Nghiên cứu ảnh hưởng của lưu lượng và tốc độ chuyển động tương đối giữa đầu phun với chi tiết đến chất lượng bề mặt phun phủ bằng công nghệ phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN CHÍ BẢO NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LƯU LƯỢNG VÀ TỐC ĐỘ CHUYỂN ĐỘNG TƯƠNG ĐỐI GIỮA ĐẦU PHUN VỚI CHI TIẾT ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT PHUN PHỦ BẰNG CÔNG NGHỆ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

NGUYỄN CHÍ BẢO

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LƯU LƯỢNG VÀ TỐC ĐỘ CHUYỂN ĐỘNG TƯƠNG ĐỐI GIỮA ĐẦU PHUN VỚI CHI TIẾT ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT PHUN PHỦ BẰNG CÔNG NGHỆ

PHUN NHIỆT KHÍ TỐC ĐỘ CAO – HVOF

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – NĂM 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

NGUYỄN CHÍ BẢO

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LƯU LƯỢNG VÀ TỐC ĐỘ CHUYỂN ĐỘNG TƯƠNG ĐỐI GIỮA ĐẦU PHUN VỚI CHI TIẾT ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT PHUN PHỦ BẰNG CÔNG NGHỆ

PHUN NHIỆT KHÍ TỐC ĐỘ CAO – HVOF

Ngành : Kỹ thuật Cơ khí động lực

Mã số : 62 52 01 16

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS TS ĐINH VĂN CHIẾN

2 PGS TS TRIỆU HÙNG TRƯỜNG

HÀ NỘI - NĂM 2017

Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi Các số liệu trình bày trong luận án được phản ánh hoàn toàn trung thực Các kết quả nghiên cứu trong luận án chưa có ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào

Hà Nội, ngày 20 tháng 6 năm 2017

Tác giả luận án

Nguyễn Chí Bảo

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc và chân thành nhất đến hai thầy hướng dẫn khoa học là PGS.TS Đinh Văn Chiến và PGS.TS Triệu Hùng Trường là cán bộ giảng dạy Trường Đại học Mỏ - Địa chất Các thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và động viên trong suốt quá trình nghiên cứu để tôi có thể hoàn

thành luận án này

Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy, cô giáo Bộ môn Máy và Thiết bị mỏ; Khoa Cơ điện; Phòng Đào tạo Sau đại học; Ban lãnh đạo Trường Đại học Mỏ - Địa chất; Trường Đại học công nghiệp Hà Nội đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt thời gian làm luận án cũng như các đóng góp quý báu về luận án

Tôi cũng xin được gửi lời cám ơn các nhà khoa học, tập thể giảng viên

bộ môn: Công nghệ, sức bền vật liệu, Máy và thiết bị cơ khí - Khoa Cơ khí;

và đồng nghiệp Trung tâm cơ khí Trường Đại học công nghiệp Hà Nội và Viện Khoa học Vật liệu, đã đóng góp ý kiến, tư vấn, hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình làm thực nghiệm của luận án

Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn đến sự giúp đỡ quý báu của Công ty TNHH Dịch vụ Kỹ thuật Quang Khánh - TP Vũng Tàu đã tạo điều kiện giúp

đỡ tôi làm thực nghiệm theo đúng quy trình yêu cầu của luận án

Cuối cùng tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới gia đình, bố, mẹ,

vợ, con, anh, chị, em và các bạn đồng nghiệp đã luôn động viên, giúp đỡ tôi

về vật chất và tinh thần trong thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận án

Tác giả luận án

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ viii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xi

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP PHUN NHIỆT 6

1.1 Công nghệ phun kim loại 6

1.2 Các phương pháp phun nhiệt 11

1.2.1 Các phương pháp phun nhiệt 11

1.2.2 Ứng dụng của các phương pháp phun nhiệt 15

1.3 Các nghiên cứu về phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF trên thế giới 16

1.4 Các nghiên cứu về phun nhiệt ở Việt Nam 21

1.5 Những vấn đề đặt ra cần nghiên cứu 24

Kết luận chương 1 28

Chương 2: CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA PHƯƠNG PHÁP PHUN NHIỆT KHÍ VÀ ĐỘNG LỰC HỌC QUÁ TRÌNH PHUN HVOF 29

2.1 Lý thuyết về sự hình thành lớp phủ 29

2.2 Quá trình phun HVOF 33

2.2.1 Quá trình cháy và lưu lượng khí của hệ thống phun HVOF 34

2.2.2 Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống phun HVOF 36

2.2.3 Đặc điểm của lớp phủ phun bằng công nghệ HVOF 37

2.3 Tính chất của lớp phủ 38

2.3.1 Cấu trúc lớp phủ 40

2.3.2 Thành phần của lớp phủ phun nhiệt 41

2.3.3 Sự lắng đọng của lớp phủ 42

2.3.4 Ứng suất dư 43

2.3.5 Độ cứng 45

2.3.6 Độ xốp 46

2.3.7 Độ bám dính 47

2.4 Cơ sở nhiệt động lực học quá trình phun HVOF 49

2.4.1 Động lực học dòng khí 51

2.4.2 Động lực học hạt 55

2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ bằng công nghệ HVOF 60

2.5.1 Ảnh hưởng của dịch chuyển tương đối giữa đầu phun và chi tiết 60 2.5.2 Ảnh hưởng của các tham số động học phun 63

