra hướng dẫn sử dụng Nhưng khi sử dụng phải lựa chọn điều chỉnh các thông số chế độ phun cho phù hợp với các điều kiện thực tiễn (vật liệu, biên dạng chi tiết, yêu cầu làm việc, loại khí cháy, ) Các thông số trong phun HVOF nhiều và rất phức tạp, do vậy để đưa ra thông số phun cho mỗi loại ứng dụng khác nhau cần có nhứng nghiên cứu thăm dò và đánh giá

Để từ đó chọn lựa được thông số cho chất lượng cao nhất Có như vậy mới có thể khai thác hết ưu điểm của phương pháp phun HVOF là cho chất lượng lớp phủ cao Do đó việc nghiên cứu ứng dụng phương pháp này là rất cần thiết Trên cơ sở phân tích, lựa chọn ba thông số phun chính là vận tốc trung bình phần tử phun, lưu lượng phun, khoảng cách phun là ba thông số nghiên cứu đến độ cứng lớp phủ 67Ni18Cr5Si4B trên chi tiết van cầu Silo DN80 để cải thiện khả năng chống mài mòn

Nhận xét chương 1

Từ việc nghiên cứu tông quan về lĩnh vực phun phủ HVOF trên thế giới

và Việt Nam đã xác định được:

1 Phun phủ nhiệt là giải pháp rất hiệu quả cho các ứng dụng tạo bề mặt chi tiết có đặc tính làm việc cao, nhất là trong các ứng dụng phục hồi Phun phủ nhiệt được nghiên cứu ứng dụng rất phổ biến trên thế giới, đặc biệt là trong các ứng dụng tạo lớp phủ chống mài mòn, ăn mòn

2 Phun HVOF được lựa chọn để phun thực nghiệm trong nghiên cứu của luận án bởi chất lượng lớp phủ cao, nổi trội so với các phương pháp phun phổ biến khác

3 Ở nước ta hiện nay, các nghiên cứu và ứng dụng còn hạn chế, chưa đáp ứng được nhu cầu trong thời kỳ công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước

Do đó, nghiên cứu ứng dụng phun phủ nhiệt HVOF trên chi tiết van cầu Silo DN80 trong các nhà máy nhiệt điện bằn vật liệu hợp kim cứng 67Ni18Cr5Si4B là rất cần thiết

4 Đã xác định được mục tiêu nghiên cứu của luận án là xác định ảnh hưởng của vận tốc trung bình của phần tử phun, lưu lượng cấp bột phun và khoảng cách phun đến độ cứng lớp phủ Trên cơ sở đó lựa chọn được các vùng thông số hợp lý khi áp dụng vào thực tế nhằm đảm bảo chất lượng lớp phủ có độ cứng cao để tăng khả năng chịu mài mòn, tạo cơ sở khoa học cho việc hình thành lớp phủ đáp ứng yêu cầu kịp thời sản xuất, hạ giá thành sản phẩm, hạn chế nhập ngoại phù hợp với điều kiện sử dụng trong nước

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHƯƠNG PHÁP PHUN PHỦ HVOF 2.1 Khái quát về sự hình thành lớp phủ HVOF

Có nhiều lý thuyết về sự hình thành lớp phun:

-Lý thuyết của Pospisil- Sehyl

-Lý thuyết của Shoop

-Lý thuyết của Schenk

-Lý thuyết của Karg, Kathsch, Reininger

- Theo Pospisil - Sehy cho rằng: lớp phun bằng kim lại xuất hiện là do các giọt kim loại lỏng phun bằng một dòng khí nén với tốc độ cao ( trung bình khoảng 20m/ giây) Các giọt này bị phá vỡ thành rất nhiều hạt nhỏ Dạng của các hạt này đặc trưng bởi kim loại của nó Theo bản chất có thể chia thành hai

nhóm

+ Các kim loại mà oxit của nó khi phun ở thể lỏng luôn tạo thành các hạt

có dạng hình cầu

+ Các kim lại mà oxit của nó khi phun ở thể rắn sẽ tạo thành những hạt

có dạng không đồng đều ( đa cạnh)

