CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ BỀ MẶT - CHƯƠNG 5: PHUN PHỦ BỀ MẶT

CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ BỀ MẶT - CHƯƠNG 5: PHUN PHỦ BỀ MẶT

chương 5

p h u n p hủ bề mặt 5.1 Lịch sử phát triển và phân loại

Công nghệ phun phủ bột kim loại hoặc ceramic được ra đời vào những năm 50 của thế kỷ này Ban đầu là phun bột bằng ngọn lửa đèn xì oxy-axêtylen Đến những năm 60 người ta bắt đầu sử dụng plasma hồ quang Dựa trên cơ sở tương tự như phun plasma hồ quang, người ta sáng tạo ra nhiều công nghệ phun plasma khác như : plasma tần số radio, plasma áp suất thấp,

Hai nhóm phun phủ bề mặt chính hay được dùng hiện nay là : phun bột vật liệu nóng chảy và phun plasma

Trong nhóm phun vật liệu nóng chảy, khi sử dụng hỗn hợp nổ để tạo gia tốc và đẩy bột đến bề mặt chi tiết ta có công nghệ phun nổ Từ đây ta gọi tắt hai loại phun trong nhóm này là : phun khí và phun nổ Ngoài ra, khi có sử dụng năng lượng điện (hồ quang) để làm nóng chảy vật liệu phủ ta có công nghệ phun hồ quang Để nâng cao hơn nữa chất lượng của lớp phủ cũng như giảm tiếng ồn, người ta thiết kế ra các kiểu đầu phun siêu âm

Trong các công nghệ phun plasma, dựa vào kỹ thuật tạo plasma, người ta phân ra làm hai loại :

Plasma hồ quang, plasma hình thành do hiện tượng phóng hồ quang điện

Plasma tần số radio RF (Radio Frequancy), plasma hình thành nhờ sử dụng dòng

điện cảm ứng tần số radio (vài MHz)

Tuỳ theo chất khí sử dụng để tạo plasma (gọi là khí plasma) mà người ta có : Plasma khí Ar, plasma khí N2, khí H2, , plasma hỗn hợp khí Ar+ N2, He+N2,

Tuỳ theo áp suất buồng phun mà chia ra : Plasma áp suất khí quyển, plasma áp suất âm

Sơ đồ phân loại các công nghệ phun phủ bề mặt như sau :

Phun phủ bề mặt

plasma khí Ar plasma khí N2

Phun trong khí quyển

Phun dưới

áp suất thấp

Phun plasma

hồ quang

Phun plasma tần số Radio

plasma khí

Ngày nay, trong kỹ thuật phun phủ, thông dụng hơn cả là phun khí : dùng hỗn hợp oxy-axêtylen và phun plasma hồ quang dùng hỗn hợp khí Ar + H2

5.2 đặc điểm cơ bản và vai trò của

các công nghệ phun Phủ bề mặt

Kỹ thuật tạo lớp phủ bằng các công nghệ phun phủ bề mặt thực chất là đưa các hạt rắn vào dòng vật chất có năng lượng cao : dòng khí cháy hoặc dòng plasma (tạo bằng hồ quang hoặc bằng tần số radio) nhằm : tăng tốc độ hạt rắn, nung hạt nóng chảy (có thể chỉ nóng chảy một phần), đẩy hạt nóng chảy đến bề mặt chi tiết cần phủ Lớp phủ, do đặc

điểm hình thành, có cấu trúc dạng lớp xếp chồng chất lên nhau Do đó các công nghệ phun phủ bề mặt có chung đặc điểm là :

- Nguồn năng lượng cách ly với bề mặt chi tiết phủ, nhiệt độ bề mặt phủ có thể giữ ở nhiệt độ 80 đến 100 o

C Điều này cho phép phủ ceramic lên vật liệu polyme Môi trường phun phải được khống chế, để không làm hỏng bột do các phản ứng hoá học, có thể nung nóng bột lên nhiệt độ đủ cao 900-1000 o

C nhằm cải thiện độ bám dính và tăng độ xít chặt của lớp phủ

- Các hạt rắn dưới tác dụng vật lý, hoá học của dòng phun (plasma chẳng hạn) có thành phần và tính chất thay đổi, do đó lớp phủ nhận được không nhất thiết có thành phần trùng với hỗn hợp bột ban đầu

