BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

NGUYỄN CHÍ BẢO

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LƯU LƯỢNG VÀ TỐC ĐỘ

CHUYỂN ĐỘNG TƯƠNG ĐỐI GIỮA ĐẦU PHUN VỚI CHI TIẾT

ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT PHUN PHỦ BẰNG CÔNG NGHỆ

PHUN NHIỆT KHÍ TỐC ĐỘ CAO – HVOF

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – NĂM 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

NGUYỄN CHÍ BẢO

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LƯU LƯỢNG VÀ TỐC ĐỘ

CHUYỂN ĐỘNG TƯƠNG ĐỐI GIỮA ĐẦU PHUN VỚI CHI TIẾT

ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT PHUN PHỦ BẰNG CÔNG NGHỆ

PHUN NHIỆT KHÍ TỐC ĐỘ CAO – HVOF

Ngành : Kỹ thuật Cơ khí động lực

Mã số : 62 52 01 16

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. PGS. TS. ĐINH VĂN CHIẾN

2. PGS. TS. TRIỆU HÙNG TRƯỜNG

HÀ NỘI - NĂM 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu khoa học của

riêng tôi. Các số liệu trình bày trong luận án được phản ánh hoàn toàn trung

thực. Các kết quả nghiên cứu trong luận án chưa có ai công bố trong bất kỳ

công trình nghiên cứu nào.

Hà Nội, ngày 20 tháng 6 năm 2017

Tác giả luận án

Nguyễn Chí Bảo

ii

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc và chân thành nhất đến hai thầy hướng

dẫn khoa học là PGS.TS. Đinh Văn Chiến và PGS.TS. Triệu Hùng Trường là

cán bộ giảng dạy Trường Đại học Mỏ - Địa chất. Các thầy đã tận tình hướng

dẫn, chỉ bảo và động viên trong suốt quá trình nghiên cứu để tôi có thể hoàn

thành luận án này.

Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy, cô giáo Bộ môn

Máy và Thiết bị mỏ; Khoa Cơ điện; Phòng Đào tạo Sau đại học; Ban lãnh đạo

Trường Đại học Mỏ - Địa chất; Trường Đại học công nghiệp Hà Nội đã tạo

mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt thời gian làm luận án cũng như các đóng

góp quý báu về luận án.

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

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

và đồng nghiệp Trung tâm cơ khí Trường Đại học công nghiệp Hà Nội và

Viện Khoa học Vật liệu, đã đóng góp ý kiến, tư vấn, hỗ trợ, tạo điều kiện

thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình làm thực nghiệm của luận án.

Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn đến sự giúp đỡ quý báu của Công ty

TNHH Dịch vụ Kỹ thuật Quang Khánh - TP. Vũng Tàu đã tạo điều kiện giúp

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

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

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

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

Tác giả luận án

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i

LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...................................... vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .................................................. viii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .................................................................... xi

MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1

Chương 1: TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP PHUN NHIỆT ........................... 6

1.1. Công nghệ phun kim loại ....................................................................... 6

1.2. Các phương pháp phun nhiệt ................................................................ 11

1.2.1. Các phương pháp phun nhiệt ......................................................... 11

1.2.2. Ứng dụng của các phương pháp phun nhiệt .................................. 15

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

1.4. Các nghiên cứu về phun nhiệt ở Việt Nam .......................................... 21

1.5. Những vấn đề đặt ra cần nghiên cứu .................................................... 24

Kết luận chương 1 ....................................................................................... 28

Chương 2: CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA PHƯƠNG PHÁP PHUN NHIỆT

KHÍ VÀ ĐỘNG LỰC HỌC QUÁ TRÌNH PHUN HVOF ................ 29

2.1. Lý thuyết về sự hình thành lớp phủ ...................................................... 29

2.2. Quá trình phun HVOF .......................................................................... 33

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

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

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

2.3. Tính chất của lớp phủ ........................................................................... 38

2.3.1. Cấu trúc lớp phủ ............................................................................. 40

2.3.2. Thành phần của lớp phủ phun nhiệt ............................................... 41

2.3.3. Sự lắng đọng của lớp phủ ............................................................... 42

iv

2.3.4. Ứng suất dư .................................................................................... 43

2.3.5. Độ cứng .......................................................................................... 45

2.3.6. Độ xốp ............................................................................................ 46

2.3.7. Độ bám dính ................................................................................... 47

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

2.4.1. Động lực học dòng khí ................................................................... 51

2.4.2. Động lực học hạt ............................................................................ 55

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

...................................................................................................................... 60

2.5.1. Ảnh hưởng của dịch chuyển tương đối giữa đầu phun và chi tiết . 60

2.5.2. Ảnh hưởng của các tham số động học phun .................................. 63

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

Kết luận chương 2 ....................................................................................... 66

Chương 3: VẬT LIỆU, TRANG THIẾT BỊ, PHƯƠNG PHÁP PHUN VÀ

XÁC ĐỊNH ĐẶC TÍNH LỚP PHỦ ................................................... 67

3.1. Vật liệu phun phủ ................................................................................. 67

3.1.1. Vật liệu nền .................................................................................... 67

3.1.2. Vật liệu bột phun ............................................................................ 68

3.2. Lập quy trình thử nghiệm ..................................................................... 70

3.3.1. Thiết bị phục vụ thực nghiệm ........................................................ 74

3.3.2. Thiết bị phun .................................................................................. 74

3.4. Phun phủ thực nghiệm .......................................................................... 78

3.4.1. Kế hoạch thực nghiệm ................................................................... 78

3.4.2. Tiến hành thực nghiệm ................................................................... 79

3.4.3. Xây dựng hàm hồi quy thực nghiệm .............................................. 81

3.4.4. Hình ảnh các mẫu thực nghiệm ...................................................... 82

3.5. Thiết bị đánh giá chất lương lớp phủ.................................................... 83

v

3.6. Phương pháp đánh giá chất lượng lớp phủ ........................................... 84

3.6.1. Phương pháp xác định độ cứng lớp phủ ........................................ 84

3.6.2. Phương pháp xác định độ xốp lớp phủ .......................................... 86

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

3.6.4. Phương pháp chụp ảnh SEM .......................................................... 94

Kết luận chương 3 ....................................................................................... 95

Chương 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ............................ 96

4.1. Kết quả thực nghiệm ............................................................................. 96

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

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

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

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

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

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

................................................................................................................ 106

4.3.2. Ảnh hưởng của tốc độ quay của chi tiết tới độ bám dính lớp phủ108

4.3.3. Ảnh hưởng của lượng dịch chuyển đầu phun tới độ bám dính lớp phủ

................................................................................................................ 109

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

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

Kết luận chương 4 ..................................................................................... 117

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................... 119

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ .................................... 120

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 121

PHỤ LỤC ...................................................................................................... 127

vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu và

chữ viết tắt Ý nghĩa từ viết tắt

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

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

APS Phun Plama không khí (Air Plasma Spray)

CFD Động lực học dòng tính toán (Computational FluidDynamics)

CS Phun lạnh (Cold Spray)

D Đường kính ngoài của mẫu thực nghiệm (mm)

d Đường kính trong của mẫu thực nghiệm (mm)

d1, d2 Đường chéo vết lõm (µm)

DGun Phun nổ

Ec Mô đun đàn hồi của lớp phủ (Pa)

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

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

h Chiều cao lớp phủ, (mm)

HVAF Phun tốc độ cao khí nhiên liệu (High Velocity Air - Fuel)

HVOF Phun nhiệt khí tốc độ cao (High Velocity Oxygen-Fuel)

L Khoảng cách từ đầu súng phun đến bề mặt kim loại nền (mm)

LPG Hỗn hợp nhiên liệu ở thể khí (Liquefied Petroleum Gas)

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

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

m Lưu lượng cấp bột phun (gam/phút)

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

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

kim loại nền (KN).

QHTN Quy hoạch thực nghiệm

vii

Ký hiệu và

chữ viết tắt Ý nghĩa từ viết tắt

Ra Sai lệch trung bình số học các giá trị tuyệt đối của profile

trong khoảng chiều dài chuẩn (µm)

S Lượng dịch chuyển súng phun sau 1 vòng quay của chi tiết

(mm/vòng)

SEM Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope)

SVL Diện tích quy ước vết lõm (µm2)

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

(MPa)

σc Ứng suất do làm nguội (Pa)

σq Ứng suất do tôi (Pa)

tc Độ dày của lớp phủ (m)

Tf Nhiệt độ lắng đọng (0C)

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

Ts Nhiệt độ của vật liệu nền (°C)

ts Độ dày của vật liệu nền (m)

TR Nhiệt độ môi trường (0C)

Ứng suất bám trượt (MPa)

Vct Tốc độ chuyển động của bề mặt chi tiết khi phun (m/phút)

VPS Phun Plama chân không (Spray Plasma Vacuum)

γ Độ xốp lớp phủ (%)

viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

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

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

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

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

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

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

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

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

Hình 2.1: Các giai đoạn quá trình phun nhiệt ................................................. 30

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

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

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

Hình 2.5: Vận tốc dòng khí trong hệ thống HVOF theo áp suất buồng súng . 34

Hình 2.6: Sự hình thành sóng xung kích của dòng phun có áp suất cao hơn áp

suất môi trường ..................................................................................... 35

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

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

Hình 2.9: Sơ đồ cấu trúc lớp phủ. ................................................................... 40

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

Hình 2.11: Sơ đồ ứng suất kéo ........................................................................ 44

Hình 2.12: Sơ đồ ứng suất nén ........................................................................ 45

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

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

diện ngang ............................................................................................. 48

Hình 2.15: Kết cấu vòi phun HVOF. .............................................................. 49

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

ix

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

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

Hình 2.19: Tốc độ và nhiệt độ của hạt ............................................................ 58

Hình 2.20: Phân bố hạt trong quá trình phun .................................................. 59

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

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

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

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

Hình 3.1: Mẫu phun bằng thép 40Cr............................................................... 68

Hình 3.2: Hình ảnh bột phun Cr3C2– NiCr ..................................................... 69

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

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

Hình 3.5: Mẫu trong khi phun ......................................................................... 83

Hình 3.6: Kiểm tra nhiệt độ mẫu ..................................................................... 83

Hình 3.7: Các mẫu thực nghiệm thép 40Cr phun phủ bộtcác bít Cr3C2-NiCr

bằng phương pháp HVOF .................................................................... 83

Hình 3.8: Vết đo độ cứng Vicker. ................................................................... 85

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

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

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

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

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

Hình 3.14: Kích thước khuôn ép và mẫu thử .................................................. 92

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

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

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

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

x

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

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

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

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

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

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

Hình 4.10: Đồ thị 3D biểu diễn mối quan hệ (n) đến độ bám dính lớp phủ. 108

Hình 4.11: Đồ thị 2D biểu diễn mối quan hệ (n) đến độ bám dính lớp phủ. 109

Hình 4.12: Đồ thị 3D biểu diễn mối quan hệ (S) đến độ bám dính lớp phủ. 110

Hình 4.13: Đồ thị 2D biểu diễn mối quan hệ (S) đến độ bám dính lớp phủ. 110

Hình 4.14: Ảnh chụp đo lực để tính độ bám mẫu số 110 ............................. 111

Hình 4.15: Ảnh vết đo độ cứng tại cáclớp. ................................................... 114

Hình 4.16: Ảnh soi vùng biên giới liên kết ................................................... 115

Hình 4.17: Ảnh SEM liên kết lớp phủ. ......................................................... 116

xi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

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

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

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

công nghiệp. .......................................................................................... 38

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

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

Bảng 3.2: Cơ tính của thép 40Cr. .................................................................... 67

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

Bảng 3.4: Bảng hoạch đồ thực nghiệm phun HVOF ...................................... 79

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

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

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

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

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

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

1

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài

Phun phủ nhiệt khí tốc độ cao (High Velocity Oxygen-Fuel, viết tắt là

HVOF) là một kỹ thuật phun nhiệt được ứng dụng từ những năm 1980. So

sánh với các phương pháp phun nhiệt khác (phun hồ quang điện, phun plasma,

phun khí cháy, phun nổ,…), phun phủ nhiệt khí tốc độ cao HVOF có các đặc

trưng nổi bật như mật độ, độ bền bám dính và độ cứng tốt hơn. Do đó, công

nghệ này tạo được lớp phủ sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp

mang lại hiệu quả kinh tế cao.

Hiện nay, nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt khí tốc độ cao

HVOF trên thế giới được phát triển mạnh nhằm tạo lớp phủ kim loại và hợp

kim có chất lượng tốt, nâng cao tuổi thọ của các chi tiết máy dạng trục bị mòn

trong công nghiệp. Tại Việt Nam, một số cơ sở nghiên cứu và doanh nghiệp

sản xuất cơ khí đã đầu tư thiết bị phun phủ nhiệt khí tốc độ cao HVOF. Tuy

nhiên, các nghiên cứu về công nghệ HVOF chưa nhiều.

Gần đây có một số nghiên cứu trong nước như: “Nghiên cứu ảnh hưởng

của một số yếu tố công nghệ đến độ bền bám dính của lớp phủ kim loại được

phun bằng phương pháp nhiệt khí” đã nghiên cứu ảnh hưởng của khoảng cách

phun, áp suất khí thổi, áp suất oxy đến độ bền bám dính, độ bền bám trượt, độ

bền kéo lớp phủ Ni-Cr-Si-B trên thép C45 thực hiện bằng công nghệ phun

nhiệt khí oxy axetylen; “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun phủ để nâng

cao chất lượng bề mặt chi tiết máy” nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ trung

bình dòng kim loại phun (v), lưu lượng cấp bột phun (m) và khoảng cách

phun (L) đến độ cứng, độ xốp, độ bám dính và độ mài mòn lớp phủ bột hợp

kim 67Ni18Cr5Si4B trên nền thép C45 bằng công nghệ phun plasma. Và

“Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến chất lượng phục

hồi bề mặt trục có hình dạng phức tạp bị mòn bằng công nghệ phun phủ”

2

nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ như khoảng cách phun,

tốc độ dòng phun khi phun bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B trên nền trục thép

C45.

Ngoài ra, một số đề tài khoa học công nghệ cấp Bộ, Ngành về công nghệ

HVOF cũng đã được thực hiện. Tuy nhiên, hiện chưa có các nghiên cứu

chuyên sâu về ảnh hưởng của lưu lượng cấp bột phun và tốc độ chuyển động

tương đối giữa đầu phun với chi tiết tới chất lượng lớp phủ bề mặt sau khi phu

bằng công nghệ HVOF.

Xuất phát từ lý do trên NCS đặt vấn đề “Nghiên cứu ảnh hưởng của lưu

lượng và tốc độ chuyển động tương đối giữa đầu phun với chi tiết đến chất

lượng bề mặt phun phủ bằng công nghệ phun nhiệt khí tốc độ cao-HVOF ”

làm hướng nghiên cứu của đề tài luận án.

2. Mục đích nghiên cứu

Đưa ra phương pháp tính toán xác định được ảnh hưởng của lưu lượng

cấp bột và tốc độ chuyển động tương đối giữa đầu phun với chi tiết đến chất

lượng lớp phủ bột hợp kim Cr3C2-NiCr trên nền trục thép 40Cr bằng công

nghệ HVOF.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

* Đối tượng nghiên cứu:

Bề mặt trụ ngoài thép 40Cr có kích thước 60, 70 và 80 kích thước

đường kính trong 30, chiều dài 60 mm được phủ lớp bột hợp kim Cr3C2-

NiCr dày 0,6 mm bằng công nghệ HVOF.

* Phạm vi nghiên cứu:

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

độ chuyển động của phôi (n vòng/phút), tốc độ dịch chuyển của đầu phun (S

mm/vòng) đến chất lượng lớp phủ bột các bít Cr3C2-NiCr trên nền trục thép

40Cr bằng phương pháp phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF như sau:

3

Thông số công nghệ Mức thay đổi

0 1 2

m (gam/phút) 25 35 45

n (vòng/phút) 57 130 170

S (mm/vòng) 3 6 9

4. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm.

Về lý thuyết: Ứng dụng các lý thuyết, các tài liệu khoa học liên quan đến

sự hình thành và tính chất lớp phủ bột hợp kim trên nền thép bằng công nghệ

HVOF. Lý thuyết về xử lý số liệu thực nghiệm, các phần mềm tính toán.

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

trên mẫu thực nghiệm; xác định độ xốp, độ bám dính, độ cứng của lớp phủ

với bề mặt nền thép 40Cr. Tạo cơ sở để xây dựng phương trình toán học, các

đồ thị dạng 2D, 3D phản ánh mối quan hệ giữa độ xốp, độ bám dính, độ cứng

với các thông số công nghệ (m, n và S) đến chất lượng lớp phủ.

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Ý nghĩa khoa học:

Đã xây dựng được mô hình thí nghiệm bằng phương pháp quy hoạch

thực nghiệm để phân tích đánh giá sự ảnh hưởng của 3 thông số công nghệ

chính quá trình phun HVOF gồm: lưu lượng cấp bột phun (m, gam/phút), tốc

độ dài của vết phun tại tâm điểm va đập của chùm vật liệu phun trên bề mặt

chi tiết hình trụ quay ( n vòng/phút hoặc Vct, mm/phút) và tốc độ di chuyển

của đầu súng phun theo phương dọc tâm trục chi tiết phun (S mm/vòng hoặc

mm/giây) đến tính chất cơ lý của lớp phủ bề mặt sau khi phun.

Đã nghiên cứu khảo sát đánh giá các mẫu phun bằng phương pháp

HVOF nhận được theo quy hoạch thực nghiệm và tính toán xây dựng mô hình

toán học mô tả quan hệ giữa 3 thông số đầu vào và các hàm mục tiêu đầu ra

4

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

Cr3C2-NiCr với nền thép 40Cr.

Đã nghiên cứu khảo sát và chụp ảnh tổ chức tế vi vật liệu lớp phủ trên

một số mẫu thí nghiệm điển hình nhận được theo quy hoạch thực nghiệm,

phân tích đánh giá đặc tính của chúng để làm rõ ảnh hưởng của 3 thông số

phun đã chọn (m, V, S) đến chất lượng lớp phủ HVOF trong phạm vi miền

khảo sát lựa chọn của luận án.

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

trong việc lựa chọn công nghệ, thiết bị để phục hồi hoặc chế tạo mới các chi

tiết máy trong khai thác mỏ, máy công cụ nhằm đáp ứng kịp thời sản xuất,

hạn chế nhập ngoại góp phần giảm giá thành sản phẩm, cải thiện đời sống

người lao động.

6. Bố cục của luận án

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

Chương 1: Tổng quan phương pháp phun nhiệt;

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

học quá trình phun HVOF ;

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

lớp phủ;

Chương 4: Kết quả thực nghiệm và đánh giá.

7. Luận điểm bảo vệ

Bằng thực nghiệm làm rõ sự hình thành lớp phủ bột hợp kim Cr3C2-NiCr

trên nền trục thép 40Cr và liên kết giữa lớp phủ với kim loại nền.

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

hệ ảnh hưởng của các thông số công nghệ (m, n và S) đến độ xốp, độ bám

dính và hình ảnh biên giới liên kết giữa lớp phủ với kim loại nền khi sử dụng

phương pháp phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF.

5

Đã đưa ra vùng thông số công nghệ phun (m, n và S) hợp lý để cho độ

xốp lớp phủ nhỏ nhất và độ bám dính lớp phủ lớn nhất khi phun bằng phương

pháp phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF:

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

35 130 3

8. Điểm mới của luận án

Xác định được quy luật ảnh hưởng của một số thông số công nghệ phun

(m, n và S) đến chất lượng lớp phủ, tạo cơ sở khoa học cho việc đánh giá ảnh

hưởng của các thông số công nghệ này đến độ xốp, độ bám dính, độ cứng lớp

phủ bột hợp kim Cr3C2-NiCr trên nền trục thép 40Cr bằng công nghệ phun

nhiệt HVOF. Có thể làm tài liệu tham khảo trong giảng dạy, nghiên cứu và là

cơ sở để lựa chọn các loại vật liệu phủ và kim loại nền khác nhau trong công

nghệ phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF.

6

Chương 1: TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP PHUN NHIỆT

1.1. Công nghệ phun kim loại

Công nghệ phun phủ kim loại đã được một kỹ sư người Thụy Sỹ tên là

Max Ulrich Schoop phát minh ra từ những năm đầu của thế kỷ 20 [16], [53].

Nguyên lý của công nghệ này là dùng nguồn nhiệt (hồ quang, khí cháy,

plasma) làm nóng chảy kim loại. Sau đó, kim loại lỏng được dòng không khí

nén thổi mạnh làm phân tán thành các hạt (sương mù) rất nhỏ, bắn vào bề mặt

chi tiết đã được chuẩn bị sẵn (làm sạch, tạo nhám) tạo ra một lớp phủ kim loại

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

Lúc đầu, phun phủ kim loại chỉ dùng cho mục đích trang trí. Đến chiến tranh

thế giới lần thứ hai, công nghệ này bắt đầu được sử dụng với quy mô rộng ở

hầu hết các nước châu Âu và càng ngày càng tỏ ra có nhiều tính ưu việt trong

các lĩnh vực như bảo vệ bề mặt, phục hồi, trang trí thay cho kim loại quý

hiếm. Đến những năm 1980 phun phủ kim loại đã trở thành một lĩnh vực khoa

học công nghệ riêng được biểu hiện như một công nghệ xử lý bề mặt, mặt

khác nó cũng giống như một phương pháp công nghệ chế tạo mới trong sản

xuất.

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

7

Để đánh giá sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ phun phủ kim loại, có

thể dựa trên cơ sở sự phát triển của thiết bị và phạm vi ứng dụng trong lĩnh

vực công nghiệp và đời sống. Lịch sử phát triển của công nghệ phun phủ

được thể hiện ở sơ đồ hình 1.1 [11].

Công nghệ phun kim loại ngày càng được quan tâm do có ý nghĩa quan

trọng và quyết định đến tính chất của vật liệu lớp phủ vì nó tạo ra một lớp bề

mặt có khả năng đáp ứng các điều kiện làm việc như chịu mài mòn, chống ăn

mòn, chịu nhiệt... Công nghệ phun phủ kim loại còn được sử dụng trong

nhiều lĩnh vực với các mục đích khác nhau như:

- Bảo vệ chống gỉ, chống ăn mòn trong môi trường khí quyển, môi

trường đất và nước.

- Tạo ra lớp dẫn điện trên bề mặt không dẫn điện, dùng cho trang trí cho

các công trình kỹ thuật.

- Phục hồi các chi tiết máy bị mài mòn.

- Sửa chữa khuyết tật cho vật đúc hoặc các khuyết tật xuất hiện khi gia

công cơ khí, tiết kiệm được các kim loại quý hiếm.

Hiện nay công nghệ phun phủ kim loại nói chung và phương pháp phun

nhiệt khí nói riêng tuy còn rất mới so với các công nghệ khác nhưng đã được

ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là trong cơ khí chế

tạo máy, giao thông vận tải, dầu khí, hàng không... và đã trở thành một công

nghệ không thể thiếu trong quá trình phục hồi chi tiết bị mài mòn.

- Phun nhiệt có thể sử dụng vật liệu có cơ lý hóa tính khác nhau: kim

loại, hợp kim, các bít kim loại, ô xít gốm, vật liệu chịu nhiệt, các vật liệu có

nhiệt độ nóng chảy khác nhau, nhiệt độ làm việc không quá 800oC;

- Thiết bị phun nhiệt có thể tạo ra các tốc độ phun khác nhau phù hợp với

các loại vật liệu phun và yêu cầu bám dính khác nhau;

- Có thể phủ được các chiều dày khác nhau từ 10 m đến 10 mm;

8

- Nhiệt độ bề mặt chi tiết được nung nóng do vật liệu phủ truyền nhiệt

sang, không vượt quá nhiệt độ chuyển biến pha, nên không gây chuyển biến

tổ chức, bảo đảm tổ chức và tính chất ban đầu của vật liệu nền;

- Lớp phủ có độ bám dính với kim loại nền tốt, độ xốp nhỏ và ứng suất

dư âm, nên được sử dụng cho nhiều chi tiết chịu tải trọng phức tạp và chịu

mỏi tốt;

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

độ của ngọn lửa làm nóng chảy của các vật liệu phun và tốc độ phun của hạt

ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ. Các số liệu trong bảng 1.1 [8], [10] cho

thấy khả năng tạo nhiệt độ trong buồng đốt và tốc độ bay của các hạt phun

ứng với các phương pháp phun khác nhau.

Bảng 1.1: Đặc tính của một số phương pháp phun

Phương pháp

phun

Nhiệt độ khí

cháy, 0C

Tốc độ hạt

phun, m/s

Độ bền bám

dính, MPa

Độ xốp,

% thể

tích

Phun hồ quang -

dây 4000 100-240 10-15 10-20

Phun khí cháy 500-700 40-180 10 10-15

Phun Plasma 5500-12000 200-600 Không quá

70 2-5

Phun HVOF 2500-3100 500-800 Có thể >70 1-10

Phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF là phương pháp ưa thích để tạo lớp phủ

với độ xốp thấp và độ bám dính cao, trong quá trình phun nhiệt khí tốc độ cao

HVOF nhiên liệu và oxy được đưa vào buồng đốt cùng với phun bột tạo ra

nhiệt độ và áp suất cao trong buồng thông qua các vòi phun tạo ra các dòng

chảy siêu âm của khí. Nhiệt độ ngọn lửa nằm trong khoảng 2500 °C - 3100 °C,

phụ thuộc vào nhiên liệu, tỷ lệ nhiên liệu khí /oxy và áp suất khí và phụ thuộc

vào thiết kế kết cấu súng phun của hệ thống phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF

[16], [27], [28].

9

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

về độ bám dính, độ xốp... Phun phủ nhiệt khí tốc độ cao HVOF không ngừng

được phát triển và mở rộng về quy mô, cải thiện về chất lượng lớp phủ đã

được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như hình 1.2.

Các chi tiết làm việc trong nhà máy

nhiệt điện

Các chi tiết làm việc trong ngành ô

tô và khai thác

Các chi tiết làm việc trong dây

chuyền cán thép Các chi tiết trục và cánh tua bin

Các chi tiết làm việc trong lĩnh vực

dầu khí

Các chi tiết làm việc trong lĩnh vực

hàng không

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

10

Hệ thống phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF có nhiều thiết kế khác nhau,

các loại có sự khác biệt thể hiện trong thiết kế kết cấu súng phun, nhưng tất cả

đều dựa trên các nguyên tắc cơ bản giống nhau đó là sự kết hợp áp lực và lưu

lượng khí cao tạo ra vận tốc khí siêu thanh. Các hệ thống này có thể được chia

thành các thế hệ đầu tiên, thứ hai và thứ ba như bảng 1.2.

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

TT Ký hiệu Kiểu súng

Mức

điện

năng

Áp suất

buồng

chứa

Lưu

lượng

cấp

bột

Thế hệ 1

Jet Kote

(a)

80 kW 35 bar 2 6

kg/h

Thế hệ 2

Top Gun

(b)

80120

kW

5 10

bar

210

kg/h

Diamond

Jet

(c)

Thế hệ 3 JP 5000

(d)

100

300

kW

8 12

(lên đến

25) bar

Đến12

kg/h

11

TT Ký hiệu Kiểu súng

Mức

điện

năng

Áp suất

buồng

chứa

Lưu

lượng

cấp

bột

Diamond

Jet 2700

(e)

Sự khác biệt cơ bản giữa thế hệ đầu tiên và thứ hai là thiết kế kết cấu của

vòi phun. Trong thế hệ đầu tiên của hệ thống HVOF có buồng đốt thường

tương đối lớn và một vòi phun thẳng, với cách thiết kế này cho dòng tốc độ

khí tối đa lên tới khoảng 1 M.

Các thế hệ thứ hai là dựa trên cơ sở của ống Laval phân kỳ của các vòi

phun cho phép tạo ra vận tốc hơn 1 Mach với điều kiện phun tiêu chuẩn của

hệ thống hoạt động ở mức điện năng tiêu thụ khoảng 100 KW và có khả năng

phun với lưu lượng cấp bột khoảng 2-10 kg/h.

Các hệ thống thế hệ thứ ba là có các mức công suất khác nhau từ 100-

300 kW và cho áp lực buồng cao hơn từ 8 bar lên đến 25 bar, có khả năng

cung cấp bột phun lên đến trên 10 kg/h.

Tất cả các kết cấu súng phun đều gồm có một buồng đốt áp lực, một ống

trụ hoặc phân kỳ Laval. Một số thậm chí còn có một thùng sau những vòi

phun, một phần cấp bột trong súng phun và một phần cấp bột ngoài.

1.2. Các phương pháp phun nhiệt

1.2.1. Các phương pháp phun nhiệt

Các phương pháp phun nhiệt thường sử dụng hai nguồn nhiệt chính đó là

nguồn nhiệt sinh ra từ oxy - khí cháy và nguồn điện qua hệ thống phun tạo ra

12

dải nhiệt độ rất cao làm nóng chảy hầu hết các loại vật liệu. Quá trình phun

nhiệt và phân loại theo nguồn nhiệt được mô tả trên hình 1.3 [21], [53].

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

Hiện nay phương pháp phun phủ nhiệt khí được sử dụng rộng rãi và

đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như vũ trụ, hàng

không, quốc phòng, giao thông, chế tạo máy... Một số phương pháp phun

nhiệt khác nhau để tạo nên lớp phủ như hình 1.4.

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

Phương pháp phun dây, dây được nấu chảy bên trong bằng ngọn lửa khí

oxy. Các khí nhiên liệu này có thể là khí axetylen, khí propan hoặc hydro, dây

sẽ bị nung chảy và bị đẩy về phía bề mặt phôi nhờ áp lực nén của dòng khí.

