Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt đến cấu trúc, tính chất của hệ lớp phủ kép nhôm và hợp kim ni 20cr trên nền thép

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÝ QUỐC CƯỜNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ XỬ LÝ NHIỆT ĐẾN CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT CỦA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM

KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

LÝ QUỐC CƯỜNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ XỬ LÝ NHIỆT ĐẾN CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT CỦA HỆ LỚP PHỦ KÉP NHÔM VÀ HỢP

KIM Ni-20Cr TRÊN NỀN THÉP

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

HÀ NỘI – 2016

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM

KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

LÝ QUỐC CƯỜNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ XỬ LÝ

NHIỆT ĐẾN CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT CỦA HỆ LỚP PHỦ KÉP NHÔM VÀ HỢP KIM Ni-20Cr TRÊN NỀN THÉP

Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý

Mã số: 62 44 01 19

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

2 PGS.TS Phùng Thị Tố Hằng

Hà Nội – 2016

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Lê Thu Quý – Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ Hàn và Xử lý bề mặt thuộc Viện nghiên cứu cơ khí và PGS.TS Phùng Thị Tố Hằng – Bộ môn Vật liệu học – Xử lý nhiệt và bề mặt – Viện Khoa học

và Kỹ thuật vật liệu thuộc Trường đại học Bách Khoa Hà Nội đã trực tiếp hướng dẫn tôi thực hiện và hoàn thành luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ nghiên cứu Viện kỹ thuật nhiệt đới, đặc biệt là tập thể cán bộ Phòng dữ liệu, thử nghiệm nhiệt đới và môi trường – Viện Kỹ thuật Nhiệt đới thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam; các thầy giáo,

cô giáo trong Bộ môn Vật liệu học, xử lý nhiệt và bề mặt – Viện Khoa học và Kỹ thuật vật liệu thuộc Trường đại học Bách Khoa Hà Nội; các thầy cô giáo ở Phòng thí nghiệm kim loại học và Xưởng nhiệt luyện thuộc Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Tôi xin chân cảm ơn các cán bộ Trung tâm Phân tích hư hỏng vật liệu COMFA – Viện khoa học vật liệu thuộc Viện Hàn lâm Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam, các cán bộ nghiên cứu làm việc tại Phòng thí nghiệm vật liệu thuộc Viện Cơ khí Năng lượng và Mỏ Vinacomin; các bạn học viên cao học, sinh viên lớp Vật liệu học, xử lý nhiệt và bề mặt K51, K52, K53 và K54 – Trường đại học Bách Khoa Hà Nội, đã giúp tôi hoàn thành luận án này

Tác giả luận án

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân, được hình thành

và phát triển từ những quan điểm của cá nhân tôi, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Lê Thu Quý và PGS.TS Phùng Thị Tố Hằng, có tham khảo thêm các tài liệu đáng tin cậy,

có nguồn gốc rõ ràng Các số liệu, kết quả trong luận án là hoàn toàn chính xác và trung thực

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận án này

Tác giả luận án

Lý Quốc Cường

i

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3 1.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng phun phủ nhiệt trên thế giới 4

1.2 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt ở Việt Nam 5

1.3 Nguyên lý công nghệ phun phủ nhiệt 7

1.3.1 Mục đích và phân loại công nghệ phun phủ nhiệt 8

1.3.2 Cấu trúc và tính chất của lớp phủ kim loại 12

1.4 Vật liệu nhôm và lớp phủ nhôm 14

1.4.1 Sơ lược về vật liệu nhôm 14

1.4.2 Lớp phủ nhôm 15

1.5 Vật liệu crôm, niken và lớp phủ hợp kim Ni-20Cr 16

1.5.1 Sơ lược về crôm (Cr) 16

1.5.2 Sơ lược về niken (Ni) 17

1.5.3 Lớp phủ hợp kim Ni-20Cr 17

1.6 Lớp phủ kép Ni-20Cr và Al……… 19

1.6.1 Xử lý nhiệt lớp phủ kép Al/Ni-20Cr……….… 23

1.6.2 Tương tác giữa lớp phủ Al với nền thép 24

ii

1.6.3 Tương tác giữa lớp phủ Ni-20Cr với lớp phủ nhôm………….… 27

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 31 2.1 Chế tạo mẫu nghiên cứu 31

2.1.1 Mẫu thép nền 31

2.1.2 Vật liệu phun 33

2.1.3 Trang thiết bị phun phủ kim loại 33

2.2 Nghiên cứu chế độ xử lý bề mặt nền thép 34

2.2.1 Mẫu thí nghiệm 34

2.2.2 Các thông số phun nhám 34

2.2.3 Thiết bị đo độ nhám 35

2.3 Lựa chọn thông số công nghệ phun phủ tối ưu……….… 35

2.3.1 Chọn thông số công nghệ phun tối ưu 35

2.3.2 Phun phủ mẫu thí nghiệm 36

2.4 Xử lý nhiệt lớp phủ 36

2.4.1 Mẫu để xử lý nhiệt……….……….… 36

2.4.2 Chế độ xử lý nhiệt 37

2.4.3 Thiết bị sử dụng 38

2.5 Nghiên cứu cấu trúc lớp phủ 38

2.5.1 Đo độ xốp lớp phủ 38

2.5.2 Nghiên cứu tổ chức tế vi bằng kính hiển vi quang học……… 40

2.5.3 Xác định độ cứng lớp phủ 40

2.6 Nghiên cứu thành phần của lớp phủ 41

2.6.1 Nghiên cứu thành phần hóa học bằng phương pháp EDS 41

2.6.2 Phân tích các pha bằng phương pháp nhiễu xạ Rơnghen……… 41

2.7 Nghiên cứu các tính năng của lớp phủ……….… 42

2.7.1 Đánh giá khả năng bám dính của lớp phủ 42

2.7.2 Đo cường độ mài mòn của lớp phủ 44

2.7.3 Đánh giá khả năng chống ăn mòn của lớp phủ 46

iii

CHƯƠNG 3

3.1 Nghiên cứu xác định chế độ xử lý bề mặt trước khi phun

phủ 52

3 2 Nghiên cứu xác định chế độ phun phủ tối ưu 55

3.2.1 Tối ưu hóa chế độ phun phủ hợp kim Ni-20Cr 55

3.2.2 Tối ưu hóa chế độ phun phủ Al 59

3.3 Độ bám dính của lớp phủ nhôm trên nền thép trước khi xử lý ủ nhiệt 62

3.4 Tổ chức tế vi và độ cứng tế vi của lớp phủ kép Al/Ni-20Cr trước khi xử lý ủ nhiệt 64

3.4.1 Tổ chức tế vi trước khi xử lý nhiệt 64

3.4.2 Độ cứng tế vi trước khi xử lý nhiệt 65

3.5 Ảnh hưởng của xử lý nhiệt tới tổ chức tế vi, độ cứng và độ xốp của hệ lớp phủ kép Al/Ni-20Cr……… ……… 66

3.5.1 Ảnh hưởng của thời gian xử lý nhiệt đến tổ chức tế vi của lớp phủ kép Al/Ni-20Cr

66 3.5.2 Ảnh hưởng của thời gian xử lý nhiệt đến tổ chức tế vi của lớp phủ kép Al/Ni-20Cr ở nhiệt độ 550 và 600 o C

70 3.5.3 Ảnh hưởng của xử lý nhiệt đến hình dạng, kích thước và phân bố rỗ xốp trong lớp phủ kép Al/Ni-20Cr ………

75 3.5.4 Ảnh hưởng của xử lý nhiệt đến độ cứng của lớp phủ kép Al/Ni-20Cr

78 3.6 Kết quả nghiên cứu thành phần hóa học bằng phương pháp EDS 89

3.7 Kết quả nghiên cứu các pha liên kim bằng phương pháp nhiễu xạ Rơnghen 92

3.8 Nghiên cứu khả năng chống mài mòn của lớp phủ 96

3.9 Nghiên cứu khả năng chống ăn mòn của lớp phủ 98

3.9.1 Ảnh chụp bề mặt mẫu theo thời gian 99

iv

3.9.2 Điện thế mạnh hở theo thời gian 100

3.9.3 Quét đường cong phân cực 103

3.9.4 Đo phổ tổng trở điện hóa 105

3.10 Một số ứng dụng điển hình của lớp phủ kép Al/Ni-20Cr 108

3.10.1 Phân tích kết cấu chi tiết và mức độ hư hỏng cần khắc phục của quạt hút 108

3.10.2 Quá trình phun phủ phục hồi bề mặt chi tiết bị ăn mòn 110

3.10.3 Một số ứng dụng khác của lớp phủ kép Al/Ni-20Cr 111

KẾT LUẬN 113

NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 114

TÀI LIỆU THAM KHẢO

v

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

CVD: Chemical vapor deposition: Lắng đọng hơi hóa học

PVD: Physical vapor deposition: Lắng đọng hơi vật lý

BCC: Body centered cubic: Lập phương tâm khối

FCC: Face centered cubic: Lập phương tâm mặt

Cấu trúc tinh thể A2: Lập phương tâm khối, các nguyên tử ở góc và tâm khối lập phương giống nhau

Cấu trúc tinh thể B2: Dạng lập phương tâm khối nhưng các nguyên tử ở góc và tâm khác nhau

Cấu trúc tinh thể DO3: Dạng hỗn hợp của 2 cấu trúc A2 và B2 xếp trồng lên nhau HVOF: High Velocity Oxygen Fuel: Công nghệ phun nhiên liệu oxy tốc độ cao EDS (EDX): Energy-dispersive X-ray spectroscopy: Phổ tán sắc năng lượng tia X SEM: Scanning electron microscope: Kính hiển vi điện tử quét