- Lớp phủ có cấu trúc dạng lớp do các hạt nóng chảy hoặc biến mềm đập lên bề mặt phủ với một động năng nào đó làm cho chúng dẹt ra

- Các vật liệu phủ, đang ở nhiệt độ cao, khi tiếp xúc với bề mặt chi tiết thì được làm nguội rất nhanh Tốc độ nguội, khi phun plasma, ước tính khoảng 105

-107 độ/s, do đó, đối với kim loại, có thể tạo thành các pha giả ổn định, vi tinh thể cỡ hạt khoảng 0,25-0,5 àm hoặc vô định hình Công nghệ phun phủ bề mặt do đó có thể xem như bao gồm các công

đoạn : nóng chảy, đông đặc và tôi

- Có thể tạo được lớp phủ cho các chi tiết phức tạp nhờ sử dụng các tay máy, người máy hiện đại

- Để tạo được lớp phủ, tất cả các vật liệu phun phải có nhiệt độ chảy và nhiệt độ phân huỷ hoặc bay hơi chênh nhau ít nhất 300 độ, để vật liệu không bị phân huỷ hoặc bay hơi hết trước khi đến bề mặt chi tiết

Công nghệ phun phủ có thể thực hiện đối với nhiều loại chi tiết, cũng có thể xử lý tại chỗ, cục bộ đối với các kết cấu lớn Nhờ lựa chọn chất phủ và công nghệ phủ thích hợp, người ta có thể thực hiện công nghệ phun phủ lên các vật liệu phi kim loại như : ceramic, giấy, gỗ và các vật liệu polymer khác

Sự phát triển của công nghệ phun phủ bề mặt, ngày nay đã mở rộng ra nhiều lĩnh vực áp dụng khác nhau như : khí động học, hạt nhân, trong cơ khí để tạo các lớp phủ chống mài mòn, chống ăn mòn, tạo các lớp phủ trong ngành điện, lớp cách nhiệt, Ví dụ, năm 1987, lớp phủ ceramic tạo bằng công nghệ phun plasma ở Mỹ có giá trị tài chính trên 1,2 tỷ đô la, mỗi năm tăng khoảng 12%, trong đó khoảng 75% giành cho ngành hàng không (khoảng 256 chi tiết động cơ máy bay) Trong những năm qua, công nghệ phun plasma đạt được sự tiến bộ là nhờ các tiến bộ về đo lường các dòng hạt bằng laser

Trong quá trình phun phủ, nhất là phun plasma, có tới 50 thông số ảnh hưởng, vì vậy việc tối ưu hoá không phải dễ Ngày nay, nhờ các kỹ thuật đo lường hiện đại, người ta khẳng định rằng, chất lượng của lớp phủ phụ thuộc chủ yếu vào các yếu tố sau :

a- Trạng thái nóng chảy và vận tốc hạt khi đập tới bề mặt chi tiết cũng như cấu trúc của lớp phủ, để thay đổi, các thông số cần điều chỉnh là :

Vận tốc của hạt : lưu lượng khí phun, tỷ lệ bột, khối lượng riêng, cỡ hạt của bột, chiều dài phun

Nhiệt độ hạt : hệ số truyền nhiệt giữa dòng phun và hạt, hệ số dẫn nhiệt của vật liệu hạt, thời gian lưu của hạt trong dòng phun

Cấu trúc của lớp phủ : vận tốc hạt, nhiệt độ hạt, bản chất, lưu lượng, kích thước và

sự phân bố hạt, vị trí đầu phun (khoảng cách phun, độ nghiêng đầu phun)

b- Phản ứng hoá học giữa hạt với dòng phun, với môi trường Sự phân ly của hạt do bản chất vật liệu hạt và sự trao đổi nhiệt giữa hạt và dòng phun quyết định

c- Sự nung nóng chi tiết phủ phụ thuộc vào chuyển động tương đối giữa đầu phun và chi tiết, phụ thuộc vào sự tản nhiệt ra môi trường xung quanh, quyết định cấu trúc của lớp phủ, ứng suất và sự hình thành vết nứt trong lớp phủ

Cấu trúc và tính chất của lớp phủ phụ thuộc vào nhiều thông số, ngược lại, một thông

số ảnh hưởng đến nhiều tính chất của lớp phủ, đôi khi chồng chéo và tác dụng đối ngược nhau Vì vậy, việc mô hình hoá để tìm tối ưu là điều rất cần thiết