- Dạng của các hạt khi bay hoàn toàn không thay đổi mà chủ yếu xảy ra hiện tượng oxy hóa Sự oxy hóa kim loại thực chất bắt đầu xảy ra từ quá trình làm chảy dây phun và trong thời điểm tạo ra các hạt nhỏ một phần lớn các oxit sinh ra trong quá trình bay các hạt Nghĩa là khi các giọt kim loại lỏng bắt đầu tách các hạt nhỏ thì bề mặt của các hạt cũng bắt đầu tăng lớp oxit Số lượng oxit nhiều hay ít là nhân tố chính ảnh hưởng đến chất lượng lớp phun

Từ các thực nghiệm tác giả lý thuyết này kết luận rằng các phần tử kim loại

trong thời điểm va đập trên bề mặt phun là chất lỏng

Theo Schoop cho rằng: khí nén cung cấp năng lượng cho các hạt kim loại khi va đập lên bề mặt bị phun có sự thay đổi nhiệt Khi rời khỏi miệng phun bắt đầu bị nguội và đông đặc rất nhanh do tác dụng của dòng khí nén

Trong thời điểm va đập chúng sẽ biến dạng dẻo do vậy chúng liên kết với nhau thành những lớp liên kết khá chắc Nhiệt độ của tia kim loại bị giảm xuống rất thấp còn khoảng 50 0C đến 100 0C Nên có thể phủ lên chúng vật liệu dễ cháy mà không xảy ra sự cháy vật liệu nền.

Theo Schenk thì nhiệt độ của các hạt phun phải ở trên nhiệt độ chảy lỏng

để xảy ra sự hàn chặt chúng lại với nhau

Theo Karg, Katsch, Reininger thì những hạt hạt kim loại bị nguội và đông đặc là do tác động của các nguồn động năng của khí nén Mặt khác trong quá trình đi từ vòi phun các hạt đã ở trạng thái nguội như vậy sẽ không

xảy ra hiện tượng biến dạng dẻo

2.2 Cơ chế hình thành lớp phun

Trên cơ sơ phân tích các lý thuyết trên, cơ chế hình thành lớp phun có thể mô tả như sau: Pha đầu của quá trình phun kim loại đặc trưng bởi sự chảy của đầu dây phun Pha thứ hai là sự tách các hạt kim loại đặc trưng bởi sự chảy của đầu dây phun Pha thứ hai là sự tách các hạt kim loại từ đầu dây, tiếp

đó là quá trình bay và va đập của các hạt kim loại trên bề mặt được chuẩn bị

và cuối cùng là sự hình thành lớp phun kim loại bằng mối liên hệ của chúng

với bề mặt kim loại nền

Hình 2.1 Quá trình phun nhiệt theo giai đoạn

2.2.1 Quá trình chảy và sự phân tán kim loại phun

Khi dòng khí vận chuyển vật liệu phun nóng chảy ra khỏi miệng súng phun, các giọt nóng chảy có áp suất cao tiếp xúc với khí quyển có áp suất thấp, làm áp suất bên trong các giọt nóng chảy bị giảm đột ngột và chúng

bung ra thành nhiều hạt nhỏ dạng sương mù, theo nguyên lý tạo hạt phun Sự phân tán của các giọt kim loại dưới tác dụng của áp suất và nhiệt độ khí tùy

thuộc vào áp lực dòng khí cháy và đường kính của miệng phun

2.2.2 Quá trình bay các hạt

Toàn bộ quá trình bay của các hạt từ lúc hình thành giọt kim loại đến khi

va đập trên bề mặt vật phun xảy ra rất ngắn ( khoảng 0,002 ÷ 0,008 giây) Trong quá trình bay của các hạt chủ yếu chỉ xẩy ra sự oxy hóa, do vậy các phần tử phun kim loại bị bao bọc bằng một lớp oxit, lớp này sẽ lớn dần lên

theo khoảng cách bay

Các hạt kim loại chảy lỏng di động trong luồng không khí nén có tốc độ rất lớn Ngoài ra các phần tử còn bị ảnh hưởn của rất nhiều yếu tố, biểu hiện ở những phản ứng không đồng nhất Khi phun kim loại cần lưu ý những vấn đề

sau

1/ Các hạt kim loại bay ra ở trạng thái lỏng hay trạng thái đông đặc 2/ Các phần tử phun luôn bị thay đổi tốc độ bay trong trường gia tốc 3/ Các hạt luôn phản ứng với môi trường xung quanh chứa oxy, nitơ, hydro, hơi nước và các thành phần hóa học khác