Phương pháp phun bột dựa trên các nguyên tắc hoạt động giống như quá

trình phun dây, tuy nhiên có sự khác biệt là các vật liệu phủ là loại bột. Như

vậy, một sự lựa chọn rộng lớn hơn của các loại vật liệu phun vì không phải tất

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

13

- Phương pháp phun phủ bằng hồ quang

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

Phương pháp phun bằng hồ quang điện (Hình 1.4 c) [8], [26], khi hai đầu

dây điện cực này gặp nhau thì chúng sẽ phóng hồ quang và nóng chảy ở trong

phần đầu của vòi phun, vật liệu nóng chảy này sẽ được tăng tốc và bắn vào bề

mặt phôi nhờ dòng khí nén có áp lực cao.

- Phương pháp phun phủ bằng Plasma

Phun Plasma (Hình 1.4 d) là một tần số hồ quang cao được tạo ra bằng

sự đánh lửa giữa 2 cực anode và cathode. Các dòng khí chảy qua giữa các

điện cực (ví dụ: khí He, H2, N2 hoặc hỗn hợp khí) sẽ bị ion hóa và tạo thành

một chùm plasma. Nhiệt độ trong chùm plasma rất cao các vật liệu phun được

cung cấp từ bên ngoài vào dưới dạng bột qua các ống dẫn và hòa lẫn vào

chùm plasma, tại đó chúng sẽ bị nóng chảy bởi chùm plasma này. Sau khi hỗn

hợp này hòa lẫn vào nhau và tan chảy thì chúng sẽ được đẩy đi và bắn vào bề

mặt phôi nhờ dòng khí nén có áp lực cao.

Đối với các ứng dụng chuyên ngành, quá trình này còn có thể phun dưới

một môi trường khác đó là phun plasma trong một bầu không khí được kiểm

14

soát dưới áp suất thấp (phun trong môi trường chân không), nó ngược lại với

phun trong không khí (phun plasma trong khí quyển, hoặc APS), các hạt tan

chảy và oxy hóa ít hơn nên lớp phủ khi phun trong chân không có chất lượng

cao hơn đáng kể.

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

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

Công nghệ HVOF (hình 1.5) [3] là một sự bổ sung rất tốt vào các quá

trình phun nhiệt vì được sử dụng nhiều so với các quá trình phun nhiệt khác.

Quá trình HVOF, có động năng cao và năng lượng nhiệt tương đối thấp, thuận

lợi cho các vật liệu phun như phủ vonfram các bít.

Nguyên lý phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF như sau: Hỗn hợp của nhiên

liệu ở thể khí (khí hydro, khí mê-tan, propan, propylen, axetylen, khí tự

nhiên,...) hoặc các chất lỏng (dầu lửa...) và oxy được đưa vào buồng đốt

chúng được đốt cháy và cháy liên tục tạo thành khí nóng với áp suất cao

khoảng 10 bar qua vòi phun hội tụ - phân kì và đi qua một đoạn ống thẳng với

vận tốc vượt quá tốc độ của âm thanh, bột phun được hòa trộn vào trong dòng

khí đạt tốc độ lên đến trên 800 m/s. Hỗn hợp dòng khí nóng và bột kim loại

tan chảy trong dòng khí nóng và được phun lên bề mặt kim loại nền. Kết quả

là hình thành các lớp phủ có độ xốp thấp và lực liên kết cao.

15

So sánh các phương pháp phun phủ cơ bản khác nhau bởi nhiệt năng và

động năng truyền cho các hạt của quá trình phun. Năng lượng nhiệt được xác

định bởi nhiệt độ ngọn lửa đạt được và động năng của các hạt phun được vận

tốc khí tạo ra. Sự so sánh năng lượng của các quá trình phun để ứng dụng vào

việc lựa chọn vật liệu phun như nhiệt độ cao của phương pháp phun plasma

đặc biệt thích hợp cho các vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao, chẳng hạn như

kim loại gốm.

1.2.2. Ứng dụng của các phương pháp phun nhiệt

Phun nhiệt có thể ứng dụng rộng rãi với các loại vật liệu, bất kỳ vật liệu

nào tan ra mà không phân hủy đều có thể được sử dụng.

Các phương pháp phun phủ nhiệt được ứng dụng trong hầu hết các lĩnh

vực của đời sống xã hội. Hình 1.6 [21], [26], [39] cho ta thấy phạm vi ứng

dụng của các phương pháp phun với các điều kiện ứng dụng các loại bột phun

khác nhau.

Hình 1.6: Phạm vi ứng dụng các phương pháp phun

Thực tế để chế tạo chi tiết có yêu cầu làm việc trong điều kiện khắc

nghiệt như: Chịu nhiệt độ cao, chịu xói mòn tốt, tính cách nhiệt tốt... cần sử

dụng vật liệu phức hợp và tổ hợp nhiều công nghệ đặc biệt. Trong nhiều năm

qua, công nghệ hóa nhiệt luyện, thấm trên bề mặt các kim loại và phi kim,

công nghệ điện hóa, công nghệ sơn phủ... đã giải quyết được một phần yêu

cầu làm việc của chi tiết nhưng công nghệ này có một số nhược điểm về kinh

16

tế - kỹ thuật và môi trường. Công nghệ phun phủ kim loại ra đời đã đáp ứng

được cơ bản các vấn đề trên, bằng phun phủ kim loại có thể tạo ra lớp: Chịu

nhiệt, chịu mài mòn, dẫn điện, chống ăn mòn… cho các kết cấu thép làm việc

trong môi trường, điều kiện khác nhau có thể làm tăng tuổi thọ mà không thay

đổi công nghệ chế tạo trước đó hoặc phục hồi được hình dáng kích thước của

các chi tiết mà không cần phải chế tạo lại chi tiết mới hoàn toàn.

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

Hiện nay, trên thế giới nhiều nước tiên tiến đã hình thành các Viện, các

trung tâm hay hiệp hội để nghiên cứu và ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt:

Hiệp hội phun phủ nhiệt Nhật Bản - JTSS, Hiệp hội phun phủ nhiệt Mỹ -

ATSS; viện Công nghệ Bombay (Ấn Độ); Viện Khoa học vật liệu quốc gia

Tsukuba, Ibaraki (Nhật Bản)... Hàng năm, đều có các Hội thảo quốc tế về lĩnh

vực này. Các hiệp hội có các tạp chí riêng và xây dựng tiêu chuẩn cho lĩnh

vực này. Ngoài ra, còn có các hãng thiết kế, sản xuất thiết bị và ứng dụng

công nghệ phun phủ kim loại như: Hãng Plasma Technique, Castolim (Thụy

sĩ); Metco Plasmaday, Dressez, Avko (Mỹ); Nobel-Brocl (Pháp); Ecia Ghiken

(Nhật); Arcosse (Bỉ); Volvoflemotor (Thụy Điển)...với các dây chuyền công

suất cao.

Để nâng cao năng suất, chất lượng trong quá trình phun, người ta đã chế

tạo ra các loại đầu phun khác nhau như: Đầu phun bột kim loại, đầu phun

dùng nhiên liệu khí cháy, đầu phun hồ quang điện, đầu phun bằng dòng cao

tần, đầu phun Plasma với dây chuyền phun tự động. Song song với sự phát

triển của các thiết bị và dây chuyền phun tự động đó người ta còn nghiên cứu

về công nghệ phun với những vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao (như vật liệu

gốm Ceramic, các loại cacbit, các loại oxit kim loại khác...).

Một trong những phương pháp phun nhiệt được ứng dụng rộng rãi đó là

công nghệ phun nhiệt HVOF. Về bản chất, các lớp phun nhiệt khí tốc độ cao

17

HVOF rất đa dạng phức tạp, các đặc tính và cấu trúc tế vi của lớp phủ phụ

thuộc rất nhiều vào thông số của quá trình phun. Mặc dù lớp phủ phức tạp,

nhưng công nghệ HVOF vẫn được sử dụng rộng rãi trong thực tế, cho phép sử

dụng các loại vật liệu khác nhau để tạo lớp phủ trong điều kiện khác nhau,

môi trường làm việc khắc nghiệt như: ăn mòn, mài mòn và nhiệt độ cao... Sự

phát triển của phương pháp này là một bước tiến quan trọng trong các ngành

công nghiệp và đây cũng là lĩnh vực có những bước tiến mới với tốc độ phát

triển nhanh chóng, điều này đã tác động tới nhiều lĩnh vực trong các ngành

công nghiệp và đã mang lại hiệu quả trong ứng dụng thực tiễn [54].

Trong thực tế các chi tiết, thiết bị làm việc trong môi trường điều kiện

khắc nghiệt như: Nhiệt điện, lò hơi, tua bin khí, động cơ đốt trong và các chi

tiết trong công nghiệp, lò đốt chất thải... trong quá trình vận hành sử dụng sẽ

chịu ảnh hưởng thường xuyên bởi tình trạng xói mòn, ăn mòn, mài mòn dẫn

đến các chất có tính ăn mòn sẽ thâm nhập với bề mặt làm giảm hiệu suất làm

việc của chi tiết, thiết bị. Những giải pháp để che chắn bảo vệ tạo lớp phủ

phần nào đó đã giảm chi phí bảo trì của các thiết bị này mang lại hiệu quả tốt

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

Guilemany JM [31] khảo sát vai trò độ dày của lớp phủ trong các tác

động bảo vệ ăn mòn thép khác nhau của công nghệ HVOF với lớp bột phủ

Cr3C2-NiCr. Các ứng dụng cho thấy độ dày của lớp phủ tăng không ảnh

hưởng lớn đến đặc tính chống ăn mòn lớp phủ, trong quá trình phun sự lắng

đọng của lớp phủ đóng vai trò quan trọng trong khả năng chống lại hiện tượng

ăn mòn của thép.

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

độ xói mòn ở nhiệt độ cao đối với các lớp phủ phun HVOF bao gồm:

75Cr3C2-25NiCr gốm kim loại, Cr3C2, Cr2O3 phủ gốm thấp và phủ lớp

FeCrSiB. Khi thử nghiệm đã mô phỏng các điều kiện xói mòn và đã xác định

18

khả năng chống xói mòn của các lớp phủ có liên quan chặt chẽ đến vi cấu trúc

của lớp phủ, thành phần và tính chất của các hạt.

Stein KJ và đồng tác giả [61] đã nghiên cứu xác định tối ưu cho khả

năng chống xói mòn. Mức các bít thấp hơn trong lớp phủ quá trình oxy hóa

của các hạt các bít giảm dẫn đến sự hình thành của các oxit khác nhau và các

kim loại các bít giàu. Những oxit có thể có chặn các lỗ rỗng giữa ranh giới

lớp nền với lớp phủ, và tác động như những rào cản khuếch tán đến sự khuếch

tán vào bên trong của lớp oxy hóa.

Kamal S và đồng tác giả [41] đã nghiên cứu khả năng tác động của quá

trình oxy hóa theo chu kỳ của lớp phủ Cr3C2-NiCr trên các hợp kim khác

nhau. Nó đã được quan sát thấy rằng tất cả các hợp kim tuân theo một quy

luật tỷ lệ parabol của quá trình oxy hóa. Các kết quả trên lớp phủ Cr3C2-NiCr

cho thấy khả năng chống oxy hóa tốt hơn do sự hình thành của Cr2O3 mỏng

nhỏ gọn và chất kết dính trên bề mặt của lớp phủ trong quá trình oxy hóa.

Souza RC [58] đã so sánh ảnh hưởng của lớp phủ Cr3C2-25NiCr và WC-

10Ni áp dụng quá trình HVOF và mạ crom cứng vào khả năng chống biến

dạng, mài mòn và chống ăn mòn của thép cho thấy khả năng chống mỏi trục

cao và hiệu suất tốt hơn so với mạ crom.

Đã có nhiều công trình nghiên cứu về công nghệ phun nhiệt khí tốc độ

cao HVOF được cấp bằng sáng chế như: Edward Miller và cộng sự đã nghiên

cứu công nghệ phun nhiệt HVOF, vật liệu nóng chảy được phun với tốc độ

cao, kết quả cho thấy lớp phủ có độ bám dính tốt và độ cứng cao [26].

Warren Nelson và cộng sự đã nghiên cứu về độ xốp khi phủ 2 lớp vật

liệu MCrAlY/Polyester bằng công nghệ phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF, kết

quả cho thấy khi phủ 2 lớp sẽ làm tuổi thọ của lớp phủ và tuổi thọ của vật liệu

nền tăng [29], [39].

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

19

làm việc của chi tiết và bảo vệ các kết cấu làm việc trong môi trường xâm

thực, các đặc tính của lớp phủ cũng được quan tâm nghiên cứu Theo Parker

và Kutner cho rằng chất lượng lớp phủ khi phun bằng phương pháp phun

nhiệt khí tốc độ cao HVOF có cường độ liên kết, độ cứng cao hơn và độ xốp

thấp hơn so với lớp phủ khi phun bằng phương pháp phun Plasma [55].

Picas và cộng sự đã nghiên cứu và so sánh lớp phủ CrNi20 khi thực hiện

bằng công nghệ HVOF lên piston và van so với phương pháp mạ crom cứng

thông thường, kết quả cho thấy độ cứng tế vi của lớp phủ tốt hơn so với mạ

Cr, các kết quả về cấu trúc tế vi lớp phủ và khả năng chịu ứng suất là rất khả

quan và có thể thay thế cho phương pháp mạ crom truyền thống [38].

Lima và cộng sự đã nghiên cứu độ bám dính lớp phủ khi phun bằng công

nghệ phun nhiệt HVOF giữa kim loại và gốm, đã tiến hành đo các thông số về

cấu trúc tế vi, độ cứng, độ nhám và độ bám dính, kết quả cho thấy độ bám

dính với bề mặt là gốm thấp còn độ bám dính với bề mặt nền là kim loại cao

hơn [23].

Jie Chen và cộng sự [37] nghiên cứu lớp phủ thép không gỉ 316L bằng

công nghệ phun nhiệt HVOF, hệ thống phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF áp

suất cao với áp suất buồng đốt lên đến 3,0 MPa sử dụng ngọn lửa thấp và tốc

độ cao thực hiện lớp phủ thép không gỉ 316L, kết quả cho thấy áp suất buồng

đốt cao hơn khi vận tốc cho phép của hạt cao hơn. Tỷ lệ oxy nhiên liệu và

khoảng cách phun có ảnh hưởng nhiều tới trạng thái nóng chảy của hạt.

Shukla và cộng sự [65] nghiên cứu tuổi thọ của lớp phủ Cr3C2-25%NiCr

khi tiếp xúc với môi trường nhiệt độ cao, các tác giả đã nghiên cứu tuổi thọ

của lớp phủ trong một chu kỳ, sự thay đổi chất nền và bề mặt phủ được xem

xét trong các khoảng thời gian 10, 30, 50 giờ, kết quả cho thấy tuổi thọ của

lớp phủ tuân theo quy luật parabol.

20

Ngoài ra, trong báo cáo của Parker [52] đã cho thấy sự phát triển của

việc sử dụng công nghệ phun nhiệt HVOF trong các ngành công nghiệp, đặc

biệt là trong ngành công nghiệp hàng không và trong lĩnh vực quốc phòng

ngành công nghiệp dầu khí, ngành công nghiệp ô tô, ngành công nghiệp

giấy/bột và các ngành công nghiệp chế tạo máy. Tác giả Tan. J,C [62] đã chỉ

ra quá trình phun nhiệt bằng công nghệ HVOF có khả năng tạo nên các thành

phần khác biệt. Nó đã được công nhận rằng các đặc tính chịu mài mòn của

lớp phủ được phun bằng công nghệ HVOF là vượt trội so với phương pháp

khác như APS. Li [46] đã so sánh khả năng chống mài mòn của lớp phủ

Cr3C2-25 NiCr được phun bởi công nghệ APS và HVOF. Họ nhận thấy rằng

sức chống mài mòn của Cr3C2-25 NiCr trong điều kiện tác động khác nhau

tăng theo thứ tự của APS áp suất thấp, APS áp suất không khí đến HVOF.

Các hệ thống phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF Cr3C2-25 NiCr cho thấy tác

động chống mài mòn là tốt hơn do cấu trúc dày đặc hơn và độ xốp nhỏ. Kết

quả tương tự đã được thực hiện bởi tác giả V.V Sobolev và các cộng sự [66]

nghiên cứu lớp phủ HVOF và ứng dụng.

Phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF đã được nghiên cứu rộng rãi để phủ lớp

chống ăn mòn mài mòn, có khá nhiều công trình nghiên cứu về các tính chất

ăn mòn và hiệu suất của lớp phủ HVOF. Sức chống mài mòn của lớp phủ

McrAlY, oxy hóa trong môi trường, oxy hóa khác nhau đã được nghiên cứu

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

J A. Picas và các cộng sự [38] cũng đã nghiên cứu tác dụng ảnh hưởng

của nhiệt độ cao tới lớp phủ CrC-NiCr được phun bằng phương pháp HVOF

kết quả từ nghiên cứu này đã chứng minh rằng các loại bột CrC-NiCr được

phun bằng phương pháp HVOF có thể là một giải pháp hy vọng để cải thiện

cho các chi tiết thiết bị làm việc tốt cải thiện khả năng chống mài mòn ở nhiệt

độ khoảng 900°C.

21

Dominique Poirier và các cộng sự [27] đã nghiên cứu kỹ thuật phun

nhiệt khí tốc độ cao HVOF khi phun bột Cr3C2 NiCr trên nền thép và đã đưa

ra kết luận ảnh hưởng của khoảng cách phun (khoảng 200 mm), tốc độ phun

(khoảng 750- 850m/s) và nhiệt độ hạt (khoảng 18000C) là điều kiện thông số

phù hợp để giảm ứng suất và độ xốp.

Qua nghiên cứu tìm hiểu về công nghệ phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF

trên thế giới thấy rằng đã có rất nhiều nhà khoa học nghiên cứu về lĩnh vực

này, nhưng để tạo thành lớp phủ có chất lượng tốt thì còn tùy thuộc vào điều

kiện và rất nhiều yếu tố công nghệ ảnh hưởng tới sự hình thành lớp phủ. Các

nghiên cứu trên chủ yếu nghiên cứu về ảnh hưởng của tốc độ phun, lưu lượng

khí, nhiên liệu, nhiệt độ hạt, khoảng cách phun,... trên một số vật liệu nền và

vật liệu phủ đến chất lượng lớp phủ và nghiên cứu mức độ bám dính, độ xốp,

chịu nhiệt chịu mài mòn, chịu tác động môi trường của lớp phủ.. nhưng chưa

có công trình nào nghiên cứu ảnh hưởng của chuyển động tương đối giữa chi

tiết và súng phun bằng công nghệ HVOF.

1.4. Các nghiên cứu về phun nhiệt ở Việt Nam

Ở Việt Nam, công nghệ phun phủ nhiệt đang trong giai đoạn nghiên cứu,

ứng dụng các thành quả của thế giới. Đã có một số đề tài cấp Bộ, cấp Nhà

nước được triển khai nghiên cứu và ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt

mang lại hiệu quả kinh tế cao như:

Đề tài, mã số KHCN 05 – 07 – 03, nghiên cứu xác định độ cứng, độ bám

dính, độ bền uốn lớp phủ bột hợp kim Ni-Cr-B-Si trên nền thép CT38, kết quả

nghiên cứu ứng dụng vào phục hồi trục pit tông thủy lực, đế pit tông bơm tại

công ty kỹ nghệ hàn Việt Nam đảm bảo yêu cầu đề ra [10].

Đề tài, mã số KC 05.10, nghiên cứu xác định độ chịu mài mòn và độ

bám dính lớp phủ bột hợp kim ZRO-182 trên nền vật liệu Nimonic 263 (được

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

22

gian bột hợp kim NiCrAlY, kết quả cho thấy độ bám dính với kim loại nền

đạt 378 kG/cm2, độ xốp lớp trung gian 2%, tuy nhiên các kết quả nghiên cứu

mới chỉ dừng lại ở mức phòng thực nghiệm [1].

Đề tài, mã số: 01C-01/04-2009-2, nghiên cứu ảnh hưởng của khoảng

cách phun, vận tốc phun, lưu lượng phun đến độ xốp, độ bám dính lớp phủ

bột hợp kim Cr20Ni3 trên nền trục thép 40Cr bằng phương pháp phun nổ,

ứng dụng kết quả nghiên cứu vào phục hồi trục khuỷu xe tải CAT 773E tập

đoàn than - khoáng sản Việt Nam làm cho tuổi thọ tăng gấp 4 lần so với mua

mới và giá thành chỉ bằng 30% mua mới [2].

Đề tài, mã số 256-08 RD/HĐ-KHCN, nghiên cứu độ cứng, độ chịu mài

mòn lớp phủ bột cacbit crom 75Cr3C2-25NiCr bằng phương pháp phun

Plasma với tốc độ quay của lô sấy khoảng 39,93 m/phút, tốc độ dịch chuyển

đầu phun 2,5 mm/ vòng quay lô sấy, kết quả so sánh các tính chất của lớp phủ

bằng vật liệu cácbit crom với lớp mạ crom cứng cho thấy độ cứng tế vi bề mặt

lớp phủ, khả năng gia công sau khi phủ, cũng như khả năng chịu mài mòn của

lớp phủ tốt hơn nhiều so với lớp mạ crom cứng, đồng thời có khả năng chịu

mài mòn gấp 2,5 lần so với lớp mạ crom cứng [14].

Một số nghiên cứu khác theo hướng ứng dụng cũng được đề cập trong

các công trình nghiên cứu như: nghiên cứu xác định độ cứng, độ xốp, độ bám

dính và độ chịu mài mòn của lớp phủ hợp kim 67Ni18Cr5Si4B trên nền thép

C45 bằng phương pháp Plasma [5], kết quả nghiên cứu cho thấy độ bám dính

của lớp phủ hợp kim 67Ni18Cr5Si4B có lớp lót trung gian (Ni5Al) tăng 25%

so với trường hợp phun phủ không có lớp lót trung gian; nghiên cứu ảnh

hưởng của khoảng cách phun, áp suất khí thổi, áp suất oxy đến độ bền bám

dính, độ bền bám trượt, độ bền kéo lớp phủ Ni-Cr-Si-B trên thép C45 phun

theo phương pháp ngọn lửa oxy axetylen [6], kết quả cho thấy chế độ phun tối

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

23

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

0,22 MPa.

Đã có một số cơ sở sản suất ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt như:

Liên doanh dầu khí Vietsopetro; Viện nghiên cứu cơ khí; Viện Cơ khí

Năng lượng và Mỏ; Viện Công nghệ Bộ Quốc phòng, Công ty Cơ khí sửa

chữa Thủy Lợi; Viện Kỹ thuật giao thông; Cơ khí Quang Trung; Đại học

Bách khoa Hà Nội; Nhà máy Cơ khí Đạm Hà Bắc.

Công xưởng A42 phục hồi một số cánh tuabin động cơ máy bay bằng công

nghệ phun Plasma; Viện nghiên cứu máy - Bộ Công Thương, Viện Công nghệ -

Tổng cục công nghiệp quốc phòng đã tiến hành nghiên cứu thiết kế đầu phun

plasma nhưng kết quả hạn chế và chưa đưa vào ứng dụng thực tế; Viện nghiên

cứu Cơ khí thực hiện phun bảo vệ hàng vạn mét vuông giàn khoan dầu bằng

máy phun cầm tay ЭM-14 của Nga.

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

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

có giá trị kinh tế cao như thân tuabin, Turbine thủy lực 10-HT-3001A, cánh

bơm, trục bơm 8002A, nhà máy đạm Phú mỹ; Trục phân phối bia Dung Quất;

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

Hiện nay, ở Việt Nam đã có nhiều ngành, đơn vị đầu tư thiết bị để

nghiên cứu: phun phủ Plasma (Viện Công nghệ - Tổng cục công nghiệp quốc

phòng; Viện nghiên cứu cơ khí); Phun nổ (Viện Cơ khí Năng lượng và Mỏ);

phun phủ nhiệt khí (Đại học Bách Khoa Hà Nội; Viên Nghiên cứu cơ khí;

Viện Công nghệ - Tổng cục công nghiệp quốc phòng...). Nghiên cứu phun

phủ trong chân không PVD (Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội). Nghiên cứu

phun phủ Plasma – chân không – TINA (Viện nghiên cứu và ứng dụng công

nghệ). Phun nhiệt khí tốc độ cao (HVOF) - Công ty TNHH dịch vụ kỹ thuật

Quang Khánh - Vũng Tàu; Xí nghiệp cơ điện – Vietsovpetro.

24

Công trình của tác giả Phạm Văn Liệu [8] đã nghiên cứu ảnh hưởng của

một số thông số công nghệ như khoảng cách phun, tốc độ dòng phun... khi

phun bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B trên nền trục thép C45 đến chất lượng lớp

phủ bằng phương pháp HVOF.

Hiện nay, công nghệ phun phủ nhiệt được ứng dụng rộng rãi, bởi việc

lựa chọn vật liệu phun và vật liệu nền trong phạm vi rộng. Vật liệu được sử

dụng chủ yếu trong phun nhiệt là kim loại và các bít. Lớp phủ phun nhiệt chủ

yếu được sử dụng để bảo vệ các chi tiết hoặc phục hồi từ các dạng mòn khác

nhau như: bảo vệ bề mặt chi tiết trong ngành khai thác dầu mỏ, bảo vệ các kết

cấu trong môi trường xâm thực, ngành công nghiệp ô tô và các ngành công

nghiệp hàng không, vũ trụ.

Từ xu hướng nghiên cứu và những thành tựu đạt được của phương pháp

phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF cho thấy rằng hướng nghiên cứu của các tác

giả đã tập trung vào việc nâng cao chất lượng lớp bề mặt của chi tiết bằng

cách phủ lên bề mặt của chi tiết một lớp kim loại hoặc hợp kim có tính chịu

nhiệt, chịu mài mòn cao, nhằm đáp ứng các điều kiện làm việc khác nhau.

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

Cr3C2 - NiCr lên bề mặt trục thép 40Cr bằng công nghệ HVOF với các chế độ

công nghệ như lưu lượng cấp bột phun (m), chuyển động tương đối giữa chi

tiết và đầu phun (n, S) để đánh giá mức độ ảnh hưởng chế độ phun đến chất

lượng của lớp phủ. Hơn nữa, trong các ngành công nghiệp có rất nhiều chi tiết

bị mòn, đặc biệt là các chi tiết dạng trục được chế tạo từ thép 40Cr hoặc

những vật liệu có cơ tính tương đương cần được phục hồi.

1.5. Những vấn đề đặt ra cần nghiên cứu

Phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF là một quá trình rất phức tạp, trong đó

có một lượng lớn các thông số ảnh hưởng đến việc hình thành lớp phủ. Những

thông số này bao gồm đặc điểm phần cứng (kết cấu hình học súng phun) và

25

thông số quá trình phun như: khí đốt, mật độ dòng khí, và bột nguyên liệu,

chế độ phun (khoảng cách, góc phun, tốc độ di chuyển giữa chi tiết với súng

phun, dịch chuyển giữa các lớp phun…). Trong quá trình phun, các hạt bột

được đưa vào vùng nhiệt độ rất cao và tốc độ lớn nên đã nhanh chóng nóng

lên đến nhiệt độ nóng chảy của nó hoặc cao hơn. Nhiệt độ cao này có thể gây

ra sự bay hơi của bột hoặc một số thành phần của nó thậm chí có thể dẫn đến

sự chuyển đổi thành phần. Do tính chất phức tạp này của kỹ thuật phun nhiệt

khí tốc độ cao HVOF nên để đạt được lớp phủ với đặc tính mong muốn là một

việc rất phức tạp như hình 1.7 [48] mô tả sự tương tác trong quá trình phun để

hình thành lên lớp phủ.

Hình 1.7: Sơ đồ tương tác hình thành lớp phủ

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

ta phải quan tâm rất nhiều yếu tố liên quan đến quá trình hình thành lớp phủ từ

điều kiện hoạt động của hệ thống đến quá trình bay của hạt đến lớp nền để tạo

thành lớp phủ. Đã có khá nhiều cách khác nhau của việc tối ưu hóa và phân

tích các quá trình phun nhiệt và tạo lớp phủ. Chúng bao gồm các phương pháp

thống kê thử nghiệm, mô hình hóa và mô phỏng số,... mức độ ảnh hưởng của

26

các thông số trong qui trình phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF đối với từng

trường hợp cụ thể là hoàn toàn khác nhau.

Chất lượng lớp phủ tốt với các đặc tính phù hợp và hiệu quả cần thiết

cho các ứng dụng cụ thể là các mục tiêu trong sản xuất của quá trình phun

nhiệt. Để đạt được mục tiêu này cần một sự tìm hiểu sâu hơn về các phương

pháp phun. Bắt đầu từ nguyên liệu, quá trình phun và các hạt, chất nền tương

tác với nhau có ảnh hưởng đến sự hình thành của lớp phủ với vi cấu trúc khác

nhau. Để kiểm soát tốt hơn về phun nhiệt, các thiết bị khác nhau đã được phát

triển trong thập kỷ qua, những công cụ chẩn đoán đã được phát triển giúp điều

chỉnh tốt hơn và đo lường các quá trình phun đồng thời hỗ trợ để hiểu được

tác động của các tham số quá trình khác nhau về tình trạng hạt trong quá trình

bay tạo nên lớp phủ (lưu lượng khí, nhiệt độ hạt và vận tốc).

Quá trình phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF được biểu diễn bằng sơ đồ

trên hình 1.8 [50].