5.3 Các phương pháp đo và mô hình hoá

5.3.1 Các điểm chung

Như đã nêu trên, dòng phun có thể là sản phẩm cháy của khí có chứa các khí : CO2,

CO, H2O, H2, O2, N2, H, O, N có thể là plasma hình thành dưới tác dụng của từ trường dòng

điện một chiều, hoặc dòng điện tần số radio có áp suất nằm trong khoảng từ 6.103

đến

105

Pa Khí plasma thường là hỗn hợp của các khí Ar-H2, Ar-He và N2-H2

Tận dụng năng lượng của hỗn hợp nổ cũng là xu hương được nhiều người quan tâm vì chất lượng lớp phủ cao ( xít chặt, bám dính tốt ) và phủ nhanh

Sơ đồ làm việc của ba loại đầu phun được trình bày trên hình 5.1a- đầu phun khí, 5.1b- đầu phun hồ quang và 5.1c đầu phun nổ

Khi phun plasma, hình 5.1c., ngọn lửa phun khá dài, các đường cong biểu thị các

đường đẳng nhiệt và vận tốc chuyển động của dòng phun Nhiệt độ cao nhất trên trục có thể đạt tới 14000K

Mật độ năng lượng của plasma hồ quang khoảng 102

KWh/kg khí Bột được đưa vào trong ống phun ở cuối hoặc ở bên ngoài ống theo phương vuông góc hoặc nghiêng một chút so với trục đầu phun

Đối với đầu phun tần số radio (RF), đường kính plasma to hơn nhiều (20-40mm), mật

độ năng lượng trung bình nhỏ hơn đầu phun hồ quang từ 10-20 lần (khoảng 15-10 KWh/kg khí) Bột phải đưa vào tâm dòng phun để không làm đảo lộn dòng phun

Khi sử dụng đầu phun RF, sự hình thành plasma phụ thuộc vào bản chất của khí, vào tần số và vào công suất của đầu phun RF, vào vị trí, vào bước cuốn của vòng cảm ứng và cách dẫn khí trong đầu phun RF

Khác với khi phun plasma hồ quang, khi phun plasma RF, nhiệt độ cao nhất không quá 10.000K, vận tốc nhỏ hơn 50 m/s và gradient nhiệt độ và vận tốc khí theo phương pháp tuyến đều nhỏ hơn, khí dùng phổ biến là hỗn hợp Ar-He, áp dụng chủ yếu là phủ hợp kim MCrAlY (M=Ni, Co, Ni-Co, Fe, ), phủ ceramic còn chưa hoàn toàn ổn định

Các phân tích sau dây chủ yếu dựa vào kết quả nghiên cứu đối với dòng phun plasma, đối với dòng phun khí, do đơn giản hơn, được suy ra tương tự

Hình 5.1a Sơ đồ đầu phun khí 1- ngọn lửa phun

2- cấp bột 3- khí nén 4- khí cháy

Hình 5.1b Sơ đồ đầu phun plasma

1- dòng plasma 2- nước làm nguội 3- khí plasma 4- cấp bột 5- cách điện

Hình 5.1c Sơ đồ đầu phun nổ

1 - khí mang bột

2 - thùng chứa bột

3 - bu gi

4 - nòng phun

5 - đường dẫn khí cháy

5.3.2 Các phương pháp đo đạc và phân tích

2

5

3

1

4

Nhiệt độ, vận tốc plasma, bột

5.3.3 Mô hình hoá quá trình phun plasma

5.3.3.1 Phun plasma

Có nhiều mô hình được đề ra : mô hình chảy tầng, mô hình chảy rối

Đối với đầu phun hồ quang : chỉ cho phép thiết lập quan hệ giữa sự phân bố nhiệt độ

và vận tốc với điều kiện biết sự phân bố nhiệt độ trước khi đưa bột vào Các quá trình điện

cực hầu như chưa có mô hình nào Ngược lại, đối với plasma RF, người ta hoàn toàn lập

được mô hình và dự kiến được sự phóng điện xẩy ra khi nào

Người ta cũng đã thiết lập mô hình truyền nhiệt và trao đổi chất khi phun phủ bề mặt

từ đó xác định sự phân bố nhiệt độ trong dòng phun và trong hạt cũng như ảnh hưởng của

các thông số công nghệ đến sự phân bố nhiệt độ Từ các kết quả này, người ta đã xác định

được các thông số hợp lý cho quá trình phun phủ bề mặt Tuy nhiên vì phức tạp và biến đổi

theo điều kiện thực tiễn do đó các kết quả trình bày sau đây cũng chỉ để tham khảo