4/ Khả năng hòa tan khí phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ và áp lực riêng của

nó

2.2.3 Sự hình thành lớp phun

Quá trình hình thành lớp phun bằng phun kim loại tương đối phức tạp Trên cơ sở thực nghiệm người ta xác định rằng: các phần tử kim loại trong

thời điểm va đập lên bề mặt vật phun ở trạng thái lỏng và bị biến dạng rất lớn

Để hiểu được sự hình thành lớp phun cần chú ý tới các hiện tượng xẩy

ra khi va đập của các phần tử lên mặt ( vật liệu nền ), cụ thể là hai vấn đề sau:

-Thứ nhất là động năng của các phần tử va đập lên bề mặt phun gây biến dạng rất nhanh và mạnh Năng lượng này được xác định bằng tốc độ của

các phần tử và khối lượng của chúng

𝐸𝑘 = 1

2 m.V2 (2-1)

Bởi vậy, các phần tử có độ lớn khác nhau sẽ có động năng khác nhau (khi chúng có cùng một tốc độ) Tốc độ bay của các phần tử là yếu tố chính

để xác định sự biến dạng của các phần tử Amold đã tính toán tốc độ cần thiết

cho một vài kim loại khi va đập lên bề mặt

chi tiết phun theo chương trình:

+ m: khối lượng của phần tử phun

+ V: tốc độ của các phần tử khi va đập, m/giây

vỏ cứng; khả năng biến dạng của nó chủ yếu xác định bằng lớp vỏ bọc này

- Khả năng biến dạng của phần tử thép với lớp màng mỏng oxit ở trạng thái lỏng phụ thuộc vào sự biến dạng của các phần tử trước nó không kết thúc ngay mà còn tiếp diễn do tác dụng của các phần tử sau, giống như tác dụng của quá trình rèn Sự biến dạng của các phần tử xảy ra rất nhanh Bởi vậy, khi các phần tử sau va đập lên các phần tử trước thì các phần tử này còn ở trạng thái lỏng hoặc trạng thái sệt, do đó giữa chúng dễ dạng xảy ra sự liên kết với nhau

2.3 Tính chất của lớp phun

Trong lớp phủ phun nhiệt tồn tại oxit và độ xốp Trong quá trình bay từ

súng đến bề mặt nền, các hạt có sự tương tác hóa học và vật lý với môi trường xung quanh Lớp phủ phun nhiệt được cấu tạo gồm các lớp mỏng có đường biên nằm song song với bề mặt nền Mỗi lượt phun thường có từ 5 đến 15 lớp mỏng, tùy thuộc vào các thông số phun (lưu lượng cấp bột phun, khoảng cách phun, kích thước hạt bột phun, tốc độ di chuyển của đầu phun)

Các điều kiện hình thành biên liên kết giữa các lớp và giữa các hạt được xác định bởi khoảng thời gian chúng tồn tại trong khí quyển

Trong khi phun, thời gian tương tác giữa các hạt với môi trường xung quanh rất ngắn, sau đó bị đông đặc và nguội đi nhanh chóng làm mất khả năng tương tác Do thời gian ngắn như vậy nên quá trình khuếch tán không sâu và ít ảnh hưởng tới độ bám của hạt Sự gắn kết của hạt với nền, chủ yếu phụ thuộc vào mức độ liên kết vật lý, mà biểu hiện bề ngoài của nó là sự xuất hiện những khoảng bám dính trên mặt tiếp xúc Sự hình thành lớp phun là quá trình xếp vô số và liên tiếp các hạt phun bị biến dạng lên bề mặt nền, khi các các hạt phun tiếp xúc với nhau hoặc tiếp xúc với bề mặt mà không điền đầy khít không gian sẽ gây ra hiện tượng rỗ xốp trong lớp phủ Quá trình tiếp xúc vật lý không hạn chế sự tương tác bởi vì dưới tác động xung lực thì các hạt nóng chảy sẽ nhanh chóng bị dàn mỏng ra và bị ép vào mặt lớp nền Dưới đây