OCP: Open circuit potential: Điện thế mạch hở

PDP: Potentiodynamic polarization: Phương pháp phân cực thế động

vi

DANH MỤC CÁC BẢNG Số bảng Chú thích bảng Trang Bảng 1.1 So sánh đặc điểm một số phương pháp phun phủ nhiệt 9

Bảng 1.2 Một số tính chất cơ bản của nhôm 14

Bảng 1.3 Một số tính chất cơ bản của crôm 16

Bảng 1.4 Một số tính chất cơ bản của niken 17

Bảng 1.5 Đặc điểm thấm ướt của Ni, Cr lỏng trên nền ôxit nhôm 22

Bảng 1.6 Nhiệt độ và phần trăm khối lượng tồn tại của các pha theo giản đồ pha Fe –Al 25

Bảng 1.7 Cấu trúc tinh thể và độ cứng các pha FemAln 26

Bảng 2.1 Thành phần hóa học cơ bản của thép nền trước khi phun phủ 31

Bảng 2.2 Thành phần hóa học cơ bản của 2 loại vật liệu phun 33 Bảng 2.3 Các chế độ xử lý nhiệt…… ……… … 38

Bảng 3.1 Giá trị độ nhám của thép nền C45 và CT3 ứng với các chế độ tạo nhám khác nhau 52

Bảng 3.2 Chế độ tạo nhám bề mặt cho thép nền (C45 và CT3) 55 Bảng 3.3 Ma trận thực nghiệm trực giao cấp I, k = 3 56

Bảng 3.4 Kết quả đo độ xốp mẫu lớp phủ Ni-20Cr 56

Bảng 3.5 Kết quả thực nghiệm lặp ở tâm kế hoạch 57

Bảng 3.6 Ma trận thực nghiệm trực giao cấp I, k = 3 60

Bảng 3.7 Kết quả đo độ xốp các lớp phủ Al 60

Bảng 3.8 Kết quả thực nghiệm lặp ở tâm kế hoạch 61

Bảng 3.9 Chế độ phun cho dây Al và dây hợp kim Ni-20Cr 62

Bảng 3.10 Kết quả đo độ bám dính của các mẫu phủ Al 64

Bảng 3.11 Thành phần hóa học tại các điểm trên biên giới giữa lớp phủ kép Al/Ni-20Cr 90

Bảng 3.12 Các pha và các góc 2θ của vạch nhiễu xạ tương ứng vùng Ni-20Cr – Al 93

vii

Al – Fe

Bảng 3.14 Kết quả đo cường độ mòn và hệ số ma sát 97

Bảng 3.15 Ảnh chụp bề mặt các mẫu theo thời gian, sau khi ngâm

trong dung dịch axít H2SO4 với pH = 2 98

viii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Số hình Chú thích hình Trang Hình 1.1 Nguyên lý chung của công nghệ phun phủ nhiệt 7

Hình 1.2 Các công nghệ phun phủ nhiệt điển hình 8

Hình 1.3 Nguyên lý phun phủ hồ quang điện 2 điện cực 10

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý phun hồ quang điện 10

Hình 1.5 Cấu trúc của lớp phủ kim loại 12

Hình 1.6 Biên giới giữa các lớp trong lớp phủ và giữa các lớp phủ với kim loại 13

Hình 1.7 Giản đồ pha hai nguyên của Ni và Cr 18

Hình 1.8 Góc thấm ướt 21

Hình 1.9 Sự thay đổi góc thấm ướt của hợp kim Ni-20Cr lên bề mặt ôxyt nhôm (Al2O3), Hafnium (HfO2) và Ytri (Y2O3) theo thời gian 22

Hình 1.10 Ảnh giọt hợp kim Ni-20Cr lên bề mặt a) Al2O3, b) Y2O3, c) HfO2 23

Hình 1.11 Giản đồ pha Fe – Al 24

Hình 1.12 Hệ số khuếch tán của các chất trong α-Fe 27

Hình 1.13 Hệ số khuếch tán của các chất trong Al 27

Hình 1.14 Giản đồ pha 3 nguyên Cr-Ni-Al: mặt cắt đẳng nhiệt ở 700o C 28

Hình 1.15 Giản đồ pha Al – Cr 29

Hình 1.16 Giản đồ pha Al – Ni 30

Hình 2.1 Sơ đồ các bước nghiên cứu của luận án 32

Hình 2.2 Mẫu thép nền trước khi phun phủ 31

Hình 2.3 Hệ thống kéo dây (a), nguồn điện (b) và tủ điều khiển (c) 33

Hình 2.4 Đo chiều dày lớp phủ sau khi phun 36

Hình 2.5 Mẫu trước khi được xử lý ủ nhiệt phun phủ 37

Hình 2.6 Quy trình ủ nhiệt mẫu lớp phủ kép Al/Ni-20Cr 38

Hình 2.7 Mẫu đo độ xốp bằng phương pháp soi kim tương 39

ix

Hình 2.8 Phân tích độ xốp bằng phần mềm Image-Pro Plus 39

Hình 2.9 Mẫu thí nghiệm đo độ bám dính 42

Hình 2.10 Sơ đồ đo độ bám dính 43

Hình 2.11 Mẫu kiểm tra độ bám dính và đồ gá kèm theo 43

Hình 2.12 Bản vẽ chế tạo mẫu thử mài mòn 44

Hình 2.13 Mẫu lớp phủ Al/Ni-20Cr để thử mài mòn 45

Hình 2.14 Thiết bị đo cường độ mòn và hệ số ma sát 45

Hình 2.15 Thiết bị AUTOLAB PGSTAT30 (Hà Lan) 46

Hình 2.16 Chuẩn bị mẫu thử ăn mòn 46

Hình 2.17 Sơ đồ nguyên lý đo điện hóa (hệ điện hoá 3 điện cực) 47

Hình 2.18 Hình minh họa phần mềm đo điện thế 48

Hình 2.19 Đường cong phân cực ∆E-f(i) 49

Hình 3.1 Ảnh hưởng của cỡ hạt mài đến độ nhám bề mặt của thép

nền CT3 và C45 ứng với khoảng cách phun L = 100 mm và L = 200 mm 53

Hình 3.2 Ảnh hưởng của khoảng cách phun đến độ nhám bề mặt của thép nền CT3 và C45 ứng với cỡ hạt 18 54

Hình 3.3 Mẫu thử độ bám dính lớp phủ Al trên nền thép 62

Hình 3.4 Ảnh hưởng của độ nhám bề mặt đến khả năng bám dính của lớp phủ với nền thép C45 và CT3 63

Hình 3.5 Tổ chức lớp phủ trước xử lý ủ nhiệt trên mẫu thép nền C45 và CT3, (a) – Lớp phủ nền C45 x200, (b) – lớp phủ nền CT3x200 65

Hình 3.6 Độ cứng tế vi của mẫu chưa xử lý nhiệt vùng biên giới giữa các lớp phủ với nền thép C45 và CT3 66

Hình 3.7 Tổ chức tế vi của mẫu lớp phủ kép Al/Ni-20Cr nền C45 sau khi ủ 4 giờ tại các nhiệt độ khác nhau 67

Hình 3.8 Tổ chức tế vi của mẫu lớp phủ kép Al/Ni-20Cr nền CT3 sau khi ủ 4 giờ tại các nhiệt độ khác nhau 69

khi ủ nhiệt ở 550oC tại các thời gian giữ nhiệt khác nhau 2, 4, 71

x

6, 8 giờ

Hình 3.10 Tổ chức tế vi của mẫu lớp phủ kép Al/Ni-20Cr nền CT3 sau khi ủ nhiệt ở 550oC tại các thời gian giữ nhiệt khác nhau 2, 4, 6, 8 giờ 72

Hình 3.11 Tổ chức tế vi của mẫu lớp phủ kép Al/Ni-20Cr nền C45 sau khi ủ 600oC tại thời gian giữ nhiệt khác nhau 73

Hình 3.12 Tổ chức tế vi của mẫu lớp phủ kép Al/Ni-20Cr nền CT3 sau khi ủ 600oC tại thời gian giữ nhiệt khác nhau 74

Hình 3.13 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ xốp mẫu nền C45 ủ 4 giờ 76

Hình 3.14 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ xốp mẫu nền CT3 ủ 4giờ 76

Hình 3.15 Ảnh hưởng của thời gian đến độ xốp mẫu nền C45 77

Hình 3.16 Ảnh hưởng của thời gian đến độ xốp mẫu nền CT3 78

Hình 3.17 Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý ủ nhiệt đến độ cứng tế mẫu lớp phủ kép Al/Ni-20Cr nền C45, thời gian 6 giờ 79

Hình 3.18 Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý ủ nhiệt đến độ cứng tế mẫu lớp phủ kép Al/Ni-20Cr nền CT3, thời gian 6 giờ 80

Hình 3.19 Độ cứng tế vi vùng Ni-20Cr – Al trên lớp phủ kép nền C45 sau khi ủ 550oC và thời gian giữ nhiệt khác nhau 82

Hình 3.20 Độ cứng tế vi vùng Al – thép trên lớp phủ kép nền C45 sau khi ủ 550oC và thời gian giữ nhiệt khác nhau 83

Hình 3.21 Độ cứng tế vi vùng Ni-20Cr – Al trên lớp phủ kép nền CT3 sau khi ủ 550oC và thời gian giữ nhiệt khác nhau 84