5.4 Sự hình thành lớp phủ

5.4.1 Trạng thái tiếp xúc của hạt lên bề mặt chi tiết

Quá trình hình thành lớp phủ bao gồm các bước : tạo dòng phun có năng lượng cao,

đưa bột vào dòng phun, nung nóng chảy bột, phủ lên bề mặt chi tiết, đông đặc và hình

thành lớp phủ Chuyển động của hạt trong dòng phun rất ngắn ( chỉ từ 10-5

đến 10-3

s) do

đó chi có thể điều khiển được nhờ mô hình hoá và thực hiện tự động

Khi phun hạt lên bề mặt phẳng, tỷ lệ đường kính phủ của hạt lên bề mặt (D) so với

đường kính hạt ban đầu d xác định theo công thức :

D/d = k ( ρ Vd à)0,2

(5.2) Trong đó : ρ là khối lượng riêng của hạt

à là độ sệt hạt khi tới bề mặt

Vd là vận tốc hạt khi đập vào bề mặt

k là hệ số phụ thuộc vào cấu trúc bề mặt, vào công nghệ phun

Khi phun hạt Al2O3 trong plasma hồ quang, khí plasma sử dụng là hỗn hợp khí Ar + 10%

H2, công suất 29 kW thì k = 1,29 xác định bằng thực nghiệm, khi đó D/d = 3 đến 7 Khi hạt

nóng chảy (T > To) thì à rất nhỏ do đó tỷ lệ D/d cao, cần tăng vận tốc hạt để giảm thời gian

lưu của hạt và do đó giảm nhiệt độ hạt Khi hạt đập lên bề mặt, có ba khả năng tiếp xúc

giữa hạt và bề mặt (hình 5.2.) :

Hình 5.2 Trạng thái tiếp xúc của hạt phun lên bề mặt chi tiết a- phun dính, b- phunbám dính một phần, c- phun không bám dính (tung toé)

- Phun dính, hình 5.2a, hạt bám dính tốt lên bề mặt, thường xẩy ra khi phun hạt lên

bề mặt trước đó đã được phủ hoặc lớp phủ bám dính tốt bề mặt chi tiết

- Phun bám dính một phần, hình 5.2b, chỉ bám ở phần giữa, còn xung quanh không

bám dính cong lên như các cánh hoa

- Phun tung toé, hình 5.2c, các hạt có nhiệt độ quá cao khi đập lên bề mặt thì vỡ ra

làm nhiều mảnh nhỏ Chất lượng lớp phủ do trạng thái tiếp xúc của hạt lên bề mặt quyết

định, tốt nhất là phun dính Nhiệt luyện lớp phủ cải thiện đáng kể tính chất của lớp phủ: tăng bám dính, tăng độ xít chặt của lớp phủ, Tuy nhiên còn một loại vấn đề chưa được giải quyết là: chi tiết phủ thông thường có bề mặt bất kỳ, quá trình nguội rất nhanh của lớp phủ (cỡ 107

độ.s), có ảnh hưởng đến công nghệ phun cũng như chất lượng lớp phủ

5.4.2 Sự bám dính của lớp phủ

Sự bám dính là đặc tính quan trọng nhất của lớp phủ, cơ chế bám dính của lớp phủ lên chi tiết như sau:

a, Móc nối cơ học, là cơ chế bám

dính quan trọng nhất đặc biệt với lớp phủ

ceramic Sự phun cát làm sạch bề mặt

trước khi phủ tạo ra các nhấp nhô bề mặt

(hình 5.3.) là nơi bám dính móc nối cơ

học của lớp phủ lên bề mặt Sự bám nối

tăng khi tăng số lượng nhấp nhô trên bề

mặt Tuy nhiên cũng phải chú ý là khi

tăng thời gian phun cát làm sạch để tăng

số lượng nhấp nhô trên bề mặt Hình 5.3 Bám dính cơ học của lớp phủ

Để bám dính tốt, như đã nêu trên, hạt phải được phủ dính trên bề mặt, cho nên độ nhớt phải nhỏ và tính thấm ướt phải cao Để bám dính tốt thì hệ số dãn nở nhiệt của lớp phủ phải ít sai khác với vật liệu chi tiết Đối với lớp phủ chất lượng cao, lực bám dính tối thiểu phải từ 30-50 MPa mới đạt yêu cầu Đối với lớp phủ ceramic lên vật liệu ceramic, lên cacbon hoặc lên vật liệu compozit sử dụng trong nhiều lĩnh vực: hàng không, vũ trụ và hạt nhân, còn nhiều vấn đề cần hoàn chỉnh