2.5.3 Ảnh hưởng của vật liệu phun và lưu lượng cấp bột 65

Kết luận chương 2 66

Chương 3: VẬT LIỆU, TRANG THIẾT BỊ, PHƯƠNG PHÁP PHUN VÀ XÁC ĐỊNH ĐẶC TÍNH LỚP PHỦ 67

3.1 Vật liệu phun phủ 67

3.1.1 Vật liệu nền 67

3.1.2 Vật liệu bột phun 68

3.2 Lập quy trình thử nghiệm 70

3.3.1 Thiết bị phục vụ thực nghiệm 74

3.3.2 Thiết bị phun 74

3.4 Phun phủ thực nghiệm 78

3.4.1 Kế hoạch thực nghiệm 78

3.4.2 Tiến hành thực nghiệm 79

3.4.3 Xây dựng hàm hồi quy thực nghiệm 81

3.4.4 Hình ảnh các mẫu thực nghiệm 82

3.5 Thiết bị đánh giá chất lương lớp phủ 83

3.6 Phương pháp đánh giá chất lượng lớp phủ 84

3.6.1 Phương pháp xác định độ cứng lớp phủ 84

3.6.2 Phương pháp xác định độ xốp lớp phủ 86

3.6.3 Phương pháp xác định độ bền bám dính lớp phủ 87

3.6.4 Phương pháp chụp ảnh SEM 94

Kết luận chương 3 95

Chương 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 96

4.1 Kết quả thực nghiệm 96

4.2 Kết quả và ảnh hưởng của các thông số đến độ xốp lớp phủ 98

4.2.1 Ảnh hưởng của lưu lượng cấp bột phun tới độ xốp lớp phủ 99

4.2.2 Ảnh hưởng của tốc độ quay chi tiết tới độ xốp lớp phủ 101

4.2.3 Ảnh hưởng của dịch chuyển súng phun tới độ xốp lớp phủ 102

4.3 Kết quả và ảnh hưởng của các thông số đến độ bám dính lớp phủ 105

4.3.1 Ảnh hưởng của lưu lượng cấp bột phun tới độ bám dính lớp phủ 106

4.3.2 Ảnh hưởng của tốc độ quay của chi tiết tới độ bám dính lớp phủ108 4.3.3 Ảnh hưởng của lượng dịch chuyển đầu phun tới độ bám dính lớp phủ 109

4.4 Kết quả và ảnh hưởng của các thông số đến độ cứng lớp phủ 112

4.5 Phân tích tổ chức tế vi và liên kết biên giới 2 lớp 114

Kết luận chương 4 117

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 119

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 120

TÀI LIỆU THAM KHẢO 121

PHỤ LỤC 127

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu và

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

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

APS Phun Plama không khí (Air Plasma Spray)

CFD Động lực học dòng tính toán (Computational FluidDynamics)

CS Phun lạnh (Cold Spray)

D Đường kính ngoài của mẫu thực nghiệm (mm)

d Đường kính trong của mẫu thực nghiệm (mm)

d1, d2 Đường chéo vết lõm (µm)

DGun Phun nổ

Ec Mô đun đàn hồi của lớp phủ (Pa)

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

F Diện tích tiếp xúc giữa lớp phủ và mẫu (mm2)

LPPS Phun Plama áp suất thấp (Low Pressure Plasma Spray)

M Số MACH (trong điều kiện tiêu chuẩn M = 346 m/s)

m Lưu lượng cấp bột phun (gam/phút)

n Tốc độ quay của chi tiết khi phun (vòng/phút)

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

kim loại nền (KN)

QHTN Quy hoạch thực nghiệm

SVL Diện tích quy ước vết lõm (µm2)

 Ứng suất bám dính của lớp phủ hợp kim với kim loại nền

(MPa)

σc Ứng suất do làm nguội (Pa)

σq Ứng suất do tôi (Pa)

tc Độ dày của lớp phủ (m)

Tf Nhiệt độ lắng đọng (0C)

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

Ts Nhiệt độ của vật liệu nền (°C)

ts Độ dày của vật liệu nền (m)

TR Nhiệt độ môi trường (0C)

 Ứng suất bám trượt (MPa)

Vct Tốc độ chuyển động của bề mặt chi tiết khi phun (m/phút) VPS Phun Plama chân không (Spray Plasma Vacuum)

γ Độ xốp lớp phủ (%)

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Lịch sử phát triển của công nghệ phun phủ 6

Hình 1.2: Ứng dụng của công nghệ HVOF trong các lĩnh vực 9

Hình 1.3: Quá trình phun nhiệt và phân loại theo nguồn nhiệt 12

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý các phương pháp phun nhiệt 13

Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF 14

Hình 1.6: Phạm vi ứng dụng các phương pháp phun 15

Hình 1.7: Sơ đồ tương tác hình thành lớp phủ 25

Hình 1.8: Sơ đồ biểu diễn các yếu tố trong quá trình phun 26

Hình 2.1: Các giai đoạn quá trình phun nhiệt 30

Hình 2.2: Phân bố mật độ chùm hạt và sự chồng chất các chùm hạt phun 32

Hình 2.3: Hình ảnh hạt bột phun khi tiếp xúc với bề mặt nền 32

Hình 2.4: Sơ đồ dòng vật liệu phun va đập hình thành lớp phủ 33

Hình 2.5: Vận tốc dòng khí trong hệ thống HVOF theo áp suất buồng súng 34 Hình 2.6: Sự hình thành sóng xung kích của dòng phun có áp suất cao hơn áp suất môi trường 35

Hình 2.7: Sơ đồ trạng thái của lớp kim loại mỏng rơi trên bề mặt 39

Hình 2.8: Sơ đồ mặt cắt cấu trúc của lớp phủ phun nhiệt 39

Hình 2.9: Sơ đồ cấu trúc lớp phủ 40

Hình 2.10: Mặt cắt ngang của cấu trúc tấm mỏng sau khi đông đặc 42

Hình 2.11: Sơ đồ ứng suất kéo 44

Hình 2.12: Sơ đồ ứng suất nén 45

Hình 2.13: Biểu diễn cấu trúc rỗ xốp của lớp phủ phun nhiệt 46

Hình 2.14: Biểu diễn sự va chạm của hạt phun trên bề mặt nhấp nhô theo tiết diện ngang 48

Hình 2.15: Kết cấu vòi phun HVOF 49

Hình 2.16: Kết cấu sung và quá trình phun phủ HVOF 50

Hình 2.17: Ảnh đồ trường nhiệt độ trong buồng đốt 53

Hình 2.18: Trường áp suất trong quá trình phun HVOF 53

Hình 2.19: Tốc độ và nhiệt độ của hạt 58

Hình 2.20: Phân bố hạt trong quá trình phun 59

Hình 2.21: Tốc độ và nhiệt độ theo cỡ hạt 59

Hình 2.22: Mô tả quá trình chuyển động hình thành lớp phủ 62

Hình 2.23: Hình ảnh tốc độ dòng phun theo từng vị trí 64

Hình 2.24: Mô tả lượng dịch chuyển tương đối giữa súng phun với chi tiết 64

Hình 3.1: Mẫu phun bằng thép 40Cr 68

Hình 3.2: Hình ảnh bột phun Cr3C2– NiCr 69

Hình 3.3: Quy trình phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF 71

Hình 3.4: Thiết bị thực nghiệm phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF 75

Hình 3.5: Mẫu trong khi phun 83

Hình 3.6: Kiểm tra nhiệt độ mẫu 83

Hình 3.7: Các mẫu thực nghiệm thép 40Cr phun phủ bộtcác bít Cr3C2-NiCr bằng phương pháp HVOF 83