Hình 3.22 Độ cứng tế vi vùng Al – thép trên lớp phủ kép nền CT3 sau khi ủ 550oC và thời gian giữ nhiệt khác nhau 84

Hình 3.23 Độ cứng tế vi vùng Ni-20Cr – Al trên lớp phủ kép nền C45 sau khi ủ 600oC và thời gian giữ nhiệt khác nhau 85

Hình 3.24 Độ cứng tế vi vùng Al – thép trên lớp phủ kép nền C45 sau khi ủ 600oC và thời gian giữ nhiệt khác nhau 86

Hình 3.25 Độ cứng tế vi vùng Ni-20Cr – Al trên lớp phủ kép nền CT3 sau khi ủ 600oC và thời gian giữ nhiệt khác nhau 87

xi

khi ủ 600oC và thời gian giữ nhiệt khác nhau

Hình 3.27 Vị trí các điểm quét phân tích thành phần trên mẫu phủ kép Al/Ni-20Cr trên nền thép CT3 ủ nhiệt ở 550oC/8 giờ 89

Hình 3.28 Giản đồ nhiễu xạ tại biên giới Ni-20Cr – Al 94

Hình 3.29 Giản đồ nhiễu xạ tại biên giới Al – thép 95

Hình 3.30 Biểu đồ hệ số ma sát của mẫu chưa ủ 96

Hình 3.31 Biểu đồ hệ số ma sát của mẫu sau ủ 550o C – 8 giờ 97

Hình 3.32 Biểu đồ hệ số ma sát của mẫu sau ủ 600o C – 8 giờ 97

Hình 3.33 Sự biến thiên của điện thế mạch hở theo thời gian khi ngâm trong dung dịch axít H2SO4 với pH = 2 101

Hình 3.34 Kết quả quét đường cong phân cực các mẫu sau 72 giờ ngâm trong dung dịch axít H2SO4 với pH = 2 103

Hình 3.35 Sự biến thiên của mật độ dòng ăn mòn và điện trở phân cực theo thời gian khi ngâm trong dung dịch axít H2SO4, pH = 2 104 Hình 3.36 Phổ tổng trở điện hóa của các mẫu lớp phủ sau khi ngâm 2 giờ trong dung dịch axít H2SO4 với pH = 2 106

Hình 3.37 Phổ tổng trở điện hóa của các mẫu lớp phủ sau khi ngâm 72 giờ trong dung dịch axít H2SO4 với pH = 2 106

Hình 3.38 Phổ tổng trở điện hóa của các mẫu lớp phủ sau khi ngâm 168 giờ trong dung dịch axít H2SO4 với pH = 2 107

Hình 3.39 Kết cấu vỏ quạt hút 108

Hình 3.40 Các điểm bị ăn mòn của mặt bích 109

Hình 3.41 Quá trình phun phủ kim loại 110

Hình 3.42 Chi tiết cánh quạt sau khi hoàn thiện 110

Hình 3.43 Một số hình ảnh triển khai lớp phủ kép Al/Ni-20Cr cho chi tiết bơm – Phân xưởng sàng tuyển than thuộc Cảng vụ Cẩm Phả – Quảng Ninh 112

Hình 3.44 Một số hình ảnh triển khai lớp phủ kép Al/Ni-20Cr cho chi tiết bơm – Công ty CP than Hà Lầm – Quảng Ninh 112

về vật liệu vốn đã rất cao thì còn kèm theo chi phí cho công tháo, lắp, sửa chữa và các thiệt hại khác do dây chuyền sản xuất phải ngừng hoạt động

Những năm gần đây, song song với việc phát triển khoa học công nghệ và các ngành kỹ thuật công nghiệp thì việc đòi hỏi nâng cao chất lượng sản phẩm và kéo dài tuổi thọ của các chi tiết máy luôn được quan tâm Đặc biệt đối với các chi tiết máy làm việc trong môi trường khắc nghiệt như chịu ăn mòn, mài mòn thì tính chất vật liệu bề mặt chi tiết máy đó được đặt lên hàng đầu Hiện nay có rất nhiều phương pháp xử lý bề mặt được ứng dụng nhằm đáp ứng các yêu cầu của chi tiết trong các điều kiện làm việc khác nhau Công nghệ phun phủ và xử lý nhiệt là một trong những phương pháp có thể đáp ứng được yêu cầu làm việc của chi tiết trong điều kiện nói trên [4, 5]

Trong các công nghệ xử lý bề mặt được sử dụng, công nghệ phun phủ nhiệt ngày càng được phát triển mở rộng về quy mô, cải thiện về chất lượng, thể hiện được những tính ưu việt so với các phương pháp xử lý bề mặt khác cả về kỹ thuật và kinh tế [5, 6] Như chúng ta đã biết, các kim loại Cr, Ni, Al có khả năng chịu nhiệt, chống ăn mòn, chịu mài mòn và có độ bền khá cao trong nhiều môi trường hóa chất Lớp phủ Al thường được biết đến là lớp phủ chống ăn mòn khí quyển tốt, khả năng chịu nhiệt khá tốt, ngoài ra, khi được xử lý nhiệt lớp phủ Al trên thép, Al còn có khả năng khuếch tán vào nền thép tạo thành các pha liên kim giữa Al và Fe như: Fe3Al, FeAl2, Fe2Al5,

Fe3Al, FeAl Các pha liên kim này có độ cứng cao, chịu mài mòn, chịu nhiệt tốt [7 – 13] Ngoài khả năng khuếch tán vào thép, nếu có mặt các nguyên tố Ni và Cr đủ lớn Al còn có thể tương tác với các nguyên tố Ni và Cr tạo thành các liên kim giữa Al – Ni như: AlNi3, Al3Ni5, AlNi, Al3Ni2, Al3Ni; giữa Al – Cr như: AlCr2, Al8Cr5, Al9Cr4,

Al11Cr2, Al7Cr là các pha có độ cứng khá cao

2

Ni và Cr là các nguyên tố thường dùng để hợp kim hóa trong thép tạo thành thép hợp kim, với hàm lượng cao cùng với Fe và C tạo ra các loại thép không gỉ, các hợp kim bền nóng Ni kết hợp với Cr theo tỷ lệ gần 80% Ni và gần 20% Cr tạo thành hợp kim Ni-20Cr, hợp kim này thường được dùng làm dây sợi đốt cho các loại lò buồng, nhiệt độ làm việc lên đến 900 – 1100oC [14, 15, 16] Ngoài khả năng chịu nhiệt, hợp kim Ni-20Cr còn được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp dầu khí, khai thác khoáng sản, hóa chất dưới dạng lớp phun phủ nhiệt [17]

Để đáp ứng được các yêu cầu vừa chịu mài mòn, chống ăn mòn và chịu nhiệt cần tìm giải pháp phối hợp các lớp phủ với nhau Việc đưa lớp phủ nhôm vào bên trong (tiếp giáp với nền thép) và lớp phủ Ni-20Cr bên ngoài, kết hợp với xử lý nhiệt khuếch tán giữa các lớp phủ và lớp phủ với nền có thể làm tăng liên kết, đồng thời có một số các tính chất đáp ứng với yêu cầu mong muốn là một hướng có triển vọng, tuy nhiên các nghiên cứu này lại chưa nhiều

Với mục tiêu nghiên cứu chế tạo ra một hệ lớp phủ mới có khả năng làm việc trong các môi trường khắc nghiệt như vừa chống được mài mòn, ăn mòn và chịu nhiệt, tác giả đã lựa chọn hệ lớp phủ kép Al kết hợp với lớp phủ Ni-20Cr, lớp phủ Al ở giữa tiếp giáp nền thép, lớp phủ Ni-20Cr ở trên, kết hợp xử lý ủ nhiệt

Thép C45 và CT3 là nhóm vật liệu thông dụng trong công nghiệp, ưu điểm là rẻ tiền, tính hàn tốt, dễ gia công cắt gọt, thường được dùng để chế tạo các chi tiết máy, kết cấu không đòi hỏi các tính chất đặc biệt Thép C45 thường được dùng để chế tạo các chi tiết dưới dạng trục, thép CT3 thường được dùng dưới dạng tấm, thanh, để chế tạo các kết cấu, cánh quạt, cánh khuấy, vỏ, thân lò

Vì vậy đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt đến cấu trúc,

tính chất của hệ lớp phủ kép nhôm và hợp kim Ni-20Cr trên nền thép” chọn thép

C45 và CT3 làm vật liệu nền nhằm khai thác những ưu điểm của nhóm vật liệu này, đồng thời nhờ lớp phủ để nâng cao khả năng làm việc của chúng trong một số môi trường đặc biệt như chống ăn mòn, mài mòn, ví dụ: cánh quạt trong lò đốt rác thải, cánh tuabin, cánh bơm…

3

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng phun phủ nhiệt trên thế giới

Phun phủ nhiệt là một trong những phương pháp công nghệ của khoa học và công nghệ bề mặt nói chung và công nghệ xử lý bề mặt nói riêng Nói về công nghệ bề mặt là chúng ta nói đến một công nghệ truyền thống cổ điển đã tồn tại hàng trăm năm lịch sử của nền văn minh nhân loại; đặc biệt đến đầu thập kỷ 80 của thế kỷ 20 đã tích lũy được nhiều kinh nghiệm phong phú và trở thành một lĩnh vực đặc thù đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng của xã hội loài người