b, Bám dính nhờ liên kết giữa các nguyên tử hoặc phân tử với nhau, lực liên kết

hình thành do quá trình khuếch tán tạo ra các hợp kim hoặc hỗn hợp, có độ bền nhất định Quá trình khuếch tán chỉ có thể xẩy ra đáng kể khi nhiệt độ bề mặt chi tiết đủ cao Ví dụ khi phun bột siêu hợp kim dưới áp suất âm Nhiệt độ bề mặt trong quá trình phun là 950 o

C

do hồ quang điện nung nóng Hoặc khi phun Al lên bề mặt Ni nhờ phản ứng toả nhiệt tạo hợp kim Al-Ni

c, Bám dính hoá học, do ái lực hoá học của lớp phủ với vật liệu nền tạo thành các

hợp chất hoá học, ví dụ khi phủ Mo lên chi tiết thép Do Mo có ái lực hoá học lớn với Fe chúng phản ứng tạo thành các hợp chất liên kim như FeMo, Fe2Mo Các phản ứng này toả nhiệt làm nóng chảy lớp vật liệu sát phía dưới làm cho các phản ứng xẩy ra càng mạnh, giữa Ni và Al cũng xẩy ra hiện tượng tương tự này Các hợp chất hoá học thì bền vững nhưng hay bị giòn

Trong các cơ chế bám dính nêu trên, bám dính nhờ liên kết nguyên tử hoặc phân tử thì cho độ bền cao nhất Sự bám dính có thể được cải thiện nếu ta tạo sơ bộ một lớp ăn chân trung gian có chiều dày từ 0,05 đến 0,2 mm có tác dụng :

- Cải thiện tính thấm ướt của hạt lên chi tiết

- Lớp chuyển tiếp để giảm chênh lệch đột ngột về hệ số dãn nở nhiệt

- Bảo vệ bề mặt chi tiết trước khi phủ (khỏi oxy hoá)

Các lớp trung gian ăn chân thường được dùng và nhiệt độ oxy hoá tối hạn là : Mo (315o

C), NiAl20 (620 o

C), NiAl5 (1010 o

C), NiCr20 (1260 o

C), NiCr20Al6 (980 o

C) Các chi tiết có lớp phủ sơ bộ phải được giữ nhiệt độ trước khi phủ không được vượt quá nhiệt độ

oxy hoá tới hạn, mặt khác cũng phải tránh các quá trình ăn mòn khác, ví dụ ăn mòn NiAl6 trong dung dịch muối Lớp phủ trung gian quan trọng là MCrAlY (trong đó M có thể là Ni,

Co, Fe, Ni-Co, ) có tác dụng tránh va đập nhiệt (biến đổi nhiệt đột ngột) cho siêu hợp kim

5.4.3 ứng suất trong lớp phủ

Hai loại ứng suất là : ứng suất vi mô và ứng suất vĩ mô

- ứng suất vi mô, hình thành do các tấm nhỏ co lại khi khi làm nguội (vì lớp phủ có cấu trúc lớp, mỗi lớp do các tấm ghép lại) Các tấm nhỏ có thể nằm trên mặt tiếp xúc với vật liệu nền có thể nằm trong lớp phủ và cấu tạo nên lớp phủ Thông thường các ứng suất kéo của các tấm nhỏ tự triệt tiêu khi xuất hiện các vết nứt Các vi ứng suất có thể sinh ra

và cân bằng trên mặt phân cách giữa lớp phủ và chi tiết, cũng có thể ở chính trong lớp phủ Vì thế, vi ứng suất ảnh hưởng đến hệ số giãn nở nhiệt tương đối giữa lớp phủ và nền, cũng

có thể ảnh hưởng đến biến dạng của chi tiết, do đó lớp trung gian có vai trò quan trọng trong cân bằng vi ứng suất

- ứng suất vĩ mô, xuất hiện và cân bằng trong toàn bộ chi tiết lớp phủ Nguyên nhân

là do hệ số co khi làm nguội của lớp phủ và chi tiết khác nhau

a) b)

