(TIỂU LUẬN) báo cáo TIỂU LUẬN CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ NHIỆT PLASMA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU BÁO CÁO TIỂU LUẬN CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ NHIỆT PLASMA SVTH: TRƯƠNG QUANG TRƯỜNG 1814581 CBHD: TS TRẦN HỒNG MINH BỘ MƠN: Xử lý bề mặt vật liệu kim loại Tp Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 08 năm 2021 PHỤ LỤC Phần 1: Giới thiệu chung Lịch sử phát triển phun phủ nhiệt Đánh giá tiềm phun phủ plasma Phân biệt plasma nóng plasma lạnh So sánh phun phủ plasma với phun phủ lửa Phần 2: Phun phủ nhiệt Plasma Cơ chế vận hành Thiết bị chuyên dùng phun phủ plasma Vật liệu phun Phương pháp phun Ứng dụng 12 Tính tốn độ bám lớp phun 12 Phần 3: Tài liệu kham khảo 15 MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Biểu đồ lượng SC đăng ký bảo hộ qua thập niên Hình 2: Cơ chế vận hành máy phun phủ nhiệt Plasma Hình 3: Sơ đồ hệ thống phun Plasma đồng Hình 4: Ảnh hưởng suất cấp nhiệt khí cơng tác với hiệu suất phun 10 Hình 5: Ảnh hưởng tia Plasma với hiệu suất phun 10 Hình 6: Ảnh hưởng suất cấp công tác với độ xốp lớp phun 11 Hình 7: Sự bám dính giọt lỏng mặt rắn 12 MỤC LỤC BẢNG Bảng 1: Một số vật liệu phun phủ thường gặp Phần 1: Giới thiệu chung Lịch sử phát triển phun phủ nhiệt Phun nhiệt có từ phương pháp cấp sáng chế Oerlikon vào năm 1882 liên quan đến việc phun bột chì lên bề mặt cố định Quá trình phát triển để tạo chì cho pin Mặc dù chì vật liệ sử dụng cho lớp phủ ban đầu, trình tinh chế nhiều sáng chế theo sau Phun nhiệt để tăng cường bề mặt Max Ulrich Schoop, Thụy Sĩ, người coi "Cha đẻ" phun phủ nhiệt Schoop cộng ông phát triển thiết bị kỹ thuật để sản xuất lớp phủ cách sử dụng kim loại nóng chảy bột Năm 1909, ơng cấp sáng chế cho nhà máy phun nhiệt thương mại để cung cấp lớp phủ kim loại Năm 1912, ông phát triển súng phun thực tế với nguyên liệu dạng dây, gọi 'Súng lục' vào thời điểm Năm 1914, Max Schoop cấp sáng chế cho phun phủ hồ quang Ông tiếp tục nghiên cứu vật liệu phương pháp phun nhiệt, bao gồm phun plasma Đánh giá tiềm phun phủ plasma Theo khảo sát tình hình đăng ký sáng chế dựa CSDL Thomson Innovation, có khoảng 4473 sáng chế có liên quan đến công nghệ plasma xử lý bề mặt vật liệu đăng ký bảo hộ Hình 1: Biểu đồ lượng SC đăng ký bảo hộ qua thập niên Phân biệt plasma nóng plasma lạnh Trạng thái Plasma chia làm loại: Plasma nóng Được hình thành ion hóa xảy ra, va chạm nguyên tử phân tử nhiệt độ cao hình thành lên tượng ion hóa Nhiệt độ cao electron bị tách khỏi nguyên tử – gọi plasma nóng Plasma lạnh Nếu ion hóa xảy việc nhận lượng từ bên xạ điện gọi plasma nguội So sánh phun phủ plasma với phun phủ lửa 4.1 Ưu điểm phun phủ nhiệt Có độ kết dính cao Độ cứng, độ bền cao , phun vật liệu có độ nóng chảy cao Tốc độ phủ cao, lớp phủ mịn, không