Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp phủ ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao

6 LỜI CAM ĐOAN Trong quá trình thực hiện nhiệm vụ luận văn tốt nghiệp, học viên Lê Đăng Thắng đã nhận được nhiệm vụ nghiên cứu với tiêu đề tiếng Việt: “Nghiên cứu công nghệ phun phủ pla

ĐIỀU KIỆN ÁP SUẤT VÀ NHIỆT ĐỘ CAO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

1

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC HÌNH 3

DANH MỤC BẢNG 5

LỜI CAM ĐOAN 6

MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 9

1.1 Công nghệ phủ bảo vệ bề mặt 9

1.2 Công nghệ phủn phủ nhiệt 11

1.3 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng công nghệ phun phủ plasma tạo lớp phủ cách nhiệt ở nước ngoài và trong nước 18

1.4 Kết luận chương 1 23

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ PLASMA TẠO LỚP LÓT CHO LOA PHỤT ĐỘNG CƠ TÊN LỬA 24

2.1 Điệu kiện làm việc loa phụt động cơ tên lửa đường kính trong185 mm 24

2.2 Công nghệ phun plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt 26

2.2.1 Cơ chế hình thành lớp phun 26

2.2.2 Phun plasma và một số định nghĩa 29

2.1.3 Kỹ thuật phun phủ plasma 33

2.1.4 Đặc điểm áp dụng trong các biên dạng phun phủ 34

2.2.2 Lựa chọn vật liệu phủ cách nhiệt 36

2.3 Đặc tính làm việc của lớp phủ trên các nền kim loại khác nhau 43

2.3.1 Các lớp phủ chịu nhiệt trên bề mặt làm việc của loa phụt động cơ tên lửa 43

2.3.2 Đặc điểm của lớp phủ ZrO2 với nền kim loại là Fe, W và Mo 45

2

2.4 Bài toán lực tác động và bài toán cách nhiệt 45

2.4.1 Tính toán lực tác động của dòng khí tác dụng bề mặt loa phụt 45

2.4.2 Tính toán khả năng cách nhiệt của lớp phủ 47

2.5 Kết luận chương 2 51

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 52

3.1 Tiến trình thực hiện 52

3.2 Phun phủ trên các mẫu thử, đánh giá kết quả thử nghiệm 53

3.2.1 Các tiêu chí lựa chọn chế độ phun phủ 54

3.2.2 Chế độ phun cho các loại bột đã được chọn 55

3.2.3 Quy trình công nghệ phun thực nghiệm trên các mẫu thử 59

3.2.4 Thực nghiệm trên mẫu thử 64

3.2.4 Kết quả đạt được trên mẫu thử 65

3.3 Quy trình công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt trong loa phụt động cơ tên lửa 72

3.3.1 Chế độ công nghệ 72

3.3.2 Quy trình công nghệ phun phủ plasma tạo lớp bảo vệ ZrO2 trên bề mặt loa phụt 73

3.3.3 Thực nghiệm phun phủ lớp bảo vệ nhiệt lên bề mặt loa phụt động cơ tên lửa 77

3.4 Kết luận chương 3 78

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79

A KẾT LUẬN 79

B KIẾN NGHỊ 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

3

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1: Ứng dụng công nghệ phủn phủ nhiệt trong phục hồi chi tiết máy 9

Hình 2: Trường nhiệt độ và chiều dày lớp phủ bề mặt của một số công nghệ phủ bảo vệ bề mặt hiện nay [6] 11

Hình 3: Công nghệ phun phủ nhiệt 11

Hình 4: Cấu tạo của lớp phủ kim loại 12

Hình 5: Sơ đồ hệ thống hồ quang dây 13

Hình 6: Sơ đồ hệ thống phun bột hồ quang khí cháy 13

Hình 7: Sơ đồ hệ thống phun dây hồ quang hai dây 14

Hình 8: Sơ đồ hệ thống phun plasma 14

Hình 9: Sơ đồ hệ thống phun HVOF 15

Hình 10: Sự so sánh về nguồn nhiệt và động năng hạt của các phương pháp phun phủ [6] 16

Hình 11: Cấu tạo chung của động cơ tên lửa 19

Hình 12: Buồng đốt Vympel R27 được phủ lớp ceramic cách nhiệt màu trắng 20

Hình 13: Loa phụt động cơ phản lực F100 của Mỹ 21

Hình 14: Loa phụt động cơ tên lửa dạng ống Lavan [10] 24

Hình 15: Bản vẽ loa phụt tên lửa đường kính trong Ø 185mm 25

Hình 16: Đồ thị biểu diễn tốc độ của dòng khí plasma tại mỗi đoạn ống [2] 33 Hình 17: Đặc điểm áp dụng trên các loại bê mặt chi tiết đối với công nghệ phun phủ plasma 35

Hình 18: Lớp phủ bề mặt ZrO2 và lớp lót Niken [2] 44

Hình 19: Chu trình nhiệt động động cơ tên lửa 46

Hình 20: Hình biểu diễn trạng thái thay đổi áp suất trong ống Lavan 46

4

Hình 21: Sơ đồ khối quy trình thực hiện 53

Hình 22: Chuẩn bị các mẫu thử trước khi phun cát 64

Hình 23: Các mẫu thử sau khi phun cát 64

Hình 24: Phun thực nghiệm lên các mẫu thử 65

Hình 25: Các mẫu thí nghiệm sau khi hoàn thành lớp phủ bảo vệ 65

Hình 26: Mẫu thử độ bám dính bề mặt 66

Hình 27: Ảnh chụp tổ chức tế vi độ phóng đại 1:100 67

Hình 28: Ảnh chụp tổ chức tế vi độ phóng đại 1:200 67

Hình 39: Mẫu thử mài mòn sau khi kết thúc thử nghiệm 69

Hình 30: Sơ cấp nhiệt cho mẫu thử 70

Hình 31: Quá trình thử nghiệm nhiệt độ 71

Hình 32: Quá trình hạ nhiệt độ mẫu thử nhiệt 71

Hình 33: Phun lớp phủ ceramic cách nhiệt trên sản phẩm loa phụt động cơ tên lửa 77