Hình 5.4 Trạng thái bề mặt và ứng suất

Đặc biệt với lớp phủ ceramic, do vật liệu ceramic chịu nén cao hơn nhiều chịu kéo, do đó trong quá trình phủ phải tạo lớp ăn chân trước hoặc tạo ứng suất nén lên lớp phủ Ví dụ làm nguội bằng nước phía đối diện với lớp phủ, trong quá trình phủ, lớp phủ luôn chịu ứng suất nén do đó triệt tiêu một phần hoặc hoàn toàn ứng suất kéo khi làm nguội toàn lớp phủ, vì vậy lớp phủ không bị nứt Điều khiển tốc độ nguội của lớp phủ bằng các biện pháp sau :

a, Thổi lên bề mặt trước và trong quá trình phủ bằng khí CO2, không khí hoặc khí hoá lỏng

b, Thổi khí nén vuông góc với dòng plasma sát với mặt chi tiết để dòng plasma không trực tiếp nung nóng bề mặt chi tiết

c, Tăng tốc độ quét đầu phun trên bề mặt chi tiết để làm giảm chiều dày phủ mỗi lần quét, quét nhiều lần để tạo lớp phủ dày

Ví dụ, khi phủ ZrO2 + 8% Y2O3 (theo khối lượng) dày 0,4 mm Nếu phun bình thường thì ứng suất dư lớn Nếu tìm cách để giữ nhiệt độ chi tiết và lớp phủ thấp (ví dụ phun nước làm nguội ở mặt đối diện) thì ứng suất trong lớp phủ là ứng suất nén và không có gì nguy hiểm

Đối với lớp phủ ZrO2, lớp ăn chân trung gian hầu như không ảnh hưởng đến ứng suất dư trong ZrO2, nhưng lại làm giảm rõ nét tính không liên tục của ứng suất trên bề mặt phân cách

5.4.4 Cấu trúc của lớp phủ

Do được làm nguội quá nhanh từ trạng thái lỏng sang trạng thái đặc (107

độ/s) các hạt vật liệu có thể ở trạng thái không ổn định hoặc vô định hình Khi được làm nguội nhanh thì các hạt tinh thể rất nhỏ mịn, do đó cơ tính rất cao

5.4.5 Đô xốp của lớp phủ

Do bản chất hình thành lớp phủ bằng phun plasma, do tốc độ làm nguội mà lớp phủ luôn luôn có độ xốp nhất định, thường từ 3 đến 20% Sự hình thành các lỗ xốp trong lớp phủ có thể hình dung trên hình 5.5 Khi các hạt nóng chảy hoàn toàn, được đập vào bề mặt với vận tốc lớn thì độ xốp nhỏ Để tăng vận tốc hạt người ta thiết kế các loại đầu phun siêu âm, đầu phun công suất lớn (80 kW)

Hình 5.5 Sự hình thành lỗ xốp trong lớp phủ a,b- hạt nóng chảy không liên kết, c- hạt không nóng chảy, d- phun tung toé

Cấu trúc của lớp phủ quyết định các tính chất cơ, điện, tính chất nhiệt lý và cuối cùng

là các tính chất sử dụng của vật liệu Trên hình 5.6 là tập hợp các dạng khuyết tật của lớp phủ bao gồm:

a- Không bám dính, không cấu kết giữa lớp phủ và chi tiết do đầu phun luôn di chuyển trên bề mặt chi tiết không hợp lý

b- Sự phân tầng

c- Nứt tế vi, hình thành do ứng suất kéo trên các tấm nhỏ tạo thành

d- Các lỗ hổng, cơ chế hình thành như nêu trên hình 5.5

e- Các vết nứt vuông góc với bề mặt, do lớp phủ co lại khi làm nguội

Hình 5.6 Các dạng khuết tật của lớp phủ

f- Bọt khí nằm trong lớp phủ khi phun g- Hạt không nóng chảy

Để giảm các khuyết tật của lớp phủ cần có biện pháp phối hợp : chọn loại bột (cỡ hạt, sự phân bố cở hạt), chế độ công nghệ phun (nhiệt độ chi tiết, lưu lượng ,khí plasma, áp suất phun, lưu lượng bột, )

Tính chất của lớp phủ ceramic, nói chung thay đổi rất ngẫu nhiên, ít chế ngự được, ngược lại lớp phủ kim loại phần nào chế ngự được Ví dụ, lớp phủ MCrAlY lên siêu hợp kim, nếu phủ trong áp suất âm, nhiệt độ chi tiết khi phủ giữ ở 950-1000 o