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

Kết cấu thiết

kế súng phun

(Nhiên liệu,

pha trộn, tốc

độ,nhiệt độ

buồng đốt)

Hình thành lớp phủ:

tạo các lớp hạt nóng

chảy chồng chất lên

nhau (Sự dịch

chuyển tương đối

của chùm tia phun

với bề mặt phun

theo các chiều để

hình thành lớp phủ)

Quá trình bay

của hạt trong

dòng khí,

tương tác với

môi trường

(Nhiệt độ hạt

tốc độ hạt,

khoảng cách

bay)

27

Từ sự tương tác trong phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF theo hình 1.8

thấy rằng, để đạt được lớp phủ theo yêu cầu thì phải kết hợp rất nhiều yếu tố:

từ vật liệu nền, vật liệu phun, kết cấu súng phun, nhiên liệu phun, áp suất

buồng đốt, nhiệt độ hạt, tương tác của hạt trong quá trình bay với môi trường,

nhiệt độ hạt, khoảng cách bay,tương tác của dòng hạt lên bề mặt nền. Do vậy

việc nghiên cứu chế độ công nghệ như lưu lượng cấp bột phun (m), chuyển

động tương đối giữa chi tiết và đầu phun (n, S) để xác định mức độ ảnh

hưởng chế độ phun đến chất lượng của lớp phủ là cần thiết trong quá trình

thực hiện phun HVOF.

Công nghệ HVOF có nhiều ưu điểm nổi bật mà các công nghệ khác

không có được. Công nghệ này được nhập ngoại, trong quá trình tiếp nhận và

sử dụng thiết bị, về tính năng cơ bản của thiết bị đã được các nhà cung cấp

khuyến cáo và đưa ra hướng dẫn sử dụng. Nhưng khi sử phải lựa chọn điều

chỉnh các thông số chế độ phun cho phù hợp với các điều kiện thực tiễn như

(tốc độ phun, khoảng cách phun, góc phun...) đã có các nhà nghiên cứu tìm

hiểu và đã đưa ra khuyến cáo còn mức độ ảnh hưởng của dịch chuyển tương

đối giữa súng phun với bề mặt chi tiết cần phun để tạo ra lớp phủ sau mỗi lát

phun đến chất lượng lớp phủ thì chưa có khuyến cáo mà người sử dụng thiết

bị hầu hết dựa vào kinh nghiệm để điều chỉnh sự di chuyển của súng phun

trong quá phun nên việc đó có ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất và chất

lượng lớp phủ.

Để cho quá trình khai thác sử dụng thiết bị phun nhiệt khí tốc độ cao

HVOF ứng dụng vào thực tiễn có hiệu quả thì việc nghiên cứu các thông số

chế độ công nghệ trong quá trình phun nhằm đạt được chất lượng tốt hơn là

việc làm hết sức có ý nghĩa góp phần thúc đẩy sự phát triển của công nghệ

phun phủ tại Việt Nam.

28

Kết luận chương 1

Từ việc nghiên cứu tổng quan về lĩnh vực phun phủ HVOF trên thế giới

và Việt Nam, luận án đã chọn chi tiết thép 40Cr làm thép nền để phủ lớp bột

các bít Cr3C2 - NiCr bằng phương pháp HVOF làm đối tượng nghiện cứu.

Với mục đích là xác định ảnh hưởng của lưu lượng cấp bột phun và chuyển

động tương đối giữa đầu phun với chi tiết đến chất lượng lớp phủ được phun

bằng phương pháp HVOF, để lựa chọn vùng các thông số công nghệ phun

hợp lý khi áp dụng vào thực tế nhằm đảm bảo chất lượng lớp phủ có độ xốp

nhỏ nhất, độ bám dính lớn nhất, tạo cơ sở khoa học cho việc hình thành lớp

phủ đáp ứng yêu cầu kịp thời trong sản xuất, hạ giá thành sản phẩm hạn chế

nhập ngoại phù hợp với điều kiện Việt Nam.

29

Chương 2: CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA PHƯƠNG PHÁP PHUN NHIỆT

KHÍ VÀ ĐỘNG LỰC HỌC QUÁ TRÌNH PHUN HVOF

2.1. Lý thuyết về sự hình thành lớp phủ

Trong quá trình phát triển công nghệ phun phủ nhiệt, nhiều nhà khoa học đã

xây dựng các lý thuyết về sự hình thành lớp phủ, trong đó các lý thuyết đóng

vai trò quan trọng gồm: Lý thuyết của Pospisil- Sehyl, Schoop, Karg, Katsch,

Reininger và Schenk đã được các tác giả trích dẫn [3],[8],[39],[53].

Lý thuyết Pospisil - Sehyl cho rằng: lớp phủ được hình thành do các giọt

kim loại lỏng bị dòng khí nén thổi với một tốc độ rất cao (trung bình khoảng

200 m/s). Các giọt này bị phá vỡ thành nhiều hạt rất nhỏ dạng sương mù có

dạng là hình cầu hoặc dạng không đồng đều, đa dạng.

Sự oxy hóa kim loại thực chất bắt đầu từ quá trình chảy và tiếp tục diễn

ra trong quá trình bay của các hạt cho đến khi va đập vào bề mặt phun, số

lượng oxít nhiều hay ít là nhân tố ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ.

Theo thuyết này các phần tử kim loại trong thời điểm va đập trên bề mặt

phun là ở thể lỏng.

Lý thuyết Schoop cho rằng: khí nén cung cấp năng lượng cho các hạt

kim loại khi va đập lên bề mặt bị phun có sự thay đổi nhiệt. Khi rời khỏi

miệng phun bắt đầu bị nguội và đông đặc rất nhanh do tác dụng của dòng khí

nén. Trong thời điểm va đập chúng sẽ biến dạng dẻo do vậy chúng liên kết

với nhau thành những lớp liên kết khá chắc. Nhiệt độ của tia kim loại bị giảm

xuống rất thấp còn khoảng 50 0C đến 100 0C. Nên có thể phủ lên chúng vật

liệu dễ cháy mà không xảy ra sự cháy vật liệu nền.

Lý thuyết Karg, Katsch và Reininger lại đưa ra quan điểm: Những hạt

kim loại bị nguội và đông đặc là do tác dụng của nguồn năng lượng động

năng và khí nén. Mặt khác trong quá trình bay từ vòi phun các hạt đã ở trạng

thái nguội nên không xảy ra sự biến dạng dẻo khi va đập.

30

Lý thuyết Schenk lại đưa ra nhìn nhận khác: tác giả cho rằng nhiệt độ

của các hạt phun phải ở nhiệt độ chảy lỏng để xảy ra sự hàn chặt giữa chúng

với nhau. Có nghĩa là, ở thời điểm va đập trên bề mặt bị phun sẽ bị đốt nóng

đến nhiệt độ chảy để xảy ra sự hàn gắn giữa các phần tử phun với kim loại

nền cơ sở, nhưng thực tế không hoàn toàn như vậy.

Từ những quan điểm lý thuyết về sự hình thành lớp phủ của các nhà

khoa học trên thế giới thấy rằng, đã có những quan điểm khác nhau về trạng

thái của các hạt phun tại thời điểm va đập, tuy nhiên theo tác giả [3] đã trích

dẫn có thể mô tả về sự hình thành lớp phủ được đặc trưng bởi 4 giai đoạn đó

là: giai đoạn nung nóng và làm nóng chảy vật liệu phun, giai đoạn phân tán

hình thành giọt kim loại lỏng, giai đoạn bay của các giọt kim loại, giai đoạn

va đập của các giọt kim loại vào bề mặt kim loại nền để hình thành lớp phủ ,

bằng hình ảnh được mô phỏng như hình 2.1 và được phân tích cụ thể dưới

đây:

Hình 2.1: Các giai đoạn quá trình phun nhiệt

- Giai đoạn nung nóng và làm nóng chảy vật liệu phun: nhiên liệu khí

cháy axetylen, oxy và không khí nén được cung cấp vào súng phun tại buồng

đốt của súng phun. Chúng được trộn lẫn với nhau tạo thành hỗn hợp khí cháy

có nhiệt độ và áp suất cao. Vật liệu phun dạng bột hòa trộn với khí nitơ (được

gọi là khí mang), được hút vào buồng đốt sau mỗi xung nổ vật liệu được nung

nóng đến trạng thái chảy và bị nén với áp suất cao, dịch chuyển theo dòng khí

cháy với tốc độ siêu âm và vượt âm nhờ kết cấu ống Laval.

31

- Giai đoạn phân tán hình thành giọt kim loại lỏng: khi dòng khí mang

vật liệu phun nóng chảy ra khỏi miệng súng phun, các giọt nóng chảy có áp

suất cao tiếp xúc với khí quyển có áp suất thấp, làm áp suất bên trong các giọt

nóng chảy bị giảm đột ngột và chúng bung ra thành nhiều hạt nhỏ dạng sương

mù, theo nguyên lý tạo hạt phun. Sự phân tán của các giọt kim loại dưới tác

dụng của áp suất và nhiệt độ khí tùy thuộc vào áp lực dòng khí cháy và đường

kính của miệng phun.

- Giai đoạn bay của các giọt kim loại: tốc độ bay của các hạt tăng dần từ

vùng đốt đến miệng phun, nhưng khi ra khỏi miệng phun tốc độ giảm dần do

lực cản của không khí. Các giọt kim loại nóng chảy ở nhiệt độ cao phân tán

thành chùm hạt nhỏ tương tác hóa học vật lý với môi trường xung quanh, vật

liệu phun bị oxy hóa và hòa tan khí. Quá trình oxy hóa tùy thuộc vào thành

phần khí cháy. Độ hòa tan khí phụ thuộc sức căng bề mặt giọt kim loại, sức

hút của các nguyên tử chất phun, hệ số dẫn nhiệt của vật liệu. Trong quá trình

bay, do chênh lệch về áp suất bên trong hạt với áp suất môi trường xung

quanh, các hạt tiếp tục vỡ phân tán thành nhiều hạt nhỏ. Dòng phun có dạng

hình phễu, góc loe của phễu phụ thuộc góc loe của ống Laval, tốc độ phun và

đường kính của đầu phun.

- Giai đoạn va đập của các giọt kim loại vào bề mặt kim loại nền để hình

thành lớp phủ: Các hạt vật liệu phủ mang động năng và nhiệt năng bay đến va

đập vào bề mặt nền. Khi va đập, động năng của hạt chuyển thành nhiệt năng,

truyền năng lượng cho bề mặt nền làm tăng nhiệt độ bề mặt nền, khi tiếp xúc

với bề mặt nền các hạt kim loại lỏng bị biến dạng từ tròn thành dẹt và bám

chắc trên bề mặt gồ ghề của kim loại nền. Do kết quả của sự truyền nhiệt, các

hạt phủ biến dạng và nguội, kèm theo thể tích giảm, đại bộ phận các hạt bám

chắc vào bề mặt nền, một bộ phận nhỏ bị bắn ra khỏi bề mặt. Tùy sự dịch

32

chuyển của đầu phun hoặc vật được phun, chùm tia hạt phủ được bắn vào bề

mặt nền theo từng lớp, chồng chất lên nhau tạo thành lớp phủ theo yêu cầu.

Sự phân bố các hạt phun tại điểm đến của dòng phun và sự chồng chất

các lớp khi phun được biểu diễn trên hình 2.2 và hạt phun tiếp xúc với bề mặt

nền được biểu diễn trên hình 2.3 và hình 2.4

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

Bột phun inox

V = 600 m/s

σ = 120 MPa

Bột phun WC/CO

V = 500 m/s

σ = 200 MPa

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

33

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

Khi các giọt kim loại lỏng bay đến va đập lên bề mặt nền, chúng sẽ bám

và đông đặc, lần lượt từng nhóm hạt, từng lớp và hình thành lớp phủ.

2.2. Quá trình phun HVOF

Quá trình phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF là sự kết hợp của nhiệt năng

và động năng làm tan chảy và tăng tốc các hạt bột, bay tới bám vào bề mặt

kim loại nền tạo thành lớp phủ [34],[41],[42]. Khí cacbua hydro (propan,

propylen, axetylen) hoặc hydro tinh khiết được dùng làm khí nhiên liệu, nhiệt

độ khí cháy phụ thuộc vào việc lựa chọn khí và tỷ lệ lưu lượng giữa dòng khí

oxy và dòng khí nhiên liệu. Vật liệu phủ, dưới dạng bột hoặc dây được cung

cấp vào dòng khí nóng, bị nung nóng đến trạng thái chảy và phun lên bề mặt

nền. Súng phun gồm có ba bộ phận: vùng trộn, vùng đốt và vòi phun. Trong

quá trình hoạt động, thân súng phun được làm mát bằng khí nén hoặc bằng

nước. Nhiên liệu và oxy được trộn trong vùng trộn và được dẫn vào vùng đốt;

sử dụng ngọn lửa mồi hoặc đầu đánh lửa ngoài để đốt cháy hỗn hợp khí.

Trong quá trình đốt cháy, khí giãn nở và tăng tốc trong vòi phun. Bột phun

được tăng tốc nhờ vào luồng khí mang hút vào vùng đốt. Khi đi các hạt bột bị

hút vào vùng đốt và ra khỏi vòi phun, chúng bị nung nóng và được tăng tốc

nhanh hơn. Do các hạt bột bị phun với vận tốc lớn và va đập mạnh, tạo thành

lớp phủ có độ xốp thấp và khả năng bám dính cao hơn so với các phương

pháp khác [50].

34

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

Để tạo hỗn hợp khí và bột phun, các loại khí được sử dụng như: Khí

propylen, khí propan hoặc axetylen và oxy, khi bột phun được hút vào vùng

khí đốt gây ra phản ứng hóa học để giải phóng năng lượng nhiệt, quá trình

này diễn ra liên tục làm cho áp suất trong buồng đốt tăng. Khi phun sử dụng

khí propylen và oxy, nitơ làm khí vận chuyển, theo Kowalsky [42] phản ứng

hóa học của các chất khí như sau:

C3H6 + 3,43O2 + XN21,29H2O + 3,14CO2 + XN2

Việc cân bằng hóa học (về mặt lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn)

tỷ lệ nhiên liệu - oxy là từ 1 đến 4,5. Năng lượng được giải phóng nhờ các

phản ứng hóa học của các chất khí được sử dụng để làm nóng và tăng tốc độ

khí và bột phun. Do nhiệt độ lắng đọng quá cao, các phần tử nước bị đốt và

bay hơi. Kết quả là vận tốc khí là đặc trưng của áp suất, nhiệt độ, mật độ,

thành phần khí và diện tích mà có khí đi qua.

Hình 2.5 cho thấy sự biến đổi của vận tốc dòng khí so với áp suất buồng

súng [44], buồng súng thường được duy trì ở một áp suất nhất định tùy theo

thiết kế của từng hệ thống phun HVOF.

Hình 2.5: Vận tốc dòng khí trong hệ thống HVOF theo áp suất buồng súng

35

Trong thiết bị phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF do nhiệt độ tăng dẫn đến

lực ma sát dọc theo bề mặt của ống phun tăng, làm cho dòng chảy có xu

hướng bị nghẽn tại đầu của miệng phun, ống phun bị giãn nở nhiệt do áp suất

tĩnh lớn hơn áp suất môi trường xung quanh, quá trình giãn nở nhiệt và nén

sóng xảy ra trong ống phun như hình 2.6. Sự giao thoa của các sóng tạo thành

vùng sáng trong dòng phun thường gọi là vùng Shock [39], [53], [55].

Hình 2.6: Sự hình thành sóng xung kích của dòng phun có áp suất cao hơn áp

suất môi trường

Trong quá trình cháy, các hạt bột được phun vào trung tâm của bồng đốt

nhờ luồng khí vận chuyển và được làm nóng chảy, sau đó hỗn hợp bột, khí

nóng được phun ra từ đầu phun với vận tốc cao. Vì các hạt bột được phun với

tốc độ siêu âm, do đó gây ra hiện tượng sóng sốc. Từ kết quả tính vận tốc của

các hạt bột có kích thước và vật liệu khác nhau như hìnhcho thấy, vận tốc lớn

nhất tại đường tâm và giảm dần từ trong ra ngoài [44]. Việc giảm vận tốc của

các hạt bột là do lực cản giữa chùm tia và môi trường xung quanh.

Việc lựa chọn khí nhiên liệu phụ thuộc vào chi phí vật liệu phủ và yêu

cầu về chất lượng lớp phủ. Khí propan thường được sử dụng để làm khí nhiên

liệu. Tuy nhiên, với vật liệu dễ phản ứng với oxy, có thể chọn khí hydro làm

khí nhiên liệu do có ưu điểm là độ hấp thụ oxy thấp. Nếu cần nhiệt lượng lớn

để làm nóng chảy các hạt bột phun thì sử dụng khí propylen. Còn vật liệu

36

gốm gốc oxit có nhiệt độ nóng chảy cao thì nên sử dụng khí nhiên liệu là

axetylen.

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

Vận tốc hạt là yếu tố quan trọng trong quá trình phun nhiệt, chất lượng

của lớp phủ được cải thiện phụ thuộc nhiều vào vận tốc của hạt phun. Sử dụng

súng phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF vận tốc hạt có thể đạt 800 m/s, cao hơn

đáng kể so với quá trình phun nhiệt khác

* Ưu điểm của công nghệ phun nhiệt HVOF :

- Nâng cao khả năng chống mài mòn cơ học và chống ăn mòn hóa học –

điện hóa.

- Nâng cao khả năng chịu nhiệt và cách nhiệt;

- Thành phần oxit thấp do thời gian tiếp xúc nhiệt ngắn;

- Thành phần hóa học của kim loại phun không thay đổi do thời gian tiếp

xúc nhiệt ngắn;

- Chiều dày lớp phủ cao do ít suất dư;

- Bề mặt lớp phủ láng mịn do vận tốc phun cao.

Tất cả các ưu điểm trên đã làm cho lớp phủ có mật độ cao hơn, cải thiện

khả năng chống ăn mòn, độ cứng cao, chịu mài mòn tốt, hàm lượng oxít thấp,

tỷ lệ hạt không nóng chảy ít, độ dày lớp phủ lớn và mịn hơn so với các

phương pháp phun nhiệt khác.

* Nhược điểm của công nghệ phun phủ HVOF :

- Công nghệ cực kỳ phức tạp, phụ thuộc nhiều vào sự thay đổi các thông

số trong quá trình phun;

- Đòi hỏi nhân viên có nhiều kinh nghiệm, để đảm bảo hoạt động an toàn

và để đạt được chất lượng phủ phù hợp;

- Phải được thực hiện trong một phòng phun đặc biệt, với các thiết bị bảo

vệ âm thanh và xử lý bụi phù hợp;

37

- Khó áp dụng cho việc phun bề mặt bên trong các hình trụ tròn đường

kính nhỏ, do khoảng cách phun tối thiểu là 80 mm.

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

Các loại cacbit (WC-Co, Cr3C2 - NiCr) đóng vai trò quan trọng trong

lĩnh vực phun phủ nhiệt, chiếm khoảng 70% các loại vật liệu phủ được sử

dụng trong công nghệ HVOF. Các kim loại cứng được phun phủ bằng công

nghệ HVOF tạo ra lớp phủ có mật độ cao (thường là > 97%), phân bố các giai

đoạn đồng nhất hơn và ít có các cấu trúc cacbit giòn so với các phương pháp

phun phủ nhiệt khác tạo ra [61].

Hiệu quả lắng đọng, khi sử dụng công nghệ HVOF có thể lên tới mức từ

70% đến 80%. Một số công nghệ HVOF sử dụng axetylen có thể tạo ra lớp

phủ gốm có chất lượng rất cao, ví dụ như lớp phủ crom (Cr203). Chất lượng

của lớp phủ crom nhờ vào động năng cao kết hợp với nhiệt độ hạt trung bình

dẫn đến hình thành nên một cấu trúc có mật độ cao với mức thoát oxy thấp do

nhiệt gây ra.

Cũng như các phương pháp phun phủ nhiệt khác, công nghệ HVOF cho

phép xử lý kết hợp các loại vật liệu, còn được gọi là giả hợp kim.

Bản thân chất trợ dung hợp kim niken cơ bản thường được trộn lẫn với

kim loại cứng, cũng giống như phun đồng thời WC-Co, với mục đích kết hợp

khả năng chịu ăn mòn của hợp kim gốc niken và khả năng chịu mài mòn của

các kim loại cứng.

Mặc dù quá trình phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF có thể tạo ra các lớp

phủ có mật độ cao, đôi khi lớp phủ vẫn bị lẫn một số chất tạo gỉ, cần phải có

phương pháp phủ đặc biệt để tăng cường hơn nữa các đặc tính bảo vệ của lớp

phủ để phòng ngừa sự tác động của gỉ sét.

Chiều dày lớp phủ cho các kim loại cứng thường ở mức từ (0,1 ÷ 0,2

mm). Nếu phun chiều dày lớp phủ lớn hơn 0,3 mm, sẽ gây ra hiện tượng ứng

38

suất dư bên trong lớp phủ, do vậy không nên phun lớp phủ có chiều dày lớn

hơn 0,3 mm. Tuy nhiên, trong thực tế đã có nghiên cứu thực hiện thành công

lớp phủ dày 10mm, với hệ thống làm mát sử dụng CO2 lỏng. Độ nhấp nhô bề

mặt của lớp phủ phụ thuộc phần lớn vào việc sử dụng loại bột phun. Nếu sử

dụng bột phun mịn, độ nhấp nhô bề mặt sau khi phun rất thấp, ở mức Ra =

1÷2 µm, thậm chí còn nhỏ hơn 1m sau khi được xử lý đánh bóng bằng máy

mài kim cương. Các lớp phủ bằng công nghệ HVOF có thể được áp dụng

trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, như trong bảng 2.[39], [55].

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

công nghiệp.

Ngành công nghiệp Chi tiết, máy Vật liệu phun

Công nghiệp giấy Con lăn WC-Co-Cr

Lưỡi cạo Cr2O3

Công nghiệp thép Con lăn lò nung Cr3C2 -NiCr

Con lăn băng tải Cr3C2 -NiCr

Công nghiệp in Con lăn mực in Cr2O3

Công nghiệp may Galettes Al2O3-TiO2

Điện tử Băng dẫn điện Cu

Xây dựng nhà máy Máy nghiền A1203,Mo, các loại thép

Máy tuyển quặng Al203,Mo, các loại thép

Thiết bị ngành hóa chất Al203,Mo, các loại thép

Công nghiệp ô tô Đĩa ma sát Mo

2.3. Tính chất của lớp phủ

Trong lớp phủ phun nhiệt tồn tại oxit và độ xốp. Trong quá trình bay từ

súng đến bề mặt nền, các hạt có sự tương tác hóa học và vật lý với môi trường

xung quanh. Lớp phủ phun nhiệt được cấu tạo gồm các lớp mỏng có đường

biên nằm song song với bề mặt nền. Mỗi lượt phun thường có từ 5 đến 15 lớp

39

mỏng, tùy thuộc vào các thông số phun (lưu lượng cấp bột phun, khoảng cách

phun, kích thước hạt bột phun, tốc độ di chuyển của đầu phun)

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.

Trong khi phun, thời gian tương tác giữa các hạt với môi trường xung

quanh rất ngắn, sau đó bị đông đặc và nguội đi nhanh chóng làm mất khả

năng tương tác. Do thời gian ngắn như vậy nên 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 vật lý, mà biểu hiện bề ngoài của nó là sự xuất

hiện những khoảng bám dính trên mặt tiếp xúc. Sự hình thành lớp phun là quá

trình xếp vô số và liên tiếp các hạt phun bị biến dạng lên bề mặt nền, khi các

các hạt phun tiếp xúc với nhau hoặc tiếp xúc với bề mặt mà không điền đầy

khít không gian sẽ gây ra hiện tượng rỗ xốp trong lớp phủ. Quá trình 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. Dưới đây

là hình ảnh về hình thái của lớp kim loại mỏng va đập trên bề mặt kim loại

nền được biểu diễn trong hình 2.7 và hình 2.8, sơ đồ mặt cắt cấu trúc tế vi của

lớp phủ phun nhiệt được thấy rõ.

Hình 2.7: Sơ đồ trạng thái của lớp

kim loại mỏng rơi trên bề mặt

Hình 2.8: Sơ đồ mặt cắt cấu trúc

của lớp phủ phun nhiệt

40

Chất lượng và các tính chất của các lớp phun nhiệt chủ yếu phụ thuộc

vào kích thước hạt phun, nhiệt độ hạt, tốc độ di chuyển giữa các giọt kim loại

va chạm vào vật liệu nền và vào mức oxy hóa của các giọt kim loại với bề

mặt vật liệu nền khi phun. Các yếu tố này rất khác nhau khi sử dụng các quy

trình phun khác nhau.

Các lớp phun kim loại và hợp kim tạo bởi bằng quá trình phun nhiệt khí

tốc độ cao HVOF không còn giữ nguyên các thành phần hóa học ban đầu của

chúng. Các tính chất lớp phun có thể thay đổi nhiều tùy thuộc vào quy trình

phun.

2.3.1. Cấu trúc lớp phủ

Cấu trúc lớp phủ được hình thành từ những khối nhỏ kim loại phủ, được

bồi đắp sát nhau và chồng chất lên nhau. Khi phun, dòng chất phun được gia

tốc liên tục đến bề mặt kim loại nền, các phần tử phun khi va đập với kim loại

nền, ở nhiệt độ nóng chảy, chúng bị biến dạng. Việc liên kết với vật liệu nền

và với phần vật chất đã được phủ từ trước, trước hết là sự bám dính cơ học,

sau là nhờ nhiệt độ cao nên xảy ra quá trình khuyếch tán, tạo thành khối vật

liệu phủ tương đối đồng nhất.

Trong lớp phủ luôn có lỗ xốp, ngậm khí và các tạp chất như ở hình 2.9.

Lỗ xốp hình thành do những khoảng trống không được điền đầy và do khí tích

tụ. Các tạp chất chủ yếu là các oxit hình thành trong quá trình phun.

Hình 2.9: Sơ đồ cấu trúc lớp phủ.

41

Đặc trưng cấu trúc của lớp phủ là: do kim loại phun ở trạng thái lỏng khi

va chạm với vật liệu nền bị nguội nhanh, nên tổ chức kim loại không phải tổ

chức cân bằng. Nếu kim loại phủ là thép thì thường có tổ chức maxtenxit và

bâynit. Chính vì vậy, lớp phủ thường có độ cứng bề mặt cao.

Trên thực tế chi tiết có 2 dạng chủ yếu đó là: chi tiết dạng phẳng và chi

tiết dạng tròn. Khi phủ chi tiết dạng phẳng, đầu phun chuyển động theo đường

thẳng và di chuyển hết chiều dài chi tiết, sau đó, dịch chuyển ngược lại, quá

trình dịch chuyển của đầu phun sao cho lớp đầu phủ hết diện tích cần phủ, sau

đó phủ tiếp lớp thứ 2, cứ như vậy cho đến khi đạt chiều lớp phủ theo yêu cầu

Đối với chi tiết tròn xoay, chi tiết được gá trên đồ gá quay với một tốc độ

nhất định, đầu phun được gá lên cơ cấu dịch chuyển ngang. Tốc độ quay của

chi tiết và tốc độ dịch chuyển của đầu phun sao cho các lớp phủ tạo thành một

đường xoắn, yêu cầu đường xoắn phải chồng chất lên nhau, không có khoảng

trống để tránh hình thành lỗ xốp. Như vậy, tốc độ quay của chi tiết và tốc độ

dịch chuyển của đầu phun phải được tính toán chính xác, sao cho tạo lớp phủ

đều, có độ bám dính tốt và độ rỗ xốp rất nhỏ.

2.3.2. Thành phần của lớp phủ phun nhiệt

Trong quá trình phun nhiệt, thành phần của lớp phủ có thể khác biệt với

vật liệu dùng để phun phủ, do phản ứng của các hạt nóng chảy với môi trường

khí. Cụ thể, mức độ oxy hóa rất quan trọng đối với đặc tính của lớp phủ.

Nghiên cứu của Datta [23], [60] về tác động của oxy hóa đối với lớp đồng và

nhôm cho thấy rằng chỉ cần mức độ oxy hóa rất nhỏ trong quá trình kết tụ

cũng làm suy giảm cường độ chịu nén theo chiều vuông góc và song song với

bề mặt. Tuy nhiên, các hạt oxit riêng lẻ không chỉ tăng cường độ cứng lớp

phủ mà còn tăng thêm khả năng chịu mài mòn. Sự thoát cacbon trong lớp phủ

tungsten cacbit cũng đã được các tác giả [17], [20] nghiên cứu, các lớp phủ

kim loại hoặc kim loại gốm cũng có thể tương tác với không khí, hình thành

42

nên các vẩy oxit trên hạt phun và các tạp chất hòa tan trong hạt nóng chảy.

Mức độ của các phản ứng này phụ thuộc vào các tham số của quy trình phun.

Do tốc độ làm nguội nhanh nên xảy ra trạng thái mất cân bằng nhiệt. Khi

phun phủ nhôm, các hạt bị quá nhiệt va đập vào vật cần phun phủ có độ dẫn

nhiệt lớn có thể sinh ra các pha delta và theta cùng với pha gamma, và pha

alpha sẽ bị ức chế [19].

2.3.3. Sự lắng đọng của lớp phủ

Trong quá trình phun, các hạt trở nên quá nhiệt và được phun về phía bề

mặt kim loại nền với vận tốc cao [26], [34]. Đặc điểm chung của lớp phủ

phun nhiệt là có cấu trúc hạt dạng hình cầu hoặc dạng tấm. Ban đầu các hạt

được nung nóng chảy và được đẩy ra khỏi đầu phun dưới dạng hình cầu, sau

đó ở lần va đập đầu tiên với bề mặt nền tạo ra sóng xung kích trong lớp mỏng

trên bề mặt nền [55], đã có nhiều tác giả nghiên cứu về đặc điểm của hạt phun

khi va đập [53]. Hình dạng và cấu trúc của lớp mỏng cho thấy các thông tin

về các thông số phun như, khoảng cách phun, góc phun [34].