Hình 34: Loa phụt sau khi được phủ lớp phủ ZrO2 - 8Y2O3 78

5

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1: Các loại công nghệ phủ bảo vệ bề mặt đang sử dụng hiện nay [6]: 10

Bảng 2: Bảng so sánh tính chất của các lớp phun [12] 16

Bảng 3: Thời gian hấp thụ nhiệt và thời gian cung cấp nhiệu cho hạt ZrO2 có đường kính từ 22-45 μm [2] 30

Bảng 4: Các loại bột gốm dựa trên nền cơ sở là ôxít nhôm [12] 36

Bảng 5: Các loại bột gốm dựa trên nền ôxít crôm [12] 37

Bảng 6: Các loại bột gốm dựa trên nền cơ sở ôxít ytri [12] 39

Bảng 7: Bột gốm dựa trên nền cơ sở ôxít zirconi [12] 40

Bảng 8: Những đặc điểm của Ni-164 [2] 44

Bảng 9 Đặc tính vật lý bề mặt các loại vật liệu [2] 45

Bảng 10: Bảng lựa chọn thông số chế độ phun phủ đối với loại súng SG 100 [5] 57

Bảng 11: Kết quả đo các mẫu thử độ bám dính bề mặt 66

Bảng 12: Kết quả thử nghiệm độ mài mòn 68

6

LỜI CAM ĐOAN

Trong quá trình thực hiện nhiệm vụ luận văn tốt nghiệp, học viên Lê Đăng Thắng đã nhận được nhiệm vụ nghiên cứu với tiêu đề tiếng Việt: “Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao”, tiêu đề tiếng Anh là: “Research of plasma thermal spraying technology to make the ceramic coating layer used in high pressure and temperature condition” Tác giả xin cam đoan kết quả nghiên cứu của bài luận văn này không vi phạm bản quyền của bất cứ tài liệu nào Mọi sao chép đều có những trích dẫn về tài liệu tham khảo kèm theo

Xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS,TS Nguyễn Thúc Hà – Bộ môn Hàn

và Công nghệ Kim loại – Viện Cơ khí– trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã luôn

và định hướng nghiên cứu cho tác giả hoàn để thành bài luận này

7

MỞ ĐẦU

Mỗi chi tiết máy có những yêu cầu kỹ thật khác nhau làm việc trong những điều kiện khác nhau Những nguyên nhân chính gây hỏng của các chi tiết máy thường là : độ bền mỏi (quá trình làm việc lâu của chi tiết trong điều kiện chịu lực cao), ăn mòn hóa học (do môi trường làm việc của chi tiết máy mà bề mặt liên tục phải tiếp xúc với các chất hóa học có khả năng ăn mòn cao), ăn mòn cơ học (gây ra do hiện tượng ma sát tại các bề mặt tiếp xúc với nhau), nhiệt độ làm việc quá cao gây ra hiện tượng ô xy hóa bề mặt chi tết… Để nâng cao độ bền và tuổi thọ của chi tiết và kết cấu, nhiều giải pháp đã được đưa ra: gia công nhiệt để cải thiện các tính chất của vật liệu; sản xuất vật liệu mới

và hợp kim Trong nhiều trường hợp, bề mặt vật liệu được phủ một lớp bảo vệ chống ăn mòn, mài mòn và chịu nhiệt

Một vấn đề được đặt ra kèm theo yêu cầu nâng cao tuổi thọ chi tiết máy là hiệu suất sử dụng của các loại máy Hiệu suất nguồn động lực của các động cơ như là động

cơ khí gas, động cơ diesel, và các lò nung có thể được cải thiện bằng việc tăng nhiệt độ buồng đốt Để bảo vệ các chi tiết kim loại trong động cơ trong quá trình tăng nhiệt độ thì cần có một lớp vật liệu cách nhiệt, lớp vật liệu này có thể được chế tạo bằng phương pháp phun phủ Lớp phun bảo vệ được ứng dụng để bảo vệ bộ phận với nhiệt độ cao như là các buồng đốt, các đường dẫn khí thải, van cấp khí, van xả khí, piston … trong các động cơ Lớp phun nhiệt bảo vệ thông thường chứa một lớp lót loại hợp kim MCrAlY (M thông thường là Fe, Ni, Co hoặc là NiCo) và một lớp ceramic tăng cứng

Cả hai loại này được sản xuất ở dạng bột phun plasma, HVOF

Tác dụng lớn của việc cách nhiệt độ giữa buồng đốt và vật liệu vỏ buồng đốt bằng sử dụng lớp là có thể kéo dài tuổi thọ của các loại vật liệu đắt tiền trong công nghệ chế tạo máy Từ khi công nghệ phun phủ lớp ceramic cách nhiệt ra đời nó đã có rất nhiều ứng dụng thực tiễn Ứng dụng trong công nhệ chế tạo buồng đốt máy động cơ

8

máy bay một ứng dụng trong rất nhiều các ứng dụng của lớp phun phủ ceramic cách nhiệt

Ứng dụng thành công công nghệ phun phủ lớp ceramic cách nhiệt lên các động

cơ, tuabin là bảo vệ các piston và các van dẫn Do vậy mà có thể tăng nhiệt độ buồng đốt cũng như giảm tải cơ cấu làm mát

Phạm vi nghiên cứu của luận văn này đi sâu vào nghiên cứu đặc điểm hệ lớp phủ

có khả năng làm việc ở nhiệt độ cao, cách nhiệt tốt, ứng dụng trong loa phụt động cơ tên lửa đường kính trong 185 mm