Hình 3.8: Vết đo độ cứng Vicker 85

Hình 3.9: Ảnh chụp kết quả đo độ xốp lớp phủ 87

Hình 3.10: Nguyên lý xác định độ bền bám dính theo ASTM C633-13 88

Hình 3.11: Nguyên lý xác định độ bền bám dính theo JIS-H-8666-1980 89

Hình 3.12: Sơ đồ mẫu thử bền bám dính theo JIS H 8666 - 1980 90

Hình 3.13: Sơ đồ mô tả trình tự xác định độ bám dính lớp phủ 91

Hình 3.14: Kích thước khuôn ép và mẫu thử 92

Hình 3.15: Đồ thị biểu diễn giá trị lực nén khi đo độ bám dính lớp phủ 93

Hình 4.1: Đồ thị 3D biểu diễn mối quan hệ (m) đến độ xốp lớp phủ 100

Hình 4.2: Đồ thị 2D biểu diễn mối quan hệ (m) đến độ xốp lớp phủ 100

Hình 4.3: Đồ thị 3D biểu diễn mối quan hệ (n) đến độ xốp lớp phủ 101

Hình 4.4: Đồ thị 2D biểu diễn mối quan hệ (n) đến độ xốp lớp phủ 101

Hình 4.5: Đồ thị 3D biểu diễn mối quan hệ (S) đến độ xốp lớp phủ 103

Hình 4.6: Đồ thị 2D biểu diễn mối quan hệ (S) đến độ xốp lớp phủ 103

Hình 4.7: Ảnh chụp đo độ xốp mẫu số 110 104

Hình 4.8: Đồ thị 3D biểu diễn mối quan hệ (m) đến độ bám dính lớp phủ 107

Hình 4.9: Đồ thị 2D biểu diễn mối quan hệ (m) đến độ bám dính lớp phủ 107

Hình 4.10: Đồ thị 3D biểu diễn mối quan hệ (n) đến độ bám dính lớp phủ 108 Hình 4.11: Đồ thị 2D biểu diễn mối quan hệ (n) đến độ bám dính lớp phủ 109 Hình 4.12: Đồ thị 3D biểu diễn mối quan hệ (S) đến độ bám dính lớp phủ 110 Hình 4.13: Đồ thị 2D biểu diễn mối quan hệ (S) đến độ bám dính lớp phủ 110 Hình 4.14: Ảnh chụp đo lực để tính độ bám mẫu số 110 111

Hình 4.15: Ảnh vết đo độ cứng tại cáclớp 114

Hình 4.16: Ảnh soi vùng biên giới liên kết 115

Hình 4.17: Ảnh SEM liên kết lớp phủ 116

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Đặc tính của một số phương pháp phun 8

Bảng 1.2: Sự khác biệt giữa các thế hệ của hệ thống HVOF 10

Bảng 2.1: Phạm vi áp dụng phương pháp phun phủ HVOF trong các ngành công nghiệp 38

Bảng 2.2: Sự khác nhau của độ xốp trong lớp phủ HVOF 47

Bảng 3.1: Thành phần hoá học của thép 40Cr 67

Bảng 3.2: Cơ tính của thép 40Cr 67

Bảng 3.3: Thành phần của bột phủ Cr3C2 – NiCr theo nhà cung cấp 69

Bảng 3.4: Bảng hoạch đồ thực nghiệm phun HVOF 79

Bảng 3.5: Giá trị của các yếu tố và tên mẫu thực nghiệm 80

Bảng 4.1: Kết quả đo lực và tính độ bám τ theo công thức (3.7) 96

Bảng 4.2: Kết quả các thông số đo độ xốp lớp phủ 97

Bảng 4.3: Sai số độ xốp giữa hàm thực nghiệm và hàm quy hoạch 98

Bảng 4.4: Sai số độ bám giữa hàm thực nghiệm và hàm quy hoạch 105

Bảng 4.5: Kết quả đo độ cứng lớp phủ theo các thông số 112

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Phun phủ nhiệt khí tốc độ cao (High Velocity Oxygen-Fuel, viết tắt là HVOF) là một kỹ thuật phun nhiệt được ứng dụng từ những năm 1980 So sánh với các phương pháp phun nhiệt khác (phun hồ quang điện, phun plasma, phun khí cháy, phun nổ,…), phun phủ nhiệt khí tốc độ cao HVOF có các đặc trưng nổi bật như mật độ, độ bền bám dính và độ cứng tốt hơn Do đó, công nghệ này tạo được lớp phủ sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp mang lại hiệu quả kinh tế cao

Hiện nay, nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt khí tốc độ cao HVOF trên thế giới được phát triển mạnh nhằm tạo lớp phủ kim loại và hợp kim có chất lượng tốt, nâng cao tuổi thọ của các chi tiết máy dạng trục bị mòn trong công nghiệp Tại Việt Nam, một số cơ sở nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất cơ khí đã đầu tư thiết bị phun phủ nhiệt khí tốc độ cao HVOF Tuy nhiên, các nghiên cứu về công nghệ HVOF chưa nhiều

Gần đây có một số nghiên cứu trong nước như: “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến độ bền bám dính của lớp phủ kim loại được phun bằng phương pháp nhiệt khí” đã 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 thực hiện bằng công nghệ phun nhiệt khí oxy axetylen; “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun phủ để nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết máy” nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ trung bình dòng kim loại phun (v), lưu lượng cấp bột phun (m) và khoảng cách phun (L) đến độ cứng, độ xốp, độ bám dính và độ mài mòn lớp phủ bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B trên nền thép C45 bằng công nghệ phun plasma Và

“Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến chất lượng phục hồi bề mặt trục có hình dạng phức tạp bị mòn bằng công nghệ phun phủ”

nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ như khoảng cách phun, tốc độ dòng phun khi phun bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B trên nền trục thép C45

Ngoài ra, một số đề tài khoa học công nghệ cấp Bộ, Ngành về công nghệ HVOF cũng đã được thực hiện Tuy nhiên, hiện chưa có các nghiên cứu chuyên sâu về ảnh hưởng của lưu lượng cấp bột phun và tốc độ chuyển động tương đối giữa đầu phun với chi tiết tới chất lượng lớp phủ bề mặt sau khi phu bằng công nghệ HVOF