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

Ngoài ra, các hạt nóng chảy sau khi biến dạng và đông đặc thành tấm

mỏng thì có cấu trúc mặt cắt ngang dạng hình cột như hình 2.10. Hầu hết tình

trạng của quá trình đông đặc bắt đầu từ ranh giới tiếp xúc giữa hạt phun và bề

mặt nền, ranh giới này được hình thành do quá trình tản nhiệt của chất lỏng.

Sự hình thành đông đặc của các hạt phun phụ thuộc vào nhiều yếu tố như:

43

công nghệ phun, phương pháp phun, kích thước hạt bột, đặc tính vật liệu phun

và phụ thuộc vào bề mặt nền như: độ nhám, nhiệt độ và loại vật liệu, các yếu

tố này xác định quá trình biến dạng của hạt. Tác giả Roemer [55] đã nghiên

cứu và cho rằng, trước khi phun bề mặt nền phải được tạo nhám bề mặt nếu

không độ bám dính của lớp phủ sẽ kém, bề mặt nền có độ nhám trong phạm

vi từ 4 µm đến 13 µm lớp phủ sẽ tăng độ bám dính theo đường tuyến tính.

Lớp phủ được hình thành từ các hạt đơn lẻ va đập vào bề mặt nền. Tại

thời điểm va đập các hạt có thể bị nóng chảy một phần hoặc nóng chảy hoàn

toàn, điều này phụ thuộc vào nhiệt độ nóng chảy của vật liệu phun và phụ

thuộc vào hỗn hợp nhiên liệu khí cháy của súng phun. Tốc độ truyền nhiệt từ

ngọn lửa đến các hạt cũng ảnh hưởng đến mức độ nóng chảy của vật liệu

phun. Các hạt phun có thể ở trạng thái bị bắn tóe hoặc liên kết yếu trong lớp

phủ, tạo nên sự liên kết kém hơn.

2.3.4. Ứng suất dư

Một trong những vấn đề quan trọng nhất trong việc hình thành của lớp

phủ phun nhiệt là sự hình thành của ứng suất dư, đặc biệt là đối với lớp phủ

có chiều dày lớn [26], Trong quá trình phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF, các

hạt nóng chảy hoặc bán nóng chảy va đập vào bề mặt nền hoặc vật liệu nóng

chảy trước đó với tốc độ cao. Vì thế, mặc dù các hạt phun có khối lượng nhỏ

nhưng vẫn làm biến dạng nhất định đến bề mặt vật liệu có trước. Sự tác động

của mỗi hạt chịu ảnh hưởng của các trường ứng suất. Các trường ứng suất này

lại phụ thuộc vào trạng thái rắn của vật liệu có trước. Ngoài những tác động

cơ học thì tác động nhiệt cũng ảnh hưởng đến việc tăng ứng suất. Các hạt

được nung nóng trong buồng đốt của súng phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF

và được phun lên bề mặt vật liệu nền. Trong quá trình tác động lên bề mặt vật

liệu nền, các hạt nóng chảy bị biến dạng thành các lớp mỏng, nhiệt độ của

chúng giảm xuống và đông đặc. Nhiệt độ giảm mạnh tạo ra ứng suất dư trong

44

mỗi lớp mỏng. Trong quá trình phun HVOF, quá trình chuyển pha cũng có

thể tạo ra ứng suất dư [52]. Có hai cơ chế chính tạo ra ứng suất dư trong lớp

phủ là: sự tôi và làm nguội.

Ứng suất do tôi

Theo Pawlowski có từ 5 đến 15 lớp mỏng hình thành trong mỗi lần phun

[53]. Khi đông đặc, các lớp phủ này co lại, chúng liên kết chặt chẽ với nhau

và bám lấy bề mặt nền, tạo ra ứng suất kéo trong mỗi lớp phủ như hình 2.11.

Hình 2.11: Sơ đồ ứng suất kéo

Ứng suất kéo do tôi là không thể tránh khỏi và có thể được tính như sau:

q c m s cT T E (2.1)

trong đó: σq - Ứng suất do tôi (Pa); Ec- Mô đun đàn hồi của lớp phủ (Pa); αc -

Hệ số giãn nở nhiệt của lớp phủ (/°C); Tm - Nhiệt độ nóng chảy của một lớp

mỏng (°C); Ts - Nhiệt độ của vật liệu nền (°C).

Ứng suất do làm nguội

Khi kết thúc quá trình lắng đọng hoặc trong quá trình phun bị gián đoạn

sẽ sinh ra ứng suất. Hiện tượng này xảy ra chủ yếu do sự chênh lệch hệ số

giãn nở nhiệt giữa kim loại nền và vật liệu lớp phủ. Nếu hệ số giãn nở nhiệt

của lớp phủ lớn hơn hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu nền (c >s) thì sẽ tạo ra

ứng suất kéo bên trong lớp phủ [43], [53].

Điều này có thể làm giảm độ bám cũng như làm rạn nứt lớp phủ. Nếu

các hệ số giãn nở cân bằng thì ứng suất sẽ không xảy ra. Còn nếu hệ số giãn

45

nở nhiệt của lớp phủ nhỏ hơn hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu nền (c<s) thì

sẽ tạo ra ứng suất nén như trong hình 2.12.

Hình 2.12: Sơ đồ ứng suất nén

Ứng suất nén được tính theo công thức sau:

σc = [Ec(Tf−TR)(αc−αs)

1+2EctcEsts

] (2.2)

trong đó: σc - Ứng suất do làm nguội (Pa); Ec - mô đun đàn hồi của lớp phủ

(Pa); Es - Mô đun đàn hồi của vật liệu nền (Pa); αc - Hệ số giãn nở nhiệt của

lớp phủ (/0C); αs - Hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu nền (/0C); tc - Độ dày của

lớp phủ (m); ts - Độ dày của vật liệu nền (m); Tf - Nhiệt độ lắng đọng(0C); TR -

Nhiệt độ môi trường (0C).

2.3.5. Độ cứng

Lớp phủ phun nhiệt có cấu trúc không đồng nhất, vật liệu lớp phủ có

chứa oxit và rỗ xốp. Độ cứng lớp phủ có giá trị thấp hơn so với các vật liệu

tương đương như đúc hoặc rèn. Khi phun các vật liệu khác nhau có thể nhận

được các lớp phủ có độ cứng khác nhau [12]. Độ cứng phụ thuộc vào nhiều

yếu tố trước hết là phương pháp phun và khi phun cùng một phương pháp -

các điều kiện phun như: chế độ công tác của đầu phun, khoảng cách phun, các

tính chất vật lý của vật liệu nền, các tính chất của vật liệu phun, tốc độ cấp vật

liệu phun, tốc độ di chuyển của đầu phun hay vật liệu nền. Điều này được giải

thích bởi những ảnh hưởng của phương pháp phun và điều kiện phun đối với

46

các tính chất của lớp phun như, cấu trúc, số lượng và kích thước rỗ, các tạp

chất và các liên quan khác. Độ cứng của một vật liệu thường giảm đi nếu việc

phun phủ được thực hiện trong môi trường khí trơ [28]. Mặc dù quá trình oxy

hóa có thể làm tăng độ cứng của lớp phủ, nhưng quá trình này lại làm giảm

cường độ bền bên trong của lớp phủ, do đó có thể làm giảm hiệu quả của lớp

phủ. Độ cứng của lớp phủ thường được đo trên một mẫu thử nghiệm. Thông

thường độ cứng các hạt tạo thành lớp phủ cao hơn độ cứng vật liệu phun, vì

vậy lớp phủ có độ chịu mài mòn tốt.

2.3.6. Độ xốp

Độ xốp là một trong những tính chất quan trọng của lớp phủ phun nhiệt.

Trong quá trình phun khi các hạt chưa nóng chảy hết chúng sẽ bị đông đặc và

co ngót thể tích tạo thành các rỗ xốp tế vi. Ngoài ra, do các hạt phun sau

không điền hết không gian,sinh rỗ xốp, độ xốp của lớp phủ thể hiện trên hình

2.13.

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

Tùy thuộc vào quá trình phun, phương pháp phun mà lớp phủ có thể

nhận được độ xốp khác nhau, thông thường độ xốp lớp phủ đạt giá trị trong

khoảng từ 0,1% đến 15%. Độ xốp còn phụ thuộc vào việc lựa chọn tối ưu hóa

các thông số phun như: kích thước hạt kim loại phun, tốc độ phun, lưu lượng

phun và khoảng cách phun. Do đó, việc nghiên cứu để làm giảm độ xốp đến

47

giá trị thấp nhất đáp ứng nhu cầu sử dụng trong các ngành công nghiệp luôn

được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm.

Hiện nay, người ta đã nghiên cứu ra một số phương pháp phun nhiệt cho

độ xốp thấp hơn so với các phương pháp phun khác, trong đó công nghệ phun

nhiệt HVOF cho độ xốp thấp nhất, do vận tốc khí tác động lên các hạt phun

cao, đẩy hầu hết các túi khí tích tụ ra khỏi cấu trúc của lớp phủ [21]. Trong

bảng 2.2 cho thấy, sự khác nhau của độ xốp lớp phủ khi phun bằng phương

pháp HVOF, sử dụng vật liệu phủ khác nhau cho chất lượng độ xốp của lớp

phủ khác nhau.

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

Vật liệu phủ Độ xốp (%)

Diamalloy 1005 niken/crom molypden nền bazơ 1

Diamalloy 2003 tungsten cacbit - coban < 0,5

Diamalloy 3001 coban nền hợp kim 1,5

Diamalloy 3006 crôm cacbit / nikencrom 1-2

2.3.7. Độ bám dính

Độ bám dính cao là một trong những thông số quan trọng nhất, ảnh

hưởng đến hiệu suất của nhiệt phun hệ thống phủ ngoài bề mặt trong các ứng

dụng thực tế của lớp phủ. Đối với nhiều ứng dụng độ bám dính của lớp phủ là

rất quan trọng đối với hiệu suất của phần phủ.

Sự bám dính của lớp phủ với vật liệu nền là một trong những yếu tố quan

trọng nhất được nhiều nhà khoa học nghiên cứu. Do quá trình làm nguội

nhanh, sự khuếch tán qua lại giữa lớp phủ và vật liệu nền chỉ xảy ra ở mức độ

hạn chế, do đó sự bám dính chủ yếu mang tính chất vật lý, chứ không mang

tính chất luyện kim hay hóa học. Mặc dù các hạt nóng chảy đã làm biến dạng

đến độ nhấp nhô của bề mặt vật liệu nền, tạo ra một liên kết cơ học, việc phun

cát làm tăng độ nhấp nhô bề mặt vật liệu nền cũng không làm tăng đáng kể

48

diện tích bề mặt cho liên kết cơ học đó [55]. Tuy nhiên, việc phun cát đã tạo

ra bề mặt rất năng động. Các nghiên cứu [67] đã tính toán cho rằng khi sử

dụng bột thiếc phun lên thép đã được tạo nhám bằng phun cát với vận tốc

V=100 m/s thì động năng và nhiệt năng có giá trị lớn hơn ứng suất chảy dẻo.

Dưới sự tác động của phun cát đã phá vỡ lớp oxit trên bề mặt, tạo ra lớp bề

mặt sạch giúp cho quá trình liên kết giữa kim loại nền và vật liệu phun tốt

hơn. Các nghiên cứu khác của Baxtor và Reiter cho thấy rằng phun phủ nhôm

bằng plasma cũng phá vỡ lớp oxit trên bề mặt kim loại [18]. Cường độ bám

dính thực tế phụ thuộc rất nhiều vào vật cần phun và các tham số của quy

trình phun phủ.

Một vấn đề khác liên quan đến cường độ bám dính của lớp phủ đó là sự

tích tụ của các hạt riêng lẻ khi va đập vào bề mặt vật liệu nền, nhiệt độ bề mặt

vật liệu nền ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình làm phẳng của các hạt nóng

chảy khi va đập vào bề mặt vật liệu nền, do đó có tác động đến các đặc tính

cơ học và lý học của lớp phun phủ nhiệt. Quá trình làm phẳng là một trong

những quá trình quan trọng của phun phủ nhiệt, vì quá trình này quyết định

các đặc tính của lớp phun phủ.

Quá trình làm phẳng trên các bề mặt nhấp nhô hình 2.14 cũng đã được

Moreau nghiên cứu và tác giả cho rằng tỷ lệ làm phẳng và tốc độ lan rộng sẽ

giảm đi khi độ nhấp nhô bề mặt tăng lên [54].

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

diện ngang

49

Nhiều lớp mỏng phun trên một bề mặt nhấp nhô của vật liệu nền được

gắn kết lại bằng một lực sinh ra bởi sự co ngót của chất lỏng bao quanh những

điểm lồi lõm trên bề mặt đó.

Khi lớp mỏng tiếp xúc với bề mặt vật liệu nền sự liên kết được sinh ra

nhờ các cơ chế sau: Tương tác vật lý và tương tác luyện kim.

Các điều kiện tiên quyết để hình thành tương tác vật lý giữa các bề mặt

tiếp xúc là: Bề mặt phải được làm sạch. Bề mặt phải ở trạng thái năng lượng

cao (ví dụ như trạng thái biến dạng dẻo). Tiếp xúc kín (điều này luôn xảy ra

nếu lớp mỏng ở trạng thái lỏng). Có hai cơ chế có thể tương tác luyện kim đó

là: Khuếch tán và phản ứng hóa học giữa tấm mỏng và kim loại nền.

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

Đặc tính động lực học quá trình phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF nhằm

xác định sơ bộ sự ảnh hưởng của lưu lượng phun và các tham số động lực học

quá trình phun tới chất lượng lớp phủ. Quá trình phun nhiệt khí tốc độ cao

HVOF xảy ra như Hình 2.15 [57]. Đây là quá trình nhiệt động học xảy ra

trong buồng đốt, vòi phun và sự tương tác giữa dòng phun với bề mặt được

phun, mô hình vòi phun HVOF.

Hình 2.15: Kết cấu vòi phun HVOF.

Trong quátrình phun HVOF, hỗn hợp nhiên liệu khí gồm khí hydro và

khí oxy được cấp từ buồng cấp khí, tại đây xảy ra phản ứng sinh ra khí cháy

nhiệt độ cao [25],[35]. Khí thải cùng với không khí được phun vào từ các lỗ

50

phun, giãn nở trong vòi phun tới tốc độ siêu âm, buồng đốt được làm mát

bằng nước và không khí.

Bột được cấp vào buồng đốt có nhiệt độ cao làm các hạt bột nóng chảy

và bay cùng với dòng hỗn hợp khí bắn vào bề mặt chi tiết phun tạo thành lớp

phủ.

Trong công nghệ HVOF, các lớp phủ rải đều lên bề mặt chi tiết phun

bằng cách tạo dịch chuyển tương đối giữa chi tiết được phun và súng phun

theo 2 phương như hình 2.16. Khoảng cách, tốc độ dịch chuyển súng phun và

tốc độ quay của chi tiết là các tham số động học cơ bản quyết định tính chất

động học quá trình phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF.

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

Ở đây, động lực học quá trình phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF là bài

toán nghiên cứu các tính chất động lực học diễn ra trong súng phun, dòng hỗn

hợp phun bay trong không khí tới khi va đập với bề mặt phun, bao gồm hai

quá trình chính là động lực học dòng phun và sự va đập của dòng phun với bề

mặt chi tiết phun.

51

2.4.1. Động lực học dòng khí

Động lực học quá trình phun nhiệt khí HVOF là động lực học dòng hai

pha khí và hạt (pha khí và pha rắn). Để đơn giản trong phân tích, tính toán đặc

tính động lực học quá trình phun nhiệt khí HVOF, giả thiết rằng tỷ lệ hạt và

không khí, hay là tỷ số giữa lưu lượng của hạt với lưu lượng khí, được xem là

nhỏ khoảng 4-5%. Theo giả thiết đó, sự tồn tại của các hạt có ảnh hưởng

không nhiều tới tính chất động lực và nhiệt độ dòng khí, trong khi đó động

lực học của hạt khi bay được xác định theo phương trình động lực và truyền

nhiệt. Mô hình động lực học dòng hai pha kết hợp giữa pha khí và pha hạt là

mô hình phức tạp, nên rất khó để nghiên cứu thực nghiệm, do đó luận án chọn

phương pháp phân tích động lực học dòng khí bằng mô phỏng.

Dòng khí trong phun HVOF là quá trình dòng chảy bị nén đặc trưng bởi

quá trình chuyển tiếp không ổn định giữa dòng tốc độ dưới âm, tốc độ âm

thanh và tốc độ vượt âm. Việc mô tả đầy đủ quá trình này đòi hỏi mô phỏng

số trong miền thời gian. Để đơn giản hóa việc mô phỏng, các phương trình

Navier-Stokes (RANS) được sử dụng để ước lượng trung bình nhằm bỏ qua

ảnh hưởng của sự pha trộn giữa các pha. Để chuyển đổi các phương trình

Navier-Stokes tới dạng trung bình, theo các giả thuyết của Boussinesq ứng

suất Reynolds (với điều kiện biến thiên) đồng biến với tốc độ trung bình

(không có điều kiện biến động). Cụ thể, các phương trình bao gồm các thành

phần khối lượng, động lượng, năng lượng, sự di chuyển của hạt, động năng

hỗn loạn, tốc độ phân tán. Các phương trình viết xây dựng theo tenxo Decac

là [47]:

Phương trình liên tục:

0jj

vt x

(2.3)

trong đó, - Mật độ khí; t- Thời gian; jv - Tốc độ theo phương jx .

52

Định luật khí lý tưởng:

p RT (2.4)

trong đó R là hằng số khí, hoặc hằng số phân tử khí phụ thuộc vào khối lượng

phân tử của khí.

Trong mô hình quá trình phun nhiệt khí HVOF, một yếu tố cần được tính

đến đó là nhiệt độ cao của sản phẩm cháy, khi đó sản phẩm cháy sẽ phân tách

ra thành các thành phần có phân tử khối lượng thấp như OH và H. Nhiệt độ

tính toán có thể cao hơn đáng kể nhiệt độ thực tế do không kể đến sự phân ly.

Tùy thuộc vào yêu cầu tính toán và mức độ chính xác cần thiết, động lực học

quá trình phản ứng hóa học có thể được giản lược. Nhiều tác giả đã sử dụng

các phương pháp khác nhau để xây dựng mô hình tốc độ phản ứng, bao gồm:

Tốc độ phản ứng nhanh hoặc cân bằng hóa học tức thời tại cửa vào buồng đốt,

Tốc độ phản ứng nhất định dưới dạng Arrhenius và Tốc độ phản ứng bị hạn

chế bởi sự hỗn độn hoặc phản ứng nhanh hơn với tỷ lệ pha trộn.

Trong thực tế phun nhiệt HVOF, mô hình được sử dụng phản ứng với

tốc độ hữu hạn, và do đó việc xác định chính xác tốc độ Arrhenius là rất

không cần thiết. Theo thời gian tác dụng, giai đoạn khí trong buồng đốt (phần

hội tụ của các vòi phun) dài hơn nhiều so với các giai đoạn khác, nên có thể

giả thiết rằng các phản ứng xảy ra chủ yếu trong buồng đốt trong quá trình

cân bằng, có thể được xác định bằng cách giảm thiểu năng lượng Gibbs tự do

theo entanpy không đổi và áp lực liên tục sử dụng hệ số cân bằng. Áp suất có

thể được đo ở điều kiện trong phòng. Ngoài ra, nếu tỷ lệ oxy và lưu lượng

nhiên liệu đã biết, có thể tính toán được áp suất buồng đốt. Cụ thể, với tỷ lệ

oxy và lưu lượng nhiên liệu nhất định, áp suất buồng đốt được xác theo mô

hình một chiều. Tỷ lệ tổng lưu lượng tại cửa ra vòi phun được xác định trên

cơ sở đó áp suất được điều chỉnh cho đến khi sự chênh lệch giữa tổng mức

lưu lượng định mức đạt yêu cầu công nghệ.

53

Để giải bài toán trên, luận án sử dụng phương pháp mô phỏng động lực

học chất lỏng với sự trợ giúp của phần mềm Ansys. Kết quả giải bài toán là

trạng thái dòng phun từ trong loa phụt và từ cửa ra loa phụt tới bề mặt cần

phun bao gồm trường áp suất, trường nhiệt độ và trường tốc độ dòng. Hình

2.17 là trường nhiệt độ trong buồng đốt của loa phụt bằng vòi phun Diamond

Jet 2700 Gun. Theo kết quả mô phỏng này, dòng sản phẩm nhiệt độ cao

chạybao quanh dòng sản phẩm nhiệt độ thấp, vùng trung tâm và vùng sát

thành loa phụt. Điều này giúp giảm tải trọng nhiệt cho thành buồng đốt và loa

phụt.

Hình 2.17: Ảnh đồ trường nhiệt độ trong buồng đốt

Hình 2.18 là trường áp suất tĩnh mô phỏng dòng sản phẩm cháy trong loa

phụt và vùng không gian giữa cửa ra loa phụt tới bề mặt phun. Theo kết quả

mô phỏng, áp suất dòng phun giảm dần từ 6,2 bar trong buồng đốt đến 0,6 bar

tại cửa ra của vòi phun.

Hình 2.18: Trường áp suất trong quá trình phun HVOF

54

Do áp suất này nhỏ hơn áp suất môi trường nên dòng phun bị giãn nở và

có dạng co bóp (tại vùng lõi) cho đến khi đạt đến áp suất môi trường. Theo

kết quả mô phỏng, khoảng cách phun hiệu quả là vùng áp suất của dòng phun

đang biến đổi, khoảng cách này trong khoảng từ 100 mm đến 250 mm.

Khi phân tích dòng phun, giả thiết có sự cân bằng tức thời tại cửa vào

buồng đốt, mô hình toán học ma sát giữa thành và dòng phun có thể được mô

tả bằng phương trình [48]:

22

2 2

22

2

1 1 / 2

1

12

1 1 / 2 p

MdM

M M

dA dx M dqM

A D C TM

(2.5)

2 2 2

2 2

1 1

21 1 p

MdT dA M dx M dq

T A D c TM M

(2.6)

trong đó A là tiết diện mặt cắt ngang của dòng, D là đường kính loa

phụt, là hệ số nhiệt, M là số Mach. Tại đường kính tới hạn của loa phụt số

Mach =1. là hệ số cản Darcy nó được xác định trong quan hệ với hệ số

Reynolds theo phương trình cân bằng Colebrook [53]. Phương trình (2.5) và

(2.6) được giải đồng thời nhờ sử dụng các phương pháp Runge-Kutta.

10

1 2,512log

3,72

D

Re

(2.7)

Để đơn giản, có thể bỏ qua ma sát hoặc sự ảnh hưởng của nước làm mát

(điều này là hợp lý đối với súng phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF như Sulzer

Metco Diamond Jet 2700… Sulzer Metco, Westbury, NY), các phương trình

đẳng entropy dùng để tính toán trường nhiệt độ, áp suất và mật độ dọc theo

vòi phun:

55

2122

1 2

1 1 / 2

1 1 / 2

MT

T M

(2.8)

2 1122

1 2

1 1 / 2

1 1 / 2

Mp

p M

(2.9)

12 1122

1 2

1 1 / 2

1 1 / 2

M

M

(2.10)

1

2 2 122 12

1 2 1

1 1 / 2

1 1 / 2

MA M

A M M

(2.11)

Trên cơ sở quan hệ đã nói đến ở trên, tổng lưu lượng là:

(2.12)

trong đó, thA là diện tích mặt cắt ngang tại cửa ra (trong đó diện tích là nhỏ

nhất), gR là hằng số khí, prM là khối lượng phân tử trung bình của sản phẩm

cháy, T0 và p0 tương ứng là nhiệt độ và áp suất trung bình trong buồng đốt.

Phương trình này cho thấy lưu lượng và áp suất dòng khí cháy là không độc

lập, kéo theo áp suất buồng cháy chịu sự ảnh hưởng trực tiếp từ tốc độ cấp khí

oxy và nhiên liệu cháy.

2.4.2. Động lực học hạt

Mô hình động lực học hạt trong phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF được

xây dựng bằng phương pháp Lagrange. Giả thiết rằng khoảng cách trung bình

giữa các hạt nhân trong quá trình phun nhiệt HVOF có thể được ước tính theo

phương pháp Crowe [24] theo phương trình,

56

1

31

6

d

p

L

d

(2.13)

trong đó, dL là khoảng cách giữa hai hạt và κ là tỷ số giữa lượng cấp bột và tỷ

lệ mật độ hạt/khí. Trên cơ sở tỷ lệ cấp bột là 4% và tỷ lệ mật độ từ 103 đến 104,

/p pL d là khoảng 20-50, trong đó bột được phân lập thành các hạt khác nhau.

Bỏ qua sự kết hợp giữa các hạt và do đó sự phân bố kích thước bột không

thay đổi trong suốt quá trình bay [48]. Trong mô hình động lực học hạt phun

nhiệt khí tốc độ cao HVOF, ngoại lực tác dụng lên các hạt chính là lực khí

động. Các lực lượng khác như trọng lực, chênh lệch áp suất có thể được bỏ

qua. Với những giả định, chuyển động hạt dọc theo hướng trục trong hệ tọa

độ Decac được mô tả bởi:

1

,2

p pp D g p g p g p p

dv dxm C A v v v v v

dt dt (2.14)

Trong đó: mp, vp, dp, và xp tương ứng là khối lượng, vận tốc, đường kính, và vị

trí của hạt,.

Ap là diện tích hiệu dụng của các hạt trên mặt phẳng vuông góc với

hướng dòng chảy.

vg và ρg là tốc độ và mật độ của khí

CD là hệ số cản khí động, trong đó hệ số Reynolds riêng (Re) được

xác định bởi Re = (dp/vg - vp/ρg)/μg, ở đây μg là độ cản nhớt khí.

Đối với hạt có hình dạng cầu, nhiệt hạt có thể được mô tả bởi một

phương trình đạo hàm riêng:

2

2

, ,1, 0

0,0

,,

p

p pp p p p

p

pp g p

T r t T r tc r r r

t r rr

T t

t

T r th T T r t

r

(2.15)

57

trong đó, rp là bán kính của hạt, λ là độ dẫn nhiệt của khí, và h là hệ số truyền

nhiệt tương quan bằng phương trình thực nghiệm Rans-Marshall:

11

322 0,6g

p

h Re Prd

(2.16)

trong đó, số Prandtl (Pr) được tính bằng /gr p g gP C với , ,

gp g gC

tương ứng là nhiệt dung, độ nhớt, và tính dẫn nhiệt của chất khí.

Trong quá trình xử lý của lớp phủ cấu trúc nano, các hạt thường không

có dạng hình cầu và các yếu tố hình dạng tương ứng có thể được đưa vào hệ

số CD. Lưu ý rằng, lực tác dụng lên các hạt theo cả ba phương tương tự như

phương trình (2.15) cũng được giải theo hệ tọa độ Decac khác.

Đối với những loại hạt có tính chất dẫn nhiệt tốt, phương trình (2.15) có

thể được đơn giản hóa thành:

1

, , 0

,

, , 0

p

pp P p m

pp g p m p p m

pp p p m

dTm c T T f

dt

dfhA T T H m T T

dt

dTm c T T f

dt

(2.17)

trong đó, pA là diện tích bề mặt của các hạt, mT là điểm nóng chảy của các

hạt, mH là entanpi của nóng chảy, và pf là tỷ lệ tan chảy, hoặc tỷ lệ khối

lượng nóng chảy với tổng khối lượng của các hạt (0 ≤ f p ≤ 1).

Kết quả cơ bản từ các mô hình động lực học phân tử được tóm tắt trong

phần dưới đây.

58

Các hạt bị ảnh hưởng bởi trường khí với mức độ khác nhau tùy thuộc

vào kích thước của chúng. Các hạt nhỏ có thể được đẩy nhanh và làm nóng

lên đến vận tốc và nhiệt độ rất cao. Tuy nhiên, vì sự cuốn theo không khí môi

trường xung quanh, vận tốc và nhiệt độ khí bị giảm xuống ở tâm dòng. Kết

quả là, vận tốc và nhiệt độ của các hạt nhỏ cũng giảm nhanh hơn so với các

hạt cỡ lớn hơn. Trong một số trường hợp, các hạt nhỏ có thể đạt điểm nóng

chảy trong một khoảng thời gian ngắn và tan chảy hoàn toàn trong quá trình

bay. Tuy nhiên, chúng có thể ở trạng thái lỏng/rắn hoặc thậm chí rắn khi va

đập vào bề mặt phun. Đối với các hạt có kích thước lớn, thời gian tăng tốc và

gia nhiệt đều dài, còn biên dạng vận tốc (hoặc nhiệt độ) gần như phẳng sau

khi vận tốc và nhiệt độ của chúng cao hơn so với không khí. Các đặc tính của

vận tốc hạt, nhiệt độ và độ nóng chảy được thể hiện trong hình 2.19.

Hình 2.19: Tốc độ và nhiệt độ của hạt

Sự phân tán vị trí của các hạt theo quỹ đạo bay được thể hiện trên hình

2.20. Biểu đồ này cho biết quỹ đạo hạt trong các trường dòng chảy thu được

bằng cách cho 100 hạt có cỡ từ 1 và 20 µm được phun trong cùng một hệ

thống phun nhiệt HVOF.

