Nghiên cứu nâng cao khả năng bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường axit của lớp phủ hợp kim nicr bằng chất bịt phốt phát nhôm

Luận án nghiên cứu sinh với tên đề tài "Nghiên cứu nâng cao khả năng bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường axít của lớp phủ hợp kim niken crôm bằng chất bịt phốt phát nhôm" đã được hoàn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-

NGUYỄN VĂN TUẤN

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO KHẢ NĂNG BẢO VỆ CHỐNG ĂN MÒN TRONG MÔI TRƯỜNG AXÍT CỦA LỚP PHỦ HỢP KIM

NiCr BẰNG CHẤT BỊT PHỐT PHÁT NHÔM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

HÀ NỘI – 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-

NGUYỄN VĂN TUẤN

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO KHẢ NĂNG BẢO VỆ CHỐNG ĂN MÒN TRONG MÔI TRƯỜNG AXÍT CỦA LỚP PHỦ HỢP KIM

NiCr BẰNG CHẤT BỊT PHỐT PHÁT NHÔM

Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý

Mã sỗ: 62 44 01 19

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS Lê Thu Quý

2 PGS.TS Đinh Thị Mai Thanh

Hà Nội – 2017

Luận án nghiên cứu sinh với tên đề tài "Nghiên cứu nâng cao khả năng

bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường axít của lớp phủ hợp kim niken

crôm bằng chất bịt phốt phát nhôm" đã được hoàn thành tại Phòng Dữ liệu,

Thử nghiệm nhiệt đới và Môi trườn -Viện Kỹ thuật nhiệt đới - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và chân thành đến PGS.TS Lê Thu Quý, PGS.TS Lê Thị Hồng Liên, PGS.TS Đinh Thị Mai Thanh, những người thầy đã hướng dẫn tận tình và chu đáo trong suốt quá trình xây dựng và hoàn thiện luận án Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới tập thể các anh chị em của Phòng Dữ liệu, Thử nghiệm nhiệt đới và Môi trường - Viện Kỹ thuật nhiệt đới- Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, những người luôn đồng hành cùng tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn Trung tâm đánh giá hư hỏng vật liệu (COMFA) - Viện Khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, đã tạo mọi điều kiện thuận lợi về trang thiết bị đánh giá để luận án của tôi được hoàn thành

Tôi cũng xin được cảm ơn Viện Kỹ thuật nhiệt đới, đơn vị nơi tôi đang công tác đã tạo điều kiện cho tôi được thực hiện đề tài cơ sở trong các năm từ 2011-2014 với các nội dung nghiên cưu liên quan đến luận án này

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã tạo điều kiện giúp đỡ, chia sẻ và động viên tôi trong quá trình hoàn thành luận

Tôi xin cam đoan những nội dung trong luận án này do tôi thực hiện dưới

sự hướng dẫn của các thầy hướng dẫn khoa học Một số nhiệm vụ nghiên cứu là

thành quả của tập thể và đã được các đồng sự cho phép sử dụng

Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng

được công bố trong luận án khác

Tác giả luận án

NGUYỄN VĂN TUẤN

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN……… ii

DANH MỤC CÁC BẢNG TRONG LUẬN ÁN x

DANH MỤC CÁC HÌNH TRONG LUẬN ÁN xi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 4

1.1 Ăn mòn và bảo vệ kim loại 4

1.1.1 Ăn mòn kim loại 4

1.1.2 Quá trình ăn mòn kim loại trong dung dịch điện li 5

1.1.3 Bảo vệ chống ăn mòn kim loại 6

1.2 Công nghệ phun phủ nhiệt 6

1.2.1 Khái niệm chung 6

1.2.2 Lịch sử hình thành và phát triển của công nghệ phun phủ nhiệt 7

1.2.3 Nguyên lý chung của công nghệ phun phủ nhiệt 10

1.2.4 Đặc trưng cấu trúc của lớp phun phủ nhiệt 11

1.2.5 Nguyên lý của công nghệ phun phủ dùng hồ quang điện 12

1.2.6 Lớp phủ hợp kim NiCr chế tạo bằng công nghệ phun phủ hồ quang điện 13

1.2.7 Ứng dụng của lớp phủ hợp kim NiCr trong chống ăn mòn 14

1.3 Nhôm phốt phát 23

1.3.1 Tổng hợp nhôm phốt phát 23

1.3.2 Ảnh hưởng của xử lý nhiệt đến thành phần pha 25

1.3.3 Nhôm phốt phát ứng dụng trên các lớp phun phủ nhiệt 29

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 37

2.1 Thực nghiệm 38

2.1.1 Tổng hợp và xác định tính chất của dung dịch nhôm phốt phát 37

2.1.2 Chế tạo lớp phủ hợp kim NiCr 39

2.1.3 Thí nghiệm xử lý nhiệt 40

2.2 Các phương pháp nghiên cứu……… ….41

2.2.2 Phương pháp SEM-EDX 41

2.2.3 Phương pháp phân tích tổ chức tế vi 42

2.2.4 Nghiên cứu tính chất ăn mòn 42

2.2.4.1 Chuẩn bị mẫu đo điện hóa 42

2.2.4.2 Đo điện thế mạch hở E ocp 44

2.2.4.3 Xác định điện trở phân cực R p 44

2.2.4.4 Đo tổng trở điện hóa 45

2.2.5 Nghiên cứu khả năng chịu mài mòn 46

2.2.6 Nghiên cứu khả năng chịu ăn mòn mài mòn 48

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 49

3.1 Nghiên cứu tổng hợp dung dịch nhôm phốt phát 49

3.1.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ số mol P/Al đến độ nhớt và khối lượng riêng 49

3.1.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ số mol P/Al đến thành phần pha 50

3.1.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ số mol P/Al đến thời gian thoát bọt khí 52

