Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ xử lí nhiệt ở miền nhiệt độ trên 500oc đến cấu trúc tính chất của hệ phủ kép hợp kim nicr và nhôm trên nền thép

Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy giáo, cô giáo trong Bộ môn Vật liệu học, xử lý nhiệt và bề mặt, các thầy cô giáo ở Phòng thí nghiệm kim loại học và Xưởng nhiệt luyện, các bạn

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ XỬ LÝ NHIỆT Ở MIỀN

NHIỆT ĐỘ TRÊN 500 o C ĐẾN CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT CỦA HỆ PHỦ KÉP HỢP KIM NiCr VÀ NHÔM TRÊN NỀN THÉP

KHOÁ 2011B Chuyên ngành: Khoa học và kỹ thuật Vật liệu LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN XUÂN TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ XỬ LÝ NHIỆT Ở MIỀN

NHIỆT ĐỘ TRÊN 500 o C ĐẾN CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT

CỦA HỆ PHỦ KÉP HỢP KIM NiCr VÀ NHÔM TRÊN NỀN THÉP

Chuyên ngành: Khoa học và kỹ thuật Vật liệu

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS TS PHÙNG THỊ TỐ HẰNG

2 TS LÊ THU QUÝ

Hà Nội – Năm 2013

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân, được hình thành và phát triển từ những quan điểm của cá nhân tôi, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS.Phùng Thị Tố Hằng, đồng hướng dẫn TS Lê Thu Quý và có tham khảo thêm các tài liệu đáng tin cậy, có nguồn gốc rõ ràng Các số liệu, kết quả trong luận văn là hoàn toàn chính xác và trung thực

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

Tác giả luận văn

NGUYỄN XUÂN TRƯỜNG

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS TS Phùng Thị Tố Hằng, Bộ môn Vật liệu học, xử lý nhiệt và bề mặt – Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu – Trường đại học Bách Khoa Hà Nội và TS Lê Thu Quý- Viện Kỹ thuật Nhiệt đới- Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã trực tiếp hướng dẫn tôi thực hiện và hoàn thành đề tài

Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy giáo, cô giáo trong Bộ môn Vật liệu học, xử lý nhiệt và bề mặt, các thầy cô giáo ở Phòng thí nghiệm kim loại học và Xưởng nhiệt luyện, các bạn sinh viên lớp Vật liệu học, xử lý nhiệt và bề mặt K52 và K54, các kỹ thuật viên của Viện Kỹ thuật Nhiệt đới đã tạo điều kiện giúp tôi hoàn thành đề tài này

Tác giả luận văn

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN 3

LỜI CẢM ƠN 4

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 7

DANH MỤC CÁC BẢNG 8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 10

LỜI NÓI ĐẦU 13

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 15

1 Khái quát chung 15

2 Lịch sử phát triển 15

3 Tình hình ứng dụng phun phủ trên thế giới và Việt Nam 16

4 Cơ sở lý thuyết công nghệ phun phủ kim loại 17

4.1 Cơ chế hình thành lớp phủ kim loại 17

4.2 Đặc trưng sự hình thành và cấu trúc lớp phủ trên kim loại nền 18

4.3 Các phương pháp phun kim loại 18

4.4 Một số vật liệu phun phủ thông dụng đang được sử dụng trên thế giới 24

4.5 Ưu điểm và nhược điểm của công nghệ phun phủ 25

5 Phương pháp phun phủ bằng hồ quang điện 25

5.1 Thiết bị dùng để phun phủ 26

5.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình phun phủ bằng hồ quang điện 29

6 Lớp phủ kép Ni-Cr và Al 30

6.1 Sự hình thành và cấu trúc lớp phủ kim loại 30

6.2 Cấu trúc lớp phủ kim loại 32

6.3 Lớp phủ nhôm (Al) 34

6.4 Lớp phủ Ni-Cr 35

6.5 Lớp phủ kép Ni-Cr và Al 38

6.6 Xử lý nhiệt lớp phủ kép NiCr-Al 41

Hình 1.19 Giản đồ pha Fe-Al 42

Bảng 1.5 Nhiệt độ và nồng độ tồn tại của các pha theo giản đồ pha Fe-Al 42

Bảng 1.6 Cấu trúc tinh thể và độ cứng các pha FemAln 43

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 49

1 Sơ đồ các bước tiến hành nghiên cứu 49

2 Chuẩn bị mẫu và bề mặt trước khi phun phủ 50

2.1.Vật liệu 50

2.2 Thiết bị chuẩn bị mẫu 50

2.3 Quy trình 51

2.4 Phun phủ 51

2.5 Xử lý nhiệt 53

3 Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt đến cấu trúc và tính chất của lớp phủ 57

3.1 Chụp ảnh tổ chức tế vi của các lớp phủ 57

3.2 Xác định sự phân bố độ cứng giữa các lớp phủ bằng phương pháp đo độ cứng tế vi 58

3.3 Chụp EDS dự đoán các pha sau ủ 59

3.4 Phân tích thành phần hóa học và các pha xuất hiện trong các lớp phủ bằng phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (X-ray) 60

3.5 Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt đến cường độ mài mòn của lớp phủ 61

3.6 Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt đến độ bám dính lớp phủ 62

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 64

1 Ảnh hưởng của chế độ ủ đến tổ chức tế vi và tính chất của lớp phủ kép 64

1.1 Tổ chức tế vi và độ cứng của mẫu sau phun phủ và sau ủ phân cấp ở 5500C giữ nhiệt 2h 65

1.2 Ảnh hưởng của thời gian giữ nhiệt đến tổ chức và tính chất của lớp phủ kép trên thép C45 và CT3 69

2 Phân tích thành phần hóa học của lớp phủ bằng phương pháp EDS 84

3 Nghiên cứu các pha liên kim bằng phương pháp nhiễu xạ Rơnghen 87

4 Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ ủ xử lý nhiệt đến cường độ mài mòn và hệ số ma sát của lớp phủ 91

5 Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ ủ xử lý nhiệt đến độ bám dính của lớp phủ 94

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 97

KẾT LUẬN 97

ĐỀ XUẤT 98

TÀI LIỆU THAM KHẢO 100

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

CVD: Chemical vapor deposition: Lắng đọng hơi hóa học

PVD: Physical vapor deposition: Lắng đọng hơi vật lý

BCC: Body centered cubic: Lập phương tâm khối

FCC: Face centered cubic: Lập phương tâm mặt

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

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

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

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 1.1 Một số tính chất cơ bản của Nhôm 35

Bảng 1.2 Một số tính chất cơ bản của Crôm 36

Bảng 1.3 Một số tính chất cơ bản của Niken 37

Bảng 1.4 Đặc điểm thấm ướt của Ni, Cr lỏng trên nền ôxyt nhôm 39

Bảng 1.5 Nhiệt độ và nồng độ tồn tại của các pha theo giản đồ pha Fe-Al 42

Bảng 1.6 Cấu trúc tinh thể và độ cứng các pha FemAln 43

Bảng 2.1 Thành phần hóa học của mẫu trước khi phun phủ 50

Bảng 2.2 Thành phần hoá học cơ bản của dây Al và dây hợp kim Ni80Cr20 51

Bảng 2.3 Các thông số tối ưu quá trình phun phủ 52

Bảng 2.4 Số lượng mẫu ủ ở các khoảng nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt khác nhau 56 Bảng 3.1: Độ cứng lớp phủ đơn của các mẫu trước khi ủ và sau khi ủ 550oC-2h 67

Bảng 3.2 Độ cứng tế vi của lớp biên giới giữa Al-NiCr và Al-thép đối với mẫu phun phủ nền C45 và CT3 ủ ở 550oC - 2h 68

Bảng 3.3 Độ cứng tế vi của lớp phủ kép trên nền thép C45 sau khi ủ ở 550oC và giữ nhiệt ở các thời gian khác nhau 72

Bảng 3.4 Độ cứng tế vi của lớp phủ kép trên nền thép CT3 sau khi ủ ở 550oC và giữ nhiệt ở các thời gian khác nhau 74

Bảng 3.5: Độ cứng tế vi của lớp phủ kép trên nền thép C45 sau khi ủ ở 600oC và giữ nhiệt ở các thời gian khác nhau 78

Bảng 3.6 Độ cứng tế vi của vùng biên giới giữa Al và NiCr trên lớp phủ kép nền thép CT3 sau khi ủ ở 600oC và giữ nhiệt ở các thời gian khác nhau 80

Bảng 3.7 Thành phần hóa học tại các điểm quét trên biên giới giữa 2 lớp NiCr-Al 85

Bảng 3.8 Các pha và các góc 2θ của vạch nhiễu xạ tương ứng với nó trên mẫu phun phủ nền C45 vùng NiCr-Al 90

Bảng 3.9 Các pha và các góc 2θ của vạch nhiễu xạ tương ứng với nó trên mẫu phun phủ nền C45 vùng NiCr-Al 90

Bảng 3.10 Kết quả đo cường độ mòn và hệ số ma sát 94 Bảng 3.11 Kết quả đo độ bám dính lớp phủ cho các mẫu phủ kép nền C45 95

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Trang

Hình 1.1 Lịch sử phát triển của công nghệ phun phủ 16

Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc lớp phun 18

Hình 1.3 Sơ đồ phun nhiệt khí dùng dây kim loại 19

Hình 1.4 Thiết bị phun khí cháy 20

Hình 1.5 Sơ đồ phun nổ 20

Hình 1.6 Nguyên lý phun HVOF 21

Hình 1.7 Nguyên lý phun phủ hồ quang điện 22

Hình 1.8 Nguyên lý công nghệ phun plasma 23

Hình 1.9 Thiết bị phun plasma hệ kín 24

Hình 1.10 Thiết bị phun phủ hồ quang điện 26

Hình 1.11 Đầu phun hồ quang điện LD/U-2 27

Hình 1.12 Hệ thống điều khiển thiết bị phun phủ hồ quang điện 27

Hình 1.13 Thiết bị làm sạch EDUC-O-MATIC 28

Hình 1.14 Các thông số của thiết bị ảnh hưởng đến quá trình phun bằng phương pháp hồ quang điện 29

Hình 1.15 Cấu trúc lớp phủ 33

Hình 1.16 Mặt cắt ngang của lớp phủ 33

Hình 1.17 Giản đồ pha Ni-Cr 38

Hình 1.18 Sự thay đổi góc thấm ướt của hợp kim NiCr lên bề mặt Nhôm, Hafni và Ytri theo thời gian 40

Hình 1.19 Giản đồ pha Fe-Al 42

Hình 1.20 Hệ số khuếch tán của các chất trong α-Fe 44

Hình 1.21 Hệ số khuếch tán của các chất trong Al 44

Hình 1.22 Giản đồ pha 3 nguyên Cr-Ni-Al-mặt cắt đẳng nhiệt ở 700oC 46

Hình 1.23 Giản đồ pha Al-Cr 47

Hình 1.24 Giản đồ pha Al-Ni 48

Hình 2.1 Sơ đồ các bước nghiên cứu của luận án 49

Hình 2.2 Mẫu trước khi phun 50

Hình 2.3 Phun phủ lên mẫu 53

Hình 2.4 Đo chiều dày lớp phủ sau khi phun 53

Hình 2.5 Sơ đồ ủ mẫu phun phủ 54

Hình 2.6 Mẫu trước khi được xử lý nhiệt 55

Hình 2.7 Chuẩn bị mẫu thí nghiệm 56

Hình 2.8 Kính hiển vi quang học Axiovert 25CA 57

Hình 2.9 Kính hiển vi quang học AXIOPLAN 2 57

Hình 2.10 Máy đo độ cứng tế vi Duramin Struer 58

Hình 2.11 Máy đo độ cứng tế vi 401 MVD 58

Hình 2.12 Thiết bị phân tích phổ tán xạ năng lượng được dùng trên kính hiển vi điện tử quét SEM-GEOL-JAPAN 59

Hình 2.13 Máy phân tích thành phần pha D8 Advance 61

Hình 2.14 Thiết bị đo cường độ mòn và hệ số ma sát 62

Hình 2.15 Thiết bị đo độ bám dính lớp phủ 63

Hình 3.1 Tổ chức tế vi của mẫu phun phủ nền C45 và CT3 trước khi ủ 65

Hình 3.2 Tổ chức tế vi của mẫu phun phủ nền C45 và CT3 sau khi ủ 550oC-2h 65

Hình 3.3 Quy tắc đo độ cứng vùng ranh giới giữa các lớp phủ 67

Hình 3.4 Tổ chức tế vi của mẫu phun phủ nền C45 sau khi ủ 550oC tại các nhiệt độ khác nhau 70

Hình 3.5 Tổ chức tế vi của mẫu phun phủ nền CT3 sau khi ủ 550oC tại các nhiệt độ khác nhau 71

Hình 3.6 Đồ thị thể hiện độ cứng tế vi vùng NiCr-Al trên lớp phủ kép nền C45 sau khi ủ 550oC và thời gian giữ nhiệt khác nhau 73

Hình 3.7 Đồ thị thể hiện độ cứng tế vi vùng Al-Thép trên lớp phủ kép nền C45 sau khi ủ 550oC và thời gian giữ nhiệt khác nhau 73

Hình 3.8 Đồ thị thể hiện độ cứng tế vi vùng NiCr-Al trên lớp phủ kép nền CT3 sau khi ủ 550oC và thời gian giữ nhiệt khác nhau 74

Hình 3.9 Đồ thị thể hiện độ cứng tế vi vùng Al-Thép trên lớp phủ kép nền CT3 sau

khi ủ 550oC và thời gian giữ nhiệt khác nhau 75

Hình 3.10 Tổ chức tế vi của mẫu phun phủ nền C45 sau khi ủ 600oC tại các nhiệt độ khác nhau 76

Hình 3.11 Tổ chức tế vi của mẫu phun phủ nền CT3 sau khi ủ 600oC tại các nhiệt độ khác nhau 77

Hình 3.12 Đồ thị thể hiện độ cứng tế vi vùng NiCr-Al trên lớp phủ kép nền C45 sau khi ủ 600oC và thời gian giữ nhiệt khác nhau 79

Hình 3.13 Đồ thị thể hiện độ cứng tế vi vùng Al-Thép trên lớp phủ kép nền C45 sau khi ủ 600oC và thời gian giữ nhiệt khác nhau 79

Hình 3.14 Đồ thị thể hiện độ cứng tế vi vùng NiCr-Al trên lớp phủ kép nền CT3 sau khi ủ 600oC và thời gian giữ nhiệt khác nhau 80

Hình 3.15 Đồ thị thể hiện độ cứng tế vi vùng Al-Thép trên lớp phủ kép nền CT3 sau khi ủ 600oC và thời gian giữ nhiệt khác nhau 81

Hình 3.16 Tổ chức tế vi của mẫu phun phủ nền C45 sau khi ủ 650oC tại các nhiệt độ khác nhau 82

Hình 3.17 Tổ chức tế vi của mẫu phun phủ nền CT3 sau khi ủ 650oC tại các nhiệt độ khác nhau 83

Hình 3.18 Vị trí các điểm quét phân tích thành phần trên mẫu phủ kép nền CT3 sau khi ủ ở 550oC-8h 85

Hình 3.19 Giản đồ nhiễu xạ tại biên giới NiCr-Al 88

Hình 3.20 Giản đồ nhiễu xạ tại biên giới Al- thép 89

Hình 3.21 Bản vẽ chế tạo mẫu thử ma sát, mài mòn 92

Hình 3.22 Mẫu trước khi ủ(trái) và sau khi thí nghiệm (phải) 92

Hình 3.23 Biểu đồ hệ số ma sát của mẫu chưa ủ 93

Hình 3.24 Biểu đồ hệ số ma sát của mẫu sau ủ 550oC- 10h 93

Hình 3.25 Biểu đồ hệ số ma sát của mẫu sau ủ 600oC – 8h 94

Hình 3.26 Mẫu sau khi gắn dolly bằng keo 2 thành phần 95

LỜI NÓI ĐẦU

Những năm gần đây, cùng với việc phát triển khoa học công nghệ và các ngành kỹ thuật công nghiệp thì việc đòi hỏi nâng cao chất lượng sản phẩm và kéo dài tuổi thọ của các kết cấu chi tiết là không thể thiếu, bên cạnh đó, việc phục hồi các kết cấu, chi tiết máy đã bị sai hỏng hoặc mất chính xác cũng là một biện pháp tích cực để kéo dài tuổi thọ thiết bị, tiết kiệm chi phí so với chế tạo mới, nâng cao hệ

số sử dụng vật liệu

Đối với các loại kết cấu thép làm việc trong các môi trường khắc nghiệt như chịu ăn mòn trong môi trường có hóa chất ở nhiệt độ cao thì yêu cầu được đặt ra là vừa đảm bảo được khả năng chống ăn mòn, có độ bền nhất định và chịu được nhiệt

độ cao Một trong những giải pháp đó là tạo ra một lớp bề mặt có khả năng đáp ứng tốt các điều kiện làm việc theo yêu cầu như: chịu mài mòn, chống ăn mòn, chịu nhiệt trên nền của vật liệu cơ sở Công nghệ phun phủ và xử lý nhiệt là một trong những phương pháp có thể đáp ứng được yêu cầu làm việc của chi tiết trong điều kiện nói trên và cũng có thể đáp ứng tốt các yêu cầu này khi cần phục hồi chi tiết

Trong các công nghệ phun phủ được sử dụng thì phương pháp phun phủ bằng

hồ quang ngày càng được phát triển mở rộng về quy mô, cải thiện về chất lượng, thể hiện được những tính ưu việt so với các phương pháp xử lý bề mặt khác cả về kỹ thuật và kinh tế

Như chúng ta đã biết, các kim loại Cr, Ni, Al có ưu điểm là có khả năng chịu nhiệt, chống ăn mòn, chịu mài mòn và có độ bền khá cao trong nhiều môi trường như nhiệt độ cao, hoá chất, mài mòn và ăn mòn, ngoài ra còn có khả năng bảo vệ chống ăn mòn điện hóa cho thép Nhiều nghiên cứu trên thế giới trong thời gian gần đây về lớp phủ lớp phủ NiCr, lớp phủ kép NiCr và Al (với lớp phủ ngoài cùng là Al) trên thép, mục đích chủ yếu là chống ăn mòn cho thép trong môi trường nước trung tính và nóng đem lại hiệu quả rất cao [24] Tuy nhiên để đáp ứng được các yêu cầu như chịu mài mòn, chống ăn mòn, chịu nhiệt…việc đưa lớp nhôm vào bên trong (tiếp giáp với nền thép) và lớp NiCr bên ngoài, kết hợp với xử lý nhiệt để tạo ra những pha mới nhờ sự khuếch tán giữa các lớp phủ với nhau và lớp phủ với nền, tạo

ra những pha mới có thể làm tăng liên kết, đồng thời có một số các tính chất đáp ứng với yêu cầu mong muốn chưa được nghiên cứu nhiều Đề tài nghiên cứu được triển khai nhằm đi sâu nghiên cứu hướng công nghệ trên Công nghệ xử lý nhiệt sau khi tạo lớp phủ cũng được đề tài nghiên cứu, phát triển và ứng dụng các chi tiết làm việc trong các điều kiện chịu đồng thời ăn mòn, mài mòn và nhiệt độ cao

Xử lý nhiệt sau khi tạo lớp phủ làm giảm độ xốp của lớp phủ, khử bỏ ứng suất, đồng thời ở những nhiệt độ thích hợp sẽ tạo nên sự khuếch tán của nhôm-nền thép, giữa nhôm và NiCr Các pha được tạo thành, tùy theo nhiệt độ và thời gian có thể là dung dịch rắn hay các pha liên kim, chúng làm tăng sự liên kết giữa các lớp phủ, tăng cường khả năng bám dính của lớp phủ với nền thép và lớp phủ với lớp phủ, hơn nữa, các pha tạo thành có thể làm tăng bền, chịu nhiệt

Từ các kết quả nghiên cứu trước, nhận thấy rằng sự khuếch tán tương hỗ giữa các lớp phủ xảy ra với tốc độ rất chậm ở nhiệt độ thấp, vì vậy luận án tập trung

“Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ xử lí nhiệt ở miền nhiệt độ trên 500 o C đến cấu trúc, tính chất của hệ phủ kép hợp kim NiCr và nhôm trên nền thép”

Thông qua quan sát tổ chức tế vi trên kính hiển vi quang học, sự phân bố độ cứng tế

vi ở biên giới giữa các lớp phủ, trong lớp phủ và nền thép, phân tích nhiễu xạ Rơnghen để biết được bản chất của các pha tạo thành và thử khả năng mài mòn của lớp phủ Các kết quả này sẽ cho phép đưa ra những đánh giá về tính chất của lớp phủ tạo thành do kết quả xử lý nhiệt

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1 Khái quát chung

Bản chất quá trình phun phủ là tạo ra một luồng kim loại (hoặc hợp kim) nóng chảy nhờ các nguồn nhiệt khác nhau, dưới áp suất khi phun chuyển động đến

và đập vào lớp kim loại nền Do ảnh hưởng của các biến đổi lý hoá và tương tác giữa kim loại (hợp kim) phun phủ, lớp phủ được hình thành và bám chắc vào lớp nền

Phun phủ kim loại được sử dụng cho các mục đích chính sau:

+ Phục hồi các bề mặt mòn chủa chi tiết máy

+ Tạo lớp bề mặt có cơ tính cao của các chi tiết chế tạo mới

+ Sữa chữa các khuyết tật xuất hiện khi gia công cơ khí

+ Bảo vệ chống gỉ ở môi trường khí quyển và ở các môi trường đặc biệt như: Nhiệt độ, áp suất cao, hóa chất vv…

+ Thay thế kim loại quý giảm giá thành sản phẩm

+ Công nghiệp trang trí

Ý nghĩa rất quan trọng và quyết định cho việc 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…ngày càng khẳng định vai trò quan trọng của công nghệ bề mặt Trong các phương pháp xử lý bề mặt thường sử dụng như: nhiệt luyện, hóa nhiệt luyện, tạo các lớp phủ lên bề mặt: mạ, nhúng, công nghệ CVD, PVD, phun phủ…thì việc tạo

ra lớp phủ trên diện tích lớn, kinh tế, phun phủ dễ dàng đáp ứng Do vậy, phun phủ

ngày càng được phát triển và mở rộng về quy mô, cải thiện về chất lượng và đã trở thành một lĩnh vực chuyên môn riêng

Hình 1.1 Lịch sử phát triển của công nghệ phun phủ

Sự phát triển của phun phủ đã mở rộng cho nhiều lĩnh vực khác nhau như trong lĩnh vực: khí động học, hạt nhân, trong cơ khí để tạo lớp phủ chịu mài mòn, chống ăn mòn, tạo các lớp phủ trong ngành điện, lớp cách nhiệt Đặc biệt, trong những năm qua công nghệ phun phủ plasma đạt được sự tiến bộ vượt bậc nhờ ứng dụng những thành tựu về đo lường các dòng hạt bằng laser Phương pháp này có thể phun các vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao như Vonfram, Molipden, Crôm… Phương pháp này rất có ý nghĩa trong việc tạo lớp phủ trong ngành kỹ thuật tên lửa,

kỹ thuật điện (phủ vật liệu không dẫn điện) và trong gia công các chi tiết chịu nhiệt

độ cao

3 Tình hình ứng dụng phun phủ trên thế giới và Việt Nam

Hiện nay, phun phủ đang được phát triển mạnh ở các nước tiên tiến như: Anh, Pháp, Đức, Mỹ, Nhật, Nga, Thụy Điển… với các dây chuyền công suất cao,

có thể lên tới khoảng một tấn vật liệu phun trong một ngày Tại các nước có công nghệ khoa học phát triển đều thành lập các viện, trung tâm hay hiệp hội để nghiên cứu và ứng dụng công nghệ phun phủ, chẳng hạn: 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 tổ chức các cuộc hội thảo báo cáo quốc tế về phun phủ Các hiệp hội đều có các tạp chí riêng và xây dựng tiêu chuẩn cho lĩnh vực này

Ở Việt nam công nghệ phun phủ kim loại cũng đã được sử dụng và đã đem lại hiệu quả nhất định Công nghệ phun phủ hiện nay đang được rất nhiều công ty quan tâm và đầu tư nghiên cứu Đặc biệt phải kể đến sự quan tâm nghiên cứu của các phòng thí nghiệm ở các trường đại học lớn trong cả nước nhằm mục tiêu đưa công nghệ này vào sản xuất đáp ứng nhu cầu thực tế

4 Cơ sở lý thuyết công nghệ phun phủ kim loại

Có nhiều ý kiến khác nhau về sự hình thành lớp phủ kim loại, nhưng nổi bật nhất là các quan điểm sau:

- Lý thuyết của Pospisil – Sehyl

- Lý thuyết của Schoop

- Lý thuyết của Karg, Katsch, Reininger

- Lý thuyết của Schenk

4.1 Cơ chế hình thành lớp phủ kim loại

Động lực để hình thành lớp phủ kim loại là nhiệt lượng và nhiệt động năng của các hạt kim loại phun Chất lượng lớp phủ phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó quan trọng là nguồn năng lượng phun và cả trạng thái làm sạch bề mặt cần phun của kim loại nền Các hiện tượng tác động tương hỗ lẫn nhau về cơ - lý - hoá tính khi hình thành lớp phủ kim loại như sau :

• Quá trình hoạt hoá nhiệt xảy ra trên bề mặt phun phủ:

Quá trình hình thành liên kết giữa các hạt phun với nền, như là một phản ứng hoá học trên mặt phân cách các pha tham dự vào mối liên kết vật lý do các hạt bị biến dạng và bị dàn mỏng ra

• Nhiệt độ tiếp xúc tại vùng va đập khi phun:

Một trong những thông số chủ yếu để đánh giá tương tác hoá học của các vật liệu khi tiếp xúc là nhiệt độ tiếp xúc giữa hạt nóng chảy (lỏng) và nền cứng

• Hiện tượng va đập của các hạt kim loại phun :

Do ảnh hưởng của lực quán tính, hạt hình cầu chuyển động với vận tốc lớn khi va đập sẽ bị chảy dàn ra trên bề mặt nền

4.2 Đặc trưng sự hình thành và cấu trúc lớp phủ trên kim loại nền

Lớp phủ là loại vật liệu có cấu trúc lớp được tạo bởi các hạt phun bị biến dạng mạnh, và gắn kết với nhau trên các vùng hàn bề mặt kiểu tiếp xúc Trong lớp phủ có thể phân biệt những vùng cấu tạo phản ánh các quá trình hình thành nên chúng và được phân cách bởi các biên của vùng Biên giới phân cách lớp phủ và kim loại nền, sẽ quyết định độ bám dính, hay cũng chính là độ bền liên kết giữa chúng

Các điều kiện hình thành biên liên kết giữa các lớp và giữa các hạt được xác định bởi khoảng thời gian chúng tồn tại trong khí quyển Cấu trúc và tính chất của lớp phủ còn phụ thuộc vào thành phần cỡ hạt bột phun

Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc lớp phun

4.3 Các phương pháp phun kim loại

Dựa vào nguồn nhiệt lượng làm nóng chảy kim loại phun, các thiết bị phun hiện tại có thể chia làm hai nhóm chính: nhiệt khí và điện năng

4.3.1 Phương pháp phun phủ nhiệt khí

Phương pháp phun phủ nhiệt khí có ứng dụng rộng rãi phương pháp này sử dụng nhiệt năng ngọn lửa cháy làm nóng chảy các các vật liệu phủ

a) Phun khí cháy

Hình 1.3 Sơ đồ phun nhiệt khí dùng dây kim loại

Hỗn hợp khí (khí cháy và oxy) được dẫn qua miệng phun, tại đầu miệng phun hỗn hợp khí này được đốt cháy tạo nên ngọn lửa khí có nhiệt năng cao Dây phun được dịch chuyển bằng cặp con lăn cấp dây, nếu dùng bột phun có thể được dẫn qua miệng phun hoặc cấp trực tiếp vào ngọn lửa từ đầu miệng phun Vật liệu phun qua miệng phun đến gặp ngọn lửa khí, tại đây ngọn lửa có nhiệt độ cao làm nóng chảy vật liệu Vật liệu liên tục được cấp với vận tốc phù hợp với quá trình phun (hình 1.3)

– Ưu điểm: Chi phí trang thiết bị thấp, hệ thống đơn giản

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

độ nóng chảy cao, chất lượng lớp phủ không cao và hệ số hiệu dụng vật liệu thấp khi dùng các vật liệu bột

Hình 1,4 là hệ thống thiết bị phun khí cháy

Hình 1.4 Thiết bị phun khí cháy

b) Phun nổ

Trong buồng cháy một lượng hỗn hợp khí (khí cháy và oxy) sẽ được nạp qua

hệ thống nạp Nhờ tác động của bộ phận phóng điện (buji), hỗn hợp khí sẽ cháy, kết quả là xuất hiện sóng nhiệt và sóng nổ Trong kênh sóng nổ lan truyền gây ra sự cháy của hỗn hợp khí, đồng thời với sự nổ là việc cấp vật liệu phủ (dạng bột) vào buồng nổ, tại đây dòng phần tử phun được tạo ra Việc cung cấp bột có thể theo chiều trục và cũng có thể theo hướng kính Sau mỗi chu kỳ nổ, nitơ sẽ được cấp vào buồng phun để thổi sạch buồng phun Xung quanh đầu phun có hệ thống tuần hoàn nước làm mát bảo vệ đầu phun Quá trình này được lặp đi lặp lại (Hình 1.5)

Hình 1.5 Sơ đồ phun nổ a) Vật liệu dây b) Vật liệu bột

– Ưu điểm: Tạo ra lớp phủ có độ bền cao Năng suất tương đối cao Dùng được nhiều loại bột kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao

– Nhược điểm: Đọng bụi ở phần dưới của đầu phun, tiếng ồn lớn Khó dùng bột kim loại có khối lượng riêng nhỏ.Không phủ được bề mặt lỗ nhỏ Sản phẩm nổ (CO2, CO, H2O, H2, O2, H2, H, O, N) dễ phản ứng với vật liệu phủ làm xấu tính chất của lớp phủ Dễ gây biến dạng hoặc phá hủy chi tiết, nhất là trường hợp chi tiết không đủ cứng vững

c) Phun HVOF (High Velocity Oxygen Fuel)

Một trong những dạng đặc biệt thuộc nhóm này là phương pháp phun HVOF

Hình 1.6 Nguyên lý phun HVOF

Khí cháy (propane, propylene hoặc hydrogen) và oxy với áp suất cao được cấp vào buồng cháy trong đầu phun Đầu phun được thiết kế sao cho dòng năng lượng thoát ra có vận tốc cao nhất (trên 1800m/s) Với vận tốc này cho phép tạo lớp phủ khi hạt phun không cần đạt đến trạng thái nóng chảy hoàn toàn Vì vậy, công nghệ này rất thích hợp khi phun vật liệu cacbit, gốm, kim loại cho chất lượng cao Vật liệu phủ (nếu là dạng bột) được cấp vào buồng đốt có thể theo chiều trục và cũng có thể theo hướng kính (Hình 1.6) Vật liệu phun cũng có thể là dạng dây

– Ưu điểm: Lớp phủ xít chặt, hầu như không còn lỗ xốp vàđộ bám dính cao Ứng suất dư thấp Tạo được lớp phủ dầy hơn các phương pháp khác

– Nhược điểm: Dễ gây biến dạng hoặc phá hủy chi tiết

4.3.2 Các phương pháp phun điện

a) Phun bằng hồ quang điện

Nguyên lý: hồ quang được tạo ra bởi 2 dây kim loại (hay hợp kim) dịch chuyểnbằng cặp con lăn cấp dây qua ống dẫn dây đến tiếp xúc với nhau (hình 1.7) Các dây kim loại được nối với hai điện cực khác nhau bằng ống tiếp điện, khi tiếp xúc nhau sẽ gây ngọn lửa hồ quang có nhiệt độ cao làm nóng chảy đầu dây kim loại Dây kim loại liên tục được cấp bởi cặp con lăn quay với vận tốc phù hợp với quá trình phun

Hình 1.7 Nguyên lý phun phủ hồ quang điện

– Ưu điểm: Năng suất phun cao, có thể đạt tới 120kg/h Hệ số hiệu dụng năng lượng và hệ số sử dụng vật liệu phủ cao (0,6 ÷ 0,85) Chất lượng lớp phủ khá tốt, độ bám dính cao

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

b) Phun bằng plasma

– Cơ chế hình thành plasma: Ban đầu một số electron phát ra từ vùng hẹp nóng chảy trên miệng ống catode Các electron vừa hình thành được gia tốc trong điện trường, ion hoá tiếp các phần tử khí tạo thành plasma trải rộng dần trên bề mặt catod

– Cơ chế phát triển: Khí plasma chuyển động tới vùng anode (đang có hiện tượng phóng điện) sẽ xuất hiện hồ quang điện, hồ quang này là hồ quang sơ cấp

Dưới tác dụng của hồ quang điện, một số nguyên tử khí và một số nguyên tử kim loại bị ion hoá tạo thành plasma

Hình 1.8 Nguyên lý công nghệ phun plasma

Một số điện tử bị giữ lại ở anode và hỗn hợp plasma tiếp tục chuyển động, vì

bị mất một số electron nên plasma trở nên giàu ion dương và do vậy lớp phủ sẽ trở thành anode thứ cấp Hồ quang sinh ra giữa catode thứ cấp và anode thứ cấp gọi là

hồ quang thứ cấp Nhờ có hồ quang thứ cấp mà ngọn lửa plasma kéo dài ra, có tác dụng vừa nung nóng bột vừa nung nóng chi tiết do đó quá trình xảy ra nhanh, chất lượng lớp phủ tốt (hình 1.8)

– Ưu điểm: Năng suất, chất lượng lớp phủ cao Có thể sử dụng các vật liệu phủ với thành phần đa dạng và có nhiệt độ nóng chảy khác nhau

– Nhược điểm: Hệ số hiệu dụng năng lượng thấp Lớp phủ còn tồn tại độ xốp Tiếng ồn lớn

Các thiết bị dùng trong phương pháp phun phủ plasma được mô tả theo hình 1.9

Hình 1.9 Thiết bị phun plasma hệ kín

4.4 Một số vật liệu phun phủ thông dụng đang được sử dụng trên thế giới

Theo tài liệu của hãng PRAXAIR (Mỹ), các vật liệu phun phủ xử lý bề mặt kim loại được chia thành 04 nhóm theo lĩnh vực ứng dụng của các chi tiết máy và phương pháp phun phủ sau đây:

1) Nhóm I: Bột kim loại đơn kim hoặc tổ hợp kim loại nhiều lớp gồm các loại vật

liệu như:

- Bột trên cơ sở nhôm (Al);

- Bột trên cơ sở côban (Co);

- Bột trên cơ sở đồng (Cu);

- Bột trên cơ sở sắt (Fe);

- Bột trên cơ sở molípđen (Mo);

- Bột trên cơ sở niken (Ni)

2) Nhóm II: bột hợp kim dạng MCrAlY gồm hai nhóm vật liệu chính gồm:

- Bột hợp kim trên cơ sở côban (Co);

- Bột hợp kim trên cơ sở côban (Ni)

3) Nhóm III: Bột gốm gồm:

- Bột trên cơ sở ôxyt nhôm;

- Bột trên cơ sở ôxyt crôm;

- Bột trên cơ sở ôxyt zirconi

4) Nhóm IV: Bột cácbít

- Bột trên cơ sở cácbít crôm;

- Bột trên cơ sở cácbít vonfram

Tuỳ thuộc vào mục đích chế tạo mới hay phục hồi các lớp phủ bề mặt trên chi tiết máy mà người ta sử dụng các phương pháp phun phủ thích hợp, bao gồm thiết bị và vật liệu phủ tương ứng

4.5 Ưu điểm và nhược điểm của công nghệ phun phủ

3) Thiết bị phun tương đối đơn giản và gọn

4) Bằng cách lựa chọn thành phần từng lớp phun và tổ hợp các lớp phun có thể tạo ra vật liệu có những tính năng đặc biệt khác hẳn với các vật liệu truyền thống

5) Có thể dùng phương pháp phun để chế tạo chi tiết có hình dáng khác nhau

6) Công nghệ phun cho năng suất khá cao và thao tác không phức tạp

4.5.2 Nhược điểm

1) Khi tạo lớp phun trên bề mặt những chi tiết có kích thước lớn thì quá trình này kém hiệu quả do tổn hao vật liệu phun và vì thế không kinh tế

2) Ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng điều kiện làm việc của công nhân

3) Quá trình phun cũng tạo ra những hợp chất độc trong không khí do sản phẩm cháy tạo thành, có hại cho sức khoẻ

5 Phương pháp phun phủ bằng hồ quang điện

Trong thực tế phương pháp phun phủ bằng hồ quang điện được lựa chọn và sử dụng rộng rãi vì những đặc tính ưu việt của phương pháp như thực hiện trên nhiều chi tiết

có hình dạng và bề mặt khác nhau, dễ dàng điều chỉnh chiều dày lớp phủ theo ý

muốn và giá thành rẻ hơn so với công nghệ phun phủ plasma, mặt khác thiết bị phun phủ tính cơ động cao, dễ điều khiển Với những lý do đó, trong phạm vi luận

án, tôi nghiên cứu phương pháp phun bằng hồ quang điện

Hình 1.10 Thiết bị phun phủ hồ quang điện

Thiết bị dùng để tạo mẫu nghiên cứu trong luận văn có sơ đồ như hình 1.10 5.1 Thiết bị dùng để phun phủ

a) Thiết bị phun phủ hồ quang điện OSU-Hessler 300A (Đức)

Thiết bị phun phủ hồ quang điện OSU-Hessler 300A (hình 1.10) gồm có 3 bộ phận chính là đầu phun LD/U-2, hệ thống nguồn điện và tủ điều khiển

• Đầu phun hồ quang điện LD/U-2 9 (hình 1.11) gồm hai bộ phận chính:

- Bộ phận tạo hồ quang điện và phun khí nén

- Bộ phận kéo - dẫn dây

• Hệ thống điều khiển (hình 1.12) bao gồm các bộ phận:

- Hệ thống các công tắc điều khiển, các đèn báo hiệu và hệ thống đo lường điện (dòng điện, hiệu điện thế ở các mức thô và tinh chỉnh), các đầu nối vào

ra của khí, điện

- Máy hàn một chiều

- Hệ thống đóng cắt nguồn hàn và chỉnh lưu nguồn điện

Hình 1.11 Đầu phun hồ quang điện LD/U-2

(a) (b) (c) Hình 1.12 Hệ thống điều khiển thiết bị phun phủ hồ quang điện

Kéo dây (a), nguồn điện (b) và tủ điều khiển (c)

b) Máy nén khí trục vít BOGE S29

Đầu nén khí vận hành theo nguyên lý dịch chuyển Trong buồng nén, các

trục vít chính và trục vít phụ được dẫn động bởi motor chính và dây đai Cả hai trục

vít đều có dạng xoắn nghiêng, liên kết mắt lưới không tiếp xúc với nhau Cùng với

các vách ngăn, các trục vít này tạo thành buồng với kích thước giảm dần, có thể

nhìn thấy ở phía dòng khí Các rotor chuyển động làm khí được nén đến áp lực cuối

trong buồng nén Trong quá trình nén, dầu được phun vào đầu nén một cách liên tục

để làm lạnh, làm kín và bôi trơn trục vít

c) Máy làm khô khí nén D17-D275

Khí nén sẽ lạnh hơn sau khi đi qua hệ thống làm lạnh của máy làm khô khí nén Khi đi qua tầng làm lạnh đầu tiên, khí nén chuyển sang lạnh mà không phát sinh năng lượng Hơi nước ngưng tụ lại và sẵn sàng thoát ra ngoài theo một quy trình Khí nén sẽ lạnh hơn sau khi đi qua tầng lạnh thứ hai, hơi nước sẽ ngưng tụ nhiều hơn theo yêu cầu của hệ thống lắp đặt Khí làm mát sẽ nóng lên và thoát ra ngoài Nhiệt độ của điểm sương đông lạnh được thông báo trên đồng hồ đo nhiệt

độ

d) Thiết bị làm sạch EDUC– O–MATIC

Thiết bị này có cấu tạo đặc biệt, nó không có các bộ phận chuyển động và được nối với nguồn khí nén thông qua một đầu nối rất dễ dàng tháo lắp để đưa vào hoạt động

Khi làm việc, EDUC–O–MATIC tạo ra tác dụng kép, vừa thổi sạch đống thời tạo nhám rất kỹ bề mặt và tách các bụi gỉ và hạt mài dựa theo nguyên tắc hút chân không Hạt mài sau khi tách ra lại được đưa quay trở lại sử dụng tạo nên chu

kỳ khép kín, tính chất này cho phép ta giảm được đáng kể chi phí sử dụng Thiết bị này rất cơ động, đầu phun dạng xoay nên ta có thể phun theo tất cả mọi hướng và

nó có thể làm việc trong các không gian chật hẹp Đầu phun được tiếp nối bởi các đầu chụp cao su Do các đầu chụp này được thiết kế với các hình dạng khác nhau nên thiết bị có thể dễ dàng xử lý các bề mặt phẳng, mặt cong hình trụ và các góc cạnh…(hình 1.13)

Hình 1.13 Thiết bị làm sạch EDUC-O-MATIC

1 Đầu phun; 2 Tay cầm; 3.Ống hút bụi; 4 Bình chứa cát

1

3 2

4

5.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình phun phủ bằng hồ quang điện

b) Chế độ hoạt độngcủa thiết bị

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

+ Công suất riêng của đầu phun Nd = (2.000 ÷ 10.000)KJ/kg Nếu tăng Nd sẽ dẫn đến thất thoát nhiều phân tử kim loại do bị quá nhiệt, song chất lượng lớp phủ

sẽ tốt hơn Thường dùng thiết bị phun có công suất P = (5 ÷ 20)kW, dòng điện I = (80 ÷ 600)A, điện áp U = (18 ÷ 35)V

+ Áp suất, lượng tiêu hao khí cũng như các tính chất của khí thổi ảnh hưởng trực tiếp đến các chỉ tiêu của quá trình Việc tăng áp suất dẫn đến tăng tốc độ phun,

d

l k

ω

tăng lượng tiêu hao khí thổi Chọn áp suất dòng khí trong khoảng (0,35 ÷ 0,55)MPa, tiêu hao khí (16 ÷ 150)m3/h

c) Dây và tốc độ cấp dây

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

d) Điều kiện ngoại vi

+ Góc phun được chọn trong khoảng (650÷ 900)

+ Khoảng cách phun L = (100 ÷ 300)mm

+ Tốc độ di chuyển đầu phun (20 ÷ 50)m/ph

6 Lớp phủ kép Ni-Cr và Al

6.1 Sự hình thành và cấu trúc lớp phủ kim loại

6.1.1 Sự chảy và phân tán của kim loại phun

Khi phun, kim loại bị nung nóng tới nhiệt độ cao hơn nhiệt độ chảy của chúng tạo thành giọt kim loại lỏng Giữa kim loại lỏng và môi trường khí có xảy ra

sự tương tác với nhau, tùy thuộc vào nội năng của hạt kim loại lỏng, nhiệt độ của kim loại phun, hệ số dẫn nhiệt, có thể xảy ra sự đốt cháy một số thành phần hoá học trong kim loại lỏng, do vậy kim loại phun thay đổi thành phần hóa học của nó Sau khi chảy lỏng, dưới tác dụng của dòng không khí nén với áp lực lớn, giọt kim loại sẽ bị phân tách thành rất nhiều hạt nhỏ, những hạt này sẽ tạo nên những tia phun kim loại với động năng lớn, bay tới bề mặt vật liệu phun, quá trình xảy ra rất nhanh, sự phân tán chỉ kéo dài khoảng 1/10.000 đến 1/100.000 giây Trong quá trình bay của hạt chủ yếu chỉ xảy ra sự oxy hoá, do vậy, các phần tử phun kim loại

bị bao bọc bằng một lớp oxýt, lớp này sẽ lớn lên theo khoảng cách bay Các oxyt này có thể chia làm hai loại:

- Loại lỏng bao xung quanh hạt và hạt có dạng hình cầu

- Loại đặc bị đông đặc rất nhanh và làm tạo nên hạt có dạng đa cạnh

Ngoài ra các phần tử còn bị ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố, do vậy, khi phun kim loại cần phải tính đến các vấn đề:

- Các hạt kim loại tách ra ở trạng thái lỏng hay trạng thái đã đặc sệt

- Các phần tử phun luôn bị thay đổi tốc độ bay trong trường gia tốc

- Các hạt luôn phản ứng với môi trường xung quanh chứa oxy, nitơ, hơi nước

và các thành phần hoá học khác

- Khả năng hoà tan của khí phụ thuộc vào nhiệt độ cũng như tới áp lực riêng của khí

6.1.2 Sự hình thành lớp phủ bằng kim loại

Quá trình tạo thành lớp phủ bằng phun kim loại tương đối phức tạp Trên cơ

sở những kết quả của nhiều thí nghiệm và tính toán, xác định rằng: các phần tử kim loại trong thời điểm va đập lên bề mặt cần phun ở trạng thái lỏng và bị biến dạng rất lớn

Để hiểu sự hình thành lớp phủ cần phải chú ý các hiện tượng va đập xảy ra khi các phần tử phủ lên bề mặt kim loại cần được phủ (vật liệu nền):

- Động năng của các giọt kim loại va đập lên bề mặt phun gây ra biến dạng rất nhanh, mạnh Năng lượng động năng này được xác định bằng tốc độ của các phần tử và khối lượng của chúng

EK = 1,2 mV2 Trong đó: Ek : năng lượng động năng của giọt kim loại;

m: khối lượng của giọt kim loại ;

V: vận tốc giọt kim loại trước khi va chạm với bề mặt phun Bởi vậy các phần tử có độ lớn, tốc độ khác nhau sẽ có động năng khác nhau

- Khả năng biến dạng của các phần tử liên quan đến lớp vỏ ôxyt trên các phần tử và ảnh hưởng rất lớn đến tính chất này Trong thời điểm va đập lớp ôxyt ở trạng thái lỏng Do đó các phần tử không thể giữ nguyên hình dạng trong quá trình

va đập Sự biến dạng của các phần tử lỏng có thay đổi phụ thuộc vào trạng thái lớp

vỏ ôxyt này

Khả năng biến dạng của các phần tử kim loại với lớp màng bọc ôxyt ở trạng thái lỏng lại phụ thuộc vào sự biến dạng của các phần tử trước nó, quá trình này không kết thúc tại đây mà tiếp tục biến dạng do sự tác dụng của các phần tử sau,

giống như sự tác dụng của rèn Sự biến dạng của các phần tử xảy ra rất nhanh Bởi vậy khi các phần tử sau va đập lên các phần tử trước thì các phần tử trước hãy còn ở trạng thái lỏng hoặc trạng thái sệt, giữa chúng dễ dàng xảy ra sự liên kết kim loại với nhau

6.2 Cấu trúc lớp phủ kim loại

Lớp phủ bằng phun kim loại nói chung có tính chất và thành phần khác hẳn với vật liệu ban đầu Lớp kim loại phủ có tính chất của các cấu trúc bị làm lạnh đột ngột (nguội nhanh) Ngoài ra, trong lớp phủ còn chứa các phần tử nhỏ không biến dạng, những phần tử này khi va đập lên bề mặt nền đã ngay lập tức hóa rắn

Lớp phun kim loại trên bề mặt thép (hoặc gang) bị làm nguội rất nhanh với tốc độ nguội lớn, nên trong cấu trúc, ngoài dung dịch rắn Fe - C còn có dung dịch của Fe - O, do vậy khi đông đặc sẽ xuất hiện trong mạng những trung tâm lệch mạng, những trung tâm này có ảnh hưởng đến độ bám của lớp phủ

Trong lớp phủ thép có thể có hai loại ôxyt, một loại ôxyt được hình thành riêng biệt làm xấu tính chất cơ học của lớp phủ, một loại khác bao bọc xung quanh các phần tử kim loại biến dạng đóng nhiệm vụ liên kết các phần tử kim loại Bên trong lớp phủ có một lượng khá lớn các lỗ xốp được hình thành do sự liên kết không chặt chẽ của các phần tử kim loại khi biến dạng Các lỗ xốp có lợi khi lớp phủ làm việc trong điều kiện bôi trơn do làm giảm hệ số ma sát

Hình 1.15 và Hình 1.16 là cấu trúc lớp phủ kim loại trong quá trình phun và mặt cắt ngang của lớp phủ

Xét về thành phần hoá học (các nguyên tố kim loại), thành phần lớp phủ thường thay đổi đi so với kim loại ban đầu

Hình 1.15 Cấu trúc lớp phủ

Khi lớp phủ gồm nhiều lớp Biên giới giữa các lớp hình thành do khoảng thời gian khác nhau giữa các lần phun Sau mỗi lần phun, bề mặt rất nhanh bị nhiễm bẩn, bị oxy hóa, do vậy quá trình tiếp xúc giữa các hạt trở nên khó hơn và xuất hiện biên giới giữa các lớp phun Biên giới phân chia giữa lớp phủ và nền kim loại xác định độ bám dính giữa chúng Tính chất của lớp phủ thể hiện bằng

độ kết dính giữa các phần tử hạt

Hình 1.16 Mặt cắt ngang của lớp phủ

Cấu trúc lớp xuất hiện sau mỗi lần phun lại không đồng nhất, được xác định bởi sự khác nhau về kích thước, nhiệt độ và vận tốc các hạt kim loại nằm ở phần rìa và vùng trung tâm dòng phun và khí phun Chiều dày lớp dao động rất nhiều và phụ thuộc vào công nghệ tiến hành (tay nghề của người phun) Thông thuờng, lớp phun có chiều dày (10÷100)µm Do lớp phủ hình thành trong không

khí, do vậy các lỗ rỗng trong lớp phủ bị lấp đầy khí, làm xấu đi các tính chất tiếp xúc, đặc biệt là giữa các lớp có khả năng bão hòa khí lớn nhất

Cấu trúc và tính chất lớp phủ phụ thuộc vào thành phần kích thước bột phun Giảm kích thước hạt bột làm cho lớp phủ được điền đầy tốt hơn, tỷ trọng

sẽ cao hơn, giảm thể tích các lỗ xốp, cấu trúc lớp phủ sẽ đều hơn Tuy nhiên các hạt bé quá (kích thước nhỏ hơn 10µm) sẽ gây khó khăn khi vận chuyển và dẫn vào đầu phun Các hạt nhỏ thường bị vón cục do dễ hút nước và xuất hiện lực hút phân tử Chúng dễ bị bay hơi ở nhiệt độ cao Các hạt nhỏ khi bay trong không khí tỷ trọng cao hay bị mất vận tốc, chệch khỏi quỹ đạo bay và không tới được bề mặt kim loại nền Do đó khi phun bột kích thước được chọn vào khoảng (40 ÷ 70)µm Khi phun trong chân không, có thể dùng bột nhỏ hơn

Tóm lại, cấu trúc và tính chất lớp phủ phụ thuộc vào các tương tác diễn ra giữa hạt kim loại với dòng khí nhiệt độ cao (dòng 2 pha) và quá trình hình thành lớp phủ trên bề mặt kim loại nền Các yếu tố chính xác định cấu trúc và tính chất lớp phủ bao gồm:

- Tác dụng của vật liệu phủ với môi trường xung quanh trong thời gian phun

- Sự kết tinh rất nhanh và sự biến dạng các hạt phun

- Tính chất tiếp xúc giữa các hạt phun trong lớp phủ

6.3 Lớp phủ nhôm (Al)

6.3.1 Sơ lược về kim loại nhôm

Nhôm là kim loại yếu nhóm IIIA, có tính chất mềm, nhẹ, trên bề mặt luôn có một lớp mỏng ôxi hóa tạo thành rất nhanh khi nó tiếp xúc với không khí Tỷ trọng riêng của nhôm chỉ khoảng một phần ba sắt hay đồng; nó có khả năng chống ăn mòn trong một số môi trường có hoạt tính yếu do lớp ôxyt bảo vệ có tính lưỡng tính Nhôm có cấu tạo mạng lập phương tâm mặt do vậy dễ biến dạng dẻo, có khả năng dẫn điện và nhiệt tốt Bảng 1.1 trình bầy một số tính chất cơ bản của nhôm

Bảng 1.1 Một số tính chất cơ bản của Nhôm

Nguyên tử khối 26,982

Khối lượng riêng (g/cm 3 ) 2,7

Kiểu mạng tinh thể Lập phương tâm mặt

nó có tính năng hoạt động của anode hy sinh tan dần ra để bảo vệ nền sắt thép, làm giảm tốc độ ăn mòn Vì vậy, nhôm bảo vệ thép ngay cả khi nền thép bị hở trong trường hợp lớp phủ có khuyết tật Ngoài ra, nhôm còn có đặc tính chống mài mòn tốt

Lớp phủ nhôm khi được xử lý nhiệt ở 500 ÷ 9500C có khả năng khuếch tán vào thép tạo hợp chất trung gian giữa sắt và nhôm như Fe2Al; Fe3Al… làm tăng độ bền, độ cứng và khả năng liên kết của lớp phủ nhôm với nền thép

Do có độ xốp tương đối lớn nên chiều dày lớp phun phủ là yếu tố cần quan tâm khi tính toán tuổi thọ làm việc của lớp phủ Cũng cần lưu ý đến hiện tượng ăn mòn điểm (pitting) có thể xảy ra trên bề mặt nhôm

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

6.4 Lớp phủ Ni-Cr

6.4.1 Crôm (Cr)

Crôm là kim loại chuyển tiếp nhóm VIB Bảng 1.2 trình bày một số tính chất

cơ bản của crôm

Bảng 1.2 Một số tính chất cơ bản của Crôm

Nguyên tử lượng 51,996

Khối lượng riêng (g/cm 3 ) 7,19

Kiểu mạng tinh thể Lập phương tâm khối

Chu kỳ mạng (a 0 ) 2,884

Nhiệt độ nóng chảy ( o C) 1875 Crôm là kim loại cứng, có nhiệt độ nóng chảy cao Đặc điểm rất đáng chú ý của Crôm là ở nhiệt độ khoảng 370C nhiều tính chất vật lý của nó thay đổi đột ngột:

hệ số ma sát của Crôm đạt giá trị lớn nhất, còn môđun đàn hồi thì tụt xuống mức nhỏ nhất Độ dẫn điện, hệ số giãn dài, sức nhiệt điện động cũng thay đổi đột ngột Crôm với độ sạch bình thường thì rất giòn nhưng khi ủ, độ dẻo của Crôm rất cao (ψ = 40%) Nhiệt độ biến giòn của Crôm khá cao (Crôm kỹ thuật có nhiệt độ biến giòn khoảng 50 ÷ 2500C) và phụ thuộc rất mạnh vào lượng tạp chất Các nguyên tố tạp chất gây ảnh hưởng mạnh đến tính chất của Crôm là N, O, H và C Trong số các tạp chất xen kẽ này, N là nguyên tố có hại nhất; hàm lượng cho phép của nó trong Crôm là 0,002 ÷ 0,003%

Đặc tính quan trọng nhất của Crôm là tính ổn định hoá học cao, chống lại sự oxy hóa trong không khí và không tương tác với các axit Trong nhiều môi trường axit, Crôm có khả năng tạo màng thụ động hoá và trở nên rất ổn định Tính ổn định nhiệt của Crôm rất cao, ở 12000C Cr thể hiện ổn định hơn cả W, Mo, Nb, Ta Crôm tác dụng với cacbon tạo ra các loại cacbit: (Fe, Cr)3C, Cr23C6, Cr7C3 và Cr2C3 Khi cacbit tồn tại ở dạng mạng phân bố theo biên giới hạt sẽ làm hợp kim nhạy cảm với phá huỷ giòn

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

Khối lượng riêng (g/cm 3 ) 8,907

Kiểu mạng tinh thể Lập phương tâm mặt

Chu kỳ mạng (a 0 ) 4,08

Nhiệt độ nóng chảy ( 0 C) 1455 Niken là kim loại màu trắng bạc, có cơ tính cao σb = 400 ÷ 500MPa, δ = 50%, có khả năng bề ăn mòn cao So với các kim loại khác, niken có khả năng ổn định chống ăn mòn trong khí quyển cao hơn cả Dưới tác dụng của không khí ẩm,

bề mặt niken bị mờ do tạo ra lớp ôxyt mỏng có tính bảo vệ tốt Tốc độ ăn mòn của rất chậm, khoảng 0,003mm/năm trong nước ngọt và 0,13 ÷ 0,61mm/năm trong nước biển Các dung dịch muối, kiềm hoặc axit hữu cơ hầu như không gây ăn mòn niken, tuy nhiên Ni tỏ ra kém bền trong một số axit mạnh (HCl, HNO3, H2SO4…)

Tính chất của niken phụ thuộc nhiều vào thành phần các tạp chất trong nó

Hình 1.17 Giản đồ pha Ni-Cr

Hợp kim Ni-Cr được kết hợp được các ưu điểm của Crôm và Niken là khả năng chịu nhiệt, chống ăn mòn, chịu mài mòn và có độ bền khá cao trong nhiều môi trường hoá chất Thành phần hợp kim có ảnh hưởng đến khả năng chống oxy hoá ăn mòn và mài mòn Nếu hợp kim có thành phần Cr < 7% sẽ làm giảm khả năng chống oxy hoá khi đó tỷ lệ khuếch tán của oxy vào trong hợp kim này sẽ tăng lên Hàm lượng Cr từ 7 ÷ 30%, thì tỷ lệ khuếch tán oxy vào hợp kim giảm Lượng Cr khoảng 20% được cho là tối ưu nhất Lớp phủ Ni-Cr đang ngày càng được ứng dụng nhiều trong chế tạo và phục hồi chi tiết máy

vào thêm lớp phủ nhôm có chiều dày từ 50 ÷ 200µm làm lớp trung gian Lớp phủ nhôm vừa có tác dụng như một rào cản chống lại sự xâm nhập của các tác nhân ăn mòn, đồng thời nó lại có tính năng hoạt động của anod hy sinh tan dần ra để bảo vệ nền thép Như vậy, tổ hợp lớp phủ hợp kim 80Ni20Cr bên trên và lớp phủ nhôm bên dưới có khả năng kết hợp hai hiệu ứng bảo vệ trên, cùng góp phần nâng cao tuổi thọ của các kết cấu thép nền

Tổ hợp lớp phủ kép nhôm và 80Ni20Cr trên nền thép cacbon (C45 và CT3) được chế tạo bằng công nghệ phun phủ hồ quang điện theo các bước sau:

- Trước khi phun phủ, bề mặt chi tiết được tạo nhám thích hợp nhằm tăng độ bám dính của kim loại phủ

- Lớp phủ nhôm được phun trước sau đó gia công khống chế chiều dày lớp Al rồi tiếp tục phủ 80Ni20Cr

Do quá trình phun phủ được thực hiện ngoài không khí nên trên bề mặt lớp phủ nhôm tồn tại một lớp màng ôxyt Al2O3 xít chặt Để biết được sự bám dính của lớp phủ chúng ta dựa vào góc thấm ướt và năng lượng bám dính

Khả năng bám dính của Ni, Cr nguyên chất với lớp Al2O3 được thể hiện qua bảng 1.4

Bảng 1.4 Đặc điểm thấm ướt của Ni, Cr lỏng trên nền ôxyt nhôm

W (N/cm 2 )

K = W/σ Hình thái bề mặt

Ni 130 1750 600 0,34

Cr 65 1600 2200 1,42

Bảng trên cho thấy khả năng bám dính của Ni và Cr nguyên chất lên bề mặt ôxyt nhôm Với góc thấm ướt θ = 130o niken không có khả năng bám dính với ôxyt

nhôm, năng lượng bám dính thấp Crôm bám dính tốt lên bề mặt ôxyt nhôm vì có năng lượng bám dính cao với W = 2200 (N/cm2) với góc thấm ướt nhỏ θ = 65o Hợp kim 80Ni20Cr có khả năng bám dính tốt với Al2O3 Điều này được minh chứng qua sự thay đổi góc thấm ướt khi phủ lên bề mặt ôxyt nhôm (hình 1.17) Ban đầu góc thấm ướt của Al2O3 là 1100 không xảy ra bám dính nhưng sau vài chục giây đã xảy ra sự giảm nhanh của góc thấm ướt θ< 900 và sau đó giảm còn

740 Hợp kim 80Ni20Cr đã bám dính lên nền ôxyt nhôm

Trong các cơ chế bám dính thì bám dính nhờ liên kết nguyên tử hoặc phân tử cho độ bền cao nhất Trong phương pháp phun phủ, các lớp phủ liên kết theo cơ chế bám dính cơ học Khi có lớp phủ nhôm trung gian, sự bám dính giữa các lớp được cải thiện Sau quá trình xử lý nhiệt tiếp theo, độ bám dính các lớp phủ tăng lên nhờ hình thành liên kết giữa các nguyên tử với nhau do quá trình khuếch tán

Khả năng bám dính tăng lên làm lớp phủ hợp kim NiCr thể hiện tốt khả năng chống mài mòn và bảo vệ ăn mòn của nó Hệ vật liệu phủ kim loại tổ hợp Al và NiCr có khả năng góp phần nâng cao tuổi thọ làm việc của các kết cấu thép

Hình 1.18 Sự thay đổi góc thấm ướt của hợp kim NiCr lên bề mặt Nhôm, Hafni và

Ytri theo thời gian