59

Hình 2.20: Phân bố hạt trong quá trình phun

Có thể thấy rằng, mặc dù hầu hết các hạt đều tập trung ở vùng lõi trong

dòng phun HVOF, các hạt có xu hướng mở rộng theo hướng kính khi chúng

tiếp cận với bề mặt phun, do đó vận tốc ở lõi cao hơn đáng kể. Hạt nhỏ có xu

hướng bị ảnh hưởng lớn hơn khi gần bề mặt phun. Chúng cũng chịu ảnh

hưởng lớn hơn từ pha khí trên toàn quỹ đạo chuyển động. Một số trong số các

hạt thậm chí còn bay khỏi dòng phun dẫn đến không thể lắng đọng trên bề

mặt. Vì lý do này, cỡ hạt là yếu tố rất quan trọng trong việc hình thành lớp

phủ trong quá trình phun HVOF.

Hình 2.21: Tốc độ và nhiệt độ theo cỡ hạt

Vận tốc và nhiệt độ hạt khi va chạm với bề mặt phun phụ thuộc rất lớn

và kích cỡ hạt và dạng quỹ đạo của hạt. Vận tốc và nhiệt độ lớn nhất đạt được

với các hạt có cỡ trung bình. Khi các hạt có cỡ tương tự nhưng với quỹ đạo

60

khác nhau (do sự phân bố vị trí khác nhau) thì tốc độ và nhiệt độ khi va chạm

với bề mặt phun cũng khác nhau. Kết quả này đã được minh chứng bằng các

thực nghiệm của Zioli và cộng sự [51] (Hình 2.21), theo đó cỡ hạt phun nhiệt

khí tốc độ cao HVOF hiệu quả được chọn trong khoảng từ 20 m đến 30 m.

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

Trong quá trình phun có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ

như: Nhiệt độ bề mặt, tốc độ chuyển động của hạt phun, nhiệt độ của hạt

phun, kích thước hạt phun, áp suất khí thổi, áp suất khí oxy, tốc độ quay của

chi tiết và lượng dịch chuyển của đầu phun, lưu lượng cấp bột phun, độ nhấp

nhô bề mặt, góc độ phun, khoảng cách phun,... [1], [3], [34]. Tuy nhiên, chất

lượng lớp phủ còn phụ thuộc vào loại vật liệu bột phun và vật liệu nền. Các

yếu tốnêu trên có những ảnh hưởng nhất định đến chất lượng lớp phủ. Trong

khuôn khổ của luận án tác giả tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố

công nghệ đến chất lượng lớp phủ như: Tốc độ di chuyển vết phun (Vct) nó

phụ thuộc vào số vòng quay (n) đối với chi tiết dạng trục, tốc độ chuyển động

tương đối giữa súng phun với chi tiết (S) và lưu lượng cấp bột phun (m).

2.5.1. Ảnh hưởng của dịch chuyển tương đối giữa đầu phun và chi tiết

Để nghiên cứu ảnh hưởng của dịch chuyển tương đối giữa đầu phun và

chi tiết, xét các chuyển động hình thành lớp phủ được mô tả trên hình 2.22.

Chuyển động tương đối giữa đầu phun với chi tiết là chuyển động có tính

chất liên quan đến quá trình hình thành lớp phủ đối với chi tiết dạng phẳng thì

chuyển động tương đối là: Sự dịch chuyển của chi tiết so với súng phun hoặc

chuyển động của súng phun với chi tiết trên mặt phẳng hình 2.22a.

Đối với chi tiết dạng trục thì chuyển động của chi tiết là chuyển động

quay tròn so với súng phun (Tốc độ dịch chuyển vết phun Vct hay số vòng

quay n và ứng với đường kính của chi tiết) hình 2.22b. Đồng thời đầu phun lại

chuyển động tịnh tiến theo hướng song song với đường tâm chi tiết (S) để kết

61

hợp tạo thành đường xoắn trên bề mặt trụ của chi tiết phun làm cho các lớp

phủ đan xen và chồng chất lên nhau tạo thành lớp phủ sau mỗi lần phun và cứ

nhiều lần phun sẽ tạo được độ dày lớp phủ theo mong muốn như hình 2.22d-f.

Vận tốc dài của chi tiết khi quay được tính theo công thức Vct =

Dnπ/1000 m/phút.

Trong đó Vct là vận tốc dài (m/ph), D là đường kính chi tiết (mm), n là số

vòng quay của chi tiết (vòng/phút).

62

a- Mô tả di chuyển súng phun đối với chi tiết dạng phẳng; b- Mô tả di chuyển

súng phun đối với chi tiết trụ; c- Mô tả chùm tia phun lên mặt trụ; d- Mô tả

lớp phủ hình thành trên bề mặt theo tốc độ và dịch chuyển súng phun; e- Mô

tả lớp phủ theo mặt cắt vuông góc với chi tiết trụ; f- Mô tả lớp phủ theo mặt

cắt dọc chi tiết trụ

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

63

Mức độ ảnh hưởng của chuyển động tương đối giữa đầu phun với chi tiết

phun là sự ảnh hưởng của việc tạo nên các lớp phủ chồng chất lên nhau dày

hay mỏng, liên tục hay không liên tục, nó sẽ làm ảnh hưởng đến sự liên kết

giữa các giọt kim loại chồng chất lên nhau để tạo thành lớp phủ. Bởi mỗi loại

bột khác nhau thì việc nóng chảy hoàn toàn hoặc không hoàn toàn là khác

nhau, mật độ bột được cung cấp và buồng đốt cũng làm ảnh hưởng đến khả

năng nung nóng của hạt kim loại. Mặt khác với mỗi sự dịch chỉnh của đầu

phun cũng tạo nên sự ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ (Độ bám dính, độ

xốp, độ cứng lớp phủ).

Nếu tốc độ dịch chuyển tương đối giữa đầu phun với chi tiết quá nhanh sẽ

làm cho các hạt phủ không phủ hết được bề mặt cần phủ hoặc tốc độ dịch

chuyển tương đối giữa đầu phun với chi tiết quá chậm sẽ làm cho các hạt phủ

chồng chất lên nhau quá dày sẽ làm ảnh hưởng đến độ xốp và năng suất khi

phủ.

Mong muốn lựa chọn tốc độ dịch chuyển tương đối giữa đầu phun với

chi tiết là hợp lý để các chùm tia phun có sự đan xen phù hợp đảm bảo được

chất lượng lớp phủ và đạt hiệu quả về kinh tế.

2.5.2. Ảnh hưởng của các tham số động học phun

Trên thực tế khi dòng hạt phun tương tác với bề mặt được phủ là sự va

đạp của các hạt bột dưới tác động của dòng hỗn hợp với tốc độ cao đã đẩy các

hạt bắn vào và dính lại trên bề mặt cần phun. Chính vì vậy nếu mức độ tương

tác giữa dòng hạt phun với chi tiết liên quan đến thời gian của dòng hỗn hợp

chồng chất lên nhau theo một đơn vị thời gian dài hay ngắn phụ thuộc vào quá

trình tạo chuyển động tương quan giữa chi tiết phun với súng phun. Theo hình

2.23 [44] thấy rằng ở vị trí cách đầu súng phun khoảng 250 mm thì dòng phun

có độ chụm khoảng 12 mm. Như vậy nếu khoảng dịch chuyển sau mỗi lát

phun phải đảm bảo sự chồng xếp lên nhau và đan xen theo các lần di chuyển

64

không nên chọn quá 12 mm.

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

Để đảm bảo cho lớp phủ được chồng chất lên nhau theo các mức độ thay

đổi của từng lần dịch chuyển ta có thể mô phỏng các lớp phủ chồng chất lên

nhau như hình 2.24 với khoảng cách phun là 250 mm thì độ chụm của chùm

tia phun cỡ khoảng 12 mm. Theo [64] để các lớp phủ đan xen vào nhau sau

mỗi lần phủ phải nhỏ hơn độ chụm của chùm tia phun, do đó chọn tốc độ

quay của chi tiết thay đổi từ khoảng n = 57 đến 170 vòng/phút với đường kính

chi tiết D = 60, 70, 80 mm tương đương với V = 10,7 m/phút đến 42,7 m/phút

với lượng tịnh tiến của súng phun khoảng 1/4, 1/2 và 2/3 chùm tia phun sau

mỗi vòng quay của chi tiết là S = 3 ; 6 ; 9 mm/vòng.

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

65

Qua sơ đồ mô phỏng ta thấy rằng vị trí tương đối giữa súng phun với chi

tiết được phủ khác nhau sẽ tạo cho các lát phủ chồng chất đan xen của chùm

tia phun lên nhau có mật độ các hạt phủ khác nhau. Nếu tiến nhanh thì lượng

chồng chất và đan xen của chum tia phun mỏng hơn nên các hạt ít hơn tiến

chậm theo chiều song song với tâm chi tiết (S) còn chiều theo chu vi của chi

tiết thì chọn tốc độ quay (n hoặc V) khác nhau sẽ có sự dịch chuyển của các

lớp thay đổi điều này có ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ.

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

Tính chất bột và đặc tính (hình dạng hạt, cấu trúc và kích thước, mật độ

bột, độ tinh khiết, giai đoạn tích tụ chảy) phụ thuộc vào phương pháp sản xuất

bột (nghiền và xay xát, tích tụ và thiêu kết). Các nghiên cứu đã chỉ ra ý nghĩa

của nguyên liệu khác nhau cho các lớp phủ hình thành khác nhau trong quá

trình phun (nhiệt độ và vận tốc) Theo [3], [7], [52] bột phun khác nhau hình

thái đặc điểm nguyên liệu (dạng hạt, phân bố kích thước, mật độ …) có ảnh

hưởng đến hiệu quả quá trình hình thành độ dày lớp phủ.

Lưu lượng cấp bột phun có ảnh hưởng đến sự hình thành lớp phủ, lưu

lượng cấp bột phun phụ thuộc vào khoảng cách phun và tốc độ phun, trong

trường hợp cùng một lưu lượng phun, khoảng cách phun tăng dẫn tới năng

lượng va đập của các hạt vật chất phun sẽ giảm, chùm vật chất phun có hình

phễu sẽ lớn dần, làm các hạt của vật chất phun có khoảng cách xa hơn, từ đó

tạo nên độ xốp tăng. Nếu cùng một khoảng cách phun, tăng lưu lượng hay

tăng tốc độ phun làm cho tốc độ các hạt vật chất phun cao hơn khi tiếp xúc

với bề mặt chi tiết, lực va đập của các hạt vật chất phun sẽ mạnh hơn tạo điều

kiện cho sự liên kết giữa các hạt vật chất phun với kim loại nền tốt hơn. Trong

trường hợp nếu thay đổi tốc độ phun sẽ làm thay đổi lưu lượng cấp bột phun,

do đó ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ.

66

Kết luận chương 2

Qua nghiên cứu lý thuyết về sự hình thành lớp phủ bằng công nghệ phun

nhiệt nói chung và động lực học quá trình phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF

nói riêng thấy rằng:

- Chất lượng lớp phủ hình thành nhờ lớp kim loại nóng chảy từ đầu súng

phun được phủ từng lớp lên bề mặt cần phun nên muốn có được lớp phủ có độ

xốp nhỏ, độ bám dính và độ cứng cao cần phải nghiên cứu lựa chọn các thông

số công nghệ (m, n, s) cho hợp lý.

- Mô phỏng động lực học quá trình phun thấy rằng, để đạt được chất

lượng lớp phủ tốt thì khoảng cách từ đầu súng phun tới bề mặt cần phun là

khoảng 250 mm, kích thước bột phun khoảng từ 0.5 m đến 20 m.

- Tốc độ quay của chi tiết n = 57, 130, 170 vòng/phút với đường kính

mẫu phun là Ф = 60, 70, 80 mm tương đương với Vct = 10,7 – 42,7 m/phút

với lượng dịch chuyển súng phun là S = 3, 6, 9 mm/vòng. Đó là những cơ sở

khoa học và độ tin cậy cho việc tiến hành lựa chọn vật liệu bột phun, thiết bị

phun, thiết bị kiểm tra chất lượng lớp phủ thực nghiệm và đánh giá kết quả

thực nghiệm ở các nội dung tiếp theo.

67

Chương 3: VẬT LIỆU, TRANG THIẾT BỊ, PHƯƠNG PHÁP PHUN VÀ

XÁC ĐỊNH ĐẶC TÍNH LỚP PHỦ

3.1. Vật liệu phun phủ

3.1.1. Vật liệu nền

Như đã đề cập trong chương 1 của luận án, để phù hợp với điều kiện

thực tiễn áp dụng tại Việt nam. Mác thép được lựa chọn để làm mẫu thực

nghiệm là thép 40Cr theo TCVN 1659 -75. Do thép 40Cr thuộc nhóm thép

hợp kim có hàm lượng (từ 0,36 0,44 %C), là loại thép đảm bảo các chỉ tiêu

cơ tính tổng hợp như: độ bền, độ dẻo, độ dai, tính chịu lực, chịu uốn, chịu

xoắn tốt, rất phù hợp để chế tạo trong lĩnh vực cơ khí (chi tiết máy chịu tải

trọng tĩnh và va đập tương đối cao bề mặt chịu mài mòn) như trục, bánh

răng,... Thành phần hoá học của thép 40Cr trong bảng 3.1 và cơ tính trong

bảng 3.2.

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

Đơn vị tính: %

Mác

thép C Si Mn Cr Ni

Thành

phần khác

40Cr 0,360,44 < 0,4 < 0,80 0.81,1 0,3 -

Bảng 3.2: Cơ tính của thép 40Cr.

Mác

thép

Trạng

thái

nhiệt

luyện

Cơ tính

k

MPa

ch

MPa

Độ cứng HB

40Cr Thường

hoá 980 785 9 217

Để xây dựng phương trình toán học hàm bậc 2 phản ảnh mối quan hệ

giữa độ xốp, độ bám dính, độ cứng với 3 thông số công nghệ phun (m, n và S)

68

với mỗi thông số có 3 mức ảnh hưởng đó là dưới trung bình, trung bình và

trên trung bình. Theo [9], [27], số thực nghiệm tối thiểu theo công thức n = k3

= 33 = 27 mẫu. Để thuận lợi trong quá trình làm thực nghiệm, mẫu phun được

thiết kế như hình 4.1 có đường kính ngoài D đường kính trongd và chiều dài

của mẫu L.

Hình 3.1: Mẫu phun bằng thép 40Cr.

3.1.2. Vật liệu bột phun

Hiện nay trên thế giới có nhiều hãng sản xuất bột phun, như hãng

Praxainr (Mỹ), Sulzer Metco (Thụy sĩ), MEC (Ấn độ). Theo tài liệu của hãng

Praxainr và các tác giả [3], [5], [21], đã chia vật liệu phun phủ bề mặt kim loại

thành 04 nhóm theo lĩnh vực ứng dụng.

Tuỳ thuộc vào mục đích sử dụng như chế tạo mới hay phục hồi bề mặt

chi tiết máy mà có thể sử dụng các phương pháp phun phủ và chọn loại bột

cho thích hợp. Từ kết quả của các công trình đã nghiên cứu cho thấy chất

lượng lớp phủ bột các bít Cr3C2 - NiCr cho chất lượng lớp phủ tốt cụ thể như

sau: Trong công nghệ phun nhiệt, Cr3C2-NiCr đã được sử dụng rộng rãi để

giảm sự mài mòn và ăn mòn ở nhiệt độ cao lên đến 850 °C [60], [61]. Việc

chống ăn mòn của Cr3C2-NiCr được thể hiện trong các hạt bột liên kết Cr3C2-

69

NiCr giữa cacbit và NiCr. Lớp phủ Cr3C2-NiCr chống ăn mòn và chống oxy

hóa lớn hơn, duy trì độ cứng cao, cơ tính tốt và chịu mài mòn ở nhiệt độ cao

[42]. Ngoài những tính năng, hệ số giãn nở nhiệt của Cr3C2 tạo thành cơ sở

của hầu hết các hợp kim chịu nhiệt cao. Điều này giảm hệ ứng suất thông qua

khớp giãn nở nhiệt trong chu kỳ nhiệt, sự chống xói mòn của lớp phủ kim loại

gốm tăng lên cùng với sự gia tăng crom cacbit trong bột trước khi phun. Các

nhà nghiên cứu [54[61] cho rằng lớp phủ cacbit trên cho khả năng bảo vệ ăn

mòn rất tốt.

Hình 3.2: Hình ảnh bột phun Cr3C2– NiCr

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

Ký hiệu Thành phần (%)

Diamalloy 3007 C Cr Ni Thành phần

khác

Cr3C2- NiCr 11 71 17 0.8

Với những kết quả nghiên cứu của các tác giả [43] làm rõ thêm đặc tính

của bột các bít Cr3C2 - NiCr đây là loại bột phun có đặc tính tự thiêu kết rất

tốt khi phun phủ và kết tinh ở nhiệt độ cao, chịu nhiệt và chịu mài mòn ở

nhiệt độ cao khoảng 800 0C vẫn đáp ứng được yêu cầu về chịu mài mòn đồng

70

thời khi phun bằng phương pháp HVOF cho chất lượng lớp phủ có độ xốp

thấp, ứng suất bám dính cao và khả năng chịu mài mòn tốt. Bột cacbit Cr3C2 -

NiCr có các nguyên tố chính mỗi nguyên tố giữ một vai trò nhất định trong

lớp phủ cụ thể như: Ni có vai trò làm tăng tính dẻo liên kết giữa các hạt cho

lớp phủ và tính kết dính, Cr3C2 có vai trò làm tăng độ cứng cho lớp phủ, có

vai trò làm tăng độ chịu tải trọng cho lớp phủ và có tác dụng đồng thời các

nguyên tố và kết tinh tốt, loại bột này rất phù hợp khi phun để chế tạo mới

hay phục hồi các chi tiết dạng trục chịu mài mòn. Do đó tác giả lựa chọn bột

cacbit Cr3C2 - NiCr được cung cấp bởi Công ty Sulzer Metco (Singapore) Pte.

Ltd., với độ hạt như bảng phụ lục để làm thí nghiệm, hình ảnh bột phủ như

hình 3.2

3.2. Lập quy trình thử nghiệm

Mục đích của lập quy trình thực nghiệm bằng phương pháp HVOF là

nhằm chọn ra được bộ thông số phun hợp lý, đáp ứng các yêu cầu chế tạo mới

hay phục hồi các chi tiết bị mòn trong các ngành công nghiệp, đảm bảo độ

chính xác cao nhất, kinh tế nhất.

Xuất phát từ điều kiện thực tế, các chi tiết phải làm việc trong môi

trường khắc nghiệt như chịu áp suất và nhiệt độ cao, chịu mài mòn và tải

trọng lớn, cùng với những phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng lớp

phủ được trình bày ở chương 2 và việc lựa chọn vật liệu và thiết bị phun như

đã trình bày ở trên để lựa chọn được quy trình phun thực nghiệm bằng công

nghệ HVOF. Quy trình phun thực nghiệm này bằng bột cacbit Cr3C2 – NiCr

trên các mẫu trục thép 40Cr được thể hiện như hình 3.3.

Việc chuẩn bị bề mặt có vai trò quan trọng trong việc kết dính của lớp

phủ phun nhiệt với bề mặt thép. Độ bám dính cao là chìa khóa cho sự thành

công của phun nhiệt. Bề mặt sạch là một trong những điều cần thiết cho độ

bám dính thích hợp của lớp phủ nhiệt phun lên bề mặt.

71

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

Trình tự các bước tiến hành phun thử nghiệm như sau:

Bước 1:Chuẩn bị mẫu trước khi phun: để loại trừ các yếu tố gây ảnh

hưởng đến kết quả thực nghiệm trước khi phun mẫu phải được kiểm tra các

thông số hình học, kích thước và độ sạch của mẫu.

Bước 2: Chuẩn bị bề mặt mẫu:

- Làm sạch bề mặt mẫu: do mẫu được tiện đạt kích thước theo yêu cầu

của bản vẽ, nên khi làm sạch bề mặt sử dụng nước xà phòng để rửa sạch dầu

mỡ, sau đó rửa bằng nước lã và sấy khô.

Chuẩn bị mẫu trước khi phun

(Vật liệu, kích thước và trạng thái bề mặt phun…)

Chuẩn bị bề mặt mẫu

(Làm sạch và tạo nhám)

Chuẩn bị

vật liệu phun, thiết bị phun

Lựa chọn chế độ công nghệ

Gia nhiệt

Tiến hành phun

Gia công cơ khí sau phun

Kiểm tra chất lượng lớp phủ

72

- Tạo nhám bề mặt mẫu: có nhiều phương pháp để tạo nhám bề mặt mẫu

như phun hạt (cát, bi, hạt kim loại, oxit kim loại); gia công cơ khí (tạo ren,

lăn nhám bề mặt), tạo ren đồng thời lăn nhám đỉnh ren. Quá trình chuẩn bị bề

mặt mẫu thực nghiệm, tác giả lựa chọn phương pháp tạo nhám bề mặt mẫu

trên thiết bị phun hạt TSA – 206 tại Công ty TNHH dịch vụ kỹ thuật Quang

Khánh – Vũng Tàu nhằm tăng độ bám dính của lớp phun với bề mặt nền.

Bước 3: Chuẩn bị vật liệu, thiết bị phun: bột phun các bít Cr3C2 –NiCr

theo bảng phụ lục và được sấy khô ở nhiệt độ t = 120 0C - 150 0C. Khí oxy và

khí propan được cung cấp trực tiếp từ các chai chứa (khí oxy chứa trong chai

có dung tích 40 lít, áp suất 150 atm, khí propan (C3H8) chứa trong chai có

dung tích 150 lít và chứa 6 kg khối lượng khí) các chai cấp khí được lắp đồng

hồ điều chỉnh áp suất. Mẫu phun sau khi chuẩn bị bề mặt xong được gá trên

máy tiện, còn đầu phun được gá trên đồ gá phun.

Bước 4: Lựa chọn chế độ công nghệ: Việc lựa chọn chế độ công nghệ

phun trên cơ sở phân tích lý thuyết về phun phủ HVOF kết hợp với kết quả

nghiên cứu của các tác giả [3], [69] và một số công trình nghiên cứu của tác

giả đã được công bố trên tạp chí và các báo cáo khoa học trong các kỳ hội

nghị khoa học toàn quốc. Qua đó các thông số chế độ phun được giới hạn như

sau:

+ Tốc độ dòng khí phun: được xác định trong khoảng 800 ÷ 1000 m/s

+ Khoảng cách từ đầu phun đến chi tiết: 250 mm;

+ Lưu lượng cấp bột phun: thay đổi trong 3 khoảng: 25 ; 35 ; 45 g/phút

+ Tốc độ quay của chi tiết thay đổi: từ 57 vòng/phút đến 170 vòng/phút

tương ứng với các kích thước đường kính phun thì Vct nằm trong khoảng 10,7

đến 42,7 m/phút.

+ Tốc độ dịch chuyển của súng phun: 3 ; 6 ; 9 mm/vòng tương ứng với

tốc độ dịch chuyển S là: 2,85 đến 25,5 mm/giây.

73

Bước 5:Gia nhiệt: sử dụng khí ga và oxy để gia nhiệt cho mẫu trên đồ

gá, tốc độ quay của chi tiết khoảng 57 vòng/phút đến 170 vòng/phút nung

nóng sơ bộ mẫu đạt nhiệt độ khoảng từ 100 150 0C, dùng súng đo nhiệt độ

từ xa HT6889 của Đài Loan để kiểm tra.

Bước 6: Tiến hành phun, khi phun sử dụng hệ thống phun nhiệt khí tốc

độ cao HVOF Model: MP-2100 Manual HVOF Control Panel, súng phun

kiểu HP – 2700. Sau khi chuẩn bị bề mặt thực hiện phun ngay để đảm bảo

chất lượng của lớp phun,

Quá trình phun được tiến hành theo các bước sau:

+ Mở van oxy trước, van khí cháy sau, cuối cùng là bật mồi lửa;

+ Tăng áp suất khí đầu vào để đạt được tốc độ phun và nhiệt độ phun;

+ Điều chỉnh lưu lượng cấp bôt;

+ Tiến hành phun, theo quy trình được tính trước, thay đổi lưu lượng cấp

bột phun, thay đổi tốc độ quay của chi tiết, thay đổi lượng tịnh tiến của súng

phun để tạo ra Bước 6:Tiến hành phun: khi phun sử dụng hệ thống phun nhiệt

khí tốc độ cao HVOFModel: MP-2100 Manual HVOF Control Panel, súng

phun kiểu HP – 2700M. Sau khi chuẩn bị bề mặt thực hiện phun ngay để đảm

bảo chất lượng của lớp phun,

Quá trình phun được tiến hành theo các bước sau:

+ Mở van oxy trước, van khí cháy sau, cuối cùng là bật mồi lửa;

+ Tăng áp suất khí đầu vào để đạt được tốc độ phun và nhiệt độ phun;

+ Điều chỉnh lưu lượng cấp bột;

+ Tiến hành phun, theo quy trình được tính trước, thay đổi lưu lượng cấp

bột phun, thay đổi tốc độ quay của chi tiết, thay đổi lượng tịnh tiến của súng

phun để tạo ra lớp phủ đều, phun nhiều lớp để đạt độ dày và độ đồng đều của

lớp phủ. Trong quá trình phun cần kiểm tra để duy trì nhiệt độ bề mặt mẫu

74

phun không quá 150 0C. Nhiệt độ quá cao dễ gây ra sự biến dạng, biến đổi tổ

chức của mẫu và giảm độ cứng lớp phun.

Bước 7:Gia công cơ khí sau phun: lựa chọn phương pháp mài vì độ cứng

lớp phủ cao.

Bước 8:Kiểm tra chất lượng lớp phủ: Sử dụng các thiết bị chuyên dùng

để kiểm tra các chỉ tiêu về: độ xốp, độ bám dính và độ cứng lớp phủ, hiện

tượng nứt và bề mặt lớp phủ.

3.3. Thiết bị thực nghiệm

3.3.1. Thiết bị phục vụ thực nghiệm

Sử dụng máy tiện vạn năng của hãng HAKUSAN - Nhật, để chế tạo đồ

gá (trục gá), chế tạo mẫu phun và dùng để gá mẫu trong quá trình phun. Để

tăng độ bám dính cho lớp phủ và làm sạch lớp bề mặt mẫu phun sử dụng máy

phun hạt TSA–206 được sản suất tại Việt Nam, để tạo nhám bề mặt mẫu. Gia

công sau phun để tạo độ bóng bề mặt cho lớp phủ được thực hiện bởi máy

mài tròn ngoài TOYODA-GENDRON - Nhật. Cả 3 thiết bị trên đều thuộc công

ty TNHH dịch vụ kỹ thuật Quang Khánh - Vũng tàu.

3.3.2. Thiết bị phun

Trên thế giới, công nghệ phun phủ đã được ứng dụng từ khá lâu. Một

trong những phương pháp phun được ứng dung rộng rãi nhất hiện nay đó là

phương pháp phun phủ nhiệt khí tốc độ cao HVOF. Mặc dù mới được phát

triển từ những năm 1980, nhưng công nghệ phun nhiệt HVOF không ngừng

được cải tiến và phát triển. Do đó đã được ứng dụng trong tất cả các ngành

công nghiệp.

Hiện nay, trên thế giới người ta chia thiết bị phun nhiệt khí tốc độ cao

HVOF phân ra thành 4 loại cơ bản theo phương pháp điều khiển: Thiết bị

phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF điều khiển bằng tay, điều khiển bán tự động,

điều khiển tự động và điều khiển tự động tiên tiến.

75

Trong các loại thiết bị trên mỗi loại đều có ưu nhược điểm và khả năng

thích ứng với các điều kiện khác nhau đối với các thiết bị điều khiển tự động

hoặc bán tự động đòi hỏi phải đảm bảo tính đồng bộ về cơ sở vật chất và phải

được chuẩn hóa và thường được áp dụng ở điều kiện sản xuất loạt lớn. Còn

thiết bị điều khiển bằng tay đòi hỏi trình độ kỹ năng sử dụng thiết bị cao hơn

do tính đa dạng trong quá trình sử dụng không ổn định về bề mặt, chủng loại,

kích thước... nên người dùng có thể linh hoạt sử dụng đảm bảo với từng yêu

cầu cụ thể.

Xuất phát từ thực tế về nhu cầu phục hồi các chi tiết máy bị mòn trong

các ngành công nghiệp với nhiều chủng loại khác nhau, với thiết bị sẵn có ở

Việt Nam tác giả lựa chọn thiết bị phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF điều khiển

bằng tay, của hãng General Metal Alloys - Bỉ hiện có tại Công ty TNHH dịch

vụ kỹ thuật Quang Khánh - Vũng Tàu để tiến hành thực nghiệm (hình 3.4).

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

Cấu tạo của hệ thống phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF bao gồm ba bộ

phận chính như:

- Bảng điều khiển MP-2100

- Súng phun HP-2700M

- Bộ phận cấp bột phun PF-3350

Súng

phun

Bảng điều

khiển

Bộ phận cấp bột

76

Bảng điều khiển MP 2100

Bảng điều khiển MP-2100: Đây là bộ phận quan trọng nhất trong hệ

thống phun bột bằng phương pháp HVOF. Bảng điều khiển MP-2100 được

dùng để điều chỉnh an toàn cho cả hệ thống và đo lưu lượng khí oxy, khí

nhiên liệu và khí nén đến súng phun, đồng thời kết nối giữa các nguồn cung

cấp khí đốt với súng phun. Ba đồng hồ đo trên bảng điều khiển được dùng để

đo lưu lượng của các khí bao gồm: Khí oxy (0 - 21 kG/cm2), khí nhiên liệu

(LPG /Propane) (0 - 10 kG/cm2) và khí nén (0 - 10 kG/cm2). Áp suất khí và

lưu lượng khí được cài sẵn theo tỷ lệ thông qua van điều chỉnh đã được trang

bị trên bình chứa khí và thiết bị điều khiển khí nén tương ứng. Bảng điều

khiển gồm cả 3 thước đo lưu lượng của các chất khí như: khí oxy, khí nhiên

liệu và khí nén. Ngoài ra, lưu lượng khí cũng có thể được điều chỉnh bằng các

van cung cấp. Thông số điện áp đầu vào cung cấp cho bảng điều khiển là

220V/1P/50 Hz.