3.1.4 Ảnh hưởng của hàm lượng nước 55

3.1.4.1 Độ nhớt và khối lượng riêng 55

3.1.4.2 Thời gian xuất hiện bọt khí 56

3.1.4.3 Khả năng thẩm thấu 58

3.1.4.4 Khả năng điền đầy các lỗ xốp 64

3.1.5.Ảnh hưởng của nhiệt độ đến thành phần pha 66

3.2 Ảnh hưởng của xử lý nhiệt đến đặc tính của lớp phủ 70

3.2.1.Thành phần pha 70

3.2.2 Độ bền của các pha 72

3.2.3 Độ xốp 75

3.2.4 Độ bền mài mòn 78

3.2.5 Khả năng bảo vệ và chống ăn mòn của lớp phủ 80

3.2.5.1 Điện thế mạch hở 81

3.2.5.2 Tổng trở điện hóa 83

3.2.5.3 Đường cong phân cực 90

3.2.5.4.1 Trạng thái bề mặt mẫu theo thời gian 97

3.2.5.4.2 Xác định chiều dày lớp phủ theo thời gian 98

3.2.5.4.3 Xác định các thông số ăn mòn theo thời gian 99

KẾT LUẬN CHUNG 102

NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 103

Ký hiệu Chú giải

Ecorr Điện thế ăn mòn

Jcorr Mật độ dòng ăn mòn

GFG1 Công nghệ phun phủ HVOF sử dụng nhiên liệu dạng khí

LFG2 Công nghệ phun phủ HVOF sử dụng nhiên liệu dạng lỏng

M-02 Dung dịch nhôm phốt phát với tỷ lệ số mol P/Al=2,1

vapor deposition)

tới 800oC

Octhorhombic Cấu trúc tinh thể hệ trực thoi

VPS Phun plasma chân không (Vacuum Plasma Spray)

Bảng 1.1 So sánh các công nghệ phun phủ nhiệt 9

Bảng 1.2 Thành phần các lớp phủ hợp kim 20

Bảng 1.3 Vật liệu sử dụng để chế tạo các lớp phủ 20

Bảng 1.4 Thành phần hóa học của vật liệu chế tạo các lớp phủ 21

Bảng 1.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến thành phần pha có trong APP 25

Bảng 1.6 Các thông số hình học của Al 2 P 6 O 18 26

Bảng 1.7 Tính chất của các chất thẩm thấu cho lớp phun phủ nhiệt 30

Bảng 2.1 Hóa chất và dụng cụ sử dụng trong thí nghiệm tổng hợp APP 39

Bảng 2.2 Thành phần dung dịch APP được khảo sát 39

Bảng 2.3 Thành phần hóa học cơ bản của dây NiCr 39

Bảng 2.4 Chế độ công nghệ phun phủ chế tạo lớp phủ hợp kim NiCr 39

Bảng 2.5.Chế độ thử nghiệm độ bền mài mòn của lớp phủ 46

Bảng 3.1 Thời gian xuất hiện bọt khí trên bề mặt lớp phủ NiCr có APP 52

Bảng 3.2 Thời gian xuất hiện bọt khí trên bề mặt mẫu lớp phủ NiCr có APP với hàm lượng nước khác nhau thẩm thấu 57

Bảng 3.3 Kết quả phân tích SEM-EDX trên mặt cắt ngang của mẫu NC 60

Bảng 3.4 Kết quả phân tích SEM-EDX vị trí các điểm trên mặt cắt ngang của mẫu NA 61

Bảng 3.5 Các tinh thể hình thành sau khi APP được xử lý nhiệt 67

Bảng 3.6 Các pha tinh thể có trong lớp phủ hợp kim NiCr có dung dịch APP thẩm thấu sau khi xử lý nhiệt tại các nhiệt độ khác nhau 71

Bảng 3.7 So sánh thành phần pha tinh thể trước và sau khi ngâm mẫu 74

Bảng 3.8 Độ cứng HV đo trên bề mặt của các lớp phủ 80

Bảng 3.9 Các thông số ăn mòn của nền thép trong dung dịch H 2 SO 4 pH2 81

Bảng 3.10 Kết quả phân tích hàm lượng Fe trong dung dịch H 2 SO 4 pH2 96

Bảng 3.11 Các thông số ăn mòn của các lớp phủ xác định 100

Hình 1.1 Quá trình ăn mòn kim loại trong dung dịch điện li 5

Hình 1.2 Lịch sử phát triển công nghệ phun phủ nhiệt 8

Hình 1.3 Nguyên lý của công nghệ phun phủ nhiệt 11

Hình 1.4 Quá trình tạo lớp phủ kim loại 11

Hình 1.5 Cấu trúc của lớp phủ kim loại 12

Hình 1.6 Nguyên lý công nghệ phun phủ dùng hồ quang điện 12

Hình 1.7 Cấu trúc của lớp phủ hợp kim NiCr 13

Hình 1.8 Ảnh mặt cắt ngang của lớp phủ sau khi xử lý nhiệt 17

Hình 1.9 Độ xốp của lớp phủ trước và sau khi xử lý nhiệt 18

Hình 1.10 Đường cong phân cực anôt của các lớp phủ hợp kim NiCr20 19

Hình 1.11 Cấu trúc cyclohaxaphotphat nhôm Al 2 P 6 O 18 26

Hình 1.12 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến thành phần pha của hỗn hợp nhôm phốt phát ứng với tỷ lệ mol P/Al là 2,14 28

Hình 1.13 Đường cong TG/DSC của nhôm phôt phat 29

Hình 1.14 Mật độ dòng điện của lớp phủ Al 2 O 3 31

Hình 1.15 Khả năng chịu mài mòn của các lớp phủ có và không có các chất thẩm thấu 32

Hình 1.16 Khả năng chịu mài mòn sau khi thử nghiệm ăn mòn 32

Hình 1.17 Ảnh TEM mặt cắt ngang của lớp phủ Cr 2 O 3 thẩm thấu với APP 33

Hình 1.18 Ảnh TEM mặt cắt ngang của lớp phủ Al 2 O 3 thẩm thấu với APP 33

Hình 1.19 Ảnh SEM cấu trúc mặt cắt ngang của lớp phủ gốm composite Cr 2 O 3 -Al 2 O 3 34

Hình 1.20 Đường cong phân cực của lớp phủ FeCrMoMnWBSi có và không có chất bịt 35

Hình 2.1 Sơ đồ thí nghiệm tổng hợp và xác định các tính chất của dung dịch APP 37

Hình 2.2 Quy trình xử lý nhiệt đối với các mẫu thí nghiệm 40

Hình 2.3 Mẫu đo điện hóa 42

Hình 2 5 Sơ đồ đo điện hóa 2 điện cực 44

Hình 2.6 Quy trình xử lý nhiệt đối với các mẫu thí nghiệm 47

Hình 2.7 Mô hình thử nghiệm ăn mòn mài mòn 48

Hình 3.1 Thay đổi độ nhớt và khối lượng riêng theo tỉ lệ số mol P/Al 49

Hình 3.2 Biểu đồ nhiễu xạ tia X của APP với các tỷ lệ mol P/Al (2,0÷3,0) 50

Hình 3.3 Giản đồ tổng trở điện hóa Bode của lớp phủ hợp kim NiCr 55

Hình 3.4 Biểu đồ biểu diễn sự phụ thuộc của độ nhớt và khối lượng riêng của dung dịch APP vào hàm lượng nước 56