Xuất phát từ lý do trên NCS đặt vấn đề “Nghiên cứu ảnh hưởng của lưu lượng và tốc độ chuyển động tương đối giữa đầu phun với chi tiết đến chất lượng bề mặt phun phủ bằng công nghệ phun nhiệt khí tốc độ cao-HVOF ”

làm hướng nghiên cứu của đề tài luận án

2 Mục đích nghiên cứu

Đưa ra phương pháp tính toán xác định được ảnh hưởng của lưu lượng cấp bột và tốc độ chuyển động tương đối giữa đầu phun với chi tiết đến chất lượng lớp phủ bột hợp kim Cr3C2-NiCr trên nền trục thép 40Cr bằng công nghệ HVOF

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

* Đối tượng nghiên cứu:

Bề mặt trụ ngoài thép 40Cr có kích thước 60, 70 và 80 kích thước đường kính trong 30, chiều dài 60 mm được phủ lớp bột hợp kim Cr3C2-NiCr dày 0,6 mm bằng công nghệ HVOF

* Phạm vi nghiên cứu:

Nghiên cứu ảnh hưởng của lưu lượng cấp bột phun (m gam/phút) và tốc

độ chuyển động của phôi (n vòng/phút), tốc độ dịch chuyển của đầu phun (S mm/vòng) đến chất lượng lớp phủ bột các bít Cr3C2-NiCr trên nền trục thép 40Cr bằng phương pháp phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF như sau:

Thông số công nghệ Mức thay đổi

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm

Về 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 bằng công nghệ HVOF Lý thuyết về xử lý số liệu thực nghiệm, các phần mềm tính toán

Về thực nghiệm: Tạo mẫu thực nghiệm, thiết kế và chế tạo đồ gá, phun

trên mẫu thực nghiệm; xác định độ xốp, độ bám dính, độ cứng của lớp phủ với bề mặt nền thép 40Cr Tạo cơ sở để xây dựng phương trình toán học, các

đồ thị dạng 2D, 3D phản ánh mối quan hệ giữa độ xốp, độ bám dính, độ cứng với các thông số công nghệ (m, n và S) đến chất lượng lớp phủ

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Ý nghĩa khoa học:

Đã xây dựng được mô hình thí nghiệm bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để phân tích đánh giá sự ảnh hưởng của 3 thông số công nghệ chính quá trình phun HVOF gồm: lưu lượng cấp bột phun (m, gam/phút), tốc

độ dài của vết phun tại tâm điểm va đập của chùm vật liệu phun trên bề mặt chi tiết hình trụ quay ( n vòng/phút hoặc Vct, mm/phút) và tốc độ di chuyển của đầu súng phun theo phương dọc tâm trục chi tiết phun (S mm/vòng hoặc mm/giây) đến tính chất cơ lý của lớp phủ bề mặt sau khi phun

Đã nghiên cứu khảo sát đánh giá các mẫu phun bằng phương pháp HVOF nhận được theo quy hoạch thực nghiệm và tính toán xây dựng mô hình toán học mô tả quan hệ giữa 3 thông số đầu vào và các hàm mục tiêu đầu ra

gồm độ xốp lớp phủ, độ bền bám dính lớp phủ, độ cứng tế vi của lớp phủ

Cr3C2-NiCr với nền thép 40Cr

Đã nghiên cứu khảo sát và chụp ảnh tổ chức tế vi vật liệu lớp phủ trên một số mẫu thí nghiệm điển hình nhận được theo quy hoạch thực nghiệm, phân tích đánh giá đặc tính của chúng để làm rõ ảnh hưởng của 3 thông số phun đã chọn (m, V, S) đến chất lượng lớp phủ HVOF trong phạm vi miền khảo sát lựa chọn của luận án

Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu có thể làm tài liệu tham khảo

trong việc lựa chọn công nghệ, thiết bị để phục hồi hoặc chế tạo mới các chi tiết máy trong khai thác mỏ, máy công cụ nhằm đáp ứng kịp thời sản xuất, hạn chế nhập ngoại góp phần giảm giá thành sản phẩm, cải thiện đời sống người lao động

6 Bố cục của luận án

Luận án gồm phần mở đầu, bốn chương và phần kết luận

Chương 1: Tổng quan phương pháp phun nhiệt;

Chương 2: Cơ sở khoa học của phương pháp phun nhiệt khí và động lực

học quá trình phun HVOF ;

Chương 3: Vật liệu, trang thiết bị, phương pháp phun và xác định đặc tính

lớp phủ;

Chương 4: Kết quả thực nghiệm và đánh giá

7 Luận điểm bảo vệ

Bằng thực nghiệm làm rõ sự hình thành lớp phủ bột hợp kim Cr3C2-NiCr trên nền trục thép 40Cr và liên kết giữa lớp phủ với kim loại nền

Bằng phương pháp lý thuyết và thực nghiệm đã xác định được mối quan

hệ ảnh hưởng của các thông số công nghệ (m, n và S) đến độ xốp, độ bám dính và hình ảnh biên giới liên kết giữa lớp phủ với kim loại nền khi sử dụng phương pháp phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF

Đã đưa ra vùng thông số công nghệ phun (m, n và S) hợp lý để cho độ xốp lớp phủ nhỏ nhất và độ bám dính lớp phủ lớn nhất khi phun bằng phương pháp phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF:

m (gam/phút) n (vòng/phút) S (mm/vòng)

8 Điểm mới của luận án

Xác định được quy luật ảnh hưởng của một số thông số công nghệ phun (m, n và S) đến chất lượng lớp phủ, tạo cơ sở khoa học cho việc đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ này đến độ xốp, độ bám dính, độ cứng lớp phủ bột hợp kim Cr3C2-NiCr trên nền trục thép 40Cr bằng công nghệ phun nhiệt HVOF Có thể làm tài liệu tham khảo trong giảng dạy, nghiên cứu và là

cơ sở để lựa chọn các loại vật liệu phủ và kim loại nền khác nhau trong công nghệ phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF

Chương 1: TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP PHUN NHIỆT

1.1 Công nghệ phun kim loại

Công nghệ phun phủ kim loại đã được một kỹ sư người Thụy Sỹ tên là Max Ulrich Schoop phát minh ra từ những năm đầu của thế kỷ 20 [16], [53] Nguyên lý của công nghệ này là dùng nguồn nhiệt (hồ quang, khí cháy, plasma) làm nóng chảy kim loại Sau đó, kim loại lỏng được dòng không khí nén thổi mạnh làm phân tán thành các hạt (sương mù) rất nhỏ, bắn vào bề mặt chi tiết đã được chuẩn bị sẵn (làm sạch, tạo nhám) tạo ra một lớp phủ kim loại

có độ dày theo yêu cầu, trong đó các hạt kim loại đè lên nhau theo từng lớp 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