Đặc tính an toàn của bảng điều khiển: Sử dụng các khóa van để cung cấp

luồng khí oxy, khí nhiên liệu và khí nén, các khóa van này có thể được mở ở

nhiều mức theo yêu cầu, bằng cách sử dụng các công tắc áp suất tương ứng

nằm ở phía trên của bảng điều khiển. Các khóa van cung cấp khí oxy, khí

nhiên liệu và khí nén để cho súng làm việc an toàn. Đồng thời có tác dụng

ngăn chặn việc đánh lửa tạt lại của súng phun khi áp suất của khí nén ngừng

cung cấp. Nếu áp lực đầu ra của khí oxy cao hơn so với các giá trị an toàn thì

đèn flash nằm ở phía sau đầu ra của oxy sẽ tự động tắt, đồng thời ngăn chặn

nguồn cung cấp oxy để đảm bảo an toàn cho thiết bị.

Súng phun HP-2700M

Súng phun HIPOJET-2700 là bộ phận chính của hệ thống HVOF, nặng

khoảng 1,85 kg có thể cầm bằng tay. Hệ thống khí và nguyên liệu bột được

đưa vào phía sau của súng và chuyển qua khu vực đốt ở phía trước. Đây là

77

loại súng phun chắc chắn, linh hoạt và được thiết kế đặc biệt phù hợp với tất

cả khí nhiên liệu. Thiết bị làm việc đảm bảo độ tin cậy, hiệu quả và có thể

điều chỉnh để phun ở chế độ bằng tay hoặc phun tự động bằng máy. Súng

được thiết kế dưới dạng đặc biệt. Nhiên liệu khí đốt được trộn lẫn và đốt cháy

trong buồng đốt, sau đó được phun ra với nhiệt độ cao và áp suất lớn nhờ áp

lực của đầu súng (không hạn chế khí đốt và lưu lượng bột). Cho vận tốc hạt

cao, tạo lớp phủ dày, oxit thấp, mức tiêu hao nhiên liệu thấp dẫn đến việc

giảm bớt được chi phí. Tất cả các kết cấu, chi tiết của súng được thiết kế và

sắp xếp hợp lý, nhỏ gọn. Việc thiết kế súng nhỏ gọn cho phép các hoạt động

phun phủ, bảo trì nhanh chóng.

Bộ phận cấp bột phun PF-3350

Bộ phận cấp bột phun model PF-3350 là bộ phận hoàn toàn khép kín,

được thiết kế để cung cấp bột phun với súng HIPOJET 2700M theo một tỷ lệ

chính xác.

Bộ phận cấp bột phủ gồm một đồng hồ đo lưu lượng cấp bột, ống chứa

bột phun, hệ thống khoá lắp ống và đồng hồ để đo áp suất khí. Khí vận

chuyển, thường là khí nitơ, được dùng để mang bột từ bộ phận cung cấp bột

vào vùng đốt của súng phun. Nguyên liệu dạng bột được đựng bên trong ống

chứa bột phun. Nhờ hệ thống bánh xe mà bột phun được đưa vào hệ thống

ống dẫn được dòng khí nitơ (khí mang) đi qua mang bột tới vùng đốt của súng

phun, tỷ lệ lưu lượng cấp bột phun cho súng được đo thông qua một đồng hồ

cảm biến trọng lượng. Cảm biến này sử dụng để đo trọng lượng của ống chứa

bột phun, từ đó xác định được lưu lượng cấp bột phun.

Lưu lượng cấp bột phun được tính theo một khoảng thời gian nhất định

như kg/h hoặc g/phút. Hệ thống đo tỷ lệ cấp bột phun có độ chính xác ± 0,01

g/phút.

78

3.4. Phun phủ thực nghiệm

Quá trình phun phủ thực nghiệm lớp phủ bột cacbit Cr3C2-NiCr trên nền

trục thép 40Cr bằng công nghệ phun nhiệt HVOF. Được thực hiện tại Công ty

TNHH dịch vụ kỹ thuật Quang Khánh -Vũng Tàu.

Sử dụng súng phun: Model HIPOJET-2700M, bảng điều khiển model

MP-2100; bộ phận cấp bột model PF-3350; hệ thống làm mát model HY-

2100, các bộ phận trên có các thông số kỹ thuật như phụ lục.

Khi phun tiến hành các thực nghiệm; thay đổi các chế độ công nghệ như

: Thay đổi các thông số lưu lượng phun (m), tốc độ quay của chi tiết ứng với

tốc độ chuyển động của chi tiết (V), tốc độ dịch chuyển súng phun (S).

3.4.1. Kế hoạch thực nghiệm

Trên cơ sở kết quả mô phỏng và thực tế phun phủ thấy rằng, độ bền bám

dính, độ xốp và độ cứng lớp phủ phụ thuộc vào các yếu tố: Lưu lượng cấp bột

m, tốc độ vòng quay của chi tiết phun n và tốc độ dịch chuyển đầu súng phun

S được mô tả như sau:

𝜏 = 𝑓 (𝑚, 𝑛, 𝑆)

𝛾 = 𝑓(𝑚, 𝑛, 𝑆)

Trong đó: τ biểu thị độ bám dính lớp phủ, γ biểu thị độ xốp lớp phủ, 𝑓 là

hàm số phụ thuộc vào các yếu tố ảnh hưởng ( m, n, S )

Căn cứ vào tính năng kỹ thuật của hệ thống phun phủ nhiệt khí tốc độ

cao HVOF thực nghiệm và kết quả nghiên cứu lý thuyết, khoảng biến thiên

của các yếu tố được chọn như sau:

- Lưu lượng cấp bột: Biến đổi từ 25 - 45 gam/phút, bởi vì nếu lưu lượng

cấp bột nhỏ (dưới 20 g/phút), hiệu suất phun thấp, còn nếu lưu lượng phun

lớn lượng tổn hao bột phun cao, hơn nữa còn có hiện tượng hạt nóng không

nóng chảy, dẫn đến có sự va chạm vào lớp phủ trước đó, làm tăng sự hồi phục

79

của các hạt và tạo thành các lỗ rỗng ở giữa điều, này làm cho độ xốp tăng và

độ bám dính của lớp phủ giảm.

- Tốc độ quay của chi tiết phun: Biến đồi từ 57-170 vòng/phút, chính là

khoảng thay đổi tốc độ quay của thiết bị quay chi tiết phủ trong hệ thống phun

phủ sử dụng để thực nghiệm. Do đặc tính kỹ thuật của hệ thống này, trong

thực nghiệm chọn được tốc độ quay chi tiết phun mức thấp là 57 vòng/phút,

mức trung bình là 130 vòng/phút và mức cao là 170 vòng/phút.

- Tốc độ dịch chuyển đầu súng phun: Biến đồi từ 3-9 mm/vòng vì nếu

tốc độ dịch chuyển tương đối giữa đầu súng phun và chi tiết phun lớn, do

quán tính và thời gian phun không đủ để giữ vật liệu phủ sẽ làm hạt phủ khó

bám trên bề mặt của chi tiết phun. Nếu số vòng quay nhỏ quá, các hạt phủ bị

phân bố không đồng mức so với bề mặt chi tiết phủ.

Trên cơ sở chỉ tiêu đánh giá chất lượng lớp phủ , và khoảng biến

thiên của các thông số công nghệ như trên, chon phương pháp quy hoạch thực

nghiệm trực giao 3 mức, ba yếu tố (33), lập được bảng hoạch đồ thực nghiệm

như bảng 3.4.

Bảng 3.4: Bảng hoạch đồ thực nghiệm phun HVOF

Các biến số

Biến thực Biến mã hóa

m

gam/phút

n

vòng/phút

S

mm/vòng

A B C

Mức cao (+1) 45 170 9 +1 +1 +1

Mức trung bình (0) 35 130 6 0 0 0

Mức thấp (-1) 25 57 3 -1 -1 -1

3.4.2. Tiến hành thực nghiệm

Ma trận thực nghiệm trực giao với 3 nhân tố 3 mức giá trị có tổng số:

N=3k = 33=27

80

Chỉ tiêu độ bám dính , độ xốp và độ cứng được xác định theo phương

pháp đã trình bày trong chương 2.

Tiến hành thực nghiệm với các thông số như bảng 3.5.

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

TT Mã thí

nghiệm

Biến thực nghiệm Biến mã hóa

m

g/phút

n

vòng/phút

S

mm/vòng A B C

1 000 25 57 3 -1 -1 -1

2 100 35 57 3 0 -1 -1

3 200 45 57 3 +1 -1 -1

4 010 25 130 3 -1 0 -1

5 110 35 130 3 0 0 -1

6 210 45 130 3 +1 0 -1

7 020 25 170 3 -1 +1 -1

8 120 35 170 3 0 +1 -1

9 220 45 170 3 +1 +1 -1

10 001 25 57 6 -1 -1 0

11 101 35 57 6 0 -1 0

12 201 45 57 6 +1 -1 0

13 011 25 130 6 -1 0 0

14 111 35 130 6 0 0 0

15 211 45 130 6 +1 0 0

16 021 25 170 6 -1 +1 0

81

TT Mã thí

nghiệm

Biến thực nghiệm Biến mã hóa

m

g/phút

n

vòng/phút

S

mm/vòng A B C

17 121 35 170 6 0 +1 0

18 221 45 170 6 +1 +1 0

19 002 25 57 9 -1 -1 +1

20 102 35 57 9 0 -1 +1

21 202 45 57 9 +1 -1 +1

22 012 25 130 9 -1 0 +1

23 112 35 130 9 0 0 +1

24 212 45 130 9 +1 0 +1

25 022 25 170 9 -1 +1 +1

26 122 35 170 9 0 +1 +1

27 222 45 170 9 +1 +1 +1

3.4.3. Xây dựng hàm hồi quy thực nghiệm

Trong luận án hàm quy hoạch thực nghiệm được xây dựng dựa trên kết

quả thực nghiệm bằng phương pháp cực tiểu bình phương [9], dạng hàm mục

tiêu lựa chọn dạng hàm đa thức bậc hai của các biến với hàm 3 biến bậc 2 có

dạng:

2 2 2

1 1 2 32 3 4 1 2 1 3 2 3 15 2 36 7 8 9 10f a a x a x a x a x x a x x a x x a x a x a x (3.1)

Các hàm hồi quy được tìm theo luật cực tiểu bình phương sai số:

1 1

22 3 4 52

1 2 31 1 6 7 8 9 1

2 3 1 2

2 2 21 3 2 3 301 2

, ,n n

i i i i ii i

a a x a x a x a x x

a x x a x x a x a x az x z

xP x x

(3.2)

82

trong đó, n- số thí nghiệm; 1 2 3, , ,i i i iz x x x là các giá trị của biến thực nghiệm đã

biết; 1 2 9 10, ,.. ,a a a a là các biến phải tìm thỏa mãn điều kiện:

2 3 4 5

1 1 6 7 8 9 10

2 3 4 51

2 1 6 7 8 9

1 1 2 3 1 2

2 2 21 3 2 3 1 2 3

1 1 2 3 1 2

2 2 21 3 2 3 1 2 310

10

2

2

n

ii

n

i ii

a a x a x a x a x x

a x x a x x a x a x a x

a a x a x a x a x x

a x x a x x a x a x

Pz

a

Px z

a x

P

a

a

2 3 4 523

1 6 7 8 9 1

1 1 2 3 1 2

2 2 21 3 2 3 1 02 3

2n

i ii

a a x a x a x a x x

a x x a x x a x a x a xx z

(3.3)

Khai triển hệ phương trình trên ta có:

1

1

2 21 2 1 9 2 10 3

1 1 1 1 1

2 2 21 1 1 2 9 1 2 10 1 3

1 1 1 1 1

2 2 2 42 1 2 2 2 9 2 10

1 1 1 1

1 ...

... . .

...

i

i

n n n n n

i i i ii i i i i

n n n n n

i i i i i i ixi i i i i

n n n n

i i i i ixi i i i

z a a x a x a x

x z a x a x a x x a x x

x z a x a x x a x a x

1

2 22 3

1

2 2 2 2 2 43 1 3 2 3 9 3 2 10 3

1 1 1 1 1

.

... .i

n

i ii

n n n n n

i i i i i i ixi i i i i

x

x z a x a x x a x x a x

(3.4)

Giải hệ phương trình trên với các biến là 1 2 9 10, ,.. ,a a a a , xác định được các

hệ số của hàm quy hoạch thực nghiệm. Khi đó hàm hồi quy được xác định.

Luận án sử dụng phần mềm MATLAB để giải hệ phương trình hồi quy.

3.4.4. Hình ảnh các mẫu thực nghiệm

Các mẫu sau khi phun được gia công cơ khí bằng phương pháp mài. Các

mẫu này được đưa lên máy cắt dây, cắt làm nhiều phần đểtiến hành nghiên

cứu, khảo sát các đặc tính như độ cứng HV và độ xốp, cấu trúc tế vi lớp phủ

và nền thép trên toàn bộ tiết diện mặt cắt của mẫu. Đồng thời mẫu còn được

kiểm tra bằng phương pháp phá hủy để xác định độ bám dính lớp phủ. Quá

83

trình nghiên cứu khảo sát sử dụng các thiết bị đo và phân tích chuyên dụng

hiện đại tại các phòng thực nghiệm trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, Viện

khoa học vật liệu.

Ảnh chụp mẫu trước khi phun phủ

Hình 3.5: Mẫu trong khi phun

Hình 3.6: Kiểm tra nhiệt độ mẫu

Ảnh chụp mẫu sau khi phun phủ Ảnh chụp mẫu sau khi gia công cơ khí

Hình 3.7: Các mẫu thực nghiệm thép 40Cr phun phủ bộtcác bít Cr3C2-NiCr

bằng phương pháp HVOF

3.5. Thiết bị đánh giá chất lương lớp phủ

Việc xác định độ cứng tế vi của lớp phủ được thực hiện trên máy đo độ

cứng tế vi Indenta Met 1106 (Mỹ) với tải trọng 100 g, có thể ứng dụng cho

các mẫu từ nhỏ cho đến lớn đáp ứng khả năng đo từ micro đến macro (xem

84

phụ lục thiết bị kiểm tra). Khác với kiểm tra độ cứng bề mặt, kiểm tra độ cứng

tế vi yêu cầu phải lấy mặt cắt vật liệu ở vị trí cần đo, sau đó được chuẩn bị

mẫu như khi quan sát cấu trúc tế vi.

Nguyên lý của phương pháp này cũng giống như phương pháp đo độ

cứng bề mặt Vicker. Đầu đo được làm từ kim cương với dạng hình cầu, ở

chóp là hình tháp có kích thước của đầu đo rất nhỏ. Vị trí các điểm đo được

xác định sao cho phù hợp với tiêu chuẩn và theo hướng từ ngoài vào trong.

Phép đo thực hiện tới khi giá trị độ cứng ổn định. Thiết bị trên thuộc Viện

khoa học Vật liệu Việt nam.

Việc quan sát tổ chức tế vi của lớp phủ, được thực hiện trên kính hiển vi

quang học GX51F của hãng OLYMPUS CORPORATION - Nhật Bản. Với

độ phóng đại 100, 200, 500 và 2500 lần. Thiết bị trên thuộc phòng thực

nghiệm Vật liệu – Khoa cơ khí- Đại học công nghiệp Hà Nội.

Thiết bị máy kéo, nén TUTM của Korea với một số đặc điểm sau:

+ Dải lực (0 – 300 KN), sai số 10 N.

Sử dụng lực nén của thiết bị để đo ứng suất tiếp tại vị trí tiếp xúc của lớp

phủ với nền đã được xác định, từ đó xác định độ bám dính của lớp phủ với

kim loại nền. Thiết bị trên thuộc phòng thực nghiệm bộ môn sức bền vật liệu,

Khoa cơ khí - Đại học công nghiệp Hà Nội.

Thiết bị hiển vi điện tử quét trường phát xạ (FE-SEM), S4800 của hãng

Hitachi (Nhật Bản), độ phóng đại 800.000 lần, thiết bị tại Viện Khoa học vật

liệu (IMS) - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam (VAST).

3.6. Phương pháp đánh giá chất lượng lớp phủ

3.6.1. Phương pháp xác định độ cứng lớp phủ

Độ cứng là một thuộc tính cơ bản của vật liệu, thuật ngữ độ cứng phản

ánh tính chịu uốn, mài mòn, trầy xước của vật. Cùng với sự phát triển của

khoa học vật liệu đã có rất nhiều phương pháp đo độ cứng ra đời. Tuy nhiên,

85

có 3 phương pháp đo độ cứng được ứng dụng nhiều nhất hiện nay và được đo

theo đơn vị của các thang đo được quy ước như sau:

- Phương pháp Brinell – thang đo HB;

- Phương pháp Vicker – thang đo HV;

- Phương pháp RockWell – thang đo HR.

Để xác định độ cứng của lớp phủ, mẫu được cắt để quan sát theo tiết

diện lớp phủ. Sau đó được mài bóng không còn các vết xước trên bề mặt, đảm

bảo yêu cầu kỹ thuật. Sử dụng máy đo độ cứng tế vi Indenta Met 1106 bằng

phương pháp đo Vicker. Quá trình đo được thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM

E384 – micro force ranges – 10 g ÷ 100 g: Mẫu được lắp cố định trên bộ gá

mẫu đảm bảo độ bằng phẳng, giúp cho quá trình đo chính xác. Thông qua ống

kính xác định vị trí cần đo, điều chỉnh các thông số kỹ thuật trên màn hình

cảm ứng. Mũi thử kim cương hình chóp 4 cạnh có kích thước tiêu chuẩn, góc

giữa các mặt phẳng đối diện là 1360 (±30) sẽ tự động di chuyển vào vị trí, hạ

thấp và ấn vào bề mặt mẫu với tải trọng là 100g. Sau khi cắt bỏ tải trọng, tiến

hành đo đường chéo d của vết lõm.

Hình 3.8: Vết đo độ cứng Vicker.

86

Kết quả độ cứng vicker được tính bằng F/S. Lấy lực thử F chia cho diện

tích bề mặt lõm S. Diện tích bề mặt lõm S được tính theo độ dài trung bình

hai đường chéo (d1, d2) Bề mặt lõm được tạo thành khi tác dụng một lực vào

mẫu thử với mũi đâm kim cương, hình chóp.

Công thức tính độ cứng Vicker:

2 2

220,102 0.102 0,1891

FsinF F FHV k

S S d d

(3.5)

Trong đó: HV- Độ cứng Vickers;

k - hằng số (k = 1/gn = 1/9,81 = 0,102);

F - Lực thử; S - Diện tích bề mặt lõm;

d - Độ dài đường trung bình 𝑑 =(d1+ d2)

2;

- Góc hợp bởi hai mặt phẳng đối diện = 1360;

gn- Gia tốc trọng trường.

3.6.2. Phương pháp xác định độ xốp lớp phủ

Độ xốp có thể được mô tả như là một trong những khoảng trống riêng

biệt, người ta phân biệt thành các khái niệm sau: độ xốp tổng , độ xốp kín k,

độ xốp hở h và độ xốp tản mát t.

Để xác định , người ta thường xác định tổng khối lượng riêng của lớp

phủ theo các phương pháp sau: phương pháp cân khối lượng chất lỏng;

phương pháp đo độ xốp thủy ngân và phương pháp soi kim tương. Trong các

phương pháp trên phương pháp soi kim tương cho độ chính xác cao, phù hợp

với đặc tính của lớp phủ.

Trên thực tế độ xốp lớp phủ thường được đo bằng phương pháp quan sát

gián tiếp bằng cách sử dụng kính hiển vi quang học, kính hiển vi điện tử quét,

hoặc bằng kỹ thuật tán xạ X-ray.

87

Để xác định độ xốp của lớp phủ, mẫu được cắt để quan sát theo tiết diện

bề mặt lớp phủ. Sau khi cắt, mẫu được gia công bề mặt trên các loại giấy giáp

có kích cỡ từ hạt thô đến hạt mịn và được đánh bóng trên các máy chuyên

dụng đảm bảo không còn vết xước trên bề mặt đạt yêu cầu kỹ thuật. Sử dụng

kính hiển vi quang học GX51F để đo độ xốp lớp phủ. Quá trình đo được thực

hiện theo tiêu chuẩn JIS-H-8664 – 1997 (Nhật).

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

Độ xốp được đo bằng cách trực tiếp đo diện tích các lỗ xốp trong khu

vực quan sát của kính hiển vi và so sánh các khu vực này với tổng diện tích

muốn xem. Kính hiển vi được trang bị hệ thống máy tính và phần mềm để

phân tích, xác định giá trị độ xốp của mẫu bằng cách chuyển đổi các vùng rỗ

xốp thành màu đỏ trong khi phần còn lại của các cấu trúc tế vi chuyển thành

màu xanh như hình 3.9. Chương trình máy tính được sử dụng để tính toán tỷ

lệ phần trăm diện tích vùng có màu đỏ bằng cách đánh giá về màu sắc khác

nhau cho vùng màu xanh và màu đỏ trong hình ảnh.

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

Việc xác định độ bền bám dính của lớp phủ đã được nhiều nhà khoa học

nghiên cứu với nhiều phương pháp khác nhau như: Phương pháp keo dính,

88

phương pháp kéo chốt và phương pháp bám trượt. Có thể sử dụng các tiêu

chuẩn của một số nước như:

- Tiêu chuẩn ASTM C633 - 13 (Mỹ);

- Tiêu chuẩn JISH8666-1980 (Nhật);

- Tiêu chuẩn AFNOR NF A91-202-79 (Pháp).

* Phương pháp keo dính

Sơ đồ nguyên lý xác định độ bền bám dính lớp phủ bằng phương pháp

keo dính được biểu diễn ở hình 3.10

Thông thường mẫu thử được thiết kế có dạng hình trụ, đường kính

khoảng 25,4mm, lớp phủ được phun lên mặt đầu của mẫu (1) có chiều dày là

0,25mm, áp dụng thử theo tiêu chuẩn ASTM C633 (Mỹ), lớp phủ sau khí

được gia công dùng keo dính dán mặt đầu của mẫu (2). Sau khi ghép mẫu đạt

yêu cầu kỹ thuật tiến hành kéo trên máy kéo nén. Độ bền bám dính được xác

định bằng lực kéo đứt chia cho diện tích bị bong trên bề mặt được phủ. Độ

bền bám dính được xác định bằng biểu thức:

 ; P

MPaF

(3.6)

trong đó: - Ứng suất pháp theo phương vuông góc với mặt mẫu kéo (MPa);

P- lực kéo mẫu (kN); F- Diện tích bề mặt lớp phủ tiếp xúc với mẫu (mm2);

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

89

Ưu điểm: Ứng suất kéo không bị ảnh hưởng do mối ghép gây ra.

Nhược điểm: Phương pháp này có nhược điểm là phải xác định độ bền

bám dính của keo phải lớn hơn độ bền bám dính giữa lớp phủ với bề mặt nền.

* Phương pháp kéo chốt

Sơ đồ nguyên lý xác định độ bền bám dính lớp phủ bằng phương pháp

kéo chốt được biểu diễn ở hình 3.11.

Mẫu thử kéo thường được làm từ vật liệu thép C45 có kích thước mặt

phủ 40, trên đó có thể lắp một hoặc nhiều chốt 5. Trên toàn bộ bề mặt mẫu

và chốt được tạo nhám và được chuẩn bị đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, để đạt

được độ bám dính cao nhất chiều dày lớp phủ thường từ 1÷1.5mm. Sau khi

phun xong mẫu được gá lắp trên máy kéo, nén. Ứng suất kéo được tính theo

công thức (3.9).

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

* Phương pháp bám trượt

Sơ đồ nguyên lý xác định độ bền bám dính lớp phủ bằng phương pháp

bám trượt được biểu diễn ở hình 3.12.

90

Độ bền bám dính lớp phủ được xác định theo phương dọc trục và được

áp dụng thử theo tiêu chuẩn JIS-H-8666 – 1980 (Nhật)

Mẫu thử được thiết kế dạng hình trụ và được phun lớp phủ có chiều dày

theo yêu cầu, sau khi mài bóng mẫu được đưa lên máy tiện để tiện đầu dẫn

hướng. Sau đó mẫu được lắp trên đồ gá (khuôn cối) đã được thiết kế trước.

Phần mẫu không có lớp phủ được lắp sít trượt với khuôn, lớp phủ thì được gối

lên mặt khuôn, dưới tác dụng của lực nén lớp phủ bị trượt và bong ra khỏi bề

mặt nền. Ứng suất bám trượt () được xác định theo công thức:

   ;     P

MPaF

(3.7)

Trong đó: - ứng suất bám trượt (MPa);

P- Lực nén dọc trục lên đới phủ (kN);

F - diện tích tiếp xúc giữa đới phủ với mẫu (mm2): F = .D.h;

D- Đường kính của mẫu (mm);

h- Chiều rộng đới phủ (mm).

1- Lớp phủ; 2- Khuôn; 3- Mẫu thử.

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

91

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

Từ các phương pháp xác định độ bám dính như đã trình bày, kết hợp với

kích thước mẫu phun đã được thiết kế ở phần trên. Tác giả lựa chọn phương

pháp xác định độ bám dính giữa lớp phủ và bề mặt kim loại nền theo ứng suất

tiếp (bằng phương pháp bám trượt).

Để đáp ứng được các yêu cầu và đảm bảo kết quả xác định độ bám dính

lớp phủ chính xác, trình tự thực nghiệm được tiến hành theo sơ đồ như mô tả

trên hình 3.13.

Để kết quả thử nghiệm đảm bảo độ chính xác, việc thiết kế đồ gá (khuôn

cối) là một khâu rất quan trọng và cần thiết. Do đó khuôn cối được thiết kế

như hình 3.14 bao gồm: Khuôn cối (1) được chế tạo từ thép tấm SKD11 có

Gá đặt mẫu vào khuôn cối và đưa lên bàn máy Điều chỉnh mẫu và

khuôn cối vào tâm của máy kéo, nén TUTM

Thực nghiệm đo và xác lập đồ thị

Cài đặt thông số chạy chương trình cho máy

Tác dụng lực của máy kéo, nén TUTM vào mẫu

Quan sát hành trình của máy đến khi

lớp phủ tách ra khỏi mẫu

Thiết kế chế tạo khuôn cối, và mẫu thực nghiệm đảm bảo

kích thước theo yêu cầu để kiểm tra

Thu thập và lưu số liệu thực nghiệm

Tháo mẫu ra khỏi bàn máy và khuôn cối

92

kích thước 125mm x 125mm x 20mm, được gia công lỗ ở giữa tấm bằng

phương pháp cắt dây, có kích thước đường kính lỗ là 59,8 +0,02 mm; 69,8

+0,02 mm; 79,8 +0,02 mm. Mẫu (2) được chế tạo từ thép 40Cr có kích thước

đường kính ngoài của mẫu là 59,8-0,02mm, 69,8-0,02mm; 79,8-0,02mm,

đường kính trong là 30+0,05mm và được phủ một lớp bột cacbit Cr3C2-NiCr

trên nền trục thép 40Cr bằng công nghệ phun nhiệt HVOF có chiều dày là 0,6

mm (4)

1- Khuôn cối; 2- Mẫu thử; 3- Trục ép; 4- Lớp phủ.

Hình 3.14: Kích thước khuôn ép và mẫu thử

Mẫu thử được lắp với khuôn ép thông qua phần trụ dẫn hướng ở chế độ

lắp sít trượt. Sử dụng thiết bị kéo, nén TUTM hình 3.14 kết hợp với hệ thống

máy tính và phần mềm chuyên dụng kết nối giữa hệ thống máy tính với thiết

bị để làm thử nghiệm.

Sau khi bộ khuôn cối và mẫu thử được điều chỉnh vào tậm của bàn máy.

Dưới tác dụng lực của thiết bị TUTM, máy tính sẽ tự động vẽ lên đồ thị

đường đặc tính biểu diễn giá trị lực nén hình 3.15, cho tới khi lớp phủ bị bong

93

ra khỏi bề mặt kim loại nền hình 3.16.

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

Hình 3.16: Ảnh chụp mẫu thử độ bám dính

Quan sát trên đồ thị cho thấy, đường đặc tính lực nén bắt đầu tăng dần

khi lực tác dụng vào vật mẫu đến một giới hạn nhất định cho tới khi lớp phủ

bong ra khỏi bề mặt vật liệu nền, đồng thời máy tính cũng tự động vẽ lên đồ

thị đường đặc tính gần như tuyến tính, điều này cho thấy độ bám dính trên bề

mặt mẫu tương đối đều và ổn định.

94

3.6.4. Phương pháp chụp ảnh SEM

Việc tạo mẫu chụp SEM khảo sát cấu trúc tế vi vùng biên giới liên kết

giữa lớp phủ và kim loại nền là khâu quan trọng và cần thiết được tiến hành

như sau: Mẫu sau khi phun phủ được cắt ra thành các miếng nhỏ có kích

thước 15 x 20 x 5(mm) và được mài bóng bề mặt trên các máy chuyên dùng

đảm bảo yêu cầu kỹ thuật không còn vết xước. Tiến hành tẩm thực trên toàn

bộ bề mặt đã được chuẩn bị, sau đó rửa sạch bằng nước và được sấy khô. Mẫu

sau khi chuẩn bị xong phải được bảo quản cẩn thận nhằm tránh sự xâm nhập

của hơi nước trong không khí.