9

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Công nghệ phủ bảo vệ bề mặt

Những yêu cầu cần thiết về điều kiện làm việc phụ thuộc vào môi trường làm việc một cách đa dạng Trong thực tế, rất nhiều bề mặt chi tiết cần được bảo vệ chống lại sự mài mòn, ăn mòn, cách nhiệt, và thời tiết Trong công nghệ chế tạo máy, việc sử dụng một loại vật liệu để đáp ứng nhiều yêu cầu làm việc là không phổ biến và giá thành cao Cần thiết phải kết hợp nhiều loại vật liệu để vừa đảm bảo cơ tính làm việc cũng như cải thiện khả năng làm việc của bề mặt vật liệu

Những bộ chi tiết máy công nghiệp, các bộ phận khác ứng dụng trong công nghiệp ngày nay thường ứng dụng rộng rãi công nghệ phun phủ nhiệt để nâng cao tuổi thọ làm việc cũng như dễ dàng hơn trong công nghệ chế tạo

Hình 1: Ứng dụng công nghệ phủn phủ nhiệt trong phục hồi chi tiết máy

Hiện nay, có nhiều công nghệ phủ bảo vệ bề mặt, vật liệu lựa chọn cũng rất đa dạng về chủng loại Đối với mỗi điều kiện làm việc khác nhau cũng như hiệu quả kinh

tế, cần lựa chọn các loại vật liệu phủ cũng như công nghệ phủ phù hợp Bảng 1 thể hiện một số công nghệ phủ bề mặt và các loại vật liệu phổ biến chống mài mòn, ăn mòn

10

Bảng 1: Các loại công nghệ phủ bảo vệ bề mặt đang sử dụng hiện nay [6]:

Loại lớp

Phủ Polyme 1 – 10 μm Polymers Chịu ăn mòn

hóa học

Trong công nghiệp ô tô

Phun phủ

nhiệt 0.04 – 3 mm

Lớp phủ gốm và hợp kim

hàn đắp 0.5 – 5 mm

Thép, hợp kim thép

Bảo vệ mài mòn

Van

Ứng dụng của mỗi lớp phủ còn được lựa chọn dựa vào đặc tính nhiệt độ cũng như chiều dày yêu cầu của lớp phủ

Công nghệ mạ ion thực hiện ở nhiệt độ thấp, giảm biến dạng, tuy nhiên lớp phủ lại mỏng

Công nghệ hàn đắp cho được chiều dày đắp cao tuy nhiên lượng nhiệt cấp vào lớn

Hình 2 thể hiện trường nhiệt độ và chiều dày lớp phủ của các loại công nghệ phủ

bề mặt hiện nay

11

Hình 2: Trường nhiệt độ và chiều dày lớp phủ bề mặt của một số công nghệ phủ bảo vệ

bề mặt hiện nay [6]

1.2 Công nghệ phun phủ nhiệt

Công nghệ phun phủ nhiệt được mô tả ngắn gọn qua sơ đồ như hình 3 Trong đó, việc phân loại công nghệ phun phủ nhiệt phụ thuộc vào năng lượng cấp vào để nung nóng vật liệu

Hình 3: Công nghệ phun phủ nhiệt

12

 Vật liệu nền

Vật liệu nền thích hợp trong phun phủ nhiệt là loại vật liệu có khả năng tạo nhám

bề mặt Thông thường, vật liệu nền thích hợp trong phun phủ có độ cứng dưới 55 HRC Trước khi phun phủ, cần có phương pháp để chuẩn bị bề mặt tạo độ nhám theo yêu cầu nhất định để đảm bảo độ bám dính bề mặt Sự bám dính bề mặt của lớp phun và kim loại nền chủ yếu là lực bám dính cơ học, do đó, việc chuẩn bị bề mặt đảm bảo độ sạch

và độ nhám cần thiết là yêu cầu rất quan trọng

Quá trình tạo nhám bề mặt hiện nay thường được sử dụng bằng hai phương pháp: phương pháp hóa học và phương pháp cơ học Tạo nhám bề mặt có tác dụng dễ dàng phân tán các hạt phun dạng lỏng được gia tốc ở tốc độ cao và tăng diện tích tiếp xúc của

bề mặt lớp phun

Dòng hạt phun di chuyển tới bề mặt kim loại nền có hai dạng: dạng hạt lỏng và dạng chảy dẻo Quá trình va dập giữa các hạt và bề mặt nền dưới động năng lớn tạo ra các lớp xếp chặt vào nhau Nhiệt độ các hạt nóng truyền sang kim loại cơ bản và được làm mát Khi nhiệt độ giảm xuống, các hạt nhỏ xếp chặt co lại liên kết với các hạt kim loại thô Do đó, độ bám dính lớp phủ chủ yếu là độ bám dính cơ học

Hình 4: Cấu tạo của lớp phủ kim loại

Ôxít

lô rỗng

13

 Các quá trình phun phủ nhiệt thông dụng

- Phun hồ quang dây

Phương pháp phun hồ quang dây khí cháy được mô tả ngắn gọn theo hình 5 Trong đó, ngọn lửa hồ quang là ngọn lửa khí cháy và ô xy Vật liệu phun bằng dây đi qua tâm ngọn lửa hồ quang bị nóng chảy tạo thành chùm hạt phun

Hình 5: Sơ đồ hệ thống hồ quang dây

- Phun bột hồ quang khí cháy

Vật liệu phun đầu vào được cấp qua đường cấp bột Bột phun qua ngọn lửa hồ quang tạo bị nung chảy tạo ra chùm hạt phun vào bề mặt chi tiết như hình 6:

Hình 6: Sơ đồ hệ thống phun bột hồ quang khí cháy

Bép phun

14

- Phun dây hồ quang hai dây: Hệ thống phun hồ quang hai dây được thực hiện thông qua hai dây mang hai điện cực trái dấu Tia lửa điện từ hai điện cực trái dấu tạo ra ngọn lửa hồ quang đốt chảy dây kim loại Hạt kim loại lỏng được gia tốc bởi đường khí cấp vào tạo ra chùm hạt phun phủ như hình 7:

Hình 7: Sơ đồ hệ thống phun dây hồ quang hai dây

- Phun phủ plasma: Bột phun được đưa qua ngọn lửa hồ quang plasma được gia tốc bởi khí mang tạo ra chùm hạt phun plasma Ngọn lửa hồ quang plasma có nhiệt độ lên tới khoảng 15000 0C có thể làm nóng chảy các loại vật liệu đi qua nó

Hình 8: Sơ đồ hệ thống phun plasma

Điện áp

Kim loại nền

Lớp phủ Khí mang

Điện cực catot Đường làm mát

Dây phun

Đường cấp bột Kim loại nền

Lớp phủ

15

- Phun phủ HVOF: Nhiên liệu và khí cháy đi vào buồng phản ứng cháy, bột phun được gia tốc bởi dòng khí mang ở tốc độ cao đi qua ngọn lửa khí cháy tạo ra ngọn lửa với chùm tia kình kim cương Sơ đồ hệ thống phun HVOF được mô tả như hình 9:

Hình 9: Sơ đồ hệ thống phun HVOF

 So sánh các phương pháp phun phủ, phạm vi áp dụng

Ứng với mỗi phương pháp phun phủ, năng lượng nhiệt và động năng của các hạt được thể hiện như hình 10 Trong đó, phương pháp phun phủ plasma thường được áp dụng cho các loại vật liệu phun phủ khó nóng chảy như bột gốm

Nhiên liệu Nhiên liệu

Đầu bép

Bột và khí mang

Khí làm mát

Kim loại nền Ngọn lửa kim cương

Lớp phủ

Phun plasma

Phun HVOF

Nhiệt độ khí

(0C)

Hợp kim Fe Hợp kim màu Gốm Cácbit

17

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 Cácbit

- Nhóm I: Bột đơn kim loại, hoặc tổ hợp kim nhiều lớp gồm các vật liệu như:

 Bột trên cơ sở nền nhôm Al;

 Bột trên cơ sở nền Cô ban Co;

 Bột trên cơ sở nền Đồng Cu;

18

 Bột trên cơ sở nền Sắt Fe;

 Bột trên nền cơ sở Mô líp đen Mo;

 Bột trên cơ sở nền Niken Ni

- Nhóm II: Bột hợp kim dạng MCrAlY gồm hai nhóm vật liệu chính gồm:

 Hợp kim bột trên nền cơ sở Cô ban Co;

 Hợp kim bột trên nền cơ sở Niken Ni

- Nhóm III: Bột gốm

 Bột dựa trên nền cơ sở là ô-xít nhôm;

 Bột dựa trên nền cơ sở là ô-xít Crom;

 Bột dựa trên nền cơ sở là ô-xit Zirconi

10 E-6 W/mK [2] Hệ số dẫn nhiệt của ZrO2 gần như ổn định trong khoảng nhiệt độ làm việc rộng lớn Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, đề tài đi sâu vào nghiên cứu lớp phủ ceramic bằng loại bột này ứng dụng trong công nghệ chế tạo loa phụt động cơ tên lửa

1.3 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng công nghệ phun phủ plasma tạo lớp phủ cách nhiệt ở nước ngoài và trong nước

1.3.1 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng công nghệ phun phủ plasma tạo lớp phủ cách nhiệt ở nước ngoài

Công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt bắt đầu được phát triển những năm 1970, đang được nghiên cứu ứng dụng rộng rãi trong các chi tiết máy Lớp

19

phủ ceramic cách nhiệt được ứng dụng rộng rãi trong các tuabin khí, động cơ tên lửa, buồng đốt, van chịu nhiệt cũng như trong công nghệ chế tạo tên lửa trên thế giới Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, đề tài đi sâu vào nghiên cứu ứng dụng công nghệ này trong công nghệ chế tạo loa phụt động cơ tên lửa

Công nghệ chế tạo tên lửa đã phát triển rất lâu trên thế giới ở nhiều quốc gia như:

Mỹ, Nga, Pháp… Cấu tạo chung của tên lửa gồm: Vỏ tên lửa, buồng chứa nhiên liệu, bơm áp lực phun nhiên liệu ở áp suất cao, buồng đốt và hệ thống điều khiển

Hình 11: Cấu tạo chung của động cơ tên lửa Một bộ phận đóng vai trò quan trọng trong buồng đốt động cơ tên lửa đấy là loa phụt Loa phụt của động cơ tên lửa nhiên liệu rắn là một ống tăng tốc liên tục dòng khí sản phẩm cháy trong buồng đốt để tạo ra lực đẩy Dòng khí cháy phụt qua loa có nhiệt

độ rất cao (≥ 1750 0C), áp suất cao (khoảng 25 MPa) và vận tốc lớn (khoảng 250m/s ở của vào của loa phụt) gây ra sự bào mòn bề mặt tiếp xúc với dòng khí của loa phụt

200-Vấn đề khác cần được xem xét đó là sự thay đổi nhiệt độ của luồng khí phụt ra cực nhanh gây nên hiện tượng giãn nở nhiệt không đều trong khối vật liệu chế tạo loa phụt

Do đó mà gây nên sự chênh lệch về ứng suất của khối vật liệu chế tạo loa phụt Sự chênh lệch này nếu vượt qua một giới hạn cho phép thì loa phụt sẽ bị phá hủy

20

Để giải quyết bài toán này, trên thế giới đã áp dụng nhiều phương pháp để chế tạo loa phụt Hai phương pháp phổ biến hiện nay là sử sụng phương pháp đúc thiêu kết hợp kim chịu nhiệt và chịu mài mòn, phương pháp thứ hai là phủ lớp ceramic cách nhiệt bảo

vệ bề mặt bên trong loa phụt

Trên thế giới, lớp phủ ceramic cách nhiệt được ứng dụng rộng rãi trong buồng đốt động cơ phản lực