Để đánh giá sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ phun phủ kim loại, có thể dựa trên cơ sở sự phát triển của thiết bị và phạm vi ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp và đời sống Lịch sử phát triển của công nghệ phun phủ được thể hiện ở sơ đồ hình 1.1 [11]

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 từ 10 m đến 10 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;

Đặc tính của các phương pháp phun được hình thành từ việc tạo ra nhiệt

độ của ngọn lửa 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 [8], [10] 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: Đặc tính của một số phương pháp phun

Phương pháp

phun

Nhiệt độ khí cháy, 0C

Tốc độ hạt phun, m/s

Độ bền bám dính, MPa

Độ xốp,

% thể tích Phun hồ quang -

Phun Plasma 5500-12000 200-600 Không quá 70 2-5 Phun HVOF 2500-3100 500-800 Có thể >70 1-10 Phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF là phương pháp ưa thích để tạo lớp phủ với độ xốp thấp và độ bám dính cao, trong quá trình phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF nhiên liệu và oxy được đưa vào buồng đốt cùng với phun bột tạo ra nhiệt độ và áp suất cao trong buồng thông qua các vòi phun tạo ra các dòng chảy siêu âm của khí Nhiệt độ ngọn lửa nằm trong khoảng 2500 °C - 3100 °C, phụ thuộc vào nhiên liệu, tỷ lệ nhiên liệu khí /oxy và áp suất khí và phụ thuộc vào thiết kế kết cấu súng phun của hệ thống phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF [16], [27], [28]

Do có những ưu điểm vượt trội so với các phương pháp tạo lớp phủ khác

về độ bám dính, độ xốp Phun phủ nhiệt khí tốc độ cao HVOF không ngừng được phát triển và mở rộng về quy mô, cải thiện về chất lượng lớp phủ đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như hình 1.2

Các chi tiết làm việc trong nhà máy

nhiệt điện

Các chi tiết làm việc trong ngành ô

tô và khai thác

Các chi tiết làm việc trong dây

chuyền cán thép Các chi tiết trục và cánh tua bin

Các chi tiết làm việc trong lĩnh vực

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 Các hệ thống này có thể được chia thành các thế hệ đầu tiên, thứ hai và thứ ba như bảng 1.2

Bảng 1.2: Sự khác biệt giữa các thế hệ của hệ thống HVOF

Mức điện năng

Áp suất buồng chứa

Lưu lượng cấp bột

Jet (c)

Đến12 kg/h

TT Ký hiệu Kiểu súng

Mức điện năng

Áp suất buồng chứa

Lưu lượng cấp bột

Diamond

Jet 2700 (e)

Sự khác biệt cơ bản giữa thế hệ đầu tiên và thứ hai là thiết kế kết cấu của vòi phun Trong thế hệ đầu tiên của hệ thống HVOF có buồng đốt thường tương đối lớn và một vòi phun thẳng, với cách thiết kế này cho dòng tốc độ khí tối đa lên tới khoảng 1 M

Các thế hệ thứ hai là dựa trên cơ sở của ống Laval phân kỳ của các vòi phun cho phép tạo ra vận tốc hơn 1 Mach với điều kiện phun tiêu chuẩn của

hệ thống hoạt động ở mức điện năng tiêu thụ khoảng 100 KW và có khả năng phun với lưu lượng cấp bột khoảng 2-10 kg/h

Các hệ thống thế hệ thứ ba là có các mức công suất khác nhau từ

100-300 kW và cho áp lực buồng cao hơn từ 8 bar lên đến 25 bar, có khả năng cung cấp bột phun lên đến trên 10 kg/h

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

1.2 Các phương pháp phun nhiệt

1.2.1 Các phương pháp phun nhiệt

Các phương pháp phun nhiệt thường sử dụng hai nguồn nhiệt chính đó là nguồn nhiệt sinh ra từ oxy - khí cháy và nguồn điện qua hệ thống phun tạo ra

dải nhiệt độ rất 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 1.3 [21], [53]

Hình 1.3: Quá trình phun nhiệt và phân loại theo nguồn nhiệt

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 Một số phương pháp phun

nhiệt khác nhau để tạo nên lớp phủ như hình 1.4

- Phương pháp phun phủ bằng ngọn lửa thông thường (Hình 1.4 a,b)

Phương pháp phun dây, dây được nấu chảy bên trong bằng ngọn lửa khí oxy 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 dựa trên các nguyên tắc hoạt động giống như quá trình phun dây, tuy nhiên có sự khác biệt là các vật liệu phủ là loại bột Như vậy, một sự lựa chọn rộng lớn hơn của các loại vật liệu phun vì không phải tất

cả các vật liệu phun đều có thể được sản xuất ở dạng dây

- Phương pháp phun phủ bằng hồ quang

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý các phương pháp phun nhiệt

Phương pháp phun bằng hồ quang điện (Hình 1.4 c) [8], [26], khi hai đầu dây điện cực này gặp nhau thì chúng sẽ phóng hồ quang và nóng chảy ở trong phần đầu của vòi phun, vật liệu nóng chảy này sẽ được tăng tốc và bắn vào bề mặt phôi nhờ dòng khí nén có áp lực cao

- Phương pháp phun phủ bằng Plasma

Phun Plasma (Hình 1.4 d) 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 hòa lẫn vào chùm plasma, tại đó chúng sẽ bị nóng chảy bởi chùm plasma này Sau khi hỗn hợp này hòa lẫn vào nhau và tan chảy thì chúng sẽ được đẩy đi và bắn vào bề

mặt phôi nhờ dòng khí nén có áp lực cao

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

- Phương pháp phun bằng nhiên liệu-khí với vận tốc cao (HVOF)

Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF

Công nghệ HVOF (hình 1.5) [3] 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

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

1.2.2 Ứng dụng 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 được sử dụng

Các phương pháp phun phủ nhiệt được ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực của đời sống xã hội Hình 1.6 [21], [26], [39] cho ta thấy phạm vi ứng dụng của các phương pháp phun với các điều kiện ứng dụng các loại bột phun khác nhau

Hình 1.6: Phạm vi ứng dụng các phương pháp phun

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 nghiên cứu về phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF trên thế giới

Hiện nay, trên thế giới nhiều nước tiên tiến đã hình thành các Viện, 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) Hàng năm, đều có các Hội thảo quốc tế về lĩnh vực này Các hiệp hội có các tạp chí riêng và xây dựng tiêu chuẩn cho lĩnh vực này 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); Metco Plasmaday, Dressez, Avko (Mỹ); Nobel-Brocl (Pháp); Ecia Ghiken (Nhật); Arcosse (Bỉ); Volvoflemotor (Thụy Điển) với các dây chuyền công

suất cao

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 )