Để khảo sát sự phân bố của tổ chức, cấu trúc tế vi vùng biên giới liên kết

giữa lớp phủ bột các bít Cr3C2 - NiCr và nền thép 40Cr, mẫu được lắp cố

định trên đồ gá và đưa vào thiết bị hiển vi điện tử quét trường bức xạ (SEM)

để tiến hành chụp với nhiều mức phóng đại khác nhau (500; 1000; 1500;

2000; 2500; 3000 lần)

Nguyên tắc cơ bản của phương pháp SEM là dùng chùm điện tử để tạo

ảnh của mẫu nghiên cứu, ảnh đó khi đến màn huỳnh quang có thể đạt độ

phóng đại rất lớn từ hàng nghìn đến hàng chục nghìn lần.

Chùm điện tử được tạo ra từ catốt qua hai tụ quang sẽ được hội tụ lên

mẫu nghiên cứu. Chùm điện tử đập vào mẫu phát ra các điện tử phản xạ thứ

cấp. Mỗi điện tử phát xạ này qua điện thế gia tốc vào phần thu và biến đổi

thành tín hiệu sáng, chúng được khuếch đại đưa vào mạng lưới điều khiển tạo

độ sáng trên màn hình.

Mỗi điểm trên mẫu nghiên cứu cho một điểm trên màn hình. Độ sáng tối

trên màn hình tuỳ thuộc lượng điện tử thứ cấp phát ra tới bộ thu, đồng thời

còn phụ thuộc sự khuyết tật bề mặt của mẫu nghiên cứu. Đặc biệt do sự hội tụ

các chùm tia nên có thể nghiên cứu cả phần bên trong của vật chất.

Ưu điểm của phương pháp SEM là có thể thu được những bức ảnh ba

chiều rõ nét và không đòi hỏi phức tạp trong khâu chuẩn bị mẫu.

95

Kết luận chương 3

Từ kết quả nghiên cứu đã chọn được vật liệu nền là thép 40Cr và bột

phủ là Cr3C2 – NiCr.

- Đã lập được quy trình thử nghiệm và phương pháp quy hoach thực

nghiệm với số thực nghiệm tối thiểu là N = 33 = 27 mẫu.

- Đã lựa chọn được các thiết bị phục vụ quá trình thực nghiệm như: Máy

tiện vạn năng, thiết bị làm sạch bề mặt TSA 206, thiết bị phun gồm súng phun

HP 2700M, bảng điều khiển MP 2100, bộ phận cấp bột phun PF 3350

- Đã lựa chọn các thiết bị đánh giá chất lượng lớp phủ gồm:

Kính hiển vi quang học GX51Fcủa Nhật bản, Máy kéo nén TUTM của

Hàn quốc, thiết bị chụp ảnh SEM, máy đo độ cứng tế vi.

Trên cơ sở đó đã tiến hành thực nghiệm đưa ra được kết quả thực

nghiệm phun phủ tạo cơ sở khoa học và độ tin cậy cho việc đánh giá kết quả

và đưa ra phương pháp đánh giá độ xốp, độ bám dính và độ cứng lớp phủ đáp

ứng tiêu chí là độ xốp nhỏ nhất, độ bám dính giữa vật liệu phủ và vật liệu nền

là cao nhất đã chọn phù hợp với điều kiện của Việt Nam.

96

Chương 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ

4.1. Kết quả thực nghiệm

Sau khi làm thực nghiệm và đo kiểm trên các thiết bị chuyên dùng như

đã trình bày ở trên thu được kết quả các thông số đo như sau:

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

TT Mã m

(g/phút)

n

(v/phút)

S

(mm/v)

Lực đo

P (KN)

Diện

tích

F(mm2)

τ

(MPa)

1 000 25 57 3 39,253 939 41,81

2 001 25 57 6 36,867 939 39,268

3 002 25 57 9 34,423 939 36,665

4 010 25 130 3 58,621 1315 44,578

5 011 25 130 6 54,627 1315 41,541

6 012 25 130 9 50,594 1315 38,474

7 020 25 170 3 77,786 1754 44,348

8 021 25 170 6 73,746 1754 42,045

9 022 25 170 9 70,925 1754 40,436

10 100 35 57 3 39,972 939 42,575

11 101 35 57 6 37,452 939 39,891

12 102 35 57 9 35,097 939 37,383

13 110 35 130 3 60,166 1315 45,753

14 111 35 130 6 56,171 1315 42,715

15 112 35 130 9 53,865 1315 40,961

16 120 35 170 3 76,291 1754 43,495

17 121 35 170 6 73,175 1754 41,719

18 122 35 170 9 69,548 1754 39,651

19 200 45 57 3 40,899 939 43,562

20 201 45 57 6 38,132 939 40,616

97

TT Mã m

(g/phút)

n

(v/phút)

S

(mm/v)

Lực đo

P (KN)

Diện

tích

F(mm2)

τ

(MPa)

21 202 45 57 9 35,710 939 38,036

22 210 45 130 3 59,308 1315 45,1

23 211 45 130 6 55,496 1315 42,201

24 212 45 130 9 53,660 1315 40,805

25 220 45 170 3 75,045 1754 42,785

26 221 45 170 6 72,515 1754 41,343

27 222 45 170 9 68,413 1754 39,004

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

TT Mã m (g/phút) n (v/phút) S(mm/v) (%)

1 000 25 57 3 1,55

2 001 25 57 6 2,71

3 002 25 57 9 3,22

4 010 25 130 3 1,30

5 011 25 130 6 2,37

6 012 25 130 9 3,06

7 020 25 170 3 1,32

8 021 25 170 6 2,38

9 022 25 170 9 3,10

10 100 35 57 3 1,46

11 101 35 57 6 2,59

12 102 35 57 9 3,17

13 110 35 130 3 1,25

14 111 35 130 6 2,26

15 112 35 130 9 3,01

98

TT Mã m (g/phút) n (v/phút) S(mm/v) (%)

16 120 35 170 3 1,36

17 121 35 170 6 2,45

18 122 35 170 9 3,13

19 200 45 57 3 1,38

20 201 45 57 6 2,47

21 202 45 57 9 3,11

22 210 45 130 3 1,28

23 211 45 130 6 2,32

24 212 45 130 9 3,08

25 220 45 170 3 1,39

26 221 45 170 6 2,49

27 222 45 170 9 3,19

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

Với kết quả xác định độ xốp lớp phủ trên các mẫu thực nghiệm và dùng

phần mềm MATLAB xử lý các số liệu thực nghiệm thu được hàm độ xốp

biểu thị mối quan hệ với các thông số phun như sau:

2 2 2

1,39 0,032 0,0158 0,54 0,000115. . 0,00012. .

0,00033. . 0,00021. 0,000045. 0,0228.

m n S m n n S

m S m n S

(4.1)

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

TT Mã m

(g/phút)

n

(vg/phút)

S QH Sai số

(mm/vg) (%) εγ (%)

1 0 25 57 3 1,55 1,59 -0,04

2 1 25 57 6 2,71 2,64 0,07

3 2 25 57 9 3,22 3,28 -0,06

4 10 25 130 3 1,30 1,29 0,01

5 11 25 130 6 2,37 2,36 0,01

99

TT Mã m

(g/phút)

n

(vg/phút)

S QH Sai số

(mm/vg) (%) εγ (%)

6 12 25 130 9 3,06 3,03 0,03

7 20 25 170 3 1,32 1,33 -0,01

8 21 25 170 6 2,38 2,42 -0,04

9 22 25 170 9 3,10 3,10 0,00

10 100 35 57 3 1,46 1,47 -0,01

11 101 35 57 6 2,59 2,53 0,06

12 102 35 57 9 3,17 3,18 -0,01

13 110 35 130 3 1,25 1,25 0,00

14 111 35 130 6 2,26 2,34 -0,08

15 112 35 130 9 3,01 3,01 0,00

16 120 35 170 3 1,36 1,34 0,02

17 121 35 170 6 2,45 2,44 0,01

18 122 35 170 9 3,13 3,13 0,00

19 200 45 57 3 1,38 1,40 -0,02

20 201 45 57 6 2,47 2,47 0,00

21 202 45 57 9 3,11 3,12 -0,01

22 210 45 130 3 1,28 1,26 0,02

23 211 45 130 6 2,32 2,36 -0,04

24 212 45 130 9 3,08 3,04 0,04

25 220 45 170 3 1,39 1,39 0,00

26 221 45 170 6 2,49 2,50 -0,01

27 222 45 170 9 3,19 3,20 -0,01

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

Trên đồ thị 2D và 3D hình 4.1 và 4.2 cho thấy khi thay đổi lưu lượng

cấp bột phun từ 25 gam/phút, 35 gam/phút và 45 gam/phút với chế độ thực

nghiệm theo quy hoạch trên các mẫu thì độ xốp lớp phủ có thay đổi với các

mức cấp bột khác nhau nhưng mức độ ảnh hưởng cụ thể: với mức cấp bột

100

m = 25 gam/phút thì độ xốp nhận được từ 1,30% đến 3,22%, với mức cấp bột

m = 35 gam/phút thì độ xốp nhận được từ 1,25% đến 3,17%, với mức cấp bột

m = 45 gam/phút thì độ xốp nhận được từ 1,28% đến 3,19%, Xét theo từng

mức cấp bột không đổi thì độ xốp có xu hướng tăng khá lớn khi mức độ dịch

chuyển của súng phun tăng còn xét theo tốc độ quay của chi tiết hay tốc độ di

chuyển bề mặt thì mức độ ảnh hưởng nhỏ hơn như hình 4.1.

Đồ thị biểu diễn mức độ ảnh hưởng của m đến độ xốp lớp phủ.

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

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

Điều này có thể giải thích là do quá trình phun khi thay đổi lưu lượng

cấp bột đồng nghĩa với việc thay đổi mật độ hạt phun lên bề mặt chi tiết và

trong một điều kiện nhất định khi mật độ hạt được cấp vào buồng đốt thay đổi

thì các hạt được nung nóng và nóng chảy hoàn toàn hoặc không hoàn toàn

cũng khác nhau do vậy khi mật độ hạt quá lớn phần nào đó làm ảnh hưởng

đến khả năng nóng chảy của các hạt bột làm gia tăng các hạt nóng chảy không

hoàn toàn và có thể là nguyên nhân tạo nên sự oxy hóa của các hạt tăng. Tuy

101

nhiên bằng thực nghiệm cho thấy khi các lớp phủ được phun lên bề mặt chi

tiết còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố có tác động ảnh hưởng đến độ xốp lớp

phủ. Trong phạm vi nghiên cứu này do mức độ thay đổi của lưu lượng cấp bột

phun không lớn và với cùng chế độ phun là tốc độ quay chi tiết, lượng dịch

chuyển súng phun không đổi thì mức độ ảnh hưởng của lưu lượng cấp bột

phun tới độ xốp lớp phủ thay đổi không nhiều cụ thể như với sự thay đổi các

mức của lưu lượng cấp bột phun với cùng chế độ thực nghiệm là n = 130

vóng/phút và S = 6 mm/vòng thì độ xốp thay đổi γ = 2,26 % ÷ 2,37 % .

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

Đồ thị biểu diễn mức độ ảnh hưởng của n đến độ xốp lớp phủ

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

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

Trên đồ thị 2D và 3D hình 4.3 và 4.4 cho thấy khi thay đổi tốc độ quay

của chi tiết 57 vòng/ phút; tốc độ quay của chi tiết 130 vòng/phút; tốc độ quay

của chi tiết 170 vòng/ phút với chế độ thực nghiệm theo quy hoạch trên các

102

mẫu cho thấy độ xốp lớp phủ có thay đổi với các mức thay đổi tốc độ khác

nhau và mức độ ảnh hưởng của việc thay đổi tốc độ quay chi tiết cụ thể:

với tốc độ quay của chi tiết là 57 vòng/phút thì độ xốp γ = 1,38 % ÷ 3,22%,

với tốc độ quay của chi tiết là 130 vòng/ phút thì độ xốp γ = 1,25 % ÷ 3,08%,

với tốc độ quay của chi tiết là 170 vòng/ phút thì độ xốp γ = 1,32 % ÷ 3,19%,

Xét theo từng mức tốc độ không đổi thì độ xốp có xu hướng tăng khá lớn

khi mức độ dịch chuyển của súng phun tăng còn xét theo lưu lượng cấp bột

thì mức độ ảnh hưởng nhỏ hơn như hình 4.3.

Điều này có thể giải thích là do quá trình phun khi tốc độ quay của chi

tiết thay đổi tức là thay đổi khả năng tương tác giữa chùm tia phun lên bề mặt

chi tiết phun trong một đơn vị thời gian nhanh hay chậm điều đó có liên quan

đến mật độ, hiệu suất của các lớp phun được nằm lại trên bề mặt chi tiết để

hình thành lớp phủ. Nhưng do tốc độ của dòng hạt phun rất lớn nên mức độ

nhanh hay chậm của vị trí tương tác giữa chùm hạt phun với tốc độ di chuyển

của bề mặt có chịu ảnh hưởng nhưng không lớn .Tuy nhiên bằng thực nghiệm

cho thấy khi các lớp phủ được phun lên bề mặt chi tiết còn phụ thuộc vào

nhiều yếu tố có tác động ảnh hưởng đến độ xốp lớp phủ. Trong phạm vi

nghiên cứu này do mức độ thay đổi của tốc độ bề măt chi tiết phun thay đổi

chưa nhiều và với cùng chế độ phun là lưu lượng cấp bột phun, lượng dịch

chuyển súng phun không đổi thì mức độ ảnh hưởng của tốc độ quay hay tốc

độ bề mặt chi tiết tới độ xốp lớp phủ thay đổi cụ thể như sau: với sự thay đổi

các mức của tốc độ quay khi cùng chế độ thực nghiệm là m = 35 vòng/phút và

S = 6 mm/vòng thì độ xốp thay đổi γ = 2,26 % ÷ 2,59 % .

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

Trên đồ thị 2D và 3D hình 4.5 và 4.6 cho thấy khi thay đổi lượng dịch

chuyển súng phun từ 3 mm/vòng; 6 mm/vòng; 9 mm/vòng với chế độ thực

nghiệm theo quy hoạch trên các mẫu thì độ xốp lớp phủ có thay đổi với các

103

mức dịch chuyển súng phun khác nhau và mức độ ảnh hưởng khá lớn cụ thể:

với lượng dịch chuyển súng phun là S = 3 mm/vòng thì độ xốp γ = 1,25 % ÷

1,55 %, với lượng dịch chuyển súng phun là S = 6 mm/vòng thì độ xốp γ =

2,26 % ÷ 2,71 % , với lượng dịch chuyển súng phun là S = 9 mm/vòng thì độ

xốp γ = 3,01 % ÷ 3,22 % . Xét theo từng mức lượng dịch chuyển súng phun

không đổi thì độ xốp có xu hướng khá ổn định với mức độ thay đổi của lưu

lượng cấp bột còn xét theo mức độ thay đổi của tốc độ thì ảnh hưởng không

nhiều như hình 4.5.

Đồ thị biểu diễn mức độ ảnh hưởng của S đến độ xốp lớp phủ

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

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

Điều này có thể giải thích là do quá trình phun khi dịch chuyển súng

phun tăng lên đồng nghĩa với việc giảm sự chồng nén của từng lớp phủ, tăng

khả năng tiếp xúc với môi trường của các hạt bột theo thời gian và khả năng

oxy hóa của các hạt bột tăng dễ tạo cho việc hình thành các lỗ rỗng sau các

104

lớp phun chồng chất lên nhau và làm cho độ xốp lớp phủ có xu hướng tăng.

Tuy nhiên bằng thực nghiệm cho thấy khi các lớp phủ được phun lên bề mặt

chi tiết còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố có tác động ảnh hưởng đến độ xốp lớp

phủ. Trong phạm vi nghiên cứu này do mức độ thay đổi của lượng dịch

chuyển súng phun có bước khá lớn và với cùng chế độ phun là lưu lượng cấp

bột phun, tốc độ quay của chi tiết không đổi thì mức độ ảnh hưởng của lượng

dịch chuyển súng phun tới độ xốp lớp phủ thay đổi cụ thể như sau: với sự

thay đổi các mức của lượng dịch chuyển súng phun khi cùng chế độ thực

nghiệm là m = 35 gam/phút và n = 130 vòng/phút thì độ xốp thay đổi γ = 1,25

% ÷ 3,01 % .

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

Nhận xét chung về mức độ ảnh hưởng của các thông số tới độ xốp lớp

phủ: bằng kết quả thực nghiệm trong vùng khảo sát các thông số (m, n, S) như

trên đã được thể hiện như các đồ thị 2D và 3D cho thấy chất lượng lớp phủ

nếu đánh giá về độ xốp thì trong quá trình phun để tạo thành lớp phủ có rất

nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ, mỗi thông số đều có mối

quan hệ ảnh hưởng trực tiếp đến độ xốp của lớp phủ. Tuy nhiên trong phạm vi

khảo sát thực nghiệm và bằng các minh chứng trên cho thấy các thông số

được khảo sát thực nghiệm cho kết quả thể hiện chất lượng lớp phủ có độ xốp

105

là nhỏ nhất là: Lưu lượng cấp bột là từ m = 35 gam/phút, tốc độ quay của chi

tiết n = 130 vòng/ phút, lượng dịch chuyển súng phun S = 3 mm/vòng.

Cụ thể là mã mẫu 110 cho độ xốp nhỏ nhất.

Mã m

(gam/phút)

n

(vòng/phút)

S

(mm/vòng) (%)

110 35 130 3 1,25

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

Với kết quả đo lực nén các mẫu thí nghiệm, tính ứng suất bám trượt như

trong bảng 4.1 và dùng phần mềm MATLAB xử lý các số liệu thực nghiệm

thu được hàm độ bám dính theo ứng suất bám trượt biểu thị mối quan hệ với

các thông số phun như sau:

2 2 2

32,9 0,36 0,15 1,4 0,00106. . 0,00196. .

0,00389. . 0,00334. 0,00049. 0,0198.

m n S m n n S

m S m n S

(4.2)

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

TT Mã m

(g/phút)

n

(v/phút)

S

(mm/v)

τ

(MPa)

Thực

nghiệm

τ

(MPa)

Hàm

quy

hoạch

Sai số

1 0 25 57 3 41,810 41,865 -0,055

2 1 25 57 6 39,268 38,827 0,441

3 2 25 57 9 36,665 36,145 0,520

4 10 25 130 3 44,578 44,621 -0,043

5 11 25 130 6 41,541 42,012 -0,471

6 12 25 130 9 38,474 39,759 -1,285

7 20 25 170 3 44,348 43,916 0,432

8 21 25 170 6 42,045 41,542 0,503

9 22 25 170 9 40,436 39,524 0,912

10 100 35 57 3 42,575 42,974 -0,399

11 101 35 57 6 39,891 40,052 -0,161

12 102 35 57 9 37,383 37,486 -0,103

106

TT Mã m

(g/phút)

n

(v/phút)

S

(mm/v)

τ

(MPa)

Thực

nghiệm

τ

(MPa)

Hàm

quy

hoạch

Sai số

13 110 35 130 3 45,753 44,956 0,797

14 111 35 130 6 42,715 42,463 0,252

15 112 35 130 9 40,961 40,327 0,634

16 120 35 170 3 43,495 43,827 -0,332

17 121 35 170 6 41,719 41,569 0,150

18 122 35 170 9 39,651 39,668 -0,017

19 200 45 57 3 43,562 43,414 0,148

20 201 45 57 6 40,616 40,609 0,007

21 202 45 57 9 38,036 38,160 -0,124

22 210 45 130 3 45,100 44,622 0,478

23 211 45 130 6 42,201 42,246 -0,045

24 212 45 130 9 40,805 40,227 0,578

25 220 45 170 3 42,785 43,069 -0,284

26 221 45 170 6 41,343 40,929 0,414

27 222 45 170 9 39,004 39,145 -0,141

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

Trên đồ thị 2D và 3D hình 4.8 và 4.9 cho thấy khi thay đổi lưu lượng cấp

bột phun từ 25 gam/phút, 35 gam/phút và 45 gam/phút với chế độ thực

nghiệm theo quy hoạch trên các mẫu thì độ bám lớp phủ có thay đổi với các

mức cấp bột khác nhau nhưng mức độ ảnh hưởng không nhiều cụ thể:

với mức cấp bột m = 25 gam/phút thì độ bám τ = 36,665 MPa ÷ 44,578 MPa,

với mức cấp bột m = 35 gam/phút thì độ bám τ = 37,383 MPa ÷ 45,753 MPa,

với mức cấp bột m = 45 gam/phút thì độ bám τ = 38,036 MPa ÷ 45,100 MPa,

Xét theo từng mức cụ thể có xu hướng giảm lớn theo mức độ dịch chuyển của

súng phun và tăng theo chiều hướng tăng của tốc độ quay của chi tiết nhưng

ảnh hưởng ít hơn sự tăng của chiều dịch chuyển của súng phun.

107

Đồ thị biểu diễn mức độ ảnh hưởng của m đến ứng suất bám dính.

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

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

Điều này có thể giải thích là do quá trình phun khi thay đổi lưu lượng

cấp bột đồng nghĩa với việc thay đổi mật độ hạt phun lên bề mặt chi tiết và

trong một điều kiện nhất định khi mật độ hạt được cấp vào buồng đốt thì các

hạt được nung nóng và nóng chảy hoàn toàn hoặc không hoàn toàn do vậy khi

mật độ hạt quá lớn phần nào đó làm ảnh hưởng đến khả năng nóng chảy của

các hạt bột làm gia tăng các hạt nóng chảy không hoàn toàn và có thể là

nguyên nhân tạo nên sự oxy hóa của các hạt làm giảm khả năng liên kết giữa

các lớp với nhau và liên kết với bề mặt chi tiết phủ lớp phủ có xu hướng giảm

độ bám dính giữa lớp phủ với vật liệu nền. Tuy nhiên bằng thực nghiệm cho

thấy khi các lớp phủ được phun lên bề mặt chi tiết còn phụ thuộc vào nhiều

yếu tố có tác động ảnh hưởng đến độ bám lớp phủ. Trong phạm vi nghiên cứu

này do mức độ thay đổi của lưu lượng cấp bột phun không lớn và với cùng

chế độ phun là tốc độ quay chi tiết, lượng dịch chuyển súng phun không đổi

108

thì mức độ ảnh hưởng của lưu lượng cấp bột phun tới độ bám lớp phủ thay

đổi không nhiều cụ thể như với sự thay đổi các mức của lưu lượng cấp bột

phun với cùng chế độ thực nghiệm là n = 130 vòng/phút và S = 6 mm/vòng

thì độ bám nằm trong khoảng τ = 41,541 MPa ÷ 42,715 MPa .Vùng có độ

bám tốt nhất trong miền khảo sát thực nghiệm là m = 35 gam/phút

4.3.2. Ảnh hưởng của tốc độ quay của chi tiết tới độ bám dính lớp phủ

Trên đồ thị 2D và 3D hình 4.10 và 4.11 cho thấy khi thay đổi tốc độ

quay của chi tiết 57 vòng/ phút; tốc độ quay của chi tiết 130 vòng/phút; tốc độ

quay của chi tiết 170 vòng/ phút với chế độ thực nghiệm theo quy hoạch trên

các mẫu thì độ bám dính lớp phủ có thay đổi với các mức thay đổi tốc độ khác

nhau và mức độ ảnh hưởng của việc thay đổi tốc độ quay chi tiết đến độ bám

dính cụ thể như sau: Với tốc độ quay của chi tiết là n = 57 vòng/ phút thì độ

bám τ = 36,665 MPa ÷ 43,562 MPa, với tốc độ quay của chi tiết là 130 vòng/

phút thì độ bám τ = 38,474 MPa ÷ 45,753 MPa, với tốc độ quay của chi tiết là

170 vòng/ phút thì độ bám τ = 39,004 MPa ÷ 44,348 MPa. Xét theo từng mức

cụ thể có xu hướng giảm theo mức độ tăng lượng dịch chuyển súng phun và

tăng theo lưu lượng cấp bột nhưng đến một mức độ khi tốc độ tăng lên đến

170 vòng /phút thì lại có xu hướng giảm và ảnh hưởng ít hơn sự tăng của dịch

chuyển của súng phun.

Đồ thị biểu diễn mức độ ảnh hưởng của n đến ứng suất bám dính.

Hình 4.10: Đồ thị 3D biểu diễn mối quan hệ (n) đến độ bám dính lớp phủ.

109

Hình 4.11: Đồ thị 2D biểu diễn mối quan hệ (n) đến độ bám dính lớp phủ.

Điều này có thể giải thích là do quá trình phun khi tốc độ quay của chi

tiết thay đổi tức là thay đổi khả năng tương tác giữa chùm tia phun lên bề mặt

chi tiết phun trong một đơn vị thời gian nhanh hay chậm nó có liên quan đến

mật độ, hiệu suất của các lớp phun được nằm lại trên bề mặt chi tiết và thời

gian, mật độ hạt của các chùm hạt phun chồng chất lên sau mỗi lớp phủ, khả

năng tiếp xúc với môi trường xung quanh tăng khả năng oxy hóa của các hạt

phun làm ảnh hưởng khả năng bám dính của các lớp phủ với lớp nền. Như

vậy qua đồ thị 2D và 3D cho thấy miền có độ bám cao nhất trong khoảng

khảo sát là tốc độ quay của chi tiết nằm trong khoảng n = 100 ÷ 140

vòng/phút (Tương đương với khi đường kính D là 70 mm thì Vct = 21,98 ÷

30,772 m/phút).

4.3.3. Ảnh hưởng của lượng dịch chuyển đầu phun tới độ bám dính lớp phủ

Trên đồ thị 2D và 3D hình 4.12 và 4.13 cho thấy khi thay đổi lượng

dịch chuyển súng phun từ 3 mm/vòng; 6 mm/vòng; 9 mm/vòng với chế độ

thực nghiệm theo quy hoạch trên các mẫu thì độ bám dính lớp phủ có thay đổi

với các mức dịch chuyển súng phun khác nhau và mức độ ảnh hưởng khá lớn

cụ thể: Với lượng dịch chuyển súng phun là 3 mm/vòng thì độ bám dính nhận

được từ 41,810 MPa đến 45,753 MPa; với lượng dịch chuyển súng phun là 6

mm/ vòng thì độ bám dính nhận được từ 39,268 MPa đến 42,715 MPa; với

lượng dịch chuyển súng phun là 9 mm/vòng thì độ bám dính nhận được từ

110

36,665 MPa đến 40,961 MPa; và có xu hướng giảm khá lớn theo mức độ tăng

lượng dịch chuyển súng phun và tăng theo mức độ tăng tốc độ quay của chi

tiết và lưu lượng cấp bột.

Đồ thị biểu diễn mức độ ảnh hưởng của S đến ứng suất bám dính.

Hình 4.12: Đồ thị 3D biểu diễn mối quan hệ (S) đến độ bám dính lớp phủ.

Hình 4.13: Đồ thị 2D biểu diễn mối quan hệ (S) đến độ bám dính lớp phủ.

Điều này có thể giải thích là do quá trình phun khi dịch chuyển súng

phun tăng lên đồng nghĩa với việc giảm sự chồng nén của từng lớp phủ, tăng

khả tiếp xúc với môi trường của các hạt bột theo thời gian và oxy hóa của các

hạt bột tăng dễ tạo cho việc hình thành các lỗ rỗng sau các lớp phun chồng

chất lên nhau và làm cho độ bám dính lớp phủ có xu hướng giảm. Như vậy

qua đồ thị 2D và 3D cho thấy miền có độ bám cao nhất trong khoảng khảo sát

là tốc độ dịch chuyển đầu súng phun nằm trong khoảng S = 3 ÷ 6 mm/vòng

(Tương đương với tốc độ quay trung bình n là 113,5 vòng/phút thì lượng dịch

chuyển súng phun S= 5,675 ÷ 11,35 mm/giây).

111

Từ hàm thực nghiệm và đồ thị cho thấy độ bám dính của lớp phủ với lớp

nền có xu hướng thay đổi khi lượng dịch chuyển của súng phun ; lưu lượng

cấp bột và tốc độ quay của chi tiết thay đổi. Trong đó mức độ ảnh hưởng lớn

nhất là khi thay đổi lượng dịch chuyển súng phun.

Điều này có thể giải thích khi lượng dịch chuyển tăng thì lớp hạt chồng

chất lên bề mặt mỏng, nguội nhanh, co ngót lớn nên bám dính kém hơn. Bằng

kết quả thực nghiệm trong vùng khảo sát các thông số (m, n, S) như trên đã

được thể hiện ở các đồ thị 2D và 3D cho thấy chất lượng lớp phủ nếu đánh giá

về độ bám dính thì miền thông số đạt được chất lượng lớp phủ có độ bám

dính tốt nhất là mằm trong khoảng: Lưu lượng cấp bột là m = 35 gam/phút,

tốc độ quay của chi tiết n = 130 vòng/ phút, tốc độ dịch chuyển súng phun S =

3 mm/vòng

Độ bám cao nhất là mẫu 110.

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

110 35 130 3 45,7525

Hình 4.14: Ảnh chụp đo lực để tính độ bám mẫu số 110

112

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

Để xác định độ cứng lớp phủ tiến hành đo các mẫu đã mã hóa theo ký

hiệu của các mẫu phun trên máy đo độ cứng tế vi của viện khoa học vật liệu

Máy đo độ cứng tế vi Indenta Met 11062 và được thực hiện theo thứ tự từ

ngoài lớp phủ bột các bít Cr3C2-NiCr trên nền trục thép 40Cr bằng phương

pháp phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF kết quả đo được cho trong bảng 4.4.