Phun phủ nhiệt là lĩnh vực khoa học và công nghệ còn rất trẻ so với các phương pháp bề mặt cổ điển khác như: sơn, mạ Năm 1910, ý tưởng phun phủ nhiệt được một

kỹ sư cơ khí người Thụy Sĩ là M.U Shoop đưa ra nhưng cho đến năm 1923, phương pháp công nghệ này mới được đưa vào sản xuất, ban đầu chỉ dùng cho mục đích trang trí Đến chiến tranh Thế Giới thứ 2, phun phủ nhiệt mới được ứng dụng trong quy mô công nghiệp ở hầu hết các nước Châu Âu

Phương pháp công nghệ này đã trở thành một công nghệ vạn năng, có nhiều ưu việt trong các lĩnh vực chống gỉ, phục hồi, trang trí, với ưu điểm là tiết kiệm kim loại quý, tạo các lớp bề mặt có tính chất đặc biệt Đến những năm 70, 80 của thế kỷ 20, phun phủ nhiệt đã trở thành một lĩnh vực khoa học và công nghệ riêng biệt, biểu hiện giống như một khoa học và công nghệ bề mặt (Công nghệ xử lý bề mặt); mặt khác nó cũng giống như một phương pháp công nghệ chế tạo mới trong sản xuất Đến những năm 90 của thế kỷ 20, khoa học và công nghệ phun phủ đã có tốc độ phát triển và ứng dụng rất mạnh mẽ trong công nghiệp, đặc biệt là trong lĩnh vực cơ khí (cơ khí chế tạo máy, cơ khí hàng không, cơ khí giao thông vận tải, cơ khí hóa chất )

Để đánh giá sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ phun phủ nhiệt,

có thể dựa trên cơ sở sự phát triển thiết bị, các phương pháp công nghệ, phạm vi ứng dụng, hiệu quả kinh tế trong các lĩnh vực công nghiệp và đời sống xã hội

Hiện nay trên thế giới, nhiều nước tiên tiến, các nước có truyền thống về công nghiệp phun phủ nhiệt đều có các hãng chuyên nghiên cứu, thiết kế thiết bị, vật liệu và ứng dụng công nghệ này như: Hãng Plasma Technique, Castolin (Thụy Sĩ);

4 Plasmaday, Dressef, Avko (Mỹ); OSU Hessler; UTP (CHLB Đức), Nobel-Brocl (Pháp); Dnipro (Nga); Arcosse (Bỉ); Volvo Flemotor (Thụy Điển)

Các hãng này đã thiết kế, chế tạo hàng loạt các thiết bị phun phủ nhiệt với các loại nguồn nhiệt hồ quang, khí cháy, cao tần, plasma dùng với vật liệu phun dạng dây, dạng bột như: EM9; ME14; EMC-1; MTΠ-1; YΠY-3; DNIPRO-3M (Nga); ∆D-1; SUMMTT; EMP-2-57; PAL-160-2 (Séc); GPM-L2; (Ba Lan); METCO-10MB; METCO-11B; FONTAR-ZIET (UTP); OSU-HESSLER 300A (CHLB Đức); PAL-9AED (Anh)

Phun phủ nhiệt đã và đang phát triển mạnh mẽ ở các nước như: Mỹ, Anh, Pháp, Đức, Nga, Nhật Ở các nước tiên tiến đã có những dây chuyền phun phủ công suất cao khoảng 1 tấn vật liệu phun trong một ngày Song song với phát triển ứng dụng, họ còn tiếp tục nghiên cứu cơ sở lý thuyết để hoàn chỉnh dần Các nước này đã có các viện nghiên cứu, thành lập các hiệp hội và cả tạp chí riêng; họ xây dựng tiêu chuẩn quốc gia, tiêu chuẩn quốc tế về phun phủ nhiệt; hàng năm đều có các công bố phát minh sáng chế khoa học về công nghệ này [6, 17, 18]

1.2 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt ở Việt Nam

Công nghệ phun phủ nhiệt đã du nhập vào nước ta cách đây khoảng 50 năm Thời gian đầu, công nghệ này được sử dụng chủ yếu cho mục đích phục hồi các chi tiết máy bị mài mòn, sử dụng vật liệu phủ là các loại thép Cho đến những năm 1990, xuất phát từ nhu cầu thực tế, một số cơ sở nghiên cứu và sản xuất bắt đầu tập trung phát triển và ứng dụng công nghệ này với mục đích tạo các lớp phủ có khả năng chịu

ăn mòn tốt khi phải làm việc trong các môi trường khắc nghiệt

Năm 1975, Viện Kỹ thuật giao thông vận tải thuộc Bộ giao thông vận tải cho một nhóm cán bộ kỹ sư sang Liên Xô (cũ) thực tập về công nghệ phục hồi và bảo vệ kết cấu máy bằng công nghệ hàn đắp, phun phủ và mạ Sau đó bộ giao thông đã xây dựng

được đề tài cấp nhà nước giai đoạn 1970 – 1979 với đề tài “Phục hồi các chi tiết máy

trong ngành giao thông vận tải bằng Công nghệ hàn đắp, phun phủ và mạ” Đề tài do

Viện Kỹ thuật giao thông vận tải chủ trì và được Ủy ban Khoa học Nhà nước trước đây (bây giờ là Bộ Khoa học và Công nghệ) cấp kinh phí nghiên cứu

Do có sự phát triển cả về phương diện nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu ứng dụng cũng như sự phát triển rộng hơn trên nhiều nhà máy, nên công nghệ phun phủ ở

5

Việt Nam phát triển với tốc độ càng cao Năm 1980 – 1985, nhà máy cơ khí sửa chữa ôtô thủy lợi đã thiết kế chế tạo mẫu đầu phun M-6 và toàn bộ trang thiết bị khác để thực hiện việc phục hồi các trục bơm của các trạm bơm nước thuộc tỉnh Hà Nam, các lớp phủ chống mài mòn và chống ăn mòn hóa học từ thép không gỉ 12Cr18Ni9 trên trục thép cacbon kết cấu

Giai đoạn đất nước đổi mới, các lĩnh vực công nghiệp, xã hội có sự đổi mới và phát triển; đặc biệt lĩnh vực khai thác dầu khí, khai thác than đạt được nhiều thành tích; đồng thời kế hoạch xây dựng đường dây điện cao thế 500 kV Bắc Nam Vấn đề bảo vệ chống ăn mòn kết cấu như dàn khoan, cầu đường, tàu biển được đặt ra Công nghệ phun phủ nhiệt được quan tâm đáng kể Nhiều đơn vị như Viện Công nghệ – Bộ quốc phòng, Viện nghiên cứu máy – Bộ công nghiệp nặng, Trường đại học bách khoa

Hà Nội sử dụng thiết bị phun phủ hồ quang dây M9; M14-M; Y-1 của Liên Xô

để phun phủ lớp bảo vệ nhôm, kẽm với chiều dày phun 160 – 200 m cho các chân cột, thanh giằng, các thanh trụ của dàn khoan (Vũng Tàu); của các cột điện, các thanh trụ của cột bê tông (đảo Trường Sa)

Song song với các kết quả ứng dụng, các đề tài nghiên cứu khoa học các cấp bộ

và nhà nước cũng được hình thành; được nhà nước quan tâm hỗ trợ

Trước những thành tựu đổi mới, sự tăng trưởng của nền kinh tế đất nước liên tục hàng năm, do vậy Đảng và chính phủ đã có sự quan tâm đáng kể đến nhiều vấn đề kinh tế - xã hội; đặc biệt đến sự phát triển của Khoa học và Công nghệ Chương trình xây dựng 16 phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia đã được chính phủ phê duyệt Trong năm 2001 đã chính thức triển khai xây dựng 6 phòng thí nghiệm đầu tiên trong

đó có Phòng thí nghiệm về công nghệ hàn và xử lý bề mặt do Viện nghiên cứu cơ khí thuộc Bộ Công nghiệp nặng chủ trì

Với khoảng kinh phí đáng kể (50 tỷ đồng), Viện nghiên cứu cơ khí đã xây dựng phương án đầu tư các phương pháp công nghệ hàn và phun phủ tiên tiến nhằm thúc đẩy khả năng nghiên cứu khoa học và phục vụ sự nghiệp công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước Về lĩnh vực phun phủ nhiệt, phòng thí nghiệm này đã trang bị mới các thiết bị phun phủ khí cháy, phun phủ plasma, phun phủ nổ Song song với thiết bị công nghệ, phòng thí nghiệm đo lường, kiểm tra cũng trang bị đầy đủ và khá hiện đại (kính hiển vi điện tử, thiết bị đo 3 chiều, đo ứng suất dư ) Với điều kiện tốt về trang thiết bị

6 nghiên cứu như vậy, đồng thời Viện cũng được giao các đề tài nghiên cứu cấp nhà nước theo chương trình khoa học giai đoạn 2001-2005, trong đó có đề tài KC05-10

“Nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun nhiệt khí và ép nóng để tạo bề mặt có độ chịu mòn và bám dính cao phục hồi các chi tiết máy có chế độ làm việc khắc nghiệt” Đề

tài này có ý nghĩa khoa học công nghệ cũng như kinh tế lớn Môi trường làm việc khắc nghiệt được nhắm tới trong đề tài này chủ yếu là môi trường mài mòn trượt dưới tải trọng ở 2 điều kiện là mài mòn khô (trục cán, búa nghiền, khuôn ép …) hoặc mài mòn

có bôi trơn trong dầu (cổ trục đỡ ổ bi, má nghiền…) Đề tài khảo sát khá nhiều loại vật liệu, chủ yếu là một số mác thép hợp kim (65Mn, 20NiCr3…) Độ bền của vật liệu trong các môi trường ăn mòn đã không được nghiên cứu