bị rỗ, xốp Năng suất cao Không cần chuẩn bị bề mặt phức tạp Phạm vi ứng dụng rộng 4.2 Ưu điểm phun plasma Nhiệt độ dòng plasma cao nên phun bột có nhiệt độ nóng chảy cao Cacbit , Nitrid … Chất lượng bề mặt phủ cao Tốc độ phun phủ cao 2-2kg/h (WC) , 5-50 kg/h (AL2O3) Phun vật liệu chịu lửa Volfram , gốm sứ Có thể phun vật có kích thước lớn đảm bảo chất lượng Phun dày, mạnh, Phần 2: Phun phủ nhiệt Plasma Cơ chế vận hành Hình 2: Cơ chế vận hành máy phun phủ nhiệt Plasma Trong thiết bị phun plasma, hồ quang hình thành hai điện cực mơi trường khí hình thành plasma, thường argon/hidro argon/heli Khi khí plasma hồ quang nung nóng, bị nở gia tốc qua đầu phun đến tốc độ MACH2 Nhiệt độ vùng hồ quang lên tới 36,000°F (20,000°K) Nhiệt độ tia plasma trì 18,000°F (10,000°K) khoảng vài centimeters từ đầu miệng phun Với tốc độc nhiệt độ cao, gặp bột liệu cấp đầu vịi, khiến bột nóng chảy qn tính theo hướng phun bám dính học vào thành bề mặt vật chủ Thiết bị chuyên dùng phun phủ plasma Thiết bị phun plasma đồng bao gỗm súng phun plasma, nguồn điện, nguồn bột, hệ thống cấp bột, tủ điểu khiển, đồ gá thiết bị chuyển Hình 3: Sơ đồ hệ thống phun Plasma đồng Có nhiều kiểu súng phun plasma Có nhiều dạng buồng (đầu bép) dùng để thích ứng với khí plasma để phun nhiều kiểu bột khác Để nhận lớp phủ chất lượng cẩn phải cấp bột vào hỗ quang plasma thời điểm với tốc độ cấp xác Do phân tử bột tồn ngắn plasma nên cần thay đổi nhỏ thời điểm cấp bột làm thay đổi đáng kể lượng nhiệt chuyển vào bột Các súng phun plasma có cơng suất từ 40 đến 80 kW Nguồn điện chiều từ 100 đến 1100 A sử dụng điện 40 đến 100 V Nguồn điện công suất cao dùng để phun phần tử chuyển động với tốc độ lớn Tốc độ phần tử yếu tố quan trọng định độ bám độ chặt lớp phun Nguồn điện cung cấp cho phun plasma phải đáp ứng u cầu sau: Dịng chiều khơng thay đổi; Mạch hở điện tải biến đổi được; Sự kiểm tra đòng biến đổi được; Tiếng ồn thấp; Điều chỉnh tốt; Có khả kích thích hồ quang tốt Thiết bị cấp bột gồm ba kiểu: hút, khí tự chảy Thiết bị cấp khí phổ biến Thiết bị sử dụng kết cấu đo trục vít bánh xe để phân phối bột với tốc độ không đổi vào buổng trộn Bột đưa vào tia khí tải buồng trộn Có nhiều kiểu thiết bị cấp bột đáp ứng yêu cầu tốc độ phun phạm vi rộng Các kiểu xác định trọng lượng đặc trưng vật liệu bột Tủ điểu khiển đóng vai trị điểu chỉnh tốc độ đồng khí plasma, cường độ plasma bất đầu kết thúc trình phun phủ Trong số trưởng hợp điều khiển vận hành thiết bị cấp bột Các chức chung cho tất hệ thống phun plasma Vật liệu phun Bảng 1: Một số vật liệu phun phủ thường gặp Nhiệt độ cao tia plasma cho phép phun vật liệu khó chảy Nhiệt độ tia plasma điều chỉnh phạm vi rộng cách thay đổi đường kính miệng phun (đầu bép) chế độ cơng tác súng phun Điều cho phép phun vật liệu khác (kim loại, gốm vật liệu hữu