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 [54]

Trong thực tế các chi tiết, thiết bị làm việc trong môi trường điều kiện khắc nghiệt như: Nhiệt điện, lò hơi, tua bin khí, động cơ đốt trong và các chi tiết trong công nghiệp, lò đốt chất thải trong quá trình vận hành sử dụng sẽ chịu ảnh hưởng thường xuyên bởi tình trạng xói mòn, ăn mòn, mài mòn dẫn đến các chất có tính ăn mòn sẽ thâm nhập với bề mặt làm giảm hiệu suất làm việc của chi tiết, thiết bị Những giải pháp để che chắn bảo vệ tạo lớp phủ phần nào đó đã giảm chi phí bảo trì của các thiết bị này mang lại hiệu quả tốt

về mặt kinh tế và đã có các nhà nghiên cứu về lĩnh vực này như:

Guilemany JM [31] khảo sát vai trò độ dày của lớp phủ trong các tác động bảo vệ ăn mòn thép khác nhau của công nghệ HVOF với lớp bột phủ

Cr3C2-NiCr Các ứng dụng cho thấy độ dày của lớp phủ tăng không ảnh hưởng lớn đến đặc tính chống ăn mòn lớp phủ, trong quá trình phun sự lắng đọng của lớp phủ đóng vai trò quan trọng trong khả năng chống lại hiện tượng

ăn mòn của thép

Wang BQ và đồng tác giả [67] thực hiện các thực nghiệm kiểm tra mức

độ xói mòn ở nhiệt độ cao đối với các lớp phủ phun HVOF bao gồm: 75Cr3C2-25NiCr gốm kim loại, Cr3C2, Cr2O3 phủ gốm thấp và phủ lớp FeCrSiB Khi thử nghiệm đã mô phỏng các điều kiện xói mòn và đã xác định

khả năng chống xói mòn của các lớp phủ có liên quan chặt chẽ đến vi cấu trúc của lớp phủ, thành phần và tính chất của các hạt

Stein KJ và đồng tác giả [61] đã nghiên cứu xác định tối ưu cho khả năng chống xói mòn Mức các bít thấp hơn trong lớp phủ quá trình oxy hóa của các hạt các bít giảm dẫn đến sự hình thành của các oxit khác nhau và các kim loại các bít giàu Những oxit có thể có chặn các lỗ rỗng giữa ranh giới lớp nền với lớp phủ, và tác động như những rào cản khuếch tán đến sự khuếch tán vào bên trong của lớp oxy hóa

Kamal S và đồng tác giả [41] đã nghiên cứu khả năng tác động của quá trình oxy hóa theo chu kỳ của lớp phủ Cr3C2-NiCr trên các hợp kim khác nhau Nó đã được quan sát thấy rằng tất cả các hợp kim tuân theo một quy luật tỷ lệ parabol của quá trình oxy hóa Các kết quả trên lớp phủ Cr3C2-NiCr cho thấy khả năng chống oxy hóa tốt hơn do sự hình thành của Cr2O3 mỏng nhỏ gọn và chất kết dính trên bề mặt của lớp phủ trong quá trình oxy hóa Souza RC [58] đã so sánh ảnh hưởng của lớp phủ Cr3C2-25NiCr và WC-10Ni áp dụng quá trình HVOF và mạ crom cứng vào khả năng chống biến dạng, mài mòn và chống ăn mòn của thép cho thấy khả năng chống mỏi trục cao và hiệu suất tốt hơn so với mạ crom

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 [26]

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 [29], [39]

Để có cường độ liên kết cao nhằm nâng cao tuổi bền, đáp ứng yêu cầu

làm việc của chi tiết và bảo vệ các kết cấu làm việc trong môi trường xâm thực, các đặc tính của lớp phủ cũng được quan tâm nghiên cứu Theo Parker

và Kutner cho rằng chất lượng lớp phủ khi phun bằng phương pháp phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF có cường độ liên kết, độ cứng cao hơn và độ xốp thấp hơn so với lớp phủ khi phun bằng phương pháp phun Plasma [55]

Picas và cộng sự đã nghiên cứu và so sánh lớp phủ CrNi20 khi thực hiện bằng công nghệ HVOF lên piston và van so với phương pháp mạ crom cứng thông thường, kết quả cho thấy độ cứng tế vi của lớp phủ tốt hơn so với mạ

Cr, các kết quả về cấu trúc tế vi lớp phủ và khả năng chịu ứng suất là rất khả quan và có thể thay thế cho phương pháp mạ crom truyền thống [38]

Lima và cộng sự đã nghiên cứu độ bám dính lớp phủ khi phun bằng công nghệ phun nhiệt HVOF giữa kim loại và gốm, đã tiến hành đo các thông số về cấu trúc tế vi, độ cứng, độ nhám và độ bám dính, kết quả cho thấy độ bám dính với bề mặt là gốm thấp còn độ bám dính với bề mặt nền là kim loại cao hơn [23]

Jie Chen và cộng sự [37] 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

Shukla và cộng sự [65] nghiên cứu tuổi thọ của lớp phủ Cr3C2-25%NiCr khi tiếp xúc với môi trường nhiệt độ cao, các tác giả đã nghiên cứu tuổi thọ của lớp phủ trong một chu kỳ, sự thay đổi chất nền và bề mặt phủ được xem xét trong các khoảng thời gian 10, 30, 50 giờ, kết quả cho thấy tuổi thọ của lớp phủ tuân theo quy luật parabol

Ngoài ra, trong báo cáo của Parker [52] đã cho thấy sự phát triển của việc sử dụng công nghệ phun nhiệt HVOF trong các ngành công nghiệp, đặc biệt là trong ngành công nghiệp hàng không và trong lĩnh vực quốc phòng ngành công nghiệp dầu khí, ngành công nghiệp ô tô, ngành công nghiệp giấy/bột và các ngành công nghiệp chế tạo máy Tác giả Tan J,C [62] đã chỉ

ra quá trình phun nhiệt bằng công nghệ HVOF có khả năng tạo nên các thành phần khác biệt Nó đã được công nhận rằng các đặc tính chịu mài mòn của lớp phủ được phun bằng công nghệ HVOF là vượt trội so với phương pháp khác như APS Li [46] đã so sánh khả năng chống mài mòn của lớp phủ