Các kết quả nghiên cứu, ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt ở Việt Nam trong những năm qua đã có nhiều kết quả và ngày càng phát triển Vì vậy hiện nay cũng như các năm tiếp theo, các bộ ngành có quan tâm và hỗ trợ tích cực

Viện cơ khí năng lượng và mỏ thuộc Bộ Công Thương đã thúc đẩy công nghệ phun phủ nhiệt bằng sự đầu tư toàn bộ thiết bị phun phủ nổ của CHLB Nga, thiết bị DNIPRO-3M với công suất nổ 3000 lần/phút Để phun các lớp phủ bột kim loại, bột hợp kim, bột các ôxit khác với thiết bị phun phủ nổ này, Viện có điều kiện nghiên cứu nâng cao chất lượng bám dính của lớp phủ để tạo lớp phủ có tính chất đặc biệt cho việc phục hồi hoặc chế tạo các chi tiết làm việc trong điều kiện mài mòn và ăn mòn cao của ngành khai thác mỏ ở Việt Nam

Viện công nghệ thuộc Bộ Công Thương cũng đầu tư các thiết bị phun ЭM6; ЭM14; ЭM-12/67 của Nga; Mogan UP-1 của CHLB Đức, để thực hiện chương trình nghiên cứu các lớp phủ và xử lý bề mặt chi tiết

Cùng với thời gian này, Viện Kỹ thuật nhiệt đới thuộc Trung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc Gia (nay là Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) được nhà nước đầu tư trang thiết bị phun phủ hồ quang điện OSU HESSLER 300A ROTARY của CHLB Đức, với thiết bị có chất lượng cao, độ ổn định tốt Viện

đã tiến hành nghiên cứu các lớp phủ bảo vệ chống ăn mòn hóa học ở các điều kiện môi trường khác nhau, đồng thời cũng nghiên cứu các lớp phủ chống mài mòn nhằm mục đích ứng dụng cho các kết cấu làm việc trong vùng khai thác mỏ Quảng Ninh

Tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới, công nghệ phun phủ kim loại dùng hồ quang điện

đã được nghiên cứu từ khoảng năm 1995 và đã thu được một số kết quả nghiên cứu và

7

triển khai ứng dụng Tính đến nay, sau hơn 15 năm hoạt động, Viện đã chủ trì và tham gia 10 đề tài nghiên cứu các cấp liên quan đến phun phủ kim loại, công bố hơn 50 bài báo và báo cáo khoa học về nghiên cứu - đánh giá các lớp phủ bảo vệ, đào tạo 11 sinh viên cao học, khoảng 50 sinh viên đại học và cao đẳng, thực hiện hơn 50 hợp đồng trong lĩnh vực phun phủ nhiệt và công nghệ xử lý bề mặt [19]

1.3 Nguyên lý công nghệ phun phủ nhiệt

Nguyên lý chung của phun phủ nhiệt là dùng nguồn nhiệt (hồ quang, khí cháy, plasma) làm nóng chảy toàn bộ hay một phần các vật liệu phun dưới dạng bột, dạng thanh, dạng dây hay dạng lõi thuốc Vật liệu sau đó được phân tán thành các hạt dưới dạng sương mù, dưới tác dụng của dòng khí năng lượng cao sẽ tăng tốc và phun lên bề

Nguyên liệu thanh, dây hoặc bột

Nguồn nhiệt (điện, khí hoặc plasma)

8 mặt của chi tiết đã được chuẩn bị trước Các vật liệu dùng để phun phủ có thể là kim loại, hợp kim, bột ceramic, nhựa hoặc composit

Với đặc điểm hình thành như vậy, lớp phủ sẽ có cấu trúc dạng lớp, trong đó, các phần

tử vật liệu bị biến dạng và xếp chồng lên nhau Vì vậy chiều dày lớp phủ không bị giới hạn, có thể tạo lớp phủ mỏng vài chục µm hoặc dày vài mm (hình 1.1) [20]

1.3.1 Mục đích và phân loại công nghệ phun phủ nhiệt

1.3.1.1 Mục đích của phương pháp phun phủ nhiệt

Phun phủ có ứng dụng rất nhiều trong thực tế, dưới đây là một số ứng dụng quan trọng nhất:

- Phun phủ phục hồi các chi tiết bị mòn

- Tạo các lớp phủ chức năng: chịu mài mòn, chống ăn mòn, chịu nhiệt…

- Phun các lớp phủ (lớp phủ dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, cách điện, cách nhiệt, lớp phủ

từ tính…) lên các chi tiết mà vật liệu cơ bản không có các đặc tính này

- Sửa chữa khuyết tật (vật đúc, chi tiết sau khi gia công cơ)

- Tạo lớp phủ trang trí

1.3.1.2 Phân loại công nghệ phun phủ

Phân loại theo năng lượng phun: phun bằng khí cháy, phun bằng nguồn năng lượng điện Phân loại theo công nghệ phun: phun khí cháy, phun hồ quang điện, phun

nổ, phun plasma, phun HVOF (High Velocity Oxygen Fuel)

Ngoài các phương pháp phun trên còn một số phương pháp phun khác như phun nguội (cold spray), phun ấm (warm spray), phun laser, Bảng 1.1 so sánh đặc điểm một số phương pháp phun phủ nhiệt [21] Hình 1.2 chỉ ra các công nghệ phun phủ nhiệt điển hình [22]

Phun HVOF

Phun

hồ quang điện

Phun Plasma

Độ bám dính

(MPa)

Hợp kim Fe Hợp kim màu Gốm Cácbit

< 83

28 – 41

14 – 48 –

0,05 – 2,0 0,05 – 5,0 0,25 – 2,0 0,15 – 0,8

0,05 – 2,5 0,05 – 2,5 – 0,002 – 0,200

0,1 – 2,5 0,1 – 5,0 – –

0, 4 – 2, 5 0,05 – 5,0 0,1 – 2,0 0,15 – 0,8

Độ cứng (HRC)

Hợp kim Fe Hợp kim màu Gốm Cácbit

55 – 72

40

35 – –

< 1

3 – 10

3 – 10 – –

10

1.3.1.3 Phương pháp phun phủ bằng hồ quang điện

Nguyên lý: Hồ quang điện được tạo ra bởi 2 hoặc 3 dây kim loại (hay hợp kim)

dịch chuyển bằng cặp con lăn cấp dây qua ống dẫn dây đến tiếp xúc với nhau Các dây kim loại được nối với hai điện cực khác nhau bằng ống tiếp điện, khi tiếp xúc nhau sẽ gây ngọn lửa hồ quang có nhiệt độ cao làm nóng chảy đầu dây kim loại Dây kim loại liên tục được cấp bởi cặp con lăn quay với vận tốc phù hợp với quá trình phun (hình 1.3) [22]

Các yếu tố ảnh hưởng và thông số tối ưu quá trình phun phủ hồ quang điện:

Hình 1.4 Mô tả sơ đồ nguyên lý phun hồ quang điện [23]

Hình 1.3 Nguyên lý phun phủ hồ quang điện 2 điện cực [22]

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý phun hồ quang điện [22]

1 Máy nén khí; 2 Bình chứa khí nén; 3 Máy sấy lọc khí;

4 Thiết bị làm sạch; 5 Tủ điều khiển; 6 Đầu phun LD/U-2

Chế độ hoạt động của thiết bị:

Các yếu tố ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất quá trình phun là công suất dòng hồ quang và tiêu hao khí

Công suất riêng của đầu phun Nd = (2.000 – 10.000) KJ/kg, nếu tăng Nd sẽ dẫn đến thất thoát nhiều phân tử kim loại do bị quá nhiệt, song chất lượng lớp phủ sẽ tốt hơn Thường dùng thiết bị phun có công suất P = (5 – 20) kW, dòng điện I = (80 – 600) A, điện áp U = (18 – 35) V

Áp suất, lượng tiêu hao khí cũng như các tính chất của khí thổi ảnh hưởng trực tiếp đến các chỉ tiêu của quá trình Việc tăng áp suất dẫn đến tăng tốc độ phun, tăng lượng tiêu hao khí thổi Chọn áp suất dòng khí trong khoảng (3,5 – 5,5) atm, tiêu hao khí (16 – 150) m3/giờ

Dây và tốc độ cấp dây:

Đường kính dây thường dao động trong khoảng (1 – 3,5) mm, tốc độ cấp dây thường là (0,05 – 0,35) m/giây, tương ứng với năng suất phun (2 – 120) kg/giờ

Điều kiện ngoại vi:

+ Góc phun được chọn trong khoảng (65o– 90o

)

+ Khoảng cách phun L = (100 – 300) mm

+ Tốc độ di chuyển đầu phun (20 – 50) m/phút

Ưu điểm: Phương pháp phun phủ bằng hồ quang điện cho năng suất phun cao, có

thể đạt tới 120 kg/giờ, 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 bám dính cao

Nhược điểm: Chỉ dùng được vật liệu dây kim loại để phun, nhạy cảm với các khí

hoạt tính

12 Trong thực tế phương pháp và các thiết bị phun phủ bằng hồ quang điện được lựa chọn và sử dụng rộng rãi vì những đặc tính ưu việt của phương pháp như như tính cơ động, thực hiện trên nhiều chi tiết có hình dạng và bề mặt khác nhau, dễ dàng điều chỉnh chiều dày lớp phủ theo ý muốn và giá thành rẻ hơn so với các công nghệ phun phủ khác