Hình 3.5 Ảnh SEM-EDX đánh dấu các vị trí phân tích thành phần lớp phủ 59

Hình 3.6 Thành phần hóa học phân tích tại điểm cách bề mặt lớp phủ 60

Hình 3.7 Ảnh cấu trúc mặt cắt ngàng của mẫu lớp phủ NiCr 64

Hình 3.8 Ảnh hiển vi quang học chụp trên mặt cắt ngang của các lớp phủ 65

Hình 3.9 Tỷ lệ (%) các lỗ xốp được điền đầy trong lớp phủ 66

Hình 3.10 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu nhôm phốt phát tỷ lệ P/Al=2,3 67

Hình 3.11 Các dạng tinh thể được hình thành trong APP 69

Hình 3.12 Giản đồ XRD của mẫu NA 71

Hình 3.13 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu lớp phủ sau khi ngâm 1052 giờ trong dung dịch axit H 2 SO 4 pH2 73

Hình 3.14 Cấu trúc mặt cắt ngang của các mẫu NC5 (a) và NA5 (b) 75

Hình 3.15 Cấu trúc mặt cắt ngang của mẫu lớp phủ NC 76

Hình 3.16 Cấu trúc mặt cắt ngang của các mẫu NA 77

Hình 3.17a Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tỷ lệ các lỗ xốp của lớp phủ hợp kim NiCr 77

Hình 3.17b Ảnh hưởng của nhiệt độ đến % các lỗ xốp còn lại trong lớp phủ 77

Hình 3.18 Ảnh hưởng của nhiệt độ xử lý đến sự tổn hao khối lượng của lớp phủ sau khi thử nghiệm mài mòn 79

Hình 3.19 Đường cong phân cực của nền thép C45 81

Hình 3.20 Biến thiên điện thế mạch hở theo thời gian 82

NA sau 2 giờ ngâm trong dung dịch H 2 SO 4 pH2 84 Hình 3.22 Giản đồ tổng trở điện hóa dạng Bode của các mẫu NC và NA đo theo thời gian ngâm trong dung dịch H 2 SO 4 pH2 86 Hình 3.23 Giản đồ tổng trở điện hóa dạng Bode của các mẫu NC và NA không

có nền thép đo sau 168 giờ ngâm 87 Hình 3.24 Thay đổi |Z| theo thời gian của các mẫu lớp phủ tại tần số 25 mHz 89 Hình 3.25 Đo phân cực theo thời gian của các mẫu lớp phủ trong dung dịch

H 2 SO 4 pH2 90 Hình 3.26 Biến thiên điện trở phân cực R p của các lớp phủ theo thời gian ngâm mẫu 91 Hình 3.27 Biến thiên mật độ dòng ăn mòn của các lớp phủ theo thời gian ngâm mẫu 91 Hình 3.28 Ảnh SEM mặt cắt ngang các mẫu 93 Hình 3.29 Giản đồ XRD của mẫu NA10 tại ranh giới giữa lớp phủ và nền thép 95 Hình 3.30 Ảnh bề mặt mẫu theo thời gian 98 Hình 3.31 Chiều dày của lớp phủ theo thời gian thử nghiệm ăn mòn mài mòn 99 Hình 3.32 Đường cong phân cực của các mẫu đo sau thời gian thử nghiệm 100

MỞ ĐẦU

Lớp phủ hợp kim Ni-20Cr (NiCr) kết hợp được các tính chất của Ni và Cr nên có khả năng chống ăn mòn bền mài mòn khá tốt trong nhiều môi trường hóa chất [1] Tuy nhiên, do đặc điểm cấu trúc của các lớp phun phủ nhiệt luôn tồn tại các lỗ xốp, độ xốp của các lớp phun phủ nhiệt có thể dao động trong khoảng khá rộng (1-15%) tùy thuộc vào phương pháp chế tạo [2, 3] Đối với nền thép, lớp phủ hợp kim NiCr là lớp phủ catot, do đó để bảo vệ cho nền thép trong dung dịch có tính ăn mòn đòi hỏi lớp phủ phải có độ xốp thấp Lớp phủ NiCr chế tạo bằng công nghệ phun phủ dùng hồ quang điện có độ xốp khá cao khoảng 11,5% [4] Điều này

sẽ làm ảnh hưởng đến khả năng bảo vệ và chống ăn mòn của lớp phủ

Để nâng cao khả năng bảo vệ và chống ăn mòn của lớp phủ hợp kim NiCr thì việc xử lý làm giảm độ xốp của lớp phủ là cần thiết Lớp phủ có thể được xử lý bằng nhiều phương pháp khác nhau như bằng laze, lắng đọng hơi hóa học kim loại-chất hữu cơ, lắng đọng hơi hóa học ở nhiệt độ cao, thấm hơi hóa học,… Tuy nhiên, các phương pháp này đòi hỏi thiết bị rất phức tạp và đắt tiền [5] Do đó, việc xử lý các lỗ xốp của các lớp phủ thường được thực hiện bằng phương pháp xử lý nhiệt hoặc phương pháp thẩm thấu với các hợp chất hóa học trong đó có nhôm phốt phát (APP)

Các kết quả nghiên cứu trên thế giới cho thấy, APP có khả năng thẩm thấu khá sâu và điền đầy hầu hết các lỗ xốp có trong lớp phủ, qua đó không những đã góp phần cải thiện đáng kể khả năng bảo vệ và chống ăn mòn của lớp phủ, mà còn cải thiện khả năng chịu mài mòn cho lớp phủ do sự hình thành các hợp chất phốt phát như Al(PO3)3, Al2P6O18, AlPO4 [5-13], đây là điểm khác biệt so với việc sử dụng các chất hữu cơ để xử lý các lỗ xốp có trong lớp phun phủ

Các nghiên cứu trước đây cả ở trên thế giới và trong nước chỉ mới tập trung vào việc sử dụng APP thẩm thấu cho các lớp phun phủ nhiệt chế tạo bằng công nghệ phun phủ plasma và HVOF Đến nay, chưa thấy có công bố nào liên quan

đến việc sử dụng APP cho các lớp phun phủ nhiệt chế tạo bằng công nghệ phun phủ dùng hồ quang điện