là hình ảnh về hình thái của lớp kim loại mỏng va đập trên bề mặt kim loại nền được biểu diễn trong hình 2.2, sơ đồ mặt cắt cấu trúc tế vi của lớp phủ

phun nhiệt được thấy rõ

Hình 2.2 Sơ đồ trạng thái của lớp kim loại mỏng rơi trên bề mặt

Chất lượng và các tính chất của các lớp phun nhiệt chủ yếu được xác định bởi kích thước, nhiệt độ và tốc độ di chuyển giữa các giọt kim loại khi

va chạm vật phun, và bởi mức độ oxy hóa của các giọt kim loại và bề mặt vật phun trong thời gian phun Các yếu tố này rất khác nhau khi sử dụng các

phương pháp và quy trình phun khác nhau

Các lớp phun bằng kim loại và hợp kim tạo bởi quá trình phun nhiệt không còn giữ nguyên các thành phần hóa học ban đầu của chúng trừ khi ứng dụng các kỹ thuật đặc biệt Các tính chất của lớp phun có thể thay đổi nhiều tùy thuộc vào phương pháp phun được sử dụng Khi phun plasma và phun hồ quang các nguyên tố có điểm nóng chảy thấp bị bay hơi với khối lượng đáng

kể, các giọt kim loại cũng bị oxy hóa khi di chuyển trong luồng không khí

nén

2.4 Cấu trúc lớp phun

Lớp phun bằng kim loại có tính chất khác hẳn với vật liệu ban đầu Đặc trưng cơ bản của cấu tríc này là những phiến kim loại với kích thước từ 0,1 – 0,2 mm và dày 0,005÷ 0,01mm Các phần tử này có độ biến dạng khác nhau

và bị phân cách với nhau bằng một lớp oxit mỏng với chiều dày 0,001mm

Cấu trúc của lớp kim loại phun đặc trưng cho cấu trúc nguội lạnh đột ngột Ở lớp thép cacbon (có thành phần cacbon cao) thường có cấu trúc mactenxit cho đến cấu trúc bainit Ngoài những phần tử này khi va đập nên vật liệu nền đã ở trạng thái rắn Sự nguội lạnh của các phân tử này xảy ra rất nhanh và bị tác động bởi tốc độ nguội lạnh rất lớn, nên trong cấu trúc ngoài dung dịch đực Fe-C còn có dung dịch đặc của Fe – oxit Do vậy, khi đông đặc

sẽ xuất hiện trọng mạng những trong tâm lệch mạng ảnh hưởng đến độ bám của lớp phun Trong lớp thép có hai loại oxit, một loại oxit được hình thành riêng biệt, loại khác bao bọc xung quanh các phần tử kim loại biến dạng Loại thứ nhất làm xấu tính chất cơ học của lớp phun, Loại thứ hai đóng vai trò liên kết các phần tử kim loại riêng biệt Bên cạnh các cấu trúc trên, trong thành

phần cấu trúc lớp phun phải kể đến một lượng khá lớn các lỗ xốp Các lỗ xốp này sẽ cho lớp phun những tính chất tốt khi nó làm việc trong điều kiện bôi trơn Hình 2.3 dưới đây thể hiện cấu trúc kim tương của một số lớp phun

cứu và đã đưa ra các luận điểm về độ bám dính của lớp phun như sau:

1- Lực bám dính của các kim loại lỏng lên trên bề mặt các vật rắn

2.5.1 Lực bám dính của hạt kim loại lỏng lên trên bề mặt các chất rắn

Giả thiết kim loại phun khi va đập vào bề mặt chi tiết đang ở trạng thái lỏng, lúc đó sẽ xuất hiện hiện tượng dính bám của mọi giọt lỏng lên bề mặt của chất rắn dựa vào lực căng bề mặt của giọt lỏng trên bề mặt của chất rắn và dựa vào lực căng bề mặt của giọt lỏng đó và môi trường xung quanh nó Để giọt lỏng giữ lại ở trạng thái cân bằng thì: