Nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun nổ bột thép hợp kim 20cr3NI vào phục hồi chi tiết máy dạng trục

Luận văn

bộ giáo dục và đào tạo Trường Đại học nông nghiệp I

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Hà Minh Hùng

Đơn vị: ViệN nghiên cứu cơ khí, Bộ Công Thương

Hà Nội – 2007

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nghiên cứu trong Luận văn này là trung thực và ch−a hề đ−ợc sử dụng để bảo vệ một học vị nào Mọi sự giúp đỡ trong việc thực hiện luận văn đ−ợc cảm ơn và thông tin trích dẫn trong Luận văn đều đ8 rõ nguồn gốc

Tác giả: Nguyễn Văn Long

8 Hình 1.8 Toàn cảnh một số bộ phận chính của thiết bị phun nổ dùng để

10 Hình 1.10 Sơ đồ ảnh hưởng của hạt có tính hoạt hoá nhiệt đến chu

11 Hình 2.1 Sơ đồ đưa nhiệt năng vào các hạt kim loại phun và lớp nền

15 Hình 2.4 Sơ đồ biến dạng đồng thời với kết tinh lại của hạt kim loại

34 Hình 2.13 ảnh hưởng của tốc độ bay của các hạt Niken đến độ bền 43

bám dính lớp phủ với nền là thép C35

35 Hình 2.14 Sự phụ thuộc của nhiệt độ tiếp xúc TK vào nhiệt độ nung

37 Hình 2.16 Đường cong lý thuyết về sự phụ thuộc của độ bám dính vào

38 Hình 3.1 Thiết bị dùng để tạo mẫu thí nghiệm phun phủ tại Viện NC Cơ

39 Hình 3.2 Thiết bị phun cát làm sạch bề mặt trước khi phun phủ tại Viện 48

40 Hình 3.3 Bộ phận điều khiển thiết bị phun và súng phun nổ để thí

43 Hình 3.6 Thiết bị và dụng cụ đo độ bền bám dính bằng phương pháp

45 Hình 3.8 Thiết bị đo độ độ cứng lớp kim loại phủ theo HV và đo độ cứng

49 Hình 3.12 Mẫu để nghiên cứu cấu trúc tế vi và đo độ cứng lớp phủ và

50 Hình 4.1.Phun tạo lớp phủ 20Cr3Ni trên mẫu hình trụ bằng súng phun nổ 69

52 Hình 4.3 Mẫu phun phủ bột thép hợp kim 20Cr3Ni sau khi mài để cắt

53 Hình 4.4 Mẫu thí nghiệm xác định độ bền bám dính lớp phủ với kim loại

54 Hình 4.5 Thí nghiệm xác định độ bền bám dính lớp phủ với kim loại

55 Hình 4.6 Phun tạo lớp phủ thép hợp kim 20Cr3Ni phục hồi trục chân vịt

56 Hình 4.7 Phun tạo lớp phủ thép hợp kim 20Cr3Ni phục hồi trục cổ trục

59 Hình 4.10 ảnh chụp cấu trúc tế vi lớp phủ 20Cr3Ni ở vùng lân cận

60 Hình 4.11 ảnh chụp cấu trúc tế vi lớp phủ 20Cr3Ni ở vùng lân cận

61 Hình 4.12 ảnh chụp cấu trúc tế vi lớp phủ 20Cr3Ni ở vùng lân cận

62 Hình 4.13 ảnh chụp cấu trúc tế vi lớp phủ 20Cr3Ni ở vùng lân cận

biên giới với nền thép C35, x 200 (Mẫu số 4, L < Normal, KNL)

79

63 Hình 4.14 ảnh chụp cấu trúc tế vi lớp phủ 20Cr3Ni ở vùng lân cận

biên giới với nền thép C35, x 200 (Mẫu số 5, L < Normal, NL) 79

64 Hình 4.15 ảnh chụp cấu trúc tế vi lớp phủ 20Cr3Ni ở vùng lân

cận biên giới với nền thép C35, x 200 (Mẫu số 6, L = Normal, NL) 80

65 Hình 4.16 ảnh chụp cấu trúc tế vi lớp phủ 20Cr3Ni ở vùng lân cận

66 Hình 4.17 ảnh chụp cấu trúc tế vi lớp phủ hợp kim 20Cr3Ni, x200

và ảnh đồ phân tích pha xốp trong lớp phủ bằng phần mềm

Material-Pro analyser

81

Sơ đồ bảng biểu

1 Bảng 3.1 Thành phần hoá học bột hợp kim phun phủ, % khối l−ợng 49

2 Bảng 3.2 Ví dụ về quy hoạch thực nghiệm theo kiểu N = 33 = 27 59

4 Bảng 4.2 Kết quả khảo sát đo chiều dày lớp phủ và trung gian 73

6 Bảng 4.4 Kết quả đo đạc và tính toán độ bền bám dính σσσσP 74

Mục lục

Trang

2 Chương 2 nghiên cứu cơ sở lý thuyết về công

2.1.1 Quá trình hoạt hóa nhiệt xẩy ra trên bề mặt phun phủ 22

2.2 Các biện pháp nâng cao độ bám dính lớp phủ với lớp kim

2.2.1 Vai trò của tốc độva đập các hạtphun vào kim loại nền 43

3 Chương 3 đối tượng, vật liệu, thiết bị thí

3.2 Phương pháp phun 55 3.3. Phương pháp xây dựng mô hình toán học đánh giá chất

3.3.1 Chọn hàm mục tiêu trong mô hình toán học mô phỏng chất

3.3.2 Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm bằng thống kê toán học 57

4 Chương 4 kết quả thí nghiệm và thảo luận 69

4.1 Thực nghiệm tạo lớp phủ bằng phương pháp phun plasma

Mở đầu

Trong lĩnh vực công nghệ vật liệu, bên cạnh các các công nghệ sản xuất truyền thống, công nghệ phun phủ đ8 và đang ngày càng phát triển rất mạnh mẽ và cho phép chế tạo nhiều loại vật liệu mới có những tính chất đặc biệt, có khả năng

đảm bảo tính ổn định cho các thiết bị máy móc làm việc trong điều kiện khắc nghiệt

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun phủ để tạo ra vật liệu mới nhiều lớp, trong đó lớp kim loại nền là thép các bon, còn lớp bề mặt làm việc trong bộ đôi ma sát là lớp bột thép, bột hợp kim là một hướng công nghệ mới Vật liệu tổ hợp nhận

được bằng công nghệ phun phủ có các tính chất cơ - lý và tính chất sử dụng đặc biệt

nghiệp Công nghiệp hoá - Hiện đại hoá ở nước ta là rất cần thiết, có tính mới về khoa học và tính ứng dụng thực tiễn cao

Đề tài Luận văn Thạc sỹ Kỹ thuật này giải quyết bài toán về nghiên cứu sự

ảnh hưởng của một số thông số công nghệ phun phủ chính đến độ xốp và cấu trúc lớp phủ bằng bột thép hợp kim Cr-Ni, đề cập đến các vấn đề sau:

1) Khái quát về phun phủ kim loại;

2) Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về công nghệ phun phủ kim loại;

3) Vật liệu thí nghiệm, thiết bị sử dụng, phương pháp nghiên cứu thực nghiệm;

4) Kết quả thực nghiệm và thảo luận;

Nội dung của luận văn được hoàn thành trên cơ sở sử dụng một số kết quả bước đầu trong hàng loạt thí nghiệm khoa học về công nghệ phun phủ bằng plasma

và phun nổ chưa công bố Các thí nghiệm được thực hiện tại Phòng thí nghiệm trọng

điểm Quốc gia “Công nghệ hàn & Xử lý bề mặt” - Viện Nghiên cứu Cơ khí do PGS.TS Hà Minh Hùng chủ trì và có sự tham gia trực tiếp của tác giả luận văn Nguyễn Văn Long

Chương 1:

Tổng quan về công nGhệ phun phủ kim loại

1.1 Khái quát chung:

Khoa học kỹ thuật phát triển đ8 góp phần tạo ra những vật liệu mới có tính năng vượt trội so với vật liệu truyền thống sử dụng trong công nghiệp Chẳng hạn như những bề mặt kết cấu làm việc trong môi trường hoá chất, đặc biệt khi có áp suất cao sẽ chịu ăn mòn lớn; các bề mặt tiếp xúc kiểu ma sát làm việc trong điều kiện khắc nghiệt cũng chóng bị mòn cơ học, những thiết bị hàng không, vũ trụ làm việc ở nhiệt độ cao thậm chí còn bị bốc cháy, tiêu hủy nếu không có lớp bảo vệ bề mặt đặc biệt

Để giải quyết những vấn đề nêu trên, ngay từ những năm đầu thế kỷ 20 người

ta đ8 nghiên cứu, ứng dụng và cho đến nay đ8 hình thành một hướng công nghệ mới trong chế tạo máy, đó là công nghệ phun phủ

Bản chất quá trình là tạo ra một luồng kim loại (kể cả hợp kim) nóng chảy nhờ các nguồn nhiệt khác nhau, dưới áp suất khi phun có sự va đập vào lớp kim loại nền, do ảnh hưởng của các biến cứng lý hoá tương tác, mà hình thành nên lớp phủ bám chắc vào lớp nền Máy phun kim loại đầu tiên được sáng chế vào năm 1910 bởi một người Thụy Sĩ có tên là Shoop Sơ đồ nguyên lý mô tả quá trình này được thể hiện trên Hình 1.1

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý phun phủ theo [1]: 1) Đầu phun; 2) Màn bảo vệ;

3) Luồng hạt nóng chảy có gia tốc; 4) Lớp phủ; 5) Lớp nền

1.2 Các phương pháp phun phủ 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 Trong các thiết bị phun phủ nhiệt khí, người ta sử dụng nhiệt lượng tạo ra từ phản ứng cháy ôxy- nhiên liệu Thiết bị phun bằng điện năng thì dùng nhiệt tạo ra từ hồ quang điện 1.2.1 Phương pháp phun phủ nhiệt khí:

Phương pháp phun phủ nhiệt khí có ứng dụng rộng r8i và dùng để phun phủ kèm theo làm nóng chảy các lớp phủ từ những hợp kim tự tạo xỉ hệ Co - Ni, cũng như hệ gốm và các kim loại khó nóng chảy khác Một trong những dạng đặc biệt thuộc nhóm này là phương pháp phun nổ, sử dụng năng lượng nổ hỗn hợp ôxy - axêtylen Phương pháp phun nổ cho phép phun được cả những vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao hơn nữa Ngày nay, đ8 có thiết bị phun hồ quang điện dùng dòng một chiều làm cho quá trình phun ổn định hơn

Sau đây là mô tả vắn tắt về các phương pháp phun vừa kể trên Trong phun nhiệt khí tuỳ thuộc vật liệu phun mà có thể phân ra 3 dạng: phun dây, phun thanh và phun bột Ngoài ra, như đ8 đề cập ở trên thì phun nổ cũng thuộc nhóm này

Trên Hình 1.2 mô tả nguyên lý phun phủ nhiệt khí dùng dây kim loại Luồng khí nén phun vật liệu nóng chảy thành những hạt nhỏ và các hạt này đọng lại trên lớp nền Nhờ một tuabin khí chạy bằng khí nén lắp trong đầu phun hoặc động cơ

điện với cơ cấu giảm tốc mà dây phun được cấp với tốc độ ổn định bởi các con lăn Vấn đề quan trọng là điều chỉnh chính xác tốc độ quay của tuabin hoặc động cơ

điện

Khi sử dụng tuabin khí thì khó hiệu chỉnh chính xác tốc độ cấp dây, tuy nhiên đầu phun lại có kích thước gọn và nhỏ hơn Vì thế người ta dùng tuabin khí trong các đầu phun tay Các đầu phun có lắp động cơ điện thì có thể duy trì tốc độ cấp dây ổn định và hiệu chỉnh tốc độ chính xác hơn Thế nhưng đầu phun loại này

có kích thước lớn và thường được lắp đặt trên các cơ cấu cơ khí hoá dùng trong phun Đường kính dây phun thường không vượt quá 3 mm Với những kim loại dễ

nóng chảy hơn (nhôm, kẽm ) thì có thể dùng dây đường kính 5 ữ 7 mm để tăng năng suất phun [1]

Hình 1.2 Sơ đồ phun nhiệt khí dùng dây kim loại theo [1]:

1) Khí nén ; 2) Khí cháy axetylen- ôxy hoặc propan- ôxy;3) Dây kim loại phun; 4) Bép phun ; 5) Tâm ngọn lửa phun; 6)- Đầu dây phun bị nóng chảy; 7) Ngọn lửa; 8)- Luồng khí; 9) Lớp phủ kim loại; 10) Dòng các hạt kim loại phun; 11) Lớp kim loại nền

Phun nhiệt khí dùng đoạn dây (thỏi) cũng tương tự như phun dây kim loại Thỏi dây được đưa vào đầu miệng súng phun để làm nóng chảy và dưới áp lực luồng khí cháy, hạt nóng chảy bắn vào lớp nền tạo liên kết

Trên Hình 1.3 là sơ đồ nguyên lý quá trình phun nhiệt khí dùng bột Bột phun được cấp vào đầu phun từ một phễu chứa, qua một lỗ nhỏ, từ đó được luồng khí tải (hỗn hợp ôxy - khí cháy) đẩy vào ngọn lửa cháy làm nóng chảy Cũng nhờ luồng khí cháy này mà các hạt bột bay tới va đập với lớp nền Trong các đầu phun dùng dây hoặc dùng bột thì đều có thể dùng luồng khí nén tách bột để tải vật liệu phun vào luồng lửa cháy và tăng tốc hạt bột nóng chảy tạo va đập với lớp nền

Trong phun nhiệt khí, khí axêtylen thường được dùng làm khí cháy Cũng có thể dùng Propan, Hydrô, Mentytaxelenprôpan Còn khi phun vật liệu nhựa thì hay sử dụng khí Propan

Phản ứng cháy của axêtylen như sau:

C2H2 = 2C + H2 + 54,8 Kcal;

2C + O2 = 2CO + 52,9 Kcal;

H2 + 0,5O2 = H2O (khí) + 57,8 Kcal;

2CO + O2 = 2CO2 + 135,9 Kcal;

C2H2 + 2,5 O2 = 2CO2 + H2O + 301,4 Kcal

Sơ đồ tổng thể một trạm phun nhiệt khí theo tác giả công trình [1] đ−ợc nêu trên Hình 1.4

Hình 1.3 Sơ đồ thiết bị phun nhiệt khí dùng bột kim loại theo[1]:

1)- Súng phun ; 2)- Buồng tạo lửa phun ; 3)-Bộ phận điều khiển; 4)- Bộ phận cấp bột kim

loại; 5, 6) – Bình đựng axêtylen và ôxy

Hình 1.4 Trạm phun phủ nhiệt khí dùng dây và bột phun ПУП-3Д của Nga theo [1]:

1) – Buồng phun; 2)- Bộphận tạo chuyển động quay của chi tiết phun; 3)- Bộ phận điều chỉnh súng phun; 4)-Bình chứa bột kim loại và điều chỉnh lượng cấp bộ, chỉnh lưu lượng khí nén; 5)- Đầu phun lửa khí cháy ; 6)- Bộ phận điều khiển; 7) Các bình chứa khí nén;

ví dụ loại bột WC cỡ hạt ∼50 àm (Hình 1.5 b)

Lớp nền

Lớp phủ Chùm phun Bugi

Cấp bột

Ôxy Khí ga

Khí trơ

a)

b) Hình 1.5 Sơ đồ phun nổ theo [2] - a) và theo [1] - b): 1)- Chi tiết phun; 2)- Nòng phun được làm mát bằng nước; 3)- Buồng đốt; 4)- Mồi lửa điện: a- Nạp hỗn hợp; b- Dẫn bột vào buồng đốt;

c- Hỗn hợp nổ và đẩy hạt bộtkim loại ra; d- Tạo lớp phủ

Dùng tia lửa điện để mồi cháy hỗn hợp khí và bột phun ở trạng thái lơ lửng (Hình 1.5 c) Kết quả của phản ứng nổ hỗn hợp tạo ra nhiệt lượng và sóng va đập làm nóng hạt bột và tạo cho chúng có động năng Trong phun nổ, các hạt có động năng lớn! ở cự ly 75 mm cách miệng nòng súng phun, tốc độ hạt có thể đạt tới 820 m/s

Sau khi gây nổ hỗn hợp khí cháy, người ta dùng khí Nitơ để thổi sạch khoang

đốt, đẩy hết các sản phẩm cháy ra ngoài Quá trình được hiệu chỉnh sao cho tần số lặp lại là 3 ữ 4 lần trong một giây Thông thường, dùng phun nổ để tạo nên các lớp phủ chịu mài mòn cao từ cácbít Chiều dày lớp phun thường vào khoảng 0,25 ữ 0,3

mm Phun nổ tạo tiếng ồn có khi đạt tới 140 dexibel, vì thế phải đặt thiết bị phun trong một khoảng cách âm

1.2.2 Các phương pháp phun điện:

a) Phun bằng hồ quang điện:

Sơ đồ nguyên lý phun hồ quang điện và súng phun, bộ phận cấp 2 dây đồng thời được trình bầy trên Hình 1.6 a, b, c, d Hai dây phun được cấp qua các ống dẫn

hướng đưa vào miệng đầu phun và dùng hồ quang điện để mồi Người ta thổi khí nén qua lỗ trung tâm trong đầu phun để tách những hạt kim loại nóng chảy khỏi các

đầu dây phun và đẩy chúng bay tới bề mặt phun Đầu phun có thể làm việc với dòng một chiều hoặc xoay chiều Khi dùng dòng xoay chiều thì hồ quang cháy không ổn

định và độ ồn lớn! Còn với dòng một chiều, quá trình phun ổn định, năng suất cao

và hạt mịn Người ta dùng thế hiệu cao tần để duy trì hồ quang điện chảy ổn định Các loại dây phun thường có đường kính 0,8; 1; 1,6 và 2 mm [1], [4]

b) Phun bằng plasma:

Plasma là trạng thái thứ tự của vật chất! Người ta ứng dụng năng lượng của luồng plasma để phun phủ Ngày nay trong công nghiệp có 2 loại đầu phun plasma:

Hồ quang plasma và dòng plasma ở kiểu đầu phun hồ quang plasma (Hình 1.7 a) thì

hồ quang điện cháy giữa anod (chi tiết phun) và catod (Vonfram hay hợp kim Vonfram chứa khoảng 2 % Thori), dòng khí xoáy chạy từ mép đầu phun để ổn định

hồ quang Còn đối với kiểu đầu phun dòng plasma (Hình 1.7 b) thì hồ quang được tạo

ra giữa catod Vonfram và anod là một kết cấu ống bằng đồng và được làm mát bằng nước! Nhờ có hồ quang mà khí công tác được nung nóng tới nhiệt độ rất cao sau đó thoát ra khỏi miệng đầu súng phun thành luồng plasma ổn định nhờ hiệu ứng dòng khí xoáy chạy suốt thành ống phun trong kết cấu của đầu phun

d) Hình 1.6 a) - Sơ đồ nguyên lý đầu phun dây hồ quang điện 2 dây; b) – Nguyên lý cấp dây

điện cực theo [1]; c) - Súng bắn hồ quang tại Viện NCCK; d) - Bộ phận cấp dây dùng cho phun hồ quang điện tại Viện NCCK: 1)- Các điện cực dây phun ; 2)- Vùng ngọn lửa phun ; 3) – Dòng của khí cháy với các hạt bột kim loạiphun; 4) –Hướng cấp điện cực dây phun với tốc độ V; 5) Dòng khí phun; V 1 - Hướng vuông góc với mặt phẳng nóng chảy của điện cực

dây phun

a)

b)

Hình 1.7 a) – Súng phun plasma; b) - Sơ đồ nguyên lý trạm phun plasma theo [2]

Do luồng plasma có nhiệt độ rất cao, có thể tới 10.000OK nên dùng phun plasma để tạo lớp phủ từ tất cả các loại vật liệu khó nóng chảy hiện có đến nay và

đây là một trong những ưu điểm nổi bật của phương pháp công nghệ này

a)

b)

Hình 1.8 Toàn cảnh một số bộ phận chính của thiết bị phun nổ dùng để phun phủ bằng bột kim loại (a) và súng phun nổ HI-JET P2000 (b) tại Viện NC Cơ khí theo [2]

ảnh chụp thiết bị phun nổ hiện đại được nhập từ Mỹ hiện có tại Viện Nghiên cứu Cơ khí cho trên Hình 1.8 a Súng phun nổ đi kèm thiết bị này có ký hiệu HI-JET P2000 ( Hình 1.8 b ) là loại đầu phun tốc độ cháy cao có thể tạo ra tốc độ phun siêu

âm để đưa các hạt nóng chảy tới bề mặt chi tiết cần phủ Đặc tính va đập của ngọn lửa siêu âm là tạo ra nhiều xung (có khoảng 7 xung hình thoi) Kỹ thuật tốc độ cao là cơ hội cho việc phun phủ chất lượng cao gần như không có rỗ trong lớp phủ Giá trị kinh tế gần như đạt yêu cầu

1.2.3 Ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp phun phủ :

Những ưu điểm chính của công nghệ phun phủ [4]:

1) Sự đa dạng về vật liệu phun và lớp nền khác nhau Ví dụ ta có thể phun kim loại lên thủy tinh, gốm, vật liệu hữu cơ

2) Có thể tạo lớp phun trên toàn bộ bề mặt chi tiết hoặc tại một vùng cục bộ, trong khi bằng các phương pháp khác (nhúng, mạ ) lại khó có thể đạt được

3) Thiết bị phun tương đối đơn giản và gọn Chẳng hạn để phun nhiệt khí chỉ cần có máy nén khí và máy này cũng dùng để xì cát làm sạch bề mặt, kèm theo đầu phun, chai khí Nếu có thêm nguồn điện là có thể dùng để phun điện

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 Trước hết người ta phun lên lõi khuôn sau đó tháo lõi thì còn lại khuôn từ vật liệu phun

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

Một số nhược điểm của phương pháp phun phủ:

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) Để chuẩn bị bề mặt trước khi phun, người ta thường dùng các phương pháp như xì cát kèm bi gang làm 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 Chính vì thế mà phải có thông gió, ngăn bụi tại các trạm phun

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

Lớp phủ là loại vật liệu có cấu trúc lớp theo các tác giả [1], [4], được tạo bởi các hạt phun bị biến dạng mạnh, và gắn kết với nhau trên các vùng hàn bề mặt kiểu tiếp xúc có đường kính DX Như vậy diện tích tiếp xúc FX = (πDX2

)/4 (Hình 1.9) Các vùng hàn không điền đầy toàn bộ diện tích tiếp xúc (hay bề mặt tiếp xúc) giữa các hạt và vì thế mà độ bền và mật độ các lớp phun thấp hơn độ bền và mật độ của vật liệu phun ở trạng thái đặc xít Độ bền của chính những vùng hàn phụ thuộc vào

số lượng các mối liên kết được hình thành trên diện tích FX trong giai đoạn va đập, biến dạng và nguội hạt và được xác định theo tiến triển của sự tương tác hoá học các loại vật liệu trong 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 Còn sở dĩ có biên phân cách giữa các lớp sau một lần phun là do sai khác thời gian khi phun hạt trong một lớp với hạt lớp giữa

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 Tuỳ thuộc vào kích thước

và cấu hình của sản phẩm phun, quỹ đạo dịch chuyển đầu phun, khoảng nghỉ giữa các lớp phun có thể từ vài giây đến vài chục giây Khoảng thời gian đó lớn gấp nhiều lần khoảng nghỉ khi các hạt trong một lớp phun tương tác sau một lượt phun Sự hình thành lớp phun bằng cách xếp liên tiếp vô số các hạt biến dạng tất nhiên sẽ dẫn

đến rỗ xốp, mà trước hết là trên mặt tiếp xúc giữa các hạt

Cấu trúc và tính chất của lớp phủ phụ thuộc vào thành phần cỡ hạt bột phun Khi cỡ hạt giảm thì sự điền đầy tạo lớp phun được cải thiện, giảm rỗ xốp và cấu trúc lớp phủ sẽ đồng nhất hơn Tuy nhiên, nếu cỡ hạt nhỏ quá, giới hạn (< 1 àm)

sẽ gây khó khăn cho việc tải chúng vào đầu phun Hạt quá nhỏ, một mặt bị bốc cháy

hết trên cự ly phun, mặt khác lại vón cục lại thành các hạt cỡ lớn hơn và sẽ bị bay lệch khỏi quỹ đạo tới vật phun vì có động năng không đủ lớn Thông thường cỡ hạt phù hợp nằm trong khoảng 40 ữ70 àm

Hình 1.9 Sơ đồ cấu trúc lớp phun: a)- theo [1] và b) - theo [2]:

1)- Mặt phân cách giữa lớp phun và lớp nền; 2)- Mặt phân cách giữa các lớp phun; 3)- Mặt phân cách (mặt tiếp xúc) giữa các hạt trong một lớp; D X - Đường kính

của vùng bề mặt tiếp xúc mà tại đó xảy ra sự hàn gắn của các hạt

Sự tương tác của vật liệu nền và vật liệu hạt phun trên từng khoảng bề mặt tiếp xúc có thể hình dung thành 3 giai đoạn nối tiếp nhau [4]:

1) Sự xích lại gần nhau đến mức tạo mối tiếp xúc vật lý giữa chúng, có nghĩa

là trên một khoảng cách tương đương với kích thước mạng tinh thể

2) Sự hoạt hoá các bề mặt tiếp xúc và tương tác hoá học giữa các vật liệu trên

bề mặt phân tách pha

3) Quá trình tiếp tục phát triển theo thể tích, dẫn đến sự khuếch tán lẫn nhau của các vật liệu hạt và nền qua mặt phân cách, tạo nên các liên kết hoá học

Trong khi phun, thì thời gian tương tác chỉ trong khoảng 10-3 ữ 10-7 giây, sau

đó các hạt sẽ kết tinh, nguội đi nhanh chóng và mất khả năng tương tác Với một khoảng thời gian ngắn như vậy, quá trình khuếch tán không sâu và ít ảnh hưởng tới

độ bám của hạt Sự gắn kết của hạt với nền, chủ yếu phụ thuộc vào mức độ liên kết hoá học, mà biểu hiện bề ngoài của nó sự xuất hiện, những khoảng bám dính trên mặt tiếp xúc Giai đoạn tiếp xúc vật lý không hạn chế sự tương tác bởi vì dưới tác

động xung lực thì các hạt nóng chảy sẽ nhanh chóng bị dàn mỏng ra và bị ép vào mặt lớp nền

Các thực nghiệm và tính toán theo các tác giả các công trình [1] - [3] đ8 cho thấy nếu 2 giai đoạn đầu kịp kết thúc thì giai đoạn 3 (khuếch tán) chỉ kịp xảy ra chủ yếu dựa vào các khuyết tật mạng Các biến dạng dẻo tại vùng tiếp xúc khi hạt va đập với nền sẽ giúp tăng cường khuếch tán Ngoài ra nhiệt độ tiếp xúc cao cũng tạo điều kiện thuận lợi cho sự khuếch tán Do lớp phủ là một loại vật liệu có cấu tạo lớp hình thành từ lòng các hạt nóng chảy cho nên có hai khả năng tương tác giữa các hạt tại vết phun:

1) Hạt nóng chảy nằm chồng lên hạt đ8 bám trước, nhưng chưa kịp đông cứng;

2) Hạt nóng chảy nằm chồng lên hạt (kết tinh) đang đông cứng nhưng chưa nguội hoàn toàn, có nghĩa là nhiệt độ hạt đó còn cao hơn nhiệt độ nền

Chúng ta gọi hạt loại đó là hạt hoạt tính nhiệt Bằng các tính toán đơn giản đ8 cho thấy là các hạt phun sẽ nằm chồng lên những hạt chưa hoàn toàn đông cứng trong lớp phủ, khi mà sự gia tăng bề dày lớp phủ có tốc độ bằng hoặc lớn hơn h/τO(trong đó: h - Chiều cao của hạt đông cứng trong khoảng thời gian τO) Đó là một trong những điều kiện thuận lợi nhất, sẽ xảy ra, khi năng suất phun có giá trị tính theo biểu thức sau:

4 -

-3 2

O 1 2

104

101023,14

=4

hB

= 1,1 103 kg/h (1.1)

trong đó: B - Đường kính vết phun;

γ1 - Trọng lượng riêng của vật liệu phun

Giá trị nêu trên lớp gấp hàng chục lần giá trị thực tế, thông thường không vượt quá 5 ữ 20 kg/h Điều này đ8 được khẳng định khi xem lại những pha quay chậm quá trình hình thành lớp phun plasma

Bằng các hình ảnh quay phim được cho thấy là không có hiện tượng hạt phun nằm chồng lên hạt chưa kịp nguội trên lớp nền

1.4 Các yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ:

Đối với hầu hết các phương pháp phun [1], có thể nêu ra những thông số chung của quá trình phun, có ảnh hưởng đến chất lượng và hiệu quả phun phủ như sau: 1)- Cự ly phun (L); 2)- Độ côn luồng phun (ϕC); 3)- áp suất môi trường xung quanh (p); 4)- Góc phun tạo bởi hướng phun và bề mặt kim loại nền (αn); 5)- Đường kính vết phun (df); 6)- Độ che phủ giữa các lớp phủ (λf) ; 7)- Nhiệt độ của vật phun (Tf) Xét về mặt công nghệ thì có thể phân theo các nhóm chính, những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình phun như: 1)- Các thông số về kết cấu của đầu phun và về vật liệu phun; 2) - Các thông số về chế độ phun và về điều kiện phun phủ

- Nhóm thông số thứ nhất liên quan đến kết cấu và các kích thước của từng chi tiết cấu thành đầu phun Đối với phun plasma chẳng hạn, thì đó là kích thước loa phụt, khoảng cách từ anốt đến catốt của đầu phun plasma và đường kính kênh dẫn khí Nhóm thông số về chế độ phun chủ yếu bao gồm các thông số về năng lượng xác định quá trình phun như: công suất hồ quang, lưu lượng khí

- Đối với vật liệu phun thì các thông số có ảnh hưởng lớn đến quá trình phun

là đường kính và hình dạng bột phun, dây phun, tính chất hoá lý của vật liệu Các thông số chính về điều kiện phun, thường bao gồm: cự ly phun từ đầu súng phun đến

bề mặt kim loại nền (L, mm); lưu lượng cấp bột phun (M, g/phút); tốc độ di chuyển

đầu phun dọc theo đường sinh bề mặt mẫu trụ là kim loại nền (V, mm/phút) góc tới (αf , O) tạo bởi luồng phun với mặt nền; kích thước và nhiệt độ nền (Tn , OC); áp suất khí quyển xung quanh (Pf , at); đường kính vết phun (df , mm); tốc độ dịch chuyển vết phun (λf , mm/phút)

Trong điều kiện thí nghiệm tại Viện Nghiên cứu Cơ khí, chúng tôi chọn 3 thông số công nghệ chính để khảo sát là:

+ Cự ly phun: khoảng cách từ đầu ra súng phun đến bề mặt kim loại nền cần phun phủ (L, mm);

+ Lưu lượng cấp bột phun (M, g/phút);

+ Tốc độ di chuyển đầu phun dọc theo đường sinh bề mặt mẫu trụ là kim loại nền (V, mm/phút)

1.5 Phương pháp đánh giá năng suất phun và chất lượng lớp phủ kim loại:

Chất lượng của lớp phủ kim loại được đánh giá bằng nhiều chỉ tiêu nhưng các chỉ tiêu có ý nghĩa nhất là độ bền bám dính lớp kim loại nền với lớp phủ và độ bền của bản thân lớp kim loại phủ Các chỉ tiêu này nói lên độ tin cậy của lớp phủ, bởi vì cho dù nó có tính năng ưu việt đến thế nào đi chăng nữa nhưng không bám chắc tạo liên kết bền vững với lớp nền thì coi như không có tác dụng Ngoài ra, để đánh giá chất lượng lớp phủ, người ta còn quan tâm đến mật độ của nó (γf) và liên quan với nó

là độ xốp tương ứng (Pf)

Tuỳ theo ứng dụng của lớp phủ, còn phải đánh giá được sự gi8n nở nhiệt, độ dẫn nhiệt, độ chịu mài mòn, khả năng chịu nhiệt độ cao Có nhiều thông số ảnh hưởng đến chất lượng của lớp phủ và như vậy sẽ khó có thể đánh giá được sự ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến chất lượng lớp phun đối với mọi phương pháp phun và mọi thông số Vì thế, tuỳ theo từng phương pháp phun cụ thể chúng ta sẽ có phương pháp đánh giá ảnh hưởng của công nghệ phun tới các thông số chính đặc trưng cho chất lượng lớp phủ

Để có thể đánh giá chính xác hơn về xác suất tương tác của các hạt trên bề mặt sản phẩm, có thể sử dụng biểu thức sau:

d

kGS

⋅

3 / 2

R6

13

β

trong đó: G1 - Năng suất phun;

k - Hệ số tập trung của vật liệu phun trên bề mặt kim loại nền;

τ - Thời gian phun;

d - Đường kính hạt phun;

β - Hệ số sử dụng bột kim loại phun;

R - Đường kính hạt đông cứng trên mặt kim loại nền

Trên thực tế, với chế độ phun plasma ở mức trung bình thì: năng suất phun G1

= 3 g/s ; hệ số tập trung k = 1cm2; đường kính hạt d = 100 àm; mật độ γ1 = 5r /cm3 ; tỷ số R/h = 60; hệ số sử dụng vật liệu β = 0,7; thời gian kết tinh τ =

τO ≈ 10-5s Như vậy, xác suất tương tác hạt ở pha lỏng trong điều kiện này sẽ rất nhỏ:

> T2(trong đó T2 là nhiệt độ nền; thời gian hạt ở trạng thái hoạt hoá gọi là τa và τa =

10-4) Khi đó: P 1 ,9 5 3 1 0- 4

1 0 2

≈ 6.10-3 Xác suất này là nhỏ, tuy nhiên khi

năng suất phun tăng, nếu vượt quá 100 kg/h, thì nó xấp xỉ bằng 1 Do vậy, năng suất cao khi phun sẽ cải thiện chất lượng và cấu trúc lớp phủ

Hình 1.10 Sơ đồ ảnh hưởng của hạt có tính hoạt hoá nhiệt (1) đến chu trình nhiệt trong tiếp xúc hạt (2) khi hình thành lớp phun theo [1]: TK – Nhiệt độ điểm tiếp xúc lớp nền với hạt

phun; T2* - Nhiệt độ bề mặt hạt phun 1 tại thời điểm tiếp xúc với hạt 2; TK* - Nhiệt độ tiếp xúc giữa

các hạt 1 và 2

Năng suất của nhiều phương pháp phun phủ nhiệt khí hiện đại không vượt quá 10 ữ 20 kg/h Cho nên, xuất phát từ phân tích trên thì ảnh hưởng nhiệt của các hạt khi hình thành lớp phủ trong quá trình này là hầu như không đáng kể và có thể

bỏ qua Cũng chính vì thế mà có thể xem xét sự biến đổi trong từng hạt riêng biệt để nghiên cứu sự hình thành lớp phủ và sự bám dính của nó

Phun nổ mang đặc điểm xung khác với những phương pháp phun phủ nhiệt khí khác (liên tục) và đặc trưng quan trọng của nó là ở chỗ mang tính chu kỳ, vì thế cần phân biệt năng suất phun trung bình (tính theo thời gian) Gf = g1.ν1 và năng suất vật lý tức là năng suất thực tế tạo ra lớp phủ từ một lượng bột kim loại nhất định:

Trong những thiết bị phun nổ hiện đại, thời gian của một chu trình phun khoảng 0,1 ữ 1s, còn thời gian hình thành lớp phủ từ một lượng bột trong một chu trình phun là khoảng τf ≈ 2.10-3s Nếu coi rằng, trong mỗi một lượng bột có g1 ≈ 0,1g bột thì năng suất vật lý Gf = 0,1 / (2.10-3) = 180 kg/h Với năng suất cao như vậy sẽ xuất hiện hiệu ứng tập thể của sự tương tác giữa các hạt trọng chu trình hình thành nên lớp phủ từ một lượng bột, nhưng không phải là giữa các hạt của những lượng bột khác nhau

Tuy nhiên, tính toán trên có thể chấp nhận được, nếu trong một lượng bột, có chứa đủ số lượng hạt để hạt nọ xếp chồng lên hạt kia khi tạo nên vết phun trong lớp phủ

1.6 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Luận văn:

Dựa trên thiết bị phun phủ hiện đại đ8 có tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm Quốc gia về “Công nghệ hàn và Xử lý bề mặt” tại Viện Nghiên cứu Cơ khí, đề tài Luận văn Cao học này đặt ra mục tiêu sau:

1) Nghiên cứu tạo lớp phủ vật liệu chịu mòn bằng bột thép hợp kim 20Cr3Ni trên nền thép các bon thông dụng (C35) bằng phương pháp thực nghiệm, sử dụng thiết bị phun nổ;

2) Nghiên cứu khảo sát cấu trúc lân cận biên giới lớp phủ thép hợp kim 20Cr3Ni với lớp nền thép C35 (thép làm các chi tiết trục thông dụng);

3) Đánh giá tính chất lớp phủ bằng bột thép hợp kim 20Cr3Ni với lớp nền thép C35 trên các mẫu thí nghiệm nhận được như: độ xốp, độ bám dính lớp phủ với lớp nền

Kết luận Chương 1:

1) Phun phủ là một hướng công nghệ tiên tiến của thế giới để tạo ra các sản phẩm cơ khí mới có tính chất tổ hợp đặc biệt, sử dụng các vật liệu kim loại và hợp kim truyền thống kết hợp với hợp kim đặc biệt trong mỗi chi tiết máy làm nâng cao tính năng sử dụng của nó và tiết kiệm vật liệu quý hiếm;

2) Tuỳ theo các thiết bị phun phủ sử dụng mà tính chất vật liệu tổ hợp nhận

được có sự khác nhau Mặt khác, hiện nay ở Việt Nam công nghệ phun phủ mới

được bắt đầu nghiên cứu, chưa có sự hệ thống hoá về mặt cơ sở lý thuyết cũng như thực hành ứng dụng, trong khi đó nhu cầu phục hồi một số chi tiết máy trong thực tiễn sản xuất lại rất cần thiết;

3) Nhà nước đ8 có Dự án đầu tư thiết bị công nghệ hiện đại về công nghệ hàn và xử lý bề mặt, trong đó có thiết bị phun phủ tại Viện Nghiên cứu Cơ khí, Bộ Công Thương Để sử dụng hiệu quả những thiết bị đó cần thiết phải có những nghiên

cứu thực nghiệm cơ bản để xác lập cơ sở khoa học cho các nghiên cứu hệ thống sau này, phục vụ sự nghiệp Công nghiệp hoá - Hiện đại hoá ở nước ta là rất cần thiết

Chương 2:

nghiên cứu cơ sở lý thuyết về 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 [5]:

1) Lý thuyết của Pospisil – Sehyl: Lớp phủ bằng phương pháp phun kim loại xuất hiện do các hạt kim loại lỏng bị phun bằng một dòng khí nán có tốc độ cao khoảng

200 m/s, chúng bị phá vỡ thành nhiều hạt mịn hơn và do có nhiệt độ tại điểm va đập với lớp kim loại nền cao nên bám dính vào lớp nền Các hạt kim loại và ôxit của nó khi phun ở thể lỏng luôn có cấu tạo hình cầu, còn phun ở thể rắn thường là các hạt đa cạnh không đồng đều và chúng không thay đổi hình dạng của mình trong quá trình bay trong khoảng cách phun với thời gian rất ngắn, mà chỉ bị ôxy hoá Số lượng ôxyt cáng nhiều thì càng làm giảm chất lượng bám dính của lớp phủ với lớp nền Tại điểm va đập với lớp nền các hạt kim loại phun ở thể lỏng;

2) Lý thuyết của Schoop: giả định cho rằng năng lượng động năng của các hạt kim loại khi bay được cung cấp bằng dòng khí nén, nên khi va đập vào bề mặt lớp kim loại nền trên thực tế có sự thay đổi nhiệt Thực nghiệm đ8 chứng minh rằng các hạt kim loại đó khi ra khỏ miệng súng phun thì bắt đầu bị nguội và đông đặc rất nhanh do tác dụng của dòng khí nén khi va đập với kim loại nền có sự biến dạng dẻo và tạo ra liên kết kim loại với nhau, do vậy có thể phủ được các kim loại nền dễ nóng chảy mà không làm nó bị chảy lỏng;

3) Lý thuyết của Karg, Katsch, Reininger: cho rằng những hạt kim loại khi ra khỏi súng phun bị nguội và đông đặc là do tác dụng của nguồn năng lượng động năng

của khí nén Mặt khác trong quá trình bay đến lớp kim loại nền chúng không bị biến dạng dẻo vì đ8 ở trạng thái nguội;

4) Lý thuyết của Schenk: cho rằng nhiệt độ của các hạt kim loại phun tại điểm

va đập phải cao hơn nhiệt độ nóng chảy để xẩy ra sự hàn chặt chúng với nhau Nhưng

điều này không phù hợp với thực tế vì tại thời điểm va đập trên bề mặt kim loại nền thì lớp bề mặt đó có khả năng bị đốt nóng đến chảy lỏng để có thể hình thành liên kết kim loại với các hạt kim loại phun;

5) Lý thuyết của một số nhà nghiên cứu Liên Xô cũ: có sự giải thích tương tự như đ8 trình bày ở các lý thuyết nói trên

Sau đây chúng ta h8y xem xét một số quan điểm về cơ chế hình thành và cấu trúc lớp phủ kim loại đ8 đăng tải trong các công trình [1] - [3]

2.1 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 nguồn năng lượng plasma và cả trạng thái làm sạch bề mạt phun trên kim loại nền Sau đây chúng ta xét các hiện tượng tác động tương hỗ lẫn nhau về cơ - lý – hoá tính khi hình thành lớp phủ kim loại

2.1.1 Quá trình hoạt hoá nhiệt xẩy ra trên bề mặt phụ phủ:

Trên Hình 3.1 theo tác giả [1] thể hiện sơ đồ đưa nhiệt năng vào các hạt kim loại phun và lớp nền bằng dòng plasma và sự phân bố cường độ dòng nhiệt (q2) theo vết nung nóng đường kính (dIH) Tỷ số công suất nhiệt của dòng khí phun với công suất điện tương đương của dòng plasma được đặc trưng bằng hiệu suất của quá trình nung nóng vật phun (η) theo biểu thức:

trong đó: I và U – cường độ dòng điện và hiệu điện thế của cung lửa

Khi trục của dòng plasma vuông góc với bề mặt phun thì dòng nhiệt riêng

q2(r) phân bố đối xứng tâm trục và sự phân bố của nó theo vùng va đập đường kính

dH có thể được mô tả bằng đường cong xác suất Gauss:

q2(r) = q2m exp (ưk.r2) (2.2) trong đó: q2m - Dòng nhiệt riêng lớn nhất trên trục cung lửa plasma ;

r – Khoảng cách từ điểm nghiên cứu đến tân trục cung lửa plasma ;

k – Hệ số tập trung dòng nhiệt riêng được đặc trưng bởi đường cong phân

Hình 2.1 Sơ đồ đưa nhiệt năng vào các hạt kim loại phun và lớp nền bằng dòng plasma và

sự phân bố cường độ dòng nhiệt (q2) theo vết nung nóng đường kính (dII) theo [1]: 1)

- Dòng plasma; 2) – Dòng các hạt kim loại phun; 3) – Lớp phủ; r – Khoảng cách

từ điểm nghiên cứu đến tân trục cung lửa plasma

Hình 2.2 Phân bố thực nghiệm (1), tính toán (2) của dòng năng lượng riêng trên vết nung

dH (a) khi phun dây và sự phụ thuộc của nó vào công suất (b) theo [1]

Hình 2.3 a Hệ số tập trung dòng nhiệt

riêng khi phun dây bằng dòng plasma

và sự phụ thuộc của nó vào khoảng

E - exp x

N d

∆S - Là entropi hoạt hoá tại vùng có phản ứng hoá học;

TK - Là nhiệt độ tiếp xúc đo theo thang nhiệt độ tuyệt đối;

k - Là hằng số Boltxman

Trong trường hợp phun các kim loại có cấu trúc mạng kiểu khối cầu (với số toạ độ là 12) thì trạng thái hoạt hoá rất gần với cấu trúc ban đầu của các kim loại, khi hoạt hoá sự thay đổi cấu hình trong cấu trúc rất ít, đồng thời không mất các bậc

tự do của nguyên tử (hoặc Ion) Vì thế entropi hoạt hoá là nhỏ gần bằng không, và

hệ số exp (∆S / K) có thể coi như bằng 1 và khi đó:

TK

E-exp x

N

-=d

Sau khi lấy tích phân của biểu thức (2.6) với điều kiện TK = const và đặt τ =

0, x = 0; τ = τ , x = N (τ), có thời gian cần để phản ứng của N (τ) nguyên tử diễn ra:

( ) ( )

Quá trình phản ứng khi các pha tiếp xúc sẽ dẫn đến làm tăng số điểm liên kết

và tăng độ bám dính của hạt với kim loại nền Vì thế có thể coi như:

trong đó: σ (τ) - Độ bền bám dính đạt tới trong thời gian τ;

σmax - Độ bền cực đại có thể đạt được khi quá trình kết thúc;

N (τ) - Số nguyên tử tham dự phản ứng trong thời gian τ

Từ các công thức (2.7) và (2.8) có thể tính toán sự thay đổi độ bền bám dính tương đối do kết quả của phản ứng hoá học theo biểu thức sau:

max

TK

Eexp

exp-1

-=N

ảnh hưởng của công nghệ, các thông số chế độ phun lên tính chất lớp phủ

2.1.2 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 khi một bên là hạt nóng chảy (lỏng) và một bên

là nền cứng Quy luật thay đổi theo thời gian của nhiệt độ tiếp xúc (TK) này cũng quan trọng, bởi vì qu8ng thời gian (τ) đó xác định mức độ tương tác [1]

Nhiệt độ tiếp xúc TK nằm trong khoảng giữa nhiệt độ nền T2 và nhiệt độ hạt

T1 (T1 > TK > T2) Các tính toán cho thấy là đối với phần lớn các cặp vật liệu nền và lớp phun thì nhiệt độ TK tương ứng với trạng thái rắn của cả hai loại vật liệu

Công thức gần đúng để tính năng lượng hoạt hoá Ea là:

ở đây cần lưu ý là trong các quá trình và tính toán được đề cập đến, chúng ta chỉ có thể biết được giá trị trung bình của năng lượng hoạt hoá Giá trị này gồm năng lượng hoạt hoá của phần lớn những quá trình cơ bản trong tương tác hoá học tại vùng tiếp xúc Vì thế, người ta hay gọi nó là năng lượng hoạt hoá hữu ích

Xuất phát từ lý thuyết chuyển trạng thái và nhiệt động học, chúng ta h8y xem xét mặt định tính của quá trình tương tác giữa các vật liệu hạt và nền tham gia vào liên kết vật lý Việc hình thành liên kết bền vững giữa hạt với nền về mặt nhiệt động học là có cơ sở bởi vì khi đó có sự giảm năng lượng trong hệ thống và mức giảm bằng mức năng lượng của hai bề mặt phân cách biến mất qua tiếp xúc Tuy nhiên, quá trình này không thể tự phát mà cần phải có việc cung cấp năng lượng tới vùng tiếp xúc của các pha tương tác, đó chính là năng lượng hoạt hoá

Giải thích việc chuyển đổi hệ thống từ một trạng thái bền vững này (thậm chí

có mức năng lượng cao hơn) sang một trạng thái bền vững khác với mức năng lượng thấp hơn có thể theo một tiến trình gồm 3 giai đoạn sau đây:

1) Bề mặt của nền cứng dưới ảnh hưởng va đập của hạt, trở nên hoạt hoá cục

bộ Dưới tác dụng của áp lực va đập, do sự dịch chuyển đàn hồi trong mạng và biến dạng dẻo, sẽ tác động lên các liên kết nguyên tử và gây ra suy giảm giả định mức hoạt hoá (Ea) tới một đại lượng (Ep) Do có khuyết tật của mạng tinh thể mà thế năng trong vật rắn phân bổ không đồng đều Bởi vì thế đại lượng (Ea) trên từng vùng tiếp xúc sẽ có giá trị riêng và trong quá trình phun phủ thì giai đoạn xảy ra phản ứng hoá học qua tiếp xúc được xác định bằng năng lượng hoạt hoá có giá trị trung bình;

2) Có từng nhóm các nguyên tử chuyển sang trạng thái hoạt hoá nhờ nội năng của dao động trong vật rắn, có nghĩa là hoạt hoá nhờ nhiệt năng (EB) ;

3) Sự phân tách của hệ thống hoạt hoá và tạo ra sự phân bố nguyên tử theo cách mới.Có thể giả định là trong vật rắn thì hướng phân tách được kiểm soát bởi dạng của trạng thái ứng suất trong vùng có tương tác

Hành động đầu tiên của biến đổi hoá học là sự dịch chuyển điện tử Chỉ sau

đó mới xảy ra sự phân bố lại các nguyên tử vật rắn và thiết lập trật tự xa, trật tự gần

có lợi nhất về mặt năng lượng Do sự không đồng nhất về năng lượng trên bề mặt

tiếp xúc nên liên kết hoá học bắt đầu và tập trung trước hết tại những vùng có năng lượng lớn nhất Mặt khác, về tần số dao động riêng của các nguyên tử (ν), đây là tần

số mà hệ thống cố gắng để vượt qua mức hoạt hoá

Trong vật lý chất rắn, nguyên tử nằm tại một vị trí nhất định trong mạng tinh thể và được xem như là nguồn dao động điều hoà và từ đây xác định được tần số dao

động riêng của nó mà người ta gọi là tần số Anxtanh Để tính tần số dao động riêng cần biết khối lượng của nguyên tử, các thông số mạng và môđun Young của chất rắn

mà các số liệu này có trong sách tra cứu Tính toán cho thấy là tần số dao động riêng của nguyên tử đối với nhiều loại vật liệu gần bằng 1013s-1 và ít phụ thuộc vào nhiệt

độ

Điều kiện cần thiết để tạo mối liên kết bền vững giữa hạt kim loại phun với

bề mặt kim loại nền [1] là sự tiếp xúc của đường cong chu trình nhiệt TK(τ) với

đường cong mô tả sự thay đổi thời gian xảy ra phản ứng hoá học tại vùng tiếp xúc, tuỳ thuộc vào nhiệt độ tiếp xúc Nhiệt độ TK(τ) càng cao thì các hạt phun có độ bám dính càng lớn Chính vì thế mà sự gia nhiệt cho vật phun hoặc sự quá nhiệt của hạt phun, vượt quá nhiệt độ tiếp xúc, đều làm cho độ bám dính tăng mạnh cũng như cải thiện chất lượng lớp phủ

Trên Hình 2.4 ữ 2.6 tác giả công trình [1] đ8 tổng kết các quan điểm để nghiên cứu lý thuyết về sự hình thành lớp phủ kim loại khi phun bằng plasma Ngay sau khi xuất hiện những mối liên kết đầu tiên tại vùng tiếp xúc, các quá trình khuếch tán và sự hình thành các pha mới sẽ xảy ra Tuy nhiên, trong trường hợp phun kim loại lên kim loại, cũng như những chất khác, rất khó có thể phát hiện sự khuếch tán bằng thực nghiệm Sở dĩ như vậy, bởi vì quá trình này kéo dài trong khoảng thời gian rất ngắn và trước hết là do nhiệt độ tại vùng tiếp xúc giảm mạnh Như vậy, ta đ8 mô tả sự hình thành lớp đầu tiên gồm những hạt phun, không gắn kết giữa chúng với nhau, mà chỉ xem xét sự bám dính của các hạt với kim loại nền

Tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét cơ chế hình thành nên chính toàn bộ lớp phun

để xem liệu có sự khác biệt đáng kể nào trong sự tương tác giữa các hạt khi tạo thành lớp phủ, so với tương tác giữa chúng với nền vật phun, tức là những điều kiện

tạo nên sự liên kết giữa các hạt trong chính bản thân lớp phủ Thực nghiệm phun phủ

đ8 cho thấy là ngay cả trường hợp phun những kim loại và hợp kim khó nóng chảy,

có năng lượng liên kết mạng cao, nhưng các hạt cũng dễ hình thành lớp phủ và chúng liên kết chặt chẽ với nhau

a) b)

Hình 2.4 Sơ đồ biến dạng đồng thời với kết tinh lại của hạt kim loại phun khi va đập vào mặt phẳng (a) và hình dạng cuối cùng của hạt kết tinh (b) trên mặt phẳng phun theo [1]:

a)

b)

⇐

⇐ Hình 2.5 Phân bố nhiệt độ tại các thời điểm khác nhau TI < TII < TIII trong

hệ kết tinh vật liệu kim loại nền từ nhiệt

độ TO (a) và chảy lỏng ở nhiệt độ TPLcủa hạt kim loại biến dạng đồng thời kết tinh nhanh (b)

Hình 2.6 Sơ đồ giải thích về thay đổi thời gian τ (TK, P) theo nhiệt độ tiếp xúc và áp suất vùng tiếp xúc theo [1]: T1 - Nhiệt độ hạt ; T2 - Nhiệt độ nền ; TK (τ) - Nhiệt độ tiếp xúc là hàm số của thời gian; P (τ) - Thay đổi áp suất tiếp xúc; N (τ) / NO - Mức độ phát triển phản

ứng trong khoảng thời gian τ