1.3.2 Cấu trúc và tính chất của lớp phủ kim loại

Cấu trúc của lớp phủ kim loại có đặc trưng của các cấu trúc bị nguội nhanh đột ngột Các phần tử kim loại phủ bị nguội rất nhanh do tốc độ nguội rất lớn, do vậy khi đông đặc sẽ xuất hiện trong mạng tinh thể (hoặc trong cấu trúc) những trung tâm lệch mạng Do sự kết tinh nhanh của lớp phủ, có thể nhận được cấu trúc giả bền vững dưới dạng các dung dịch rắn bão hòa và có thể có cả trạng thái vô định hình của kim loại

Trong lớp phủ kim loại có thể có 2 loại ôxit, một loại ôxit được hình thành riêng biệt, loại khác bao bọc xung quanh các phần tử kim loại phun khi đập vào bề mặt cần phun, các phần tử này sẽ bị biến dạng Loại đầu thường coi là bất lợi, làm xấu tính chất

cơ học của lớp phủ Loại thứ hai tạo thành trên bề mặt (đặc biệt là ôxit crom) có độ xít chặt cao, thụ động trong môi trường ăn mòn sẽ nâng cao độ bền ăn mòn và mài mòn của lớp phủ Hình 1.5 mô tả cấu trúc của lớp phủ kim loại [5]

Bên cạnh các cấu trúc trên, trong thành phần cấu trúc lớp phủ phải kể đến một lượng khá lớn các lỗ xốp Các lỗ xốp này được hình thành do sự liên kết không chặt

[20]

Hình 1.5 Cấu trúc của lớp phủ kim loại

13

chẽ của các phần tử kim loại khi biến dạng và do phương pháp phun phủ được thực hiện theo từng hàng và từng lớp Các lỗ xốp có trong các cấu trúc của lớp phủ sẽ cho lớp phủ những tính chất tốt khi lớp phủ làm việc trong điều kiện bôi trơn Lớp phủ hình thành trong không khí, do vậy các lỗ xốp bị lấp đầy khí, đặc biệt là giữa các lớp có khả năng bão hòa khí lớn nhất Các khuyết tật khác cũng có thể hình thành như: sự không bám dính giữa lớp phủ và chi tiết, sự phân tầng, nứt tế vi do ứng suất kéo trên các phần tử biến dạng và sự nguội không đồng nhất tạo thành, các vết nứt vuông góc với bề mặt do lớp phủ co lại khi nguội và bị cản co do lực bám dính, do các hạt không nóng chảy

Lớp phủ có cấu trúc lớp, bao gồm các hạt bị biến dạng rất nhiều, nối với nhau theo bề mặt Có đặc trưng gồm những tấm kim loại có sự phân lớp do các tấm hình thành ở các thời điểm khác nhau chồng lên nhau Các tấm này có độ biến dạng khác nhau và bị phân cách với nhau bằng một lớp ôxit mỏng với chiều dày khoảng 1 m Trên hình 1.6 mô tả sự phân lớp trong cấu trúc của lớp phủ kim loại [20]

Biên giới phân chia giữa lớp phủ và nền kim loại xác định độ bám dính giữa chúng Tính chất của bản thân lớp phủ thể hiện bằng độ kết dính giữa các phần tử hạt Biên giới giữa các lớp hình thành do khoảng thời gian khác nhau giữa các lần phun Sau mỗi lần phun, bề mặt rất nhanh bị nhiễm bẩn, bị oxy hóa Do đó làm cho các quá

Hình 1.6 Biên giới giữa các lớp trong lớp phủ và giữa lớp phủ

với kim loại nền [20]

14 trình tiếp xúc giữa các hạt trở nên khó khăn hơn và từ đó xuất hiện biên giới giữa các lớp phun Chiều dày lớp phun dao động rất nhiều và phụ thuộc vào công nghệ tiến hành Thông thường, mỗi lớp phun dày 10 – 100 m

Như vậy, cấu trúc và tính chất lớp phủ phụ thuộc vào các quá trình tương tác giữa các hạt kim loại với dòng khí và quá trình hình thành lớp phủ trên bề mặt kim loại nền

Khả năng chịu mài mòn của vật liệu không phải là tính chất vốn có, nó có xu hướng biến đổi tùy theo từng trường hợp mòn Một vật liệu có độ cứng cao và khả năng chịu mài mòn tốt trong môi trường khô có thể không làm việc hiệu quả trong môi trường chứa các tác nhân gây ăn mòn do khả năng chịu ăn mòn kém của vật liệu này Như vậy, ta có thể thấy, khi lựa chọn một vật liệu làm việc trong một môi trường cụ thể, độ cứng của vật liệu chỉ là một trong các yếu tố cần xét tới Ta còn phải quan tâm tới các tính chất khác như độ bền hóa học, khả năng bám dính với vật liệu nền, khả năng chống mài mòn

1.4 Vật liệu nhôm và lớp phủ nhôm

1.4.1 Sơ lược về vật liệu nhôm

Nhôm (Al) là kim loại yếu nhóm IIIA, có tính chất mềm, dẻo, nhẹ, trên bề mặt luôn có một lớp mỏng ôxit tạo thành rất nhanh khi nó tiếp xúc với không khí do Al có điện thế điện cực khá âm (Al= -1,662 V)

Nhôm có khả năng bền ăn mòn trong một số môi trường có hoạt tính yếu do lớp

ô xit bảo vệ có tính lưỡng tính Nhôm có cấu tạo mạng lập phương tâm mặt do vậy dễ biến dạng dẻo, có khả năng dẫn điện và nhiệt tốt Bảng 1.2 trình bày một số tính chất

cơ bản của nhôm [14, 15, 24]

Bảng 1.2 Một số tính chất cơ bản của nhôm [14]

ra, nhôm còn có đặc tính chống mài mòn tốt do sự có mặt của lớp ôxit nhôm hình thành dễ dàng khi tạo thành lớp phủ

Lớp phủ nhôm khi được xử lý nhiệt ở 400 – 950oC có khả năng khuếch tán vào thép tạo hợp chất trung gian giữa sắt và nhôm như FeAl, Fe2Al, Fe3Al (xem giản đồ pha Fe – Al hình 1.11) làm tăng độ bền, độ cứng và tăng khả năng liên kết của lớp phủ nhôm với nền thép [25 – 32]

Ye Hong và cộng sự – 2005 [33] đã nghiên cứu cấu trúc và tính chất của lớp khuếch tán nhôm trên nền thép cacbon thấp chế tạo bằng công nghệ phun khí cháy, trong nghiên cứu này lớp phủ Al được phun với chiều dày 150 – 200 µm, sau đó xử lý

ủ nhiệt ở 860 – 880oC, thời gian giữ nhiệt 2 giờ Kết quả cho thấy Al đã khuếch tán vào sâu trong nền thép (đạt 300 – 400 µm) tạo thành các pha liên kim,tùy theo tỷ lệ Al trong Fe có thể tạo thành các pha: Al, Fe2Al5 – pha η; FeAl2 – pha ζ; FeAl – pha β2;

Fe3Al – β1 và α – Fe, các pha liên kim này có độ cứng khá cao, cao nhất đạt 850 – 900

HV Kết quả thử ăn mòn trong dung dịch NaCl có nồng độ 50 g/l, pH= 6,5 – 7,2 sau

300 giờ thử nghiệm ở nhiệt độ phòng cho thấy: lớp phủ Al trên nền thép có lớp khuếch tán do xử lý nhiệt có khả năng chống ăn mòn tốt hơn thép không gỉ họ 18- 8 Kết quả thử ăn mòn ở nhiệt độ 723oC có lẫn khí SO2 sau 48 giờ thử nghiệm cũng cho thấy, lớp khuếch tán Al chống ô xi hóa tốt hơn thép không gỉ họ 18-8

Lớp phủ Al cũng được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất, dầu khí với vai trò là lớp phủ chịu nhiệt và chống ăn mòn [34 – 44]

Nghiên cứu của nhà khoa học Nga V.A Pavloskii - 2005 [34] cho thấy: lớp phủ

Al kết hợp với Ni đươc ứng dụng làm lớp phủ chịu nhiệt, lớp phủ Al – Ni có thể làm việc ở miền nhiệt độ 950 – 1100oC, ở nhiệt độ cao Al tương tác với Ni tạo thành các pha Ni2Al3 (Al ≈ 40 – 45%); NiAl (Al ≈ 22 – 36%); Ni3Al (Al ≈ 12,5 – 14%); độ cứng các pha tương ứng là 850, 520 và 420 kg/mm2

16

Do có độ xốp tương đối lớn nên chiều dày lớp phun phủ nhôm là yếu tố cần quan tâm khi tính toán tuổi thọ làm việc của lớp phủ Cũng cần lưu ý đến hiện tượng

ăn mòn điểm (pitting) có thể xảy ra trên bề mặt nhôm

Các xu hướng nghiên cứu trên thế giới hiện nay tập trung mở rộng phạm vi ứng dụng của lớp phun phủ nhôm khi làm việc trong các môi trường khắc nghiệt và khả năng kết hợp của lớp phủ này với các lớp phủ vô cơ cũng như hữu cơ khác [45 – 50]