C Sau khi phủ, đem nhiệt luyện để cải thiện liên kết và khử ứng suất Kết quả, nhận được lớp phủ xít chặt hơn

và cơ tính tốt hơn là không nhiệt luyện

Để cải thiện tính chất của lớp phủ ceramic thì phức tạp hơn nhiều Vì phải ủ ở nhiệt độ

1400 oC hàng 100h, mà đối với chi tiết, hiếm có vật liệu nào chịu được điều kiện này Ngày nay người ta đã phải dùng chiếu tia laser để cải thiện tính chất của lớp phủ ceramic Lớp phủ sau khi sử lý thì xít chặt hơn nhưng lại xuất hiện nhiều vết nứt vuông góc với bề mặt Gần đây, đã xuất hiện lớp phủ compozit nền ceramic sợi tế vi Sợi và nền được trộn lẫn và phun cùng Độ cứng có thể đạt 2000HV Bề mặt chi tiết trước khi phủ phải được phun cát làm nhám với Ra ≥ 0,4 àm, nếu không, ứng suất trong lớp phủ sẽ gây nhiều vết nứt làm bong lớp phủ

5.5 Công nghệ phun bột vật liệu nóng chảy

Là phương pháp được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp để tạo các lớp phủ Zn,

Cd, Pb, Al, Sn, Ni, Cu, chống ăn mòn, mài mòn và trang trí Ngoài ra, phun phủ bề mặt còn có các tác dụng đặc biệt khác như : tăng điện trở, sửa chữa các khuyết tật bề mặt,

Người ta thường thiết kế lỗ phun có góc mở khoảng 25o

để đảm bảo khả năng dẫn bột tốt và ít bị không khí thâm nhập vào khi phun Tuỳ theo loại loại khí cháy sử dụng, người ta tính toán các thông số khi phun để chỉ số Râynol nằm trong khoảng thích hợp Ví dụ: khí cháy là H2 thì Re là 2200, axêtylen và khí đốt thì chọn Re khoảng 8900 đến 10400

Bột được đưa vào tâm của dòng phun, nhiệt độ ngọn lửa khi dùng hỗn hợp oxy-axêtylen có thể lên tới 3200 o

C , tốc độ trung bình khoảng 150 - 160 m/s Do đó bột được nóng chảy (bột có nhiệt độ chảy cao, có thể chỉ được nóng chảy lớp bề mặt), được dòng khí dẫn tới đập lên bề mặt tạo thành lớp phủ Ngoài vật liệu phủ dạng bột, đối với kim loại (Zn, Sn, ) người ta còn sử dụng dưới dạng dây

Ưu điểm của công nghệ phun bột vật liệu nóng chảy là :

Có thể phủ được hầu hết các vật liệu có nhiệt độ chảy dưới 3000 o

C

Tốc độ phủ nhanh (từ 8 đến 10 kg/h) hệ số sử dụng vật liệu cao (có thể đạt tới 95%)

Có khả năng phủ cục bộ ở một phần bề mặt chi tiết, có thể phủ tại chỗ không cần tháo lắp chi tiết

Dễ thực hiện, giá đầu tư thiết bị nhỏ, dễ thay đổi

Nhược điểm chủ yếu của công nghệ là :

Chỉ phủ được các vật liệu có nhiệt độ chảy không cao lắm (chủ yếu là vật liệu kim loại)

Độ xốp lớp phủ lớn (5-25%) do đó chất lượng lớp phủ không cao lắm (độ bền không vượt quá (5-25) MPa

Hiệu suất nhiệt của dòng phun thấp, chỉ đạt khoảng (2-12)%

Khi phủ bằng phương pháp phun bột vật liệu nóng chảy, người ta thường tạo gia tốc chuyển động cho các hạt vật liệu nóng chảy nhờ khí nén dưới áp suất từ 4,2 đến 4,5 at Trong quá trình phun, vật liệu dạng bột được nung nóng nhờ sản phẩm cháy của các khí như : axêtylen (C2H2), khí đốt ( C3H8 + C4H10), khí mêtal (CH4), đốt cháy bằng oxy hoặc khí nén Các khí này phải được làm sạch dầu mỡ và ít ẩm Khi phun, tỷ lệ lưu lượng của các khí phải nằm trong giới hạn thích hợp thì nhiệt độ mới cao, tốc độ dòng phun do đó cũng bị hạn chế Khi phun vật liệu nóng chảy, do chủ yếu chỉ dựa vào năng lượng của dòng khí cho nên khi phun khí, nhiệt độ hạt, khả năng bám dính và chất lượng lớp phủ thấp hơn khi phun plasma Chiều dài ngọn lửa khi phun plasma cũng lớn hơn