Cr3C2-25 NiCr được phun bởi công nghệ APS và HVOF Họ nhận thấy rằng sức chống mài mòn của Cr3C2-25 NiCr trong điều kiện tác động khác nhau tăng theo thứ tự của APS áp suất thấp, APS áp suất không khí đến HVOF Các hệ thống phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF Cr3C2-25 NiCr cho thấy tác động chống mài mòn là tốt hơn do cấu trúc dày đặc hơn và độ xốp nhỏ Kết quả tương tự đã được thực hiện bởi tác giả V.V Sobolev và các cộng sự [66] nghiên cứu lớp phủ HVOF và ứng dụng

Phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF đã được nghiên cứu rộng rãi để phủ lớp chống ăn mòn mài mòn, có khá nhiều công trình nghiên cứu về các tính chất

ăn mòn và hiệu suất của lớp phủ HVOF Sức chống mài mòn của lớp phủ McrAlY, oxy hóa trong môi trường, oxy hóa khác nhau đã được nghiên cứu

và so sánh với các VPS phủ bởi Pawlowski [53]

J A Picas và các cộng sự [38] cũng đã nghiên cứu tác dụng ảnh hưởng của nhiệt độ cao tới lớp phủ CrC-NiCr được phun bằng phương pháp HVOF kết quả từ nghiên cứu này đã chứng minh rằng các loại bột CrC-NiCr được phun bằng phương pháp HVOF có thể là một giải pháp hy vọng để cải thiện cho các chi tiết thiết bị làm việc tốt cải thiện khả năng chống mài mòn ở nhiệt

độ khoảng 900°C

Dominique Poirier và các cộng sự [27] đã nghiên cứu kỹ thuật phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF khi phun bột Cr3C2 NiCr trên nền thép và đã đưa

ra kết luận ảnh hưởng của khoảng cách phun (khoảng 200 mm), tốc độ phun (khoảng 750- 850m/s) và nhiệt độ hạt (khoảng 18000C) là điều kiện thông số phù hợp để giảm ứng suất và độ xốp

Qua nghiên cứu tìm hiểu về công nghệ phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF trên thế giới thấy rằng đã có rất nhiều nhà khoa học nghiên cứu về lĩnh vực này, nhưng để tạo thành lớp phủ có chất lượng tốt thì còn tùy thuộc vào điều kiện và rất nhiều yếu tố công nghệ ảnh hưởng tới sự hình thành lớp phủ Các nghiên cứu trên chủ yếu nghiên cứu về ảnh hưởng của tốc độ phun, lưu lượng khí, nhiên liệu, nhiệt độ hạt, khoảng cách phun, trên một số vật liệu nền và vật liệu phủ đến chất lượng lớp phủ và nghiên cứu mức độ bám dính, độ xốp, chịu nhiệt chịu mài mòn, chịu tác động môi trường của lớp phủ nhưng chưa

có công trình nào nghiên cứu ảnh hưởng của chuyển động tương đối giữa chi tiết và súng phun bằng công nghệ HVOF

1.4 Các nghiên cứu về phun nhiệt ở Việt Nam

Ở Việt Nam, công nghệ phun phủ nhiệt đang trong giai đoạn nghiên cứu, ứng dụng các thành quả của thế giới Đã có một số đề tài cấp Bộ, cấp Nhà nước được triển khai nghiên cứu và ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt mang lại hiệu quả kinh tế cao như:

Đề tài, mã số KHCN 05 – 07 – 03, 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 pit tông thủy lực, đế pit tông bơm tại công ty kỹ nghệ hàn Việt Nam đảm bảo yêu cầu đề ra [10]

Đề tài, mã số KC 05.10, nghiên cứu xác định độ chịu mài mòn và độ bám dính lớp phủ bột hợp kim ZRO-182 trên nền vật liệu Nimonic 263 (được

sử dụng chế tạo ống vòi voi trong các nhà máy nhiệt điện) có lớp phủ trung

gian bột hợp kim NiCrAlY, kết quả cho thấy độ bám dính với kim loại nền đạt 378 kG/cm2, độ xốp lớp trung gian 2%, tuy nhiên các kết quả nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở mức phòng thực nghiệm [1]

Đề tài, mã số: 01C-01/04-2009-2, 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 [2]

Đề tài, mã số 256-08 RD/HĐ-KHCN, nghiên cứu độ cứng, độ chịu mài mòn lớp phủ bột cacbit crom 75Cr3C2-25NiCr bằng phương pháp phun Plasma với tốc độ quay của lô sấy khoảng 39,93 m/phút, tốc độ dịch chuyển đầu phun 2,5 mm/ vòng quay lô sấy, kết quả so sánh các tính chất của lớp phủ bằng vật liệu cácbit crom với lớp mạ crom cứng cho thấy độ cứng tế vi bề mặt lớp phủ, khả năng gia công sau khi phủ, cũng như khả năng chịu mài mòn của lớp phủ tốt hơn nhiều so với lớp mạ crom cứng, đồng thời có khả năng chịu mài mòn gấp 2,5 lần so với lớp mạ crom cứng [14]

Một số nghiên cứu khác theo hướng ứng dụng cũng được đề cập trong các công trình nghiên cứu như: 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 [5], kết quả nghiên cứu cho thấy độ bám dính của lớp phủ hợp kim 67Ni18Cr5Si4B có lớp lót trung gian (Ni5Al) tăng 25%

so với trường hợp phun phủ không có lớp lót trung gian; 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 [6], kết quả cho thấy chế độ phun tối

ưu của 3 thông số bằng phương pháp ngọn lửa oxy axetylen là: khoảng cách

phun: 170 - 200mm; áp suất khí thổi: 0,3 - 0,4 MPa và áp suất khí oxy: 0,20 - 0,22 MPa

Đã có một số cơ sở sản suất ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt như: Liên doanh dầu khí Vietsopetro; Viện nghiên cứu cơ khí; Viện Cơ khí Năng lượng và Mỏ; Viện Công nghệ Bộ Quốc phòng, Công ty Cơ khí sửa chữa Thủy Lợi; Viện Kỹ thuật giao thông; Cơ khí Quang Trung; Đại học Bách khoa Hà Nội; Nhà máy Cơ khí Đạm Hà Bắc