Tại Việt Nam, lớp phủ hợp kim NiCr chế tạo bằng công nghệ phun phủ dùng

hồ quang điện đã và đang được nghiên cứu và ứng dụng nhất là trong khoảng 10 năm gần đây, tập trung chủ yếu tại các viện nghiên cứu, đặc biệt là tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Trong quá trình nghiên cứu và ứng dụng tại các ngành công nghiệp nhiệt điện và khai thác khoáng sản, lớp phủ hợp kim NiCr chế tạo bằng công nghệ phun phủ hồ quang điện do có

độ xốp cao nên đã hạn chế đáng kể khả năng bảo vệ chống ăn của lớp phủ Vì vậy cần phải có các giải pháp để khắc phục để làm giảm độ xốp có trong lớp phủ

Đề tài “Nghiên cứu nâng cao khả năng bảo vệ chống ăn mòn trong môi

trường axít của lớp phủ hợp kim NiCr bằng chất bịt phốt phát nhôm” đặt mục

tiêu là nghiên cứu và tìm ra được thành phần APP và nhiệt độ phù hợp ứng dụng xử

lý cho lớp phủ hợp kim NiCr chế tạo bằng công nghệ phun phủ dùng hồ quang điện nhằm nâng cao khả năng bảo vệ và chống ăn mòn của lớp phủ đối với nền thép làm việc trong môi trường axít chứa tác nhân gây mài mòn

Các kết quả nghiên cứu của đề tài hướng tới mục tiêu làm cơ sở cho việc chế tạo các lớp phủ ứng dụng để phục hồi và nâng cao tuổi thọ cho các chi tiết máy, phục vụ trong các ngành công nghiệp khai thác khoáng sản, đặc biệt là công nghiệp khai thác than Do đó, đề tài sẽ tập trung nghiên cứu khả năng bảo vệ và chống ănmòn của lớp phủ hợp kim NiCr đối với nền thép trong môi trường axit tại nhiệt độ

Để thực hiện được mục tiêu trên, chúng tôi sẽ tập trung vào các nội dung nghiên cứu chủ yếu như sau:

- Nghiên cứu tổng hợp APP sử dụng để thẩm thấu cho lớp phủ hợp kim NiCr

- Nghiên cứu ảnh hưởng của xử lý nhiệt đến các tính chất của lớp phủ hợp kim NiCr thẩm thấu với APP (NA)

- Nghiên cứu khả năng chống ăn mòn mài mòn trong môi trường axit H2SO4

pH=2 (pH2) của lớp phủ hợp kim NiCr trên nền thép

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Ăn mòn và bảo vệ kim loại

1.1.1 Ăn mòn kim loại

Ăn mòn kim loại là phản ứng oxi hoá khử bất thuận nghịch xảy ra giữa kim loại và một chất oxi hoá có trong môi trường xâm thực Sự oxi hoá kim loại gắn liền với sự khử chất oxi hoá [14]

Có thể công thức hoá sự ăn mòn kim loại như sau:

Kim loại + chất oxy hóa → kim loại bị oxy hóa + chất khử

phương trình phản ứng sau:

Trong môi trường trung tính hoặc kiềm, ăn mòn kim loại thường là do phản ứng giữa kim loại và oxy hòa tan trong môi trường Khi có ẩm, Me bị ăn mòn và tạo thành MeOOH theo phương trình phản ứng hóa học sau:

Trong môi trường axít, oxy cũng có thể tham gia vào quá trình ăn mòn kim loại Tuy nhiên, nồng độ của nó rất nhỏ so với proton nên thường được bỏ qua Vì

Trong môi trường khô, oxy là tác nhân ăn mòn chỉ khi ở nhiệt độ cao (vài trăm oC) Vì vậy, cần phân biệt hai loại ăn mòn: ăn mòn trong khí ẩm ở nhiệt độ thường (còn gọi là ăn mòn điện hóa) và ăn mòn trong khí khô ở nhiệt độ cao (còn gọi là ăn mòn hóa học)

Quá trình ăn mòn kim loại xẩy ra trong dung dịch điện li, phản ứng oxy hoá khử luôn bao gồm hai phản ứng riêng biệt gọi là phản ứng riêng phần: phản ứng oxy hoá gọi là phản ứng riêng phần anôt hay là phản ứng anôt và phản ứng khử gọi

là phản ứng catôt

Me + 2H+ → Me2+ + H2 Phản ứng chung (1.5)

1.1.2 Quá trình ăn mòn kim loại trong dung dịch điện li

Ăn mòn kim loại xảy ra khi kim loại tiếp xúc với dung dịch chất điện li là sự

phá huỷ kim loại xảy ra trên mặt giới hạn hai pha kim loại và dung dịch chất điện

li, khi đó kim loại bị hoà tan xảy ra trên vùng anôt và kèm theo phản ứng giải

phóng hiđro hoặc tiêu thụ oxy xảy ra trên vùng catôt đồng thời sinh ra dòng điện

Quá trình ăn mòn kim loại được mô tả như trên hình 1.1 [14]

Hình 1.1 Quá trình ăn mòn kim loại trong dung dịch điện li [14]

Trên bề mặt kim loại có vùng anôt và vùng catôt Giá trị thế điện cực tại

vùng anôt âm hơn so với thế điện cực vùng catôt

+ Vùng anôt xảy ra quá trình oxy hoá tức là kim loại bị hoà tan:

+ Vùng catôt, các electron dư ở vùng anôt được dịch chuyển đến vùng catôt trên bề

thì xảy ra phản ứng giải phóng hiđro:

2H

n

1.1.3 Bảo vệ chống ăn mòn kim loại

Để bảo vệ chống ăn mòn kim loại người ta có thể sử dụng các phương pháp khác nhau như: lựa chọn vật liệu thích hợp, loại bỏ các cấu tử gây ăn mòn, sử dụng các chất ức chế ăn mòn, các phương pháp điện hóa và sử dụng các lớp phủ trong đó

có các lớp phủ kim loại Trong môi trường dung dịch điện li, lớp phủ kim loại có điện thế ăn mòn âm hơn điện thế ăn mòn của kim loại nền cần bảo vệ là lớp phủ anôt Ngược lại, lớp phủ kim loại có điện thế ăn mòn dương hơn điện thế ăn mòn của kim loại nền cần bảo vệ là lớp phủ catôt