Nói chung, để lớp phủ đồng đều, bám dính tốt thì bề mặt chi tiết phải sạch, phẳng

và dễ bám dính lớp phủ, tốt nhất là sau khi được phun cát làm sạch Vật liệu phủ có thể ở dạng bột, dạng sợi Năng lượng làm nóng chảy vật liệu phủ ngoài nhiệt năng do đốt cháy các nhiên liệu khí, nếu có sử dụng năng lượng điện thì chất lượng lớp phủ tốt hơn

Khi cần tạo lớp phủ dày, thì nên phủ làm nhiều lần, mỗi lần phun với chiều dày từ 0,3 đến 0,5mm, để nhiệt độ bề mặt (T) trong quá trình phun không quá cao (T/Tf < 0,45, xem mục 0.7) dễ tạo thành tinh thể thô to làm xấu tính chất của lớp phủ

Công nghệ phun bột vật liệu nóng chảy có thể thực hiện đối với Polyme Khi phun các hạt vật liệu Polyme sẽ nóng chảy và liên kết với lớp bề mặt hoặc lớp vật liệu Polyme

có sẵn trên bề mặt Trước khi phun, bột Polyme phải được sấy từ 5 đến 6 h ở (50-60) o

C,

bề mặt chi tiết cũng phải được nung đến nhiệt độ sát nhiệt độ chảy của Polyme Chi tiết lớn, nếu không đưa vào lò sấy được thì có thể dùng hệ thống mỏ đốt đặt phía trước đầu phun bột để nung nóng sơ bộ trong quá trình phủ Nhiệt độ chi tiết càng đồng đều và xấp

xỉ nhiệt độ chảy của Polyme thì chất lượng lớp phủ càng cao Trường hợp không nung nóng trước bề mặt (nhất là chi tiết hình khối lớn mà không được trang bị hệ thống mỏ đốt

để nung nóng sơ bộ) thì phải sơn vài lớp lót ăn chân trước khi phun Lớp lót ăn chân thường là các dung môi của sơn (hay dầu sơn) Sau khi lớp lót ăn chân khô se bề mặt thì phun ngay Bảng 1 nêu thành phần một số hỗn hợp phun phủ polyme hay dùng :

Bảng 5.1 Thành phần một số bột phun polyme

1 55% Polyvinylbutyran + 19,8% PEHD*

+ 18% nhựa phenol-formadehyt + 10% graphit

2 40% etylxenlulo + 60% sáp

3 90% polyvinylbutyran + 10% graphit

4 50% polyvinylbutyran + 23% graphit + 21 iditol + 2% urotropyl

5 33% PE + 16% PS + 15% xerezin + 30% bột Al + 6% bột Fe

6 50% PEHD + 35% PS 15% phấn chì bạc

* - PEHD- polyetylen (PE) tỷ trọng cao, PS- polystyren

Để cải thiện tính chất của lớp phủ, người ta còn cho thêm vào các chất độn nhằm cải thiện các tính chất cơ học, vật lý và hoá học của lớp phủ Đặc biệt, đưa các vật liệu sợi vào để tạo lớp phủ compozit là hướng đang được nhiều người quan tâm hiện nay

Các khuyết tật chủ yếu của lớp phủ là : phồng rộp từng vùng và bọt khí

Một số kiểu đầu phun và đặc tính kỹ thuật được nêu trong bảng 5.2

Hình 5.1a là sơ đồ hoạt động một loại thiết bị phun khí dùng bột Tốc độ cực đại ở tâm dòng phun khoảng từ 600 đến 800 m/s Tiêu thụ khí cháy (propan (C3H8)) khoảng 7-10

m3

/h, tiêu thụ oxy 28-40 m3

/h, chiều dài ngọn lửa khoảng 300 mm, chiều dài phun hữu ích khoảng 150 mm

Bảng 5.2 Một số kiểu đầu phun khí

Ký hiệu

MPa

Công suất kg/h

Hiệu suất

%

Đầu phun

kg

0,03-0,05

YΠTP1-78M

95-98 1,3

OAM

(Pháp)