Máy bay không đối không Vympel R-27 R27 của Nga được phủ lớp phủ cách nhiệt màu trắng phía sau buồng đốt động cơ Vympel R27 được sử dụng từ năm 1983 đến nay

Hình 12: Buồng đốt Vympel R27 được phủ lớp ceramic cách nhiệt màu trắng Lớp phủ ceramic cũng được sử dụng trong loa phụt tên lủa đẩy F100 của Mỹ Hệ thống tên lửa đẩy tàu vũ trụ cũng sử dụng lớp phủ ceramic cách nhiệt trên các vách ngăn của các tầng tên lửa với nhau

21

Hình 13: Loa phụt động cơ phản lực F100 của Mỹ 1.3.2 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng công nghệ phun phủ plasma tạo lớp phủ cách nhiệt ở trong nước

Công nghệ phun phủ nhiệt ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp để tăng hiệu suất hoạt động của máy móc, dây chuyền sản xuất, giảm thời gian ngưng máy, giảm chi phí vận hành và chi phí thay mới linh kiện

Ứng dụng của công nghệ phun phủ plasma:

 Phục hồi kích thước cho gối đỡ

 Bảo vệ cách turbin trong các nhà máy điện, trong các chi tiết động cơ máy bay, vừa làm lớp cách nhiệt, vừa chống mài mòn, các trục vít máy nghiền, máy bơm

 Phun phủ hợp kim crôm chống mài mòn trên các loại các bơm và guồng bơm

mà dung dịch bơm có lẫn các tinh thể rắn

 Phun phủ lớp mỏng hợp kim cứng bằng công nghệ plasma để bảo vệ bề mặt và tăng tuổi thọ khuôn đúc nhựa…

Công nghệ phun phủ kim loại trong những năm gần đây đã được chuyển giao vào Việt Nam Phòng thí nghiệm Trọng điểm Công nghệ Hàn và Xử lý bề mặt - Viện

22

Nghiên cứu Cơ khí, một cơ sở của quân đội và một số đơn vị dầu khí đã được trang bị những thiết bị hiện đại nhập từ nước ngoài Đã có những công trình nghiên cứu, ứng dụng công nghệ phun phủ kim loại áp dụng vào sản suất như: Phun phục hồi cổ trục, nghiên cứu ứng dụng công nghệ xử lý bề mặt nâng cao chất lượng chi tiết cơ khí bằng phương pháp phun phủ Plasma, nghiên cứu ứng dụng phun đồng bằng công nghệ plasma để phục hồi ống xilanh

Đề tài KC05.10: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt khí để tạo bề mặt có độ chịu mài mòn và bám dính cao phục hồi các chi tiết máy có chế độ làm việc khắc nhiệt” do kỹ sư Uông Sỹ Áp thực hiện tập trung vào nghiên cứu đánh giá chất lượng lớp phủ bằng các thông số chịu ăn mòn, chưa đi sâu nghiên cứu khả năng làm việc ở nhiệt độ cao cũng như khả năng cách nhiệt của lớp phủ gốm đăc biệt là hệ lớp phủ ZrO2

Đối với công nghệ chế tạo loa phụt động cơ phản lực, Viện Tên lửa – Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự đã thực Đề tài: “Nghiên cứu công nghệ chế tạo loa phụt động cơ phản lực nhiện liệu rắn từ bột molybden” Nhóm tác giả: Trần Ngọc Thanh, Quản Thanh Bình, Sái Mạnh Thắng, Vũ Tùng Lâm đã đưa ra công nghệ đúc thiêu kết bột hợp kim molybden Quá trình thực hiện thử nghiệm bắn tại thiết bị phóng thử tên lửa đạt kết quả 30 giây Vấn đề đặt ra là sự truyền nhiệt một cách nhanh chóng của vật liệu chế tạo loa phụt tạo ra sự phá vỡ liên kết giữa loa phụt và phần vỏ tên lửa Đối với loa phụt động cơ tên lửa, không chỉ yêu cầu về khả năng làm việc ở nhiệt độ cao mà còn yêu cầu tới khả năng cách nhiệt của lớp bảo vệ bề mặt để đảm bảo liên kết giữa loa phụt

và vỏ tên lửa không bị phá hủy

Do vậy, vấn đề đặt ra nghiên cứu trong đề tài “Nghiên cứu công nghệ phun phủ

plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc trong điều kiện áp suất

và nhiệt độ cao” là đi sâu nghiên cứu đặc tính làm việc ở nhiệt độ cao, đặc tính cách

nhiệt của vật liệu ceramic được chế tạo bằng công nghệ phun phủ plasma

23

1.4 Kết luận chương 1

Với ưu điểm năng lượng nguồn nhiệt cao, lựa chọn công nghệ phun phủ plasma để chế tạo lớp phủ ceramic là phương pháp tối ưu cho ra chất lượng lớp phủ cao hơn các phương phap phun phủ khác

Với đặc tính khả năng cách nhiệt tốt của ZrO2 (khoảng 10 E-6 W/mK), vật liệu dùng cho phun plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt là những loại bột có thành phần ZrO2

cố định hoặc là thay đổi

Đối với loa phụt động cơ tên lửa, không chỉ yêu cầu về khả năng làm việc ở nhiệt

độ cao mà còn yêu cầu tới khả năng cách nhiệt của lớp bảo vệ bề mặt để đảm bảo liên kết giữa loa phụt và vỏ tên lửa không bị phá hủy

Do vậy, vấn đề đặt ra nghiên cứu trong đề tài này là đi sâu nghiên cứu đặc tính làm việc ở nhiệt độ cao, đặc tính cách nhiệt của vật liệu ceramic được chế tạo bằng công nghệ phun phủ plasma

24

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ PLASMA TẠO LỚP LÓT CHO LOA PHỤT ĐỘNG CƠ TÊN LỬA 2.1 Điệu kiện làm việc loa phụt động cơ tên lửa đường kính trong185 mm

Loa phụt động cơ tên lửa với đường kính trong Ø 185 mm là một ống tăng tốc liên tục (ống Lavan) dòng khí sản phẩm cháy trong buồng đốt để tạo ra lực đẩy Dòng khí cháy phụt qua loa phụt có nhiệt độ rất cao (≥1750 0C), áp suất cao (khảng 25 MPa)

và vận tốc khí thổi lớn (khoảng 200 – 250 m/s) gây ra mài mòn bề mặt tiếp xúc với dòng khí của loa phụt Bản chất của dòng khí này là sự hỗn hợp của các khí: CO2, CO, H2O,

H2 ở nhiệt độ cao có tính ô xy hóa mạnh gây ra ô xy hóa bề mặt tiếp xúc của loa phụt Thời gian làm việc của buồng đốt khoảng 30 s [10]

Hình 14: Loa phụt động cơ tên lửa dạng ống Lavan [10]

Quá trình phụt ra của dòng khí cháy ở vận tốc cao áp suất lớn gây ra sự xói mòn bề mặt loa phụt khi động cơ hoạt động Quá trình hoạt động của loa phụt phải chịu sự thay đổi đột ngột của luồng nhiệt Nhiệt độ tối đa của luồng khí đạt được chỉ trong 1/1000

25

giây sau khi nhiên liệu được đốt cháy [6] Khi tăng nhiệt độ đột ngột, vấn đề giãn nở nhiệt không đồng đều gây nên ứng suất xuất hiện bên trong lớp phủ nhiệt ZrO2 với kim loại cơ bản

Với các điều kiện đó, vật liệu chế tạo loa phụt cần có những đặc tính sau [6]:

- Độ bền nhiệt cao: Vật liệu chế tạo loa phụt cần phải có độ bền nhiệt rất cao để đảm bảo không bị biến dạng hay phá hủy trong môi trường làm việc ở nhiệt độ cao và thời gian làm việc dài

- Khả năng chịu sốc nhiệt tốt: Loa phụt không bị phá hủy do sự tăng đột ngột nhiệt

- Khối lượng riêng nhỏ: đảm bảo loa phụt có khối lượng thấp

- Khả năng liên kết tốt đối với buồng động cơ

Hình 15: Bản vẽ loa phụt tên lửa đường kính trong Ø 185mm

26

Trên thực tế với yêu cầu đó, không một loại vật liệu nào có thể đảm bảo hoàn toàn những điều trên Do vậy mà loa phụt động cơ tên lửa cỡ trung bình và lớn thường được thiết kế gồm nhiều lớp vật liệu khác nhau để tận dụng từng tính chất của các loại vật liệu

- Lớp kim loại cơ bản: Đảm bảo kết cấu chịu lực và kết nối với các bộ phận khác của tên lửa

- Lớp phủ bảo vệ nhiệt: Bề mặt làm việc trực tiếp với luồng khí cháy với khả năng bảo vệ nhiệt, cách nhiệt, chống ăn mòn hóa học cũng như cơ học để bảo vệ kim loại cơ bản bên ngoài của loa phụt

2.2 Công nghệ phun plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt

2.2.1 Cơ chế hình thành lớp phun

Những quan điểm về sự hình thành lớp phun

Theo Pospisil – Shehyl, lớp phun bằng kim loại xuất hiện là do các giọt kim loại lỏng được phun bằng một dòng khí nén với tốc độ rất cao Các hạt này bị phá vỡ ra thành nhiều hạt nhỏ Dạng của các hạt này đặc trưng bởi kim loại của nó Theo bản chất

Từ các thực nghiệm, tác giả lý thuyết này (Pospisil – Shehyl) kết luận rằng các phần tử kim loại trong thời điểm va đập trên bề mặt kim loại nền là chất lỏng

27

Lý thuyết của Shoop cho rằng động năng của các hạt kim loại khi bay được cung cấp năng lượng bởi dòng khí nén, khi xảy ra sự va đập các hạt phun lên bề mặt kim loại nền sẽ xuất hiện sự thay đổi nhiệt độ Thực nghiệm cho thấy rằng sau khi ra khỏi miệng vòi, các hạt kim loại bắt đầu bị làm nguội và đông đặc rất nhanh do tác dụng của dòng khí nén Trong thời điểm va đập, chúng sẽ bị biến dạng dẻo, do vậy chúng liên kết với nhau tạo thành những lớp trung gian

Theo Shenk thì nhiệt độ của các hạt phun phải ở trên nhiệt độ chảy lỏng để xảy ra

sự hàn chặt chúng lại với nhau

Theo Karg, Kastsch 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

Cơ chế hình thành lớp phun

 Quá trình chảy và sự phân tán kim loại phun:

Khi phun bột kim loại bằng nguồn nhiệt plasma, đầu tiên bột kim loại được đốt nóng bằng nguồn nhiệt plasma Khi kim loại nung nóng đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ chảy của chúng, giọt kim loại xuất hiện sau khi nóng chảy phủ trên bề mặt điện cực Giữa kim loại lỏng và môi trường khí xảy ra quá trình khuyếch tán và tác dụng hóa lý với nhau như ứng suất bề măt, nội năng, nhiệt độ, và hệ số dẫn nhiệt, khả năng co ngót, gây ảnh hưởng đến cấu trúc bên trong và các tính chất khác của kim loại lỏng

 Quá trình bay các hạt

Toàn bộ quá trình bay của các hạt từ lúc hình thành giọt kim loại đến khi va đập trên bề mặt vật phun xảy ra rất ngắn (khoảng 0,002 đến 0,008 s) Trong quá trình bay của các hạt chủ yếu chỉ xảy ra sự ô xy hóa, do vậy các phần tử phun kim loại bị bao bọc bằng lớp ôxít, lớp này sẽ lớn dần theo khoảng cách bay Các hạt kim loại di chuyển trong luồng khí với vận tốc lớn

 Sự hình thành lớp phun

28

Quá trình tạo thành lớp phun bằng phun plasma tương đối phức tạp Trên cơ sở thực nghiệm người ta xác định rằng các phần tử kim loại trong thời điểm va đập lên mặt vật phun ở trạng thái lỏng và bị biến dạng rất lớn Động năng của các phần tử đập lên bề mặt phun gây biến dạng rất nhanh và mạnh Năng lượng này được xác định bằng tốc độ

của các phần tử và khối lượng của chúng được tính: 1 2

2

k

E  mV , bởi vậy mà các phần

tử có độ lớn khác nhau sẽ có động năng khác nhau

Tốc độ bay của các phần tử này là yếu tố chính để xác định sự biến dạng của các phần tử, điều này ảnh hưởng trực tiếp đến sự hình thành lớp phun

Chất lượng của lớp phun

Chất lượng và các tính chất của các lớp phun plasma chủ yếu được xác định bởi kích thước, nhiệt độ và tốc độ di chuyển giữa các giọt kim loại khi va chạm vật phun, và bởi mức độ ô xy hóa của các giọt kim loại và bề mặt vật phun trong thời gian phun Các yếu tố này rất khác nhau khi sử dụng các phương pháp và quy trình phun khác nhau

Cấu trúc của lớp phun

Lớp phun bằng kim loại có tính chất khác hẳn với vật liệu ban đầu Đặc trưng cơ bản của cấu trúc này là những phiến kim loại với kích thước từ 0,1 ÷ 0,2 mm Các phần tử này có độ biến dạng khác nhau và bị phân cách với nhau bằng một lớp ôxít mỏng với chiều dày 0,001 mm

Cấu trúc của lớp kim loại phun đặc trưng cho cấu trúc nguội lạnh đột ngột ở lớp thép cacbon (có thành phần cacbon cao) thường có cấu trúc mactensit Ngoài những phần tử nền này ra, trong lớp phun còn chứa các phần tử nhỏ không biến dạng, những phần tử này khi va đập lên vật liệu nền đã ở trạng thái rắn

Sự nguội lạnh của các phần tử này xảy ra rất nhanh và bị tác động bởi tốc độ nguội lạnh rất lớn, nên trong cấu trúc ngoài dung dịch Fe-C còn có dung dịch đặc của Fe-ôxít

29

Do vậy, khi đông đặc sẽ xuất hiện những trung tâm lệch mạng, ảnh hưởng đến độ bám dính lớp phun

2.2.2 Phun plasma và một số định nghĩa

Thời gian nâng nhiệt

Khi một hạt được đưa vào ngọn lửa plasma, nó được tăng tốc và nóng lên Hiện tượng nóng lên xảy ra bằng cách chuyển năng lượng nhiệt từ khí plasma nóng vào các phân tử, trong khi tăng tốc là do chuyển lực từ các ion di chuyển nhanh và các nguyên

Thời gian hấp thụ nhiệt cho một hạt cũng được bắt nguồn bởi Houben [2] và có thể

được xác định bởi phương trình 1:

Cp: Nhiệt dung riêng của hạt [Jkg-1K-1]

Thời gian cung cấp nhiệt bằng với thời gian cần thiết để làm nóng một hạt đến nhiệt độ trung bình Tp Thời gian cấp nhiệt được xác định bởi sự truyền nhiệt từ khí

plasma tới hạt và bị điểu chỉnh bởi phương trình (2) [2]:

30

2

,0 hs

: hệ số dẫn nhiệt của khí plasma [Wm-1K-1]

Tp,o: nhiệt độ bắt đầu của hạt [kJ]

Tp: nhiệt độ cần thiết của hạt [kJ]

Nhiệt độ cung cấp cho các hạt không thể được hấp thụ hoàn toàn nếu như: Tha>Ths Hiện tượng này diễn ra tốt hơn đối với các vật liệu có tính dẫn nhiệt thấp, kết quả là lớp

vỏ nóng nhưng mà lõi không nóng

Nếu như Tha<Ths thì nhiệt độ cung cấp bới khí plasma sẽ được các hạt hấp thụ toàn

bộ, và nguồn nhiệt sẽ được phân bố đồng đều trên các hạt Để đáp ứng được điều kiện của Tha và Ths thì thời gian các hạt nằm trong ngọn lửa tdw phải đủ

Thời gian các hạt nằm trong ngọn lửa được xác định bởi tốc độ và tính chất của dòng khí plasma, mật độ hạt và bán kính của các hạt phun

Vận tốc của hạt tỷ lệ thuận với 2

p

R Trong khi thời gian cung cấp nhiệt tỷ lệ thuận với Rp Ở đây ta xem thời gian làm nóng hạt thô cũng ngang bằng với thời gian làm nóng hạt mịn, tuy rằng trong thực tế thì thời gian làm nóng một hạt thô lơn hơn

Theo Houben [2] điều kiện để các hạt nóng đạt yêu cầu phải thỏa mãn: Tdw> Ths>Tha Bảng tiếp theo thể hiện thời gian Tha, Ths và bán kính của hạt ZrO2

Bảng 3: Thời gian hấp thụ nhiệt và thời gian cung cấp nhiệu cho hạt ZrO2 có đường kính từ 22 - 45 μm [2]

Vận tốc khí

Vận tốc khí được sử dụng trong các tính toán tiếp theo dựa trên tài liệu liên quan đến Ar/H2 Khí plasma được phun ra tại các đầu phun mở rộng, không được pha trộn với không khí, khi dòng khí plasma nằm trong đầu phun gần với cực dương anốt thì có vận tốc cao, nhưng khi ra khỏi đầu phun thì vận tốc của dòng khí bắt đầu giảm đi Đoạn ống phun 120 mm có đường kính ống đoạn đầu là 8 mm và mở rộng ra là 13 mm Vận tốc khí gas ở đoạn này được tính đơn giản theo tỉ lệ diện tích bề mặt của lối ra và lối vào ống phun