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

TT Mã m (g/phút) n (v/phút) S(mm/v) HV

1 000 25 57 3 586,40

2 001 25 57 6 582,60

3 002 25 57 9 560,70

4 010 25 130 3 648,00

5 011 25 130 6 635,00

6 012 25 130 9 645,80

7 020 25 170 3 566,00

8 021 25 170 6 564,20

9 022 25 170 9 503,20

10 100 35 57 3 596,10

11 101 35 57 6 616,10

12 102 35 57 9 562,40

13 110 35 130 3 654,70

14 111 35 130 6 643,60

15 112 35 130 9 657,00

16 120 35 170 3 571,50

17 121 35 170 6 564,20

18 122 35 170 9 512,40

113

TT Mã m (g/phút) n (v/phút) S(mm/v) HV

19 200 45 57 3 610,00

20 201 45 57 6 608,00

21 202 45 57 9 564,20

22 210 45 130 3 541,60

23 211 45 130 6 538,20

24 212 45 130 9 553,60

25 220 45 170 3 578,90

26 221 45 170 6 566,00

27 222 45 170 9 533,20

Từ các số liệu trong bảng 4.5 đo độ cứng với các mẫu theo các chế độ

phun khác nhau cho thấy, độ cứng lớp phủ đạt giá trị trung bình 583 HV,

Đồng thời, trên ảnh chụp cấu trúc tế vi vùng biên giới liên kết giữa lớp phủ

bột các bít Cr3C2-NiCr và nền thép 40Cr hình 4.15 cho thấy, các vết ấn có

kích thước tăng dần từ phần lớp phủ sang phần lõi thép, lớp phủ nhận được

trên các mẫu thực nghiệm khảo sát có độ mịn, tỷ lệ tạp chất ở bên trong lớp

phủ ít, độ xốp nhỏ các mẫu có độ xốp nhỏ thường có độ cứng cao hơn mẫu có

độ xốp lớn vì khi lưu lượng cấp bột tăng thì số các hạt bột nóng chảy không

hoàn toàn cũng tăng theo làm giảm liên kết giữa các lát phủ và sẽ phần nào đó

ảnh hưởng đến độ bền liên kết và độ cứng lớp phủcác mẫu có độ cứng cao

hơn nằm trong vùng tốc độ quay của của mẫu là 130 vòng/phút với các lượng

dịch chuyển súng phun nằm trong khoảng từ 3 đến 6 mm/vòng và lưu lượng

cấp bột khoảng 25 đến 35 gam/phút điều đó cho thấy với vùng tốc độ và

lượng tiến của súng như vậy là hợp lý để có được độ cứng lớp phủ cao nhất

trong miền khảo sát và cũng tuân thủ theo quy luật độ xốp nhỏ thì liên kết

giữa các lát phủ chặt chẽ hơn dẫn đến độ cứng cao hơn.

114

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

Tổ chức tế vi và độ cứng của các lớp vật liệu sau khi phun phủ bằng

phương pháp HVOF là các tiêu chí đánh giá chất lượng tổng hợp. Kết quả quan

sát ảnh chụp tổ chức tế vi tại vùng biên giới liên kết giữa lớp phủ bột các bít

Cr3C2-NiCr trên nền trục thép 40Cr bằng phương pháp phun nhiệt khí tốc độ

cao HVOF như hình 4.15.

Từ ảnh chụp cấu trúc tế vi trên mẫu thực nghiệm hình 4.15 cho thấy vùng

biên giới giữa lớp phủ bột các bít Cr3C2-NiCr trên nền trục thép 40Cr có ít tạp

chất, cấu trúc tế vi khá tương đồng trên toàn bộ chiều dài mẫu khảo sát, điều đó

chứng tỏ rằng lớp phủ có độ bám dính tốt, tổ chức tế vi và các vết đo độ cứng

tại các khu vực đo khác nhau các vết ấn của đầu đo nhận được trong hai lớp vật

liệu được khảo sát có kích thước hình học khác nhau cụ thể là: kích thước các

vết ấn trong lớp phủ các bua có giá trị nhỏ hơn kích thước vết ấn trong nền thép

40Cr, điều đó chứng tỏ độ cứng của lớp phủ các bua lớn hơn độ cứng của nền

thép.

Hình 4.15: Ảnh vết đo độ cứng tại cáclớp.

115

Hình 4.16: Ảnh soi vùng biên giới liên kết

Quan sát trên hình 4.16 của mẫu ảnh soi cho thấy vùng lớp phủ liên kết

với nhau rất mịn thể hiện sự hòa trộn kết dính giữa các lát phủ với nhau tốt

nên độ xốp nhỏ.Vùng biên giới liên kết quan sát thấy sự điền đầy bề mặt tiếp

xúc giữa lớp phủ và lớp nền rất đều không thấy sự khiếm khuyết về các lỗ

rỗng gần như 2 lớp vật liệu đã liên kết chặt chẽ với nhau tạo nên độ bám dính

của lớp phủ với lớp nền.

Như vậy gần như trong trường hợp này không có sự ảnh hưởng của hóa

học giữa 2 lớp và không có sự khuyếch tán kim loại. Điều này có thể giải

thích hoàn toàn phù hợp với phần cơ lý thuyết ở chương 2. Đó là do quá trình

làm nguội nhanh, sự khuếch tán qua lại giữa lớp phủ và vật liệu nền chỉ xảy ra

ở mức độ hạn chế, do đó sự bám dính chủ yếu mang tính chất vật lý, chứ

không mang tính chất luyện kim hay hóa học. Mặc dù các hạt nóng chảy đã

làm biến dạng đến độ nhấp nhô của bề mặt vật liệu nền, nhưng chủ yếu là liên

kết cơ học với nhau tạo thành lớp phủ.

Hình 4.17 ảnh SEM liên kết giữa lớp phủ bột các bít Cr3C2-NiCr và nền

thép 40Cr được phun bằng phương pháp phun HVOF. Quan sát trên hình cho

thấy ở hình (a,b,c,) cấu trúc tế vi vùng biên giới liên kết giữa lớp phủ và nền

thép được soi SEM đã phân biệt rõ nét lớp phủ và lớp kim loại nền nhưng

không phân biệt rõ cấu trúc lớp phủ mà chỉ quan sát thấy vết liên kết giữa 2

116

lớp kim loại với nhau hình (d,e,f,g,h) được soi trên ảnh SEM được phóng đại

các mức khác nhau để quan sát vùng rỗ xốp của các hạt kim loại bắn tóe và

chưa tan chảy hoàn toàn.

Hình 4.17: Ảnh SEM liên kết lớp phủ.

117

Quan sát ảnh chụp cấu trúc tế vi các mẫu thực nghiệm trên các hình có độ

phóng đại 1.000 và 3.000 lần cho thấy: Vùng biên giới liên kết giữa lớp phủ bột

các bít Cr3C2-NiCr và nền thép 40Cr có ít tạp chất, cấu trúc tế vi của vùng lớp

phủ có độ mịn hơn phần vật liệu nền và phần liên kết là sự bám dính với nhau

tương đối mịn, điều đó cho thấy lớp phủ có độ bám dính tốt. Tuy nhiên trên

một số vị trí của mẫu SEM thấy có một số vùng có khiếm khuyết nguyên nhân

có thể là do quá trình phun lớp phủ được làm nguội nhanh nên xảy ra hiện

tượng co ngót kim loại đột ngột gây ra hiện tượng ứng suất dư trong lớp phủ và

do xuất hiện tạp chất có trong quá trình chuẩn bị bề mặt mẫu chưa được làm

sạch hết.

Qua kết quả thực nghiệm cho thấy biến dạng của hạt một phần tan chảy

khi tác động vào vật liệu nền và thời gian dừng của dòng hạt lên bề mặt nền

có ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ cụ thể như sau: Khi một hạt chạm vào

bề mặt, phần nóng chảy của các hạt sẽ điền khít vào bề mặt phun nhiều nhất

có thể. Các lớp phun sẽ di chuyển về phía trước cho đến khi tiếp xúc với bề

mặt phun và chồng khít lên các lớp phủ trước đó.

Nếu phần không nóng chảy của hạt va chạm vào lớp đã lắng đọng trước

đó thì sự hồi phục của các hạt có thể xảy ra dẫn đến tạo thành các lỗ rỗng ở

giữa điều này làm cho độ xốp tăng và độ bám dính của lớp phủ giảm.

Kết luận chương 4

Kết quả đo độ cứng lớp phủ và các mẫu chụp ảnh SEM cho thấy vùng

biên giới liên kết giữa lớp phủ bột các bít Cr3C2-NiCr và nền thép 40Cr có ít

tạp chất, cấu trúc tế vị mịn. Điều đó cho thấy lớp phủ có độ xốp thấp phù hợp

với tính chất, cấu trúc của lớp phủ đã được trình bày ở chương 2.

Sử dụng phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm bằng phần mềm Matlab

R2015b, đã xây dựng được phương trình toán học hàm bậc 2 và các đồ thị

2D, 3D biểu diễn mối quan hệ về ứng suất bám dính và độ xốp lớp phủ ứng

với các thông số phun m, n và S. Đó là các công thức (4.1), (4.2), Từ đó xác

118

định được vùng thông số hợp lý trong miền khảo sát với các giá trị m = 35÷40

gam/phút; n = 100 ÷ 140 vòng/phút (Vct = 21,98 ÷ 30,772 m/phút) và S = 3 ÷

6 mm/vòng (S = 5,675 – 11,35 mm/giây). Để lớp phủ có độ xốp thấp và độ

bám dính cao. Cụ thể với mẫu thực nghiệm số 110 cho kết quả độ xốp nhỏ

nhất và độ bám dính cao nhất với các cặp thông số như sau:

Mã m (gam/phút) n (vòng/phút) S (mm/vòng) (%) (MPa)

110 35 130 3 1,25 45,7525

Với mẫu số 110 có đường kính thực nghiệm là D = 70 mm nên quy đổi

tương đương ứng với tốc độ dịch chuyển bề mặt chi tiết phun Vct = 28,574

m/phút và lượng tiến súng phun là 3 mm/vòng với tốc độ 130 vòng/ phút quy

đổi tương đương ta có lượng dịch chuyển súng phun sẽ là S = 6,5 mm/giây

tức là tương đương cặp thông số sau:

Mã m (gam/phút) Vct(m/phút) S (mm/giây) (%) (MPa)

110 35 28,574 6,5 1,25 45,7525

119

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Kết luận:

1. Sự hình thành lớp phủ bột cacbit Cr3C2-NiCr trên nền trục thép 40Cr

bằng phương pháp phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF phụ thuộc vào nhiều thông

số trong đó các thông số m, n, S là những thông số có ảnh hưởng đáng kể đến

chất lượng lớp phủ.

2. Làm rõ sự hình thành lớp phủ bột cacbit Cr3C2-NiCr trên nền trục thép

40Cr bằng phương pháp HVOF, chỉ rõ liên kết lớp phủ bột cacbit Cr3C2-NiCr

với kim loại nền chủ yếu là liên kết cơ nhiệt.

3. Đã ứng dụng phương pháp mô phỏng để mô tả quá trình phun cacbit

Cr3C2-NiCr lên bề mặt trục thép 40Cr bằng phương pháp HVOF, tạo cơ sở

khoa học và định hướng cho việc thực nghiệm phun HVOF trên mẫu thực

nghiệm.

4. Xây dựng được phương trình toán học hàm bậc 2 (4.1); (4.2) phản ánh

mối quan hệ giữa độ xốp, ứng suất bám dính của lớp phủ với ba thông số chế

độ phun là: Lưu lượng cấp bột phun (m); chuyển động tương đối giữa súng

phun với bề mặt chi tiết phun (Vct hoặc n) và lượng dịch chuyển đầu súng

phun sau mỗi lớp phun (S).

5. Xây dựng được các đồ thị dạng 2D, 3D, từ đó lựa chọn được vùng giá

trị hợp lý của thông số công nghệ phun (m), (n) và (S) là: m = 35 gam/phút; n

= 130 vòng/phút (Vct = 28,574 m/phút); S = 3 mm/vòng(S = 6,5 mm/giây).

Tương ứng với các giá trị đó có độ xốp, độ bám dính là tốt nhất.

Kiến nghị và hướng nghiên cứu tiếp theo của luận án:

Kết quả nghiên cứu có thể làm tài liệu tham khảo trong việc lựa chọn

thông số phun hoặc có thể xây dựng mô hình thiết bị phun nhiệt khí tốc độ

cao HVOF để phục vụ cho giảng dạy, nghiên cứu khoa học chế tạo mới hoặc

phục hồi chi tiết máy bị mòn trong điều kiện ở Việt Nam góp phần hạn chế

nhập khẩu giảm giá thành sản phẩm nâng cao năng suất cải thiện đời sống cho

người lao động.

120

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ

1. Đinh Văn Chiến, Nguyễn Chí Bảo, Phạm Văn Liệu (2014), “Nghiên cứu độ

xốp lớp phủ khi phun bằng phương pháp phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF ”,

Tạp chí Cơ khí Việt Nam, (số 1+2), tr 28-33.

2. Phạm Văn Liệu, Đinh Văn Chiến, Nguyễn Chí Bảo (2014), “Nghiên cứu

quá trình cháy và lưu lượng khí trong công nghệ phun nhiệt khí tốc độ cao

HVOF dùng để phục hồi chi tiết máy bị mòn”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam,

(số 7), tr 15-19.

3. Nguyễn Chí Bảo, Đinh Văn Chiến 2016 “Nghiên cứu độ bám dính lớp phủ

bột các bít Cr3C2-NiCr trên nền thép trục thép 40Cr bằng phương pháp

phun oxy – nhiên liệu tốc độ cao (HVOF)”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam. (số12

-2016), tr 34-39.

4. Nguyễn Chí Bảo, Đinh Văn Chiến 2016 “Nghiên cứu độ cứng lớp phủ bột

các bít Cr3C2-NiCr trên nền thép trục thép 40Cr bằng phương pháp phun

oxy–nhiên liệu tốc độ cao (HVOF)”, Tạp chí KHCN – ĐHCN Hà nội. (số

37 tháng 12 - 2016), tr 34-37.

121

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt

[1] Uông Sĩ Áp (2006), Nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt khí

để tạo bề mặt có độ chịu mài mòn và độ bám dính cao phục hồi các chi

tiết máy có chế độ làm việc khắc nghiệt, Đề tài KHCN cấp nhà nước, Mã

số KC 05.10.

[2] Đinh Văn Chiến (2009), Ứng dụng công nghệ tiên tiến trong xử lý bề

mặt kim loại để phục hồi một số chi tiết máy bị mòn có dạng trục và ống

tròn xoay, Báo cáo đề tài cấp thành phố, Đề tài KHCN cấp Thành

phố,Mã số: 01C-01/04-2009-2.

[3] Đinh Văn Chiến, Đinh Bá Trụ (2014), Kỹ Thuật phun nhiệt tốc độ cao

HVOF, HVAF, D-Gun, NXB Khoa học & Kỹ thuật, Hà Nội.

[4] Đinh Văn Chiến, Phạm Văn Liệu (2013), “Nghiên cứu độ bền bám dính

của lớp phun phục hồi với kim loại nền chi tiết trục bằng phương pháp

phun nổ”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, (số 1+2), tr 23-29.

[5] Trần Văn Dũng (2012), Nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun phủ để

nâng cao chất lượng bề mặt chi tiết máy, Luận án tiến sĩ kỹ thuật, Viện

nghiên cứu cơ khí, Hà nội

[6] Hoàng Văn Gợt (2002), Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố công

nghệ đến độ bền bám dính của lớp phủ kim loại được phun bằng phương

pháp nhiệt khí, Luận án tiến sĩ, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Hà

Nội.

[7] Hoàng văn Gợt, Đào Duy Trung (2012), Nghiên cứu ứng dụng công

nghệ phun phủ bằng phương pháp thực nghiệm, NXB Khoa học & Kỹ

Thuật, Hà Nội.

[8] Phạm Văn Liệu (2016), Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công

nghệ đến chất lượng phục hồi bề mặt trục có hình dạng phức tạp bị mòn

bằng công nghệ phun phủ, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, trường Đại học Mỏ-

Địa chất Hà Nội.

[9] Bùi Minh Trí, (2011), Xác suất thống kê và Quy hoạch thực nghiệm,

NXB Khoa học kỹ thuật, Hà nội.

[10] Hoàng Tùng (1999), Nghiên cứu công nghệ phun phủ nhiệt khí bột nhằm

nâng cao tuổi thọ và phục hồi chi tiết, Đề tài khoa học cấp Nhà nước,

Mã số KHCN 05 - 07 - 03.

122

[11] Hoàng Tùng (2006), Công nghệ phun phủ và ứng dụng, NXB Khoa học

& Kỹ thuật, Hà Nội.

[12] Nguyễn Văn Thông (2006), Công nghệ phun phủ bảo vệ và phục hồi,

NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.

[13] Hà Văn Vui và các đồng nghiêp (2006), Sổ tay thiết kế Cơ khí, NXB

Khoa học & Kỹ Thuật, Hà Nội.

[14] Nguyễn Quốc Vũ (2009), Nghiên cứu áp dụng công nghệ phun phủ kim

loại để sử lý bề mặt ngoài của trống sấy thay thế mạ Crom, trên thiết bị

chế biến tinh bột biến tính tiền hồ hóa quy mô công nghiệp, Đề tài cấp

Bộ Công thương, Mã số 256-08 RD/HĐ-KHCN.

[15] Nguyễn Doãn Ý (2009), Xử lý số liệu thực nghiệm, NXB Khoa học kỹ

thuật, Hà nội.

Tiếng Anh

[16] A. Thrope M.L, Richter H.S. (1992), “Pragmatic Analysis and

Comparison of The HVOF Process”, Proc. Int. Thermal Spray Conf.,

Florida, pp 137-148.

[17] Ault N.N. (1991), “Some Characteristics, of WC Weld Deposits”,

Welding Journal Vol 30, pp 144-160.

[18] Baxtor C.F, Reiter H. Proc (1978), “Of Advances in Surface Coating

Tech”, Welding Inst., London, p23.

[19] Beczkowiak J, et.al (1991), “Tailoring Carbides and Oxides for HVOF ”,

Proc. of Forth National Thermal Spray Conf., Pennsylvania, pp 121-126.

[20] Berger LM. et.al (1992), “Influence of Carbide Powder Composition on

Decarburization and Properties of Air Plasma Sprayed Coating”, Proc. of

Int. Thermal Spray Conf, Florida, pp 375-380.

[21] Bhushan, B, and Gupta, B K, Handbook of Tnbology Material Coating

and Surface Treatments, McGraw-Hill, New York, (1991).

[22] C.K.Lin & C.C.Berndt (1994), “Measurement and Analysis of Adhesion

Strength for Thermally Sprayed Coatings”, J. Thermal Spray Tech., Vol

3, pp 75-104.

[23] C.R.C. Lima, J.M. Guilemany (2007), “Adhesion improvements of

Thermal Barrier Coatings with HVOF thermally sprayed bond coats”,

Surface & Coatings Technology, 201(2007), pp 4694-4701.

[24] C.T. Crowe, M. Sommerfeld, Y. Tsuji (1997), Multiphase Flows with

Droplets and Particles, CRC Press, Boca Raton, FL.

123

[25] D. Cheng, G. Trapaga, J.W. McKelliget, E.J. Lavernia (2003),

“Mathematical Modelling of High Velocity Oxygen Fuel Thermal

Spraying of Nanocrystalline Materials: An Overview”, Model Simul.

Mater. Sci. Eng., 2003(11), pp R1-R31.

[26] Datta P.K. et.al (1985), “Fundamentals of Coatings”, Surface Eng. Vol 3,

Royal Soc. Of Chemistry, Cambridge.

[27] Dominique Poirier, Jean-Gabriel Legoux, and Rogerio S. Lima (2013),

“Engineering HVOF -Sprayed Cr3C2-NiCr Coatings: The Effect of

Particle Morphology and Spraying Parameters on the Microstructure,

Properties, and High Temperature Wear Performance”, Journal of

Thermal Spray Technology, Vol 22(2), pp 280-289.

[28] Edward Miller, Arnold Raymond, Christoph Over (2003), “High velocity

oxygen fuel (HVOF) method for spray coating non-melting polymers”,

[29] Greffield G.K. et.al (1994), “Process Gases for HVOF Spraying”, Nat.

ThermalSpray. Conf., Boston, pp 233-238.

[30] Greving, J. D., và cộng sự (1998), “The Effect of Residual Stress in

HVOF TungstenCarbide Coatings on the Fatigue Life in Bending of

Thermal Coatings”, Journal of Thermal Spray Technology, Vol. 7 (4),

pp. 546-552.

[31] Guilemany JM, Ferna´ndez J, Delgado J, Benedetti AV, Climent F

(2002), “Effects of thickness coating on the electrochemical behaviour of

thermal spray Cr3C2–NiCr coatings”, Surf. Coat. Technol. 2002; 153;

107–113.

[32] Gustavo Bavaresco Sucharski (2015), “Optimization of the Deposition

Parameters of HVOF FeMnCrSi+Ni+B Thermally Sprayed Coatings”,

[33] Hackett C.M., et.al (1994), “On The Gas Dynamics of HVOF Thermal

Sprays”, Journal of Thermal Spray Technology, Vol 3(3), pp 299–304.

[34] Hasan, M. (2005), High Velocity Oxy-Fuel (HVOF) Thermal Spray

Deposition of Functionally Graded Coatings, Ph.D. Thesis, Dublin City

University, Ireland.

[35] J. Mostaghimi, S. Chandra, R. Ghafouri-Azar, A. Dolatabadi (2003),

“Modeling Thermal Spray Coating Processes: A Powerful Tool in

Design and Optimization”, Surf. Coat. Technol., 2003, 163-164, p p1-11.

124

[36] J.A.Cabral-Miramontes, et al. (2014), “Parameter Studies on High-

Velocity Oxy-Fuel Spraying of CoNiCrAlY Coatings Used in the

Aeronautical Industry”, International Journal of Corrosion, Vol (1).

[37] Jie Chen, et al. (2014), “Study on stainless steel 316L coatings sprayed

by a novel high pressure HVOF ”, Surface and Coatings Technology.

[38] Josep A. Picas, Elisa Rupérez, Miquel Punset, Antonio Forn, more

(2013), “Influence of HVOF spraying parameters on the corrosion

resistance of WC–CoCr coatings in strong acidic environment”, Surface

& Coatings Technology, 225, 47-57.

[39] Joseph R. Davis (2004), Handbook of thermal spray technology, ASM

International; illustrated edition.

[40] Kadyrov, E., et al., “Interaction of Particles with Carrier Gas in HVOF

Spraying Systems”, Journal of Thermal Spray Technology, Vol. 3, Issue

4,1994, pp. 389-397.

[41] Kamal S, Jayaganthan R, Prakash S. (2009),“High temperature

oxidation studies of detonation-gunsprayed Cr3C2–NiCr coating on Fe-

and Ni-based superalloys in air under cyclic condition at 900 °C”. J.

Alloys Compd.

[42] Kowalsky K.A., Marantz D.R., et. Al (1990), “HVOF Particle, Flame

Diagnostics and Coating Characteristics”, Proc. 3rd National Thermal

Spray Conf., CA,PP 587-596.

[43] Kroupa F., (1994), “Stresses in Coatings on Cylindric al Surfaces”,

Report from Institute of Electric al Engineering of Academy of Science,

Czech Republic, Vol. 39, pp. 243-274.

[44] Lars-åke Nilsson, Peter Olsérius (2014), “New material for high velocity

oxy fuel spraying, and products made therefrom”, United States Patent

Application Publication.

[45] Leo Janka, Jonas Norpoth, Richard Trache, Lutz-Michael Berger (2016),

“Influence of heat treatment on the abrasive wear resistance of a

Cr3C2NiCr coating deposited by an ethene-fuelled HVOF spray

process”, Surface & Coatings Technology, 291, 444-451.

[46] M. Li, P.D. Christofides (2002), “Feedback Control of HVOF Thermal

Spray Process Accounting for Powder Size Distribution”, Journal of

Thermal Spray Technology, Vol 13(1), pp 108–120.

125

[47] M. Li, P.D. Christofides (2005), “Multi-scale Modeling and Analysis of

HVOF Thermal Spray Process”, Chem. Eng. Sci., 2005, 60, pp 3649-

3669.

[48] M. Li, P.D. Christofides (2009), “Modeling and Control of High-

VelocityOxygen-Fuel (HVOF) Thermal Spray”, J Therm Spray Tech,

(2009) 18: 753.

[49] Marcus Kennedy, Michael Zinnabold, Marc-Manuel Matz (2008), Wear-

resistant component, United States Patent Application Publication, Pub.

No: US20110101621 A1.

[50] Maria Oksa (2011) “Optimization and Characterization of High Velocity

Oxy-fuel Sprayed Coatings: Techniques, Materials, and Applications”

[51] N. Zeoli, S. Gu, S. Kamnis (2008), “Numerical Simulation of In-Flight

Particle Oxidation During Thermal Spraying”, Comput. Chem. Eng.,

2008(32), pp 1661-1668.

[52] Parker D. W., Kutner G., L., (1991), “HVOF -Spray Technology-Poised

forGrowth”, Journal of Advanced Materials and Processes, 139(4): 68-

72, 74.

[53] Pawlowski L (2008), The Science and Engineering of Thermal Spray

Coatings, 2nd, Wiley.

[54] Pierre L. Fauchais, Joachim V.R. Heberlein, Maher I. Boulos (2014),

Thermal Spray Fundamentals, Springer.

[55] Roemer, T. J., et al., “Surface Roughness of Thermal Spray Coatings

Made with O ff-Normal Spray Angles”, Journal of Thermal Spray

Technology, Vol. 7, Issue 2, 1998, pp. 219-228.

[56] Roy M, Pauschitz A, Polak R, Franek F (2006), “Comparative evaluation

of ambient temperature friction behaviour of thermal sprayed Cr3C2–

25(Ni20Cr) coatings with conventional and nano-crystalline grains”,

Trib. Int, 39; 29–38.

[57] S. Kamnis, S. Gu (2006), “3-D Modelling of Kerosene-Fuelled HVOF

Thermal Spray Gun”, Chem. Eng. Sci., 61, p 5427-5439.

[58] S. Matthews, B. James, M. Hyland (2009), “The Role of Micro-structure

in the Mechanism of High Velocity Erosion of Cr3C2-NiCr Thermal

Spray Coatings”, Surface and Coatings Technology, Vol 203 (8), pp

1094–1100.

126

[59] S. Matthews, James BJ, Hyland MM (2007). “Microstructural influence

on erosion behaviour of thermal spray coatings”, Mater. Charact. 58;

59–64.

[60] Shrestha, Suman Kumar (2000) Corrosion and erosion-corrosion of

HighVelocity Oxy-Fuel (HVOF) sprayed NiCrSiB coatings. PhD thesis.

[61] Stein KJ, Schorr BS, Marder AR. Erosion of thermal spray MCr–Cr C

cermet coatings. Wear 1999; 224; 153–159.

[62] Tan, J. C. (1997), Optimisation of the HVOF Thermal Spray Process for

Coating, Forming and Repair of Components, Ph.D. Thesis, Dublin City

University, Ireland.

[63] Tao K, Zhou X, Cui H, Zhang J (2009), “Microhardness variation in

heat-treated conventional and nanostructured NiCrC coatings prepared

by HVAF spraying”, Surf. Coat. Technol. 2009; 203; 1406–1414.

[64] Tillmann W, Vogli E, Baumann I, Kopp G, Weihs C (2010),

“Desirability-Based Multi-Criteria Optimization of HVOF Spray

Experiments to Manufacture Fine Structured Wear-Resistant 75Cr3C2-

25(NiCr20) Coatings”, J. Therm. Spray Technol, 19(1-2); 392–408.

[65] V.N. Shukla,R. Jayaganthan, V.K. Tewari (2015), “Degradation

Behavior of HVOF -Sprayed Cr3C2-25%NiCr Cermet Coatings Exposed

to High Temperature Environment”, Materials Today: Proceedings,

Volume 2, Issues 4–5, Pages 1805–1813.

[66] V.V Sobolev, J.M. Guilemany and J. Nutting (2004) High Velocity

Oxy-Fuel Spraying Theory, Structure Property Relationshipsand

Applications Velocity Oxy-Fuel (HVOF) NiCrSiB coatings. PhD thesis.

[67] Wang BQ (2002), “Effect of post heat treatment and sealing on erosion

resistance of several thermal sprayed coatings”, Proceedings of ICSE,

Southwest Jiaotong University Press, Chengdu, China,; 138–143.

[68] Weber T.H. (1994), “HVOF Spraying”, Mat. Sc. Forum, Vols 163, pp

573-578.

[69] Yi Ding (2009), Effects of elevated temperature exposure on the

microstructuralevolution of Ni(Cr)-Cr3C2 coated 304 stainless steel, PhD

thesis, University of Nottingham.

127

PHỤ LỤC

Phụ lục 1. Bột phun thực nghiệm

Phụ lục 2. Hình ảnh các thiết bị thực nghiệm

Phụ lục 3. Bảng thông số thiết bị phun

Phụ lục 4. Bảng thông số chế độ thực nghiệm

Phụ lục 5. Hình ảnh các thiết bị kiểm tra đánh giá

Phụ lục 6. Xác nhận kết quả đo độ xốp

Phụ lục 7. Xác nhận kết quả đo lực để xác định độ bám dính

Phụ lục 8. Hình ảnh các số liệu đo độ cứng

Phụ lục 9. Giấy xác nhận của cơ sở thực nghiệm