1.5 Vật liệu crôm, niken và lớp phủ hợp kim Ni-20Cr

1.5.1 Sơ lược về crôm (Cr)

Crôm là kim loại chuyển tiếp nhóm VIB Bảng 1.3 trình bày một số tính chất cơ bản của crôm [14, 15, 24] Crôm là kim loại cứng, có nhiệt độ nóng chảy cao Đặc điểm rất đáng chú ý của crôm là ở nhiệt độ khoảng 37 oC nhiều tính chất vật lý của nó thay đổi đột ngột: hệ số ma sát của crôm đạt giá trị lớn nhất, còn môđun đàn hồi thì tụt xuống mức nhỏ nhất Độ dẫn điện, hệ số giãn dài, sức nhiệt điện động cũng thay đổi đột ngột

Bảng 1.3 Một số tính chất cơ bản của crôm [14]

Đặc tính quan trọng nhất của crôm là tính ổn định hoá học cao, chống lại sự oxy hóa trong không khí và không tương tác với các axit Trong nhiều môi trường axit, crôm có khả năng tạo màng thụ động hoá và trở nên rất ổn định Tính ổn định nhiệt của crôm rất cao, ở 1200 oC Cr thể hiện ổn định hơn cả W, Mo, Nb, Ta Crôm tác dụng

17

với cacbon tạo ra các loại cacbit: (FeCr)3C, Cr23C6, Cr7C3 và Cr2C3 Khi cacbit tồn tại

ở dạng mạng lưới phân bố theo biên giới hạt sẽ làm hợp kim nhạy cảm với phá huỷ giòn [14, 24]

Crôm là nguyên tố hợp kim không thể thiếu trong chế tạo các loại thép hợp kim, thép không gỉ và hợp kim bền nhiệt Ưu điểm của các loại thép này là chịu được áp lực lớn, chịu được các hóa chất, dễ gia công, chịu được nhiệt độ cao cũng như nhiệt độ thấp Các hợp kim trên cơ sở crôm ngày càng được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi [14, 15]

1.5.2 Sơ lược về niken (Ni)

Niken là kim loại chuyển tiếp nhóm VIII B Bảng 1.4 trình bày một số đặc tính

cơ bản của niken.

Niken là kim loại màu trắng bạc, có cơ tính cao b = 400 – 500 MPa, có độ dẻo cao ( = 50%) do niken có kiểu mạng lập phương tâm mặt, niken có khả năng bền ăn mòn cao So với các kim loại khác, niken có khả năng ổn định chống ăn mòn trong khí quyển cao hơn cả Dưới tác dụng của không khí ẩm, bề mặt niken bị mờ do tạo ra lớp ôxit mỏng có tính bảo vệ tốt

Tốc độ ăn mòn của niken rất chậm, khoảng 0,003 mm/năm trong nước ngọt và 0,13 –0,61 mm/năm trong nước biển Ni bền trong dung dịch muối, kiềm hoặc axít hữu cơ và trong một số loại khí khô (O2, N2, H2S, NH3, HF…), tuy nhiên niken tỏ ra kém bền trong một số axit mạnh (HCl, HNO3, H2SO4…) [1, 14, 15, 24]

Bảng 1.4 Một số tính chất cơ bản của niken [14]

18

1.5.3 Lớp phủ hợp kim Ni-20Cr

Cr, Ni là các nguyên tố hợp kim quan trọng được sử dụng để cải thiện độ bền, độ dẻo của thép Thép được hợp kim hóa Cr, Ni có độ bền, độ dẻo dai cao đồng thời có khả năng chống ăn mòn, mài mòn và chịu nhiệt tốt

Từ giản đồ pha Ni – Cr ở hình 1.7 [100] có thể thấy Cr tan khá tốt vào Ni với độ hòa tan tối đa là 47% ở 1345oC và giảm xuống còn 30% ở nhiệt độ thường

Ở nhiệt độ thường, khi hàm lượng Cr trong hợp kim từ 30% trở lên thì tổ chức của Ni-20Cr có 2 pha: α-Cr và γ-Ni Pha α-Cr là pha giòn do đó làm giảm độ dai của hợp kim Nếu hợp kim có hàm lượng Cr < 7% sẽ làm giảm khả năng chống oxy hoá vì

tỷ lệ khuếch tán của oxy vào trong hợp kim này sẽ tăng lên Hàm lượng Cr từ 7 – 30%, thì tỷ lệ khuếch tán oxy vào hợp kim giảm, như vậy thành phần hợp kim có ảnh hưởng lớn đến khả năng chống oxy hoá ăn mòn và mài mòn

Do có độ bền hóa học nên hợp kim Ni-20Cr có rất nhiều ứng dụng thực tế, quan trọng nhất là để chế tạo các phần tử đốt nóng Các phần tử này có điện trở rất cao; vì vậy, khi có dòng điện đi qua, chúng sẽ được nung nóng mạnh Nếu pha thêm Co và Al thì các hợp kim này sẽ có khả năng chịu được tải trọng lớn ở nhiệt độ 650 – 900o

C [14]

Hình 1.7 Giản đồ pha của Ni – Cr [101]

19

Các chi tiết như cánh quạt của tuabin khí chẳng hạn, được chế tạo bằng loại hợp kim chịu nhiệt như vậy Crôm còn có mặt trong nhiều loại hợp kim khác mà ta có thể nhận thấy qua tên gọi của chúng: cromen, croman, cromansi Hợp kim comocrom (CoMoCr) không độc hại đối với cơ thể người; vì vậy, nó được sử dụng trong việc phẫu thuật phục hồi Các ứng dụng của crôm còn phải kể đến các hợp chất hóa học của

nó được dùng để chế tạo pigment tạo màu cho sơn, lớp mạ điện hóa crôm có độ cứng rất cao và bền hóa học, các ứng dụng làm chất xúc tác trong công nghiệp hóa học, … Crôm và niken là các nguyên tố hợp kim chính trong thành phần nhiều loại thép không gỉ bền hóa chất Khả năng chịu hóa chất của chúng tạo bởi sự hình thành các lớp thụ động có độ bền ăn mòn cao trên bề mặt các kim loại này khi chúng tiếp xúc với môi trường hóa chất và tạo ra tổ chức tế vi có thể chỉ có một pha austenite do vậy bền

ăn mòn do không tạo thành pin ăn mòn galvanic Khi hai kim loại này kết hợp tạo với nhau ở dạng hợp kim Ni-20Cr sẽ tạo nên loại vật liệu có độ bền cao trong nhiều môi trường ăn mòn khắc nghiệt [51 – 55]

Trong các nghiên cứu [56 – 68], các tác giả sử dụng hợp kim Ni-20Cr kết hợp với các loại cacbit: (W,Cr)2C, Cr2C3 và Cr3C2 dưới dạng bột để chế tạo các lớp phủgốm bằng công nghệ phun phủ HVOF và công nghệ phun phủ plasma Các nghiên cứu cấu trúc, tính chất của lớp phủ gốm trên cơ sở hợp kim Ni-20Cr để nâng cao khả năng chống ăn mòn ở nhiệt độ cao cho các kết cấu, đường ống, nồi hơi

Lớp phủ hợp kim Ni-20Cr khi được trộn thêm các oxit Nd2O3; Cr2O3 hoặc các nguyên tố Fe, Bo, Si sẽ làm tăng khả năng chống ăn mòn và mài mòn [69 – 77] Trong các nghiên cứu [78 – 85] lớp phủ Ni-20Cr được chế tạo bằng công nghệ phun phủ HVOF hoặc công nghệ phun nguội trên nền thép chế tạo lò hơi Các nghiên cứu cấu trúc, tính chất của lớp phủ cho thấy, lớp phủ Ni-20Cr có thể làm việc ở miền nhiệt độ cao lên đến 800 – 900o

C

Lớp phủ hợp kim Ni-20Cr được kết hợp các tính chất của Cr và Ni có ưu điểm là khả năng chịu nhiệt, chống ăn mòn, chịu mài mòn và có độ bền khá cao trong nhiều môi trường hoá chất

1.6 Lớp phủ kép Ni-20Cr và Al

Lớp phủ hợp kim Ni-20Cr trên nền thép cacbon thể hiện tính năng ưu việt, ngoài việc tăng cứng bề mặt, tăng khả năng chịu mài mòn, thì lớp phủ hợp kim Ni-20Cr có

20 tác dụng như lớp màng ngăn chặn các tác nhân gây ăn mòn Tuy nhiên khi nền thép bị

hở thì lớp phủ Ni-20Cr không còn khả năng bảo vệ

Với các loại chi tiết cần chú trọng khả năng bảo vệ chống ăn mòn ở nhiệt độ cao thường được phun lớp phủ kép Ni-20Cr và Al với lớp nhôm bên ngoài để nâng cao khả năng chống ăn mòn Ở đây Ni-20Cr chỉ đóng vai trò là lớp màng chống oxy hóa thứ hai sau lớp nhôm chứ không được nhấn mạnh đến khả năng chịu mài mòn Nhóm nghiên cứu người Nhật Bản Kazuo Ishikawa và cộng sự [85 – 86] đã có những nghiên cứu về lớp phủ kép 80Ni-20Cr (Ni-20Cr) kết hợp lớp phủ nhôm trên nền thép cacbon thấp, trong các nghiên cứu này lớp phủ Al được phủ lên trên lớp phủ Ni-20Cr, các lớp phủ được chế tạo bằng công nghệ phun khí cháy METCO 12E của hãng Sulzer Metco-Nhật Bản, sử dụng vật liệu là dây kim loại Các lớp phủ được khống chế chiều dày lần lượt là lớp phủ Ni-20Cr dày 100 – 150 µm, lớp phủ Al dày là 200 - 250