Đồ thị biểu diễn tốc độ của dòng khí plasma tại mỗi đoạn ống được thể hiện trong hình 16 và được sử dụng để tính toán kết quả vận tốc của hạt

33

Hình 16: Đồ thị biểu diễn tốc độ của dòng khí plasma tại mỗi đoạn ống [2]

2.1.3 Kỹ thuật phun phủ plasma

 Lựa chọn loại điện cực plasma

Thông thường, đầu súng phun phủ plasma thường tích hợp các loại điện cực phun phủ khác nhau Hiện nay, các loại điện cực plasma được sử dụng bao gồm:

- Điện cực tiêu chuẩn (standard)

- Điện cực march 1

- Điện cực march 2

Ứng với mỗi loại điện cực, khe hở giữa điện cực catot và anot là khác nhau, gia tốc hạt cũng khác nhau cũng như chiều dài đuôi ngọn lửa plasma là khác nhau Do vậy, việc lựa chọn điện cực phun phủ cần dựa vào đặc tính vật lý của từng loại bột như: nhiệt

độ chảy, độ hạt, loại hình kết dính

Đối với loại bột phun ZrO2, chúng ta lựa chọn loại điện cực tiêu chuẩn 2083 -

730

34

 Đặc điểm bột phun phủ plasma

Bột phun plasma thông thường được lựa chọn dựa trên các tiêu chí sau:

- Dạng hạt tròn, đảm bảo dễ di chuyển trong các đường ống và tính chảy loãng đồng đều trên các hạt cấp vào

- Cỡ hạt phun thông thường từ 15µm đến 150 µm Các loại hạt nhỏ hơn 15µm thường bị phân hủy ở trong ngọn lửa plasma và tính chảy loãng không đồng đề nên không áp dụng trong phun phủ plasma

 Chuẩn bị bề mặt trong phun phủ plasma

Vật liệu nền thích hợp trong phun phủ nhiệt là loại vật liệu có khả năng tạo nhám

bề mặt Thông thường, vật liệu nền thích hợp trong phun phủ có độ cứng dưới 55 HRC Trước khi phun phủ, cần có phương pháp để chuẩn bị bề mặt tạo độ nhám theo yêu cầu nhất định để đảm bảo độ bám dính bề mặt Sự bám dính bề mặt của lớp phun và kim loại nền chủ yếu là lực bám dính cơ học, do đó, việc chuẩn bị bề mặt đảm bảo độ sạch

và độ nhám cần thiết là yêu cầu rất quan trọng

2.1.4 Đặc điểm áp dụng trong các biên dạng phun phủ

Công nghệ phun phủ plasma có thể áp dụng trên một số biên dạng như hình 17 Trong đó:

- Các vị trí bề mặt có cạnh sắc cần tạo bánh kính cong với bán kính lớn hơn 3 lần chiều dày lớp phủ hoặc tạo góc vát tối thiểu 300 trên bề mặt lớp phủ

- Tại các vị trí góc cần phủn cách ra tối thiểu 5 mm

- Tại các vị trí rãnh, gờ như rãnh giăng, ăn mòn mài mòn thành vết sâu cần tạo rãnh biên dạng tròn

- Phun phủ plasma chỉ nên áp dụng cho các chi tiết trụ tròn với đường kính lớn hơn 50 mm

35

S

Hình 17: Đặc điểm áp dụng trên các loại bê mặt chi tiết đối với công nghệ phun phủ

plasma

Không khả thi Khả thi Biên dạng ưu tiên

Cấu trúc đơn giản

5mm (0.2 in) 3t 5 mm (0.2 in) t

< 50mm (2 in)

50 – 80 mm (2 – 3.2 in) with special spray gun, quality is

reduced

50 – 80 mm (2 – 3.2 in) with special spray gun, quality is reduced

> 80 mm (3.2 in)

> 80 mm (3.2 in)

36

2.2.2 Lựa chọn vật liệu phủ cách nhiệt

Mỗi thành phần bột trên mỗi nền cơ sở lại có đặc tính lớp phủ và phạm vi làm việc khác nhau khi ta thay đổi thành phần phối trộn, và kích cỡ hạt Dưới đây là bảng thông số các loại bột do nhà cung cấp bột Praxair cung cấp [12]:

- Làm việc tốt trong môi trường axít và kiềm

- Tính chất điện môi tuyệt vời

- Làm việc tốt trong môi trường axit và bazơ

- Tính chất điện môi tuyệt vời

- Nhiệt độ làm việc trong khoảng 843°C - 1649°C

- Chống mài mòn, ma sát trượt bề mặt

- Làm việc tốt trong môi trường axit và bazơ

- Yêu cầu phải mài sau phun phủ

AL0-159

Al2O3-3TiO2

TiO2 3.0 -106 µm/+45 µm

- Chống mài mòn, xói mòn và ăn mòn trượt bề mặt tốt

- Làm việc tốt trong môi trường axit và bazơ

- Yêu cầu phải mài AL0-187

Al2O3

-13TiO2

TiO2 13.0 -45 µm/+10 µm

- Tính chất tương tự như Al2O3-3TiO2, nhưng mềm hơn và tác khả năng chống các chất hóa học kém hơn

- Nhiệt độ làm việc 538°C AL0-188

Al2O3

-13TiO2

TiO2 13.0 -31 µm/+5 µm

- Tương tự như Al2O3-3TiO2, nhưng mềm hơn và chống tác dụng hóa học kém hơn

- Nhiệt độ làm việc lên tới 538 0C Giải thích thuật ngữ:

- 106 µm/+45 µm được hiểu là cỡ hạt qua sàng kích thước 106 µm và không qua sàng kích thước +45 µm