Tại Việt Nam, trong những gần đầy, công nghệ phun phủ nhiệt, trong đó có phương pháp công nghệ phun phủ dùng hồ quang điện đã được sử dụng khá phổ biển trong việc tạo ra các lớp phủ kim loại Việc ứng dụng phổ biến công nghệ phun phủ dùng hồ quang điện trong việc chế tạo ra các lớp phủ kim loại là do hiện nay, chúng ta đã làm chủ hoàn toàn được phương pháp công nghệ này Phần tiếp theo tôi xin được trình bày chi tiết hơn về công nghệ phun phủ nhiệt nói chung và phương pháp công nghệ phun phủ dùng hồ quang điện nói riêng

1.2 Công nghệ phun phủ nhiệt

1.2.1 Khái niệm chung

Phun phủ nhiệt là phương pháp công nghệ đưa các vật liệu rắn (dạng bột, dạng dây, dạng thanh cứng hoặc mềm) vào dòng vật chất có năng lượng cao (dòng khí cháy, hồ quang, dòng plasma,…) nhằm nung nóng chảy một phần hay toàn bộ

vật liệu; phân tán vật liệu thành các hạt dưới dạng sương mù rất nhỏ, tăng tốc độ hạt và đẩy hạt đến bề mặt chi tiết cần phủ đã được chuẩn bị trước

Theo các nhà khoa học trên thế giới, thì có một số lý thuyết về sự hình thành

lớp phun phủ nhiệt như sau [17-19]:

Theo Pospisil-Sehyl, lớp phủ kim loại được hình thành là do các giọt kim loại lỏng được phun bằng một dòng khí nén với tốc độ rất cao (trung bình khoảng

20 m/giây) Dưới tác động của dòng khí nén các giọt kim loại này bị phá vỡ thành nhiều hạt nhỏ dưới dạng sương mù có các hình dạng và kích thước khác nhau đến

va đập đến bề mặt nền và hình thành lên lớp phủ

Lý thuyết của Schoop cho rằng, động năng của các hạt kim loại khi bay được cung cấp bằng một dòng khí nén, nên khi va đập lên bề mặt phun thực tế có sự thay đổi nhiệt Thực nghiệm đã xác định rằng những hạt kim loại khi rơi khỏi miệng vòi phun bắt đầu nguội và đông đặc rất nhanh do tác dụng của dòng khí nén Tại thời điểm va đập chúng sẽ bị biến dạng dẻo, do vậy chúng liên kết với nhau thành những lớp trung gian

Theo Shenk thì nhiệt độ của các hạt phun phải ở trên nhiệt độ nóng chảy để xảy ra sự hàn chúng lại với nhau

Theo Karg, Katsch, Reininger thì những 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

1.2.2 Lịch sử hình thành và phát triển của công nghệ phun phủ nhiệt

Công nghệ phun phủ nhiệt đầu tiên là công nghệ phun phủ kim loại dùng khí cháy do kỹ sư người Thụy Sỹ tên là Max Ulrich Schoop phát minh ra từ những năm đầu thế kỷ 20 Đến nhưng 80 của thế kỷ 20, phun phủ nhiệt được chia làm 5 phương pháp chính được trình bày trong hình 1.2 Một sô phương pháp phun phủ mới cũng đã được nghiên cứu và phát triển trong những năm gần đây như phun

nguộn (Cold spray), phun ấm (Warm spray), Phun laser, phun dung dịch huyền phù (suppension and solution spray)…

Hình 1.2 Lịch sử phát triển công nghệ phun phủ nhiệt

Công nghệ phun nhiệt đã trở thành một phương pháp công nghệ vạn năng, có nhiều ưu việt trong các lĩnh vực chống gỉ, phục hồi, trang trí, 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 đặc thù Đặc biệt, vào những năm 90 của thế kỷ 20, phun phủ nhiệt đã có tốc độ phát triển và ứng dụng rất mạnh trong công nghiệp nhất là trong các lĩnh vực như cơ khí chế tạo máy, hàng không, các ngành giao thông vận tải, hóa chất

Phun phủ nhiệt đã và đang phát triển mạnh mẽ ở các nước phát triển như Mỹ, Anh, Pháp, Đức, Nga, Nhật cũng như các nước đang phát triển như Trung Quốc,

Ấn Độ, Thái Lan, Singapore, Việt Nam

Ở các nước tiên tiến đã có những dây chuyền phun phủ công suất cao với hàng tấn vật liệu phun trong ngày Ở đây, song song với phát triển ứng dụng, họ còn tiếp tục nghiên cứu lý thuyết hoàn chỉnh về công nghệ phun phủ nhiệt 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 [20, 21]

Bảng 1.1 dưới đây đưa ra các số liệu so sánh liên quan đến các phương pháp phun phủ nhiệt phổ biến trên thế giới hiện nay

Bảng 1.1 So sánh các công nghệ phun phủ nhiệt

cháy

Phun

hồ quang điện

Phun Plasma

Phun HVOF

Nhiệt độ khí

(oC)

Hợp kim Fe Hợp kim màu Gốm

Cácbit

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

0,1 - 2,5 0,1 - 5,0

-

-

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

0,05 - 2,5 0,05 -2,5

- 0,002-0,200

Độ cứng

(HRC)

Hợp kim Fe Hợp kim màu Gốm

Công nghệ phun phủ nhiệt du nhập vào nước ta cách đây khoảng hơn một nửa thế kỷ Thời gian đầu, hướng nghiên cứu về công nghệ này tập trung chủ yếu vào việc chế tạo ra các lớp phủ ứng dụng để phục hồi các chi tiết máy bị mài mòn Đến nay, công nghệ này đã được ứng dụng khá phổ biến trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là lĩnh vực chống ăn mòn

Công nghệ phun phủ nhiệt không chỉ được quan tâm bởi các viện và các trung tâm nghiên cứu trong những năm gần đây mà còn được quan tâm bởi các nhà máy, xí nghiệp trong cả nước, cụ thể, mới đây Nhà máy Z153 - Bộ quốc phòng vừa mới nhập về hệ thống các thiết bị trong dây chuyền công nghệ phun phủ dùng hồ quang điện, phục vụ cho nhu cầu phục hồi các chi tiết trong ngành tăng thiết giáp, đáp ứng nhu cầu thích ứng với tình hình mới trong nhiệm vụ xây dựng và bảo vệ tổ quốc

1.2.3 Nguyên lý chung của 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 (hình 1.3)

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

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 có thể tạo lớp phủ mỏng vài chục µm hoặc dày vài mm

Hình 1.3 Nguyên lý của công nghệ phun p

1.2.4 Đặc trưng cấu trúc của lớp phun phủ nhiệt

Quá trình hình thành lớp phun phủ nhiệt nói chung và lớp phủ kim loại nói riêng có thể mô tả như sau (hình 1.4)

Hình 1 4.Quá trình tạo lớp phủ kim loại

Pha đầu của quá trình phun đặc trưng bởi sự chảy của vật liệu phun Pha thứ hai là sự phân tán vật liệu phun, tiếp đó là quá trình bay và va đập của vật liệu phun

Lớp phủ Nguyên liệu thanh, dây hoặc bột

trên bề mặt được chuẩn bị và cuối cùng là sự hình thành lớp phun phủ nhiệt với cấu trúc đặc trưng được thể hiện trên hình 1.5

Hình 1.5 Cấu trúc của lớp phủ kim loại [22]

Trong các lớp phủ kim loại có thể có hai loại oxit, một loại oxit được hình thành riêng biệt, loại khác bao bọc xung quanh các phần tử biến dạng 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 có trong lớp phủ là nguyên nhân chính làm giảm khả năng làm việc của chúng trong các môi trường ẩm có tác nhân gây ăn mòn

1.2.5 Công nghệ phun phủ dùng hồ quang điện

hiện trên hình 1.6

Hình 1.6 Nguyên lý công nghệ phun phủ dùng hồ quang điện

Vật liệu dạng dây được 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, dòng khí nén sẽ phân tán kim loại nóng chảy thành các hạt sương mù bay với tốc độ cao tới bề mặt nền và tạo thành lớp phủ Dây kim loại liên tục được cấp bởi cặp con lăn quay với vận tốc phù hợp với quá trình phun

1.2.6 Lớp phủ hợp kim NiCr chế tạo bằng công nghệ phun phủ hồ quang điện

Crôm và niken là các nguyên tố hợp kim chính trong thành phần nhiều loại thép không gỉ bền hóa chất Lớp phủ hợp kim NiCr được kết hợp các tính chất của

Cr và Ni có ưu điểm là khả năng chịu nhiệt, chịu mài mòn và chịu ăn mòn trong nhiều môi trường Khả năng chịu hóa chất của Cr tạo bởi sự hình thành các lớp thụ động có độ bền ăn mòn cao khi chúng tiếp xúc với môi trường hóa chất Khi Cr kết hợp với Ni ở dạng hợp kim NiCr sẽ tạo nên loại vật liệu có độ bền cao trong nhiều môi trường ăn mòn khắc nghiệt [23-25]

Hình 1.7 Cấu trúc của lớp phủ hợp kim NiCr

chế tạo bằng công nghệ phun phủ dùng hồ quang điện

Lớp phủ hợp kim NiCr có cấu trúc lớp, bao gồm các hạt bị biến dạng nối với nhau, giữa các hạt hình thành nên biên giới phân cách, tạo ra độ xốp của lớp phủ Hình 1.7 là ảnh cấu trúc mặt cắt ngang của lớp phủ hợp kim NiCr chế tạo bằng công nghệ phun phủ dùng hồ quang điện với chế độ công nghệ tối ưu về độ xốp

Độ xốp đo được bằng phương pháp phân tích ảnh đối với lớp phủ hợp kim NiCr đạt

11,5% [4] Điều này, sẽ ảnh hưởng đến khả năng bảo vệ và chống ăn mòn của lớp phủ trong môi trường dung dịch có tính axit Do đó, cần phải có biện pháp xử lý nhằm làm giảm độ xốp của lớp phủ

1.2.7 Ứng dụng của lớp phủ hợp kim NiCr trong chống ăn mòn

Khả năng chống ăn mòn của các lớp phủ hợp kim NiCr trong các môi trường, đặc biệt là trong môi trường khắc nghiệt như môi trường nhiệt độ cao, môi trường ăn mòn mài mòn… đã được nhiều tác giả trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu, cụ thể:

Tính chất bền ăn mòn trong môi trường nhiệt độ cao của các lớp phủ gốm kim loại NiCr kết hợp với các loại cacbit (W,Cr)2C, Cr3C2 và Cr3C2 đã được khảo sát [26-38] Các lớp phủ được chế tạo bằng các phương pháp công nghệ phun phủ HVOF, plasma và phun nổ Kết quả khảo sát cho thấy, các lớp phủ đều có khả năng chống ăn mòn hóa học trong các môi trường khác nhau (Na2SO4, K2SO4, NaCl,

đã được ứng dụng khá phổ biến nhằm nâng cao khả năng chống ăn mòn ở nhiệt độ cao cho các kết cấu, đường ống, nồi hơi…

Các nghiên cứu liên quan đến khả năng chống oxy hóa của các lớp phủ NiCrMoSiB, NiCrFeSiB, WC - NiCrFeSiB, Cr39Ni7C trên bề mặt các loại thép SA210 grade-A1, SA213-T11, SA213-T22 chế tạo bằng công nghệ HVOF cũng đã được nghiên cứu [39 - 42] Kết quả nghiên cứu cho thấy, các mẫu thép sau khi

oxy đối lưu cao hơn nhiều so với các mẫu thép không có lớp phủ

Ảnh hưởng của các nguyên tố B, Si có trong vật liệu bột sử dụng để chế tạo lớp phủ hợp kim NiCr bằng công nghệ phun phủ plasma đến khả năng chống oxy hóa trong điều kiện nhiệt độ cao cũng đã được khảo sát [43] Kết quả nghiên cứu

cho thấy, các nguyên tố B, Si đã làm suy giảm đáng kể hàm lượng oxy có trong lớp phủ qua đó đã hạn chế quá trình oxy hóa của lớp phủ trong điều kiện nhiệt độ cao Các lớp phủ hợp kim NiCr chế tạo bằng công nghệ phun phủ HVOF và công nghệ phun nguội (Cold Spray) trên nền thép sử dụng trong ngành công nghiệp lò hơi đã được nhiều nhóm tác giả trên thế giới công bố [44 - 51] Các nghiên cứu về cấu trúc, tính chất của lớp phủ cho thấy, lớp phủ NiCr có thể làm việc ở miền nhiệt

tại nhiệt độ 750oC của các lớp phủ NiCr và Cr3C2-25NiCr trên nền thép T91 đã được S.S.Chatha và các cộng sự nghiên cứu [52] Các lớp phủ được chế tạo bằng công nghệ phun phủ HVOF Kết quả nghiên cứu cho thấy, lớp phủ NiCr có khả

Khả năng chống ăn mòn của lớp phủ WC-NiCrFeSiB chế tạo bằng công nghệ

nhóm tác giả T S Sidhu nghiên cứu [53] Các kết quả nghiên cứu về sản phẩm ăn mòn sau quá trình thử nghiệm theo chu kỳ bằng các phương pháp XRD kết hợp với các phương pháp SEM và EPMA cho thấy, lớp phủ WC-NiCrFeSiB có khả năng làm việc tốt trong môi trường được khảo sát

muối nóng chảy ở 900oC [54] Kết quả nghiên cứu cho thấy, các lớp phủ đều có khả năng chống ăn mòn tốt cho bề mặt nền siêu hợp kim Superni-718 (Ni+17,6%Cr +19,8%Fe+ 3,23%Mo+4,91%Nb)

Hành vi ăn mòn của lớp phủ NiCr và FeCr chế tạo bằng các phương pháp

Bankiewicz [55] Các kết quả thu được cho thấy, các lớp phủ có khả năng chống ăn

mòn tốt trong môi trường KCl-K2SO4 ở nhiệt độ 550oC Với nhiệt độ 600oC đã có

Ảnh hưởng của xử lý nhiệt đến khả năng chống ăn mòn của lớp phủ Cr3C2NiCr chế tạo bằng công nghệ phun phủ HVOF trên bề mặt thép ASME SA213-T91

môi trường muối nóng chảy Na2SO4-60% V2O5 ở 900oC tốt hơn so với lớp phủ không được xử lý nhiệt

A.J López và các cộng sự đã tiến hành nghiên cứu khả năng chống ăn mòn của lớp phủ Ni50Cr trong môi trường nhiệt độ cao, lớp phủ được chế tạo bằng công nghệ phun phủ HVOF Các kết quả nghiên cứu cho thấy, lớp phủ có khả năng

Ngoài ra, tính chất ăn mòn của các lớp phủ hợp kim NiCr trong các môi trường hóa chất khác nhau ở nhiệt độ cao cũng đã được công bố [59-62]

Cùng với các công trình nghiên cứu về tính chất ăn mòn trong môi trường nhiệt độ cao của lớp phủ hợp kim NiCr như đã nêu trên, cũng có không ít công trình nghiên cứu về khả năng chống ăn mòn trong môi trường axit của lớp phủ này,

cụ thể:

-Ni, Ni chế tạo bằng phương pháp HVOF trên nền thép S45C và nền thép không gỉ SS316 trong môi trường axit H2SO4 5% đã được J.E Cho và các cộng sự thuộc phòng Kỹ thuật khoa học vật liệu của trường Đại học Khoa học kỹ thuật PoHang

của Hàn Quốc nghiên cứu [63] Kết quả đo điện thế mạch hở của các lớp phủ trong

vật liệu kết hợp do có sự chênh lệch khá lớn về điện thế mạch hở Khả năng chống

ăn mòn của các lớp phủ có chứa Cr cao hơn so với các lớp phủ không chứa Cr Lớp phủ WC-CrC-Ni có khả năng chống ăn mòn kém hơn so với lớp phủ WC-Co-Cr do lớp phủ WC-CrC-Ni tồn tại các vết nứt nhỏ trong lớp phủ

Ni-Cr-W-Mo-B, chế tạo bằng phương pháp phun phủ HVOF trước và sau khi xử lý nhiệt được khảo sát bởi C.H Lee U và K.O Min [64] Lớp phủ được xử lý nhiệt tại

pháp phân tích ảnh trên cấu trúc mặt cắt ngang của lớp phủ (hình 1.8)

Hình 1.8 Ảnh mặt cắt ngang của lớp phủ sau khi xử lý nhiệt

lớp phủ chưa được xử lý nhiệt (a); lớp phủ xử lý nhiệt ở các nhiệt độ

Hình 1.9 Độ xốp của lớp phủ trước và sau khi xử lý nhiệt [64]

Kết quả nghiên cứu cho thấy, độ xốp ban đầu của lớp phủ khoảng 2% Sau khi xử lý nhiệt, độ xốp của lớp phủ giảm xuống dao động trong khoảng từ 0,3-1% (hình 1.9), khả năng chống ăn mòn của lớp phủ hợp kim tăng dần khi nhiệt độ xử lý đối với lớp phủ tăng

Năm 2004, nhóm tác giả Wei-Min Zhao và các cộng sự đã nghiên cứu khả năng chống ăn mòn của lớp phủ NiCrBSi trên nền thép trong các dung dịch: NaOH

1N [65] Kết quả nghiên cứu cho thấy, lớp phủ NiCrBSi có khả năng chống ăn mòn tốt trong dung dịch NaOH 1N do có sự hình thành màng thụ động Mật độ dòng ăn mòn của lớp phủ NiCrBSi trong dung dịch NaCl 3,5% bị axit hóa cao hơn so với

SO42- và CH3COO-

Nhóm nghiên cứu của T.E Lister tại phòng thí nghiệm “Idaho National Engineering and Environmental Laboratory” của Mỹ đã khảo sát tính chất ăn mòn của lớp phủ hợp kim C-22 (Ni-56,7%, Mo-13,7%, Cr-21,1%, W-3.02%, Fe-5.15%, C-0,023%, N-0,091%, Si-0,54%, P-0,015%, S-0,008%) trên nền thép không gỉ 316L trong dung dịch HCl loãng [66] Kết quả nghiên cứu ăn mòn bằng phương

pháp đo phân cực cho thấy, lớp phủ hợp kim C-22 có hiện tượng thụ động trong dung dịch HCl loãng trong miền điện thế khoảng 200-400 mV/SCE

được nghiên cứu bởi tác giả P.H.Suegamac và các cộng sự [67] Kết quả khảo sát cho thấy, các lớp phủ đều không có khả năng chống ăn mòn cho nền thép trong dung dịch H2SO4

Hành vi ăn mòn của các loại lớp phủ hợp kim NiCr20 chế tạo bằng công nghệ phun phủ HVOF sử dụng nhiên liệu dạng khí và dạng lỏng trong môi trường axit H2SO4 0,5M được khảo sát bởi nhóm tác giả M E Aalamialeagha [68], lớp phủ hợp kim NiCr20 đã được phun bằng 2 phương pháp phun khác nhau lần lượt được ký hiệu là GFG1, LFG2 (GFG1-sử dụng nhiện liệu phun là khí; LFG2-sử dụng nhiên liệu phun dạng lỏng)

Hình 1.10 Đường cong phân cực anôt của các lớp phủ hợp kim NiCr20

phủ HVOF trên nền thép cac bon thường Tấm thép không gỉ AISI 316 cũng được

cho thấy, độ bền ăn mòn của lớp phủ hợp kim NiCr01(39Ni; 3Mo; 1Si; 1B; 56Cr) trong dung dịch HCl là cao nhất