µm, sau đó lớp phủ Ni-20Cr – Al được nghiên cứu cấu trúc và các tính chất điện hóa Kết quả cho thấy lớp phủ kép Ni-20Cr – Al có khả năng chống ăn mòn trong dầu thực vật tốt hơn thép không gỉ SS400 và các lớp phủ đơn riêng rẽ Khả năng bám dính của lớp phủ Al trên lớp phủ Ni-20Cr cũng tốt hơn lớp phủ Al trên nền thép do lớp phủ Ni-20Cr có độ nhấp nhô bề mặt cao

Việc đưa lớp phủ Al vào giữa lớp phủ Ni-20Cr và nền thép sau đó xử lý ủ nhiệt

có thể tăng đồng thời khả năng chống mài mòn và bảo vệ chống ăn mòn, đồng thời cải thiện khả năng bám dính của lớp phủ Al do xẩy ra khuếch tán giữa các lớp phủ và giữa lớp phủ và nền thép

Cũng đã có một số nghiên cứu về lớp phủ kép Al/Ni-20Cr với lớp phủ Al tiếp ở giữa tiếp xúc với nền thép và lớp phủ Ni-20Cr ở trên nhưng những nghiên cứu này chưa nhiều Trong nghiên cứu [87 – 90] các tác giả nghiên cứu vùng biên giới giữa Fe – Al, giữa NiAl và Ni-20Cr, lớp phủ chế tạo bằng công nghệ phun nổ Các kết quả nghiên cứu cho thấy lớp phủ Ni-20Cr có khả năng bám dính tốt trên bề măt lớp phủ

Al

Trong một số nghiên cứu khác, Al được trộn vào hợp kim Ni-20Cr kết hợp với các nguyên tố Ti, Co, Y, Ta, Fe làm nguyên liệu để chế tạo lớp phủ gốm bằng công nghệ phun phủ HVOF, Plasma [91 – 98] Các kết quả nghiên cứu cho thấy lớp phủ hợp kim Ni-20Cr khi có thêm nguyên tố Al có khả năng chịu nhiệt lên đến 900 –

1100oC và có khả năng chống ăn mòn trong nhiều môi trường hóa chất

21

Với chi tiết làm việc trong điều kiện khắc nghiệt vừa chịu mài mòn, vừa chịu ăn mòn, việc dùng lớp phủ kép Al với Ni-20Cr chống mài mòn cao bên ngoài là thích hợp Lớp phủ nhôm vừa có tác dụng như một rào cản chống lại sự xâm nhập của các tác nhân ăn mòn, đồng thời nó lại có tính năng hoạt động của anốt hy sinh tan dần ra

để bảo vệ nền thép khi lớp phủ bị hở Như vậy, tổ hợp lớp phủ nhôm bên dưới và hợp kim Ni-20Cr bên trên có khả năng kết hợp hai hiệu ứng bảo vệ trên, cùng góp phần nâng cao tuổi thọ của các kết cấu thép nền

Tổ hợp lớp phủ kép nhôm và Ni-20Cr trên nền thép cacbon được chế tạo bằng công nghệ phun phủ hồ quang điện theo trình tự sau:

- Trước khi phun phủ, bề mặt chi tiết được tạo nhám cho phép giảm ứng suất kéo

tổng, nhờ các vết nhám ứng suất được chia ra thành nhiều phần nhỏ (trở thành vi

mô và tự cân bằng), tạo điều kiện cho lớp phủ Al bám dính vào nền thép

- Lớp phủ Al được phun trước, trên bề mặt lớp phủ Al có độ nhấp nhô khá cao tạo

điều kiện cho lớp phủ hợp kim Ni-20Cr bám dính lên trên bề mặt lớp phủ nhôm Tuy nhiên, do quá trình phun phủ được thực hiện ngoài không khí, nên trên bề mặt lớp phủ nhôm luôn tồn tại một lớp màng ôxit Al2O3 xít chặt Khả năng bám dính của lớp phủ Ni-20Cr trên lớp phủ Al phụ thuộc vào góc thấm ướt của lớp bề mặt mà chủ yếu là ôxit nhôm Góc thấm ướt là góc hình thành giữa tiếp tuyến của giọt chất lỏng tại điểm tiếp xúc giữa 3 pha rắn, lỏng, khí với bề

mặt của pha rắn (góc θ) Chất lỏng thấm ướt hoàn toàn khi θ = 0o

; nó hoàn toàn không thấm ướt khi θ = 180o

22 năng lượng bám dính thấp Crôm bám dính tốt lên bề mặt ôxit nhôm vì có năng lượng bám dính cao với W = 2200 N/cm2

với góc thấm ướt nhỏ  = 65o

Tuy nhiên, hợp kim Ni-20Cr có khả năng bám dính tốt với ôxit nhôm (Al2O3) Điều này được chứng minh qua sự thay đổi góc thấm ướt khi phủ chúng lên bề mặt ôxit nhôm (hình 1.9) [20, 48]

Hình 1.9 Sự thay đổi góc thấm ướt của hợp kim Ni-20Cr lên bề mặt ôxit nhôm

(Al2O3), Hafnium (HfO2) và Ytri (Y2O3) theo thời gian [47]

Thời gian (giây)

Hợp kim Ni-20Cr khi đông đặc trên nền oxit nhôm tạo thành đĩa hình dẹt, tăng diện tích tiếp xúc với nền Al2O3, do đó tăng khả năng bám dính với nền Đối với nền là oxit Y2O3 có khả năng bám dính kém hơn nền Al2O3 và HfO2 không có hiện tượng này nên không xảy ra sự bám dính

Hình 1.10 Ảnh giọt hợp kim Ni-20Cr lên bề mặt [48]

a) Al2O3 b) Y2O3 c) HfO2

24 tăng độ bám dính giữa các lớp phủ, do vậy làm thay đổi tính chất của lớp phủ Ngoài

ra, xử lý nhiệt còn làm giảm độ xốp của lớp phủ, khử bớt ứng suất dư trong lớp phủ và ứng suất dư trong nền gây ra do quá trình nguội nhanh và sự khác nhau của hệ số giãn

nở nhiệt của các kim loại và hợp kim Nhôm nguyên chất nóng chảy ở nhiệt độ 660o

C, nếu nhiệt độ xử lý cao hơn nhiệt độ nóng chảy của Al, lớp phủ Al có thể bị chảy lỏng

dễ làm bong tróc lớp phủ Ni-20Cr, vì vậy cần lựa chọn nhiệt độ và chế độ xử lý nhiệt phù hợp để đạt được các kết quả mong muốn mà không làm bong tróc lớp phủ Ni-20Cr

Việc kết hợp giữa hai lớp phủ, lớp phủ Al ở dưới lớp phủ hợp kim Ni-20Cr ở trên

sẽ phát huy thế mạnh của cả hai loại lớp phủ: lớp phủ nhôm gắn liền với nền thép nên

nó có khả năng bảo vệ thép bằng cả hai phương pháp là rào cản và là anốt hy sinh; lớp phủ hợp kim Ni-20Cr ở trên có khả năng chống ăn mòn, bền mài mòn, khả năng chịu nhiệt tốt

1.6.2 Tương tác giữa lớp phủ Al với nền thép

25

Trước tiên, nhôm phủ trên nền thép, do vậy cần xem xét sự tương tác giữa Al và thép thông qua giản đồ pha Fe – Al hình 1.11 [100]

Từ giản đồ pha Fe – Al chúng ta có thể có các nhận xét như sau:

- Quá trình khuếch tán giữa nhôm và nền thép có xu hướng hình thành liên kết liên kim loại AlmFen từ dung dịch rắn vì cấu trúc nguyên tử của Fe với lớp "d" (6 điện tử) không điền đầy, thuận lợi cho việc hình thành các pha này

Tương tác giữa Fe và Al trên giản đồ tạo thành các pha ở các vùng nhiệt độ được thống kê trên bảng 1.6

- Ở nhiệt độ thường các pha có thể tạo thành là: α (dung dịch rắn Fe(Al)) + FeAl (vùng tiếp giáp Fe), FeAl3 + Al(Fe) (vùng tiếp giáp nhôm)

- Khi lượng Al tăng lên (từ vùng giàu Fe), có thể tạo thành các pha FeAl, Fe3Al, FeAl2, Fe2Al5, FeAl3

Ở nhiệt độ từ 500oC trở lên (đến khoảng 800oC), các pha có thể tạo thành là: α +

Fe3Al, Fe3Al, FeAl2, Fe2Al5, FeAl Khi làm nguội xuống 551oC thì pha FeAl bị chuyển biến thành Fe3Al, (Fe) chuyển biến thành α(Fe) ở nhiệt độ 770oC khi làm nguội rất

chậm Độ hoà tan lớn nhất của nhôm trong dung dịch rắn  là 45% tại 1310oC, độ hoà tan giảm theo nhiệt độ Do phản ứng bao tinh, ở 1215o

C, pha  được tạo ra Pha này chỉ tồn tại đến nhiệt độ nhỏ nhất là 1092oC với nồng độ (55 – 63)%Al Ở nhiệt độ nóng chảy 1171o

C và 1157oC, nồng độ Al hoà tan lớn nhất có thể là 70% và 75%, tương ứng với hai pha liên kim loại Fe2Al5 và FeAl3 Độ cứng của các pha có thể tạo thành đã được nghiên cứu và đưa ra trong bảng 1.7 [100]

Bảng 1.6 Nhiệt độ và phần trăm khối lượng tồn tại của các pha

theo giản đồ pha Fe – Al [100]