Công xưởng A42 phục hồi một số cánh tuabin động cơ máy bay bằng công nghệ phun Plasma; Viện nghiên cứu máy - Bộ Công Thương, Viện Công nghệ - Tổng cục công nghiệp quốc phòng đã tiến hành nghiên cứu thiết kế đầu phun plasma nhưng kết quả hạn chế và chưa đưa vào ứng dụng thực tế; Viện nghiên cứu Cơ khí thực hiện phun bảo vệ hàng vạn mét vuông giàn khoan dầu bằng máy phun cầm tay ЭM-14 của Nga

Trong những năm gần đây, Công ty TNHH dịch vụ kỹ thuật Quang Khánh

- Vũng Tàu đã sử dụng công nghệ HVOF phục hồi thành công nhiều chi tiết máy

có giá trị kinh tế cao như thân tuabin, Turbine thủy lực 10-HT-3001A, cánh bơm, trục bơm 8002A, nhà máy đạm Phú mỹ; Trục phân phối bia Dung Quất;

Trục khuỷu tàu HQ-957-X51- Bộ Quốc Phòng; Trục bơm ép vỉa Đại Hùng

Hiện nay, ở Việt Nam đã có nhiều ngành, đơn vị đầu tư thiết bị để nghiên cứu: phun phủ Plasma (Viện Công nghệ - Tổng cục công nghiệp quốc phòng; Viện nghiên cứu cơ khí); Phun nổ (Viện Cơ khí Năng lượng và Mỏ); phun phủ nhiệt khí (Đại học Bách Khoa Hà Nội; Viên Nghiên cứu cơ khí; Viện Công nghệ - Tổng cục công nghiệp quốc phòng ) Nghiên cứu phun phủ trong chân không PVD (Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội) Nghiên cứu phun phủ Plasma – chân không – TINA (Viện nghiên cứu và ứng dụng công nghệ) Phun nhiệt khí tốc độ cao (HVOF) - Công ty TNHH dịch vụ kỹ thuật Quang Khánh - Vũng Tàu; Xí nghiệp cơ điện – Vietsovpetro

Công trình của tác giả Phạm Văn Liệu [8] đã nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ như khoảng cách phun, tốc độ dòng phun khi phun bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B trên nền trục thép C45 đến chất lượng lớp phủ bằng phương pháp HVOF

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 Tuy nhiên chưa có tác giả nào nghiên cứu, ứng dụng lớp phủ bột các bít

Cr3C2 - NiCr lên bề mặt trục thép 40Cr bằng công nghệ HVOF với các chế độ công nghệ như lưu lượng cấp bột phun (m), chuyển động tương đối giữa chi tiết và đầu phun (n, S) để đánh giá mức độ ảnh hưởng chế độ phun đến chất lượng của lớp phủ Hơn nữa, trong các ngành công nghiệp có rất nhiều chi tiết

bị mòn, đặc biệt là các chi tiết dạng trục được chế tạo từ thép 40Cr hoặc những vật liệu có cơ tính tương đương cần được phục hồi

1.5 Những 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 1.7 [48] mô tả sự tương tác trong quá trình phun để hình thành lên lớp phủ

Hình 1.7: Sơ đồ tương tác hình thành lớp phủ

Từ sơ đồ hình 1.7 cho thấy, để hình thành được lớp phủ như mong muốn

ta phải quan tâm rất nhiều yếu tố liên quan đến quá trình hình thành lớp phủ từ điều kiện hoạt động của hệ thống đến quá trình bay của hạt đến lớp nền để tạo thành lớp phủ Đã có khá nhiều cách khác nhau của việc tối ưu hóa và phân tích các quá trình phun nhiệt và tạo lớp phủ Chúng bao gồm các phương pháp thống kê thử nghiệm, mô hình hóa và mô phỏng số, mức độ ảnh hưởng của

các thông số trong qui trình phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF đối với từng trường hợp cụ thể là hoàn toàn khác nhau

Chất lượng lớp phủ tốt với các đặc tính phù hợp và hiệu quả cần thiết cho các ứng dụng cụ thể là các mục tiêu trong sản xuất của quá trình phun nhiệt Để đạt được mục tiêu này cần một sự tìm hiểu sâu hơn về các phương pháp phun Bắt đầu từ nguyên liệu, quá trình phun và các hạt, chất nền tương tác với nhau có ảnh hưởng đến sự hình thành của lớp phủ với vi cấu trúc khác nhau Để kiểm soát tốt hơn về phun nhiệt, các thiết bị khác nhau đã được phát triển trong thập kỷ qua, những công cụ chẩn đoán đã được phát triển giúp điều chỉnh tốt hơn và đo lường các quá trình phun đồng thời hỗ trợ để hiểu được tác động của các tham số quá trình khác nhau về tình trạng hạt trong quá trình bay tạo nên lớp phủ (lưu lượng khí, nhiệt độ hạt và vận tốc)

Quá trình phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF được biểu diễn bằng sơ đồ trên hình 1.8 [50]

Hình 1.8: Sơ đồ biểu diễn các yếu tố trong quá trình phun

Quá trình bay của hạt trong dòng khí, tương tác với môi trường (Nhiệt độ hạt tốc độ hạt, khoảng cách bay)

Từ sự tương tác trong phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF theo hình 1.8 thấy rằng, để đạt được lớp phủ theo yêu cầu thì phải 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 Do vậy việc nghiên cứu chế độ công nghệ như lưu lượng cấp bột phun (m), chuyển động tương đối giữa chi tiết và đầu phun (n, S) để xác định mức độ ảnh hưởng chế độ phun đến chất lượng của lớp phủ là cần thiết trong quá trình thực hiện phun HVOF

Công nghệ 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 phải lựa chọn điều chỉnh các thông số chế độ phun cho phù hợp với các điều kiện thực tiễn như (tốc độ phun, khoảng cách phun, góc phun ) đã có các nhà nghiên cứu tìm hiểu và đã đưa ra khuyến cáo còn mức độ ảnh hưởng của dịch chuyển tương đối giữa súng phun với bề mặt chi tiết cần phun để tạo ra lớp phủ sau mỗi lát phun đến chất lượng lớp phủ thì chưa có khuyến cáo mà người sử dụng thiết

bị hầu hết dựa vào kinh nghiệm để điều chỉnh sự di chuyển của súng phun trong quá phun nên việc đó có ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất và chất lượng lớp phủ

Để cho quá trình khai thác sử dụng thiết bị phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF ứng dụng vào thực tiễn có hiệu quả thì việc nghiên cứu các thông số chế độ công nghệ trong quá trình phun nhằm đạt được chất lượng tốt hơn là việc làm hết sức có ý nghĩa góp phần thúc đẩy sự phát triển của công nghệ phun phủ tại Việt Nam