Khả năng chống ăn mòn đối với thép cac bon thấp Q235 của một loạt lớp phủ hợp kim trên cơ sở Ni được chế tạo bằng công nghệ phun phủ dùng hồ quang điện nêu ở bảng 1.3 đã được khảo sát [70] Phương pháp phun mù muối và đo phân cực đã được sử dụng trong nghiên cứu Kết quả nghiên cứu cho thấy, lớp phủ có

ion clo tốt hơn so với lớp phủ không chứa các nguyên tố trên

Bảng 1.4 Thành phần hóa học của vật liệu chế tạo các lớp phủ [71]

Cơ chế ăn mòn trong dung dịch NaCl 3,5% pH3 của lớp phủ hợp kim NiCrBSi chế tạo bằng phương pháp phun phủ nhiệt HVOF trên nền thép cac bon đã được nghiên cứu bởi W-M.Zhao và các cộng sự người Trung Quốc [72] Các kết quả nghiên cứu bằng các phương pháp SEM, EPMA, XRD,… cho thấy, quá trình

ăn mòn của lớp phủ NiCrBSi xảy ra trước tiên ở tại các vị trí xung quanh các hạt kim loại chưa được nóng chảy hoàn toàn và tại vị trí khuyết tật của lớp phủ như các

lỗ xốp và vết nứt từ đó phát triển rộng ra các vùng xung quanh gây nên sự bong tróc và tách lớp đối với lớp phủ

Việc nghiên cứu về lớp phủ hợp kim NiCr chế tạo bằng công nghệ phun phủ nhiệt tại Việt Nam được tập trung chủ yếu tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Các kết quả khảo sát liên quan đến khả năng chống ăn mòn của lớp phủ hợp kim NiCr trong các môi trường axit cũng đã được đưa ra bởi nhóm nghiên cứu thuộc Phòng Dữ liệu, thử nghiệm nhiệt đới và Môi trường - Viện Kỹ thuật nhiệt đới, cụ thể:

Khả năng bảo vệ và chống ăn mòn trong một số môi trường axit vô cơ của hệ lớp phủ kép nhôm và hợp kim NiCr, chế tạo bằng công nghệ phun phủ dùng hồ quang điện đã được nghiên cứu Kết quả nghiên cứu cho thấy, lớp phủ kép Al-NiCr

có khả năng chống ăn mòn trong các dung dịch axit vô cơ tốt hơn so với lớp phủ hợp kim NiCr

Khả năng chịu mài mòn của lớp phủ hợp kim NiCr có xử lý nhiệt và không

xử lý nhiệt cũng được nghiên cứu ở cả hai điều kiện là ma sát khô và ma sát ướt Kết quả cho thấy, lớp phủ rất thích hợp với điều kiện mài mòn có dầu bôi trơn Khả

giờ là cao nhất

Các kết quả nghiên cứu trong đề tài cấp Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam liên quan đến việc nghiên cứu và ứng dụng lớp phun phủ nhiệt để chống ăn mòn cho các chi tiết máy bơm công nghiệp làm việc trong môi trường axit do TS Lê Thu Quý làm chủ nhiệm với tên đề tài “Nghiên cứu chế tạo lớp phủ hợp kim niken

crôm bằng công nghệ phun phủ hồ quang điện để chống ăn mòn cho các chi tiết máy bơm công nghiệp làm việc trong môi trường axit” [4] Đề tài đã được thực hiện một cách khá thành công với việc tìm ra được quy trình công nghệ phù hợp để chế tạo lớp phủ hợp kim niken crôm ứng dụng trên các chi tiết máy bơm phục vụ trong các ngành khai thác than góp phần nâng cao khả năng chống ăn mòn cũng như tuổi thọ cho một số chí tiết máy bơm (vỏ bơm, cánh bơm…) làm việc tại các

mỏ khai thác than tại Quảng Ninh

1.3 Nhôm phốt phát

1.3.1 Tổng hợp nhôm phốt phát

Các hợp chất phốt phát nói chung và nhôm phốt phát (APP) nói riêng, từ lâu

đã được ứng dụng rất nhiều trong ngành công nghiệp gốm sứ và vật liệu chịu nhiệt Thời gian gần đây, APP đã được nghiên cứu ứng dụng cho các lớp lớp phun phủ nhiệt, đặc biệt là các lớp phủ oxit nhằm làm giảm lỗ xốp cho lớp phủ

Nhôm phốt phát được tổng hợp với mục đích sử dụng cho lớp phủ nhiệt được tham khảo trong các tài liệu [5-13] theo đó, dung dịch APP được tổng hợp bằng cách cho axít photphoric (H3PO4) phản ứng với ôxit nhôm Al2O3 hoặc hydroxit

3-), (HPO4)2- và (H2PO4)- cho dung dịch Ôxit nhôm hay hydroxyt

ứng sẽ là các muối phốt phát khác nhau do việc thay thế 1, 2 hoặc 3 hidro trong axít phốtphoric theo các phản ứng sau:

Dung dịch APP thẩm thấu vào lớp phun phủ nhiệt qua các lỗ xốp nhờ hiện tượng mao dẫn theo biểu thức của Young (1.17) [75, theo đó, tốc độ và khả năng thẩm thấu của APP vào lớp phủ phụ thuộc vào độ nhớt của dung dịch

Để tăng khả năng chống ăn mòn mài mòn cho lớp phủ nhiệt người ta còn thêm

thêm riêng lẻ từng thành phần, cũng có thể kết hợp chúng lại với nhau Hơn nữa, nếu các bột được thêm vào có kích thước nhỏ (cỡ nano) thì sẽ làm giảm đáng kể độ khô co ngót, tăng khả năng thẩm thấu, qua đó sẽ làm tăng khả năng bịt các lỗ xốp của dung dịch, vì các lớp phủ chứa các hạt nano có thể mang lại các tính chất che chắn vật lý trong chống ăn mòn và làm giảm chiều hướng phồng rộp hay bong tróc của lớp phủ [76

1.3.2 Ảnh hưởng của xử lý nhiệt đến thành phần pha

Quá trình biến đổi thành phần các pha trong APP theo nhiệt độ cũng đã được tác giả D Chen và các cộng sự người Hồng Kông nghiên cứu [74] Các kết quả nghiên cứu được tổng hợp trong bảng 1.5

Bảng 1.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến thành phần pha có trong APP [74]