cơ) Do sử dụng khí trở làm khí cơng tác nên lượng oxit tạo thành lớp phủ nhỏ Khi cần thiết tiến hành phun buồng chứa khí trơ Vật liệu bột có nhiệt độ nóng chảy cao chuyên dùng cho phương pháp phun plasma phun nổ Ưu điểm phương pháp phun bột giá thành thấp đơn giản công nghệ sản xuất bột kim loại, hợp kim hỗn hợp hoá học khác; đó, phương pháp cơng nghệ thơng thường, khơng thể sản xuất từ vật liệu độ cứng độ giịn cao chúng trình phun, vật liệu phun không bay không thay đổi đáng kể tính chất mình, Nhược điểm phun bột phức tạp việc đảm bảo cấp bột ổn định vào lửa phun Các bột có nhiệt độ nóng chảy thấp dùng cho phun lửa khí Bột phun phải có dạng hạt hình cầu (hình 2.1) hỗn hợp (hình 2.2) Vì loại bột có độ chảy tương đối tốt nên dễ điều chỉnh trì ổn định lượng bột tiêu thụ So với phun lửa khí, tia plasma đốt nóng bột phun tới nhiệt độ cao đốt nóng vật phun hơn, đo đại lượng biến dạng vật phun nhỏ Khi phun bột với phần tử hạt có đường kính khác nhau, hạt bé nóng chảy gần chỗ cấp bột vào mỏ đốt, tụ tập làm nóng chảy miệng lỗ dẫn bật Đơi phần tử bột nóng chảy phát triển tới kích thước định tách bị tia plasma kéo theo dạng giọt lớn phủ lớp phun, ảnh hưởng xấu đến chất lượng bể mặt tính chất Để tránh tượng cần tiến hành phun với bột có kích thước hạt xác định (44 — 100 nm), đồng thời cần sấy khô bột trước phun Các lớp phun plasma có độ chặt cao độ bám tốt với vật liệu Tuy nhiên suất phun plasma tương đối thấp; phun có tiếng ồn tia cực làm choá mắt Phương pháp phun Một vấn đề quan trọng cơng nghệ phun plasma việc chọn khí cơng tác, Trong thực tế hỗn hợp khí nitơ với - 10% khí hyđro ứng đụng phổ biến Khí không tương tác với vật liệu phun, giá thành hạ cấp nhiệt tốt cho vật liệu bột Tuy nhiên, có vật liệu tham gia phản ứng bất lợi với nitơ Khi phun vật liệu sử dụng hỗn hợp khí argon với — 10% khí hydro Trong nhiều trường hợp người ta sử dụng khí argon Ngày trình cơng nghệ phun plasma dùng khí cơng tác argon nghiên cứu đủ Các chế độ phun plasma nghiên cứu cho vật liệu phun vật liệu giới thiệu Bảng Trên Hình giới thiệu hiệu phun phủ phụ thuộc suất cấp khí cơng tác sử dụng loại bột phun khác công suất nguồn điện khác Hình phụ thuộc hiệu phun lượng tia plasma Sự thay đổi độ xếp lớp phun phụ thuộc suất cấp khí cơng tác (Hình 6) Hình 4: Ảnh hưởng suất cấp nhiệt khí cơng tác với hiệu suất phun Hình 5: Ảnh hưởng tia Plasma với hiệu suất phun Hình 6: Ảnh hưởng suất cấp công tác với độ xốp lớp phun Từ nghiên cứu tiến hành rút kết luận rằng, tăng khoảng cách phun (trong phạm vi 63 — 200 mm) suất cấp bột (trong phạm vi - 40 g/ph) cho tất vật liệu phun, hiệu phun giảm Để nhận suất phun cao cần ứng dụng khoảng cách phun nhỏ Tuy nhiên cần lưu ý rằng, trường hợp kim loại bị nhiệt Vì phun vật liệu nên để khoảng cách phun 75 - 150 mm, phun vật liệu gốm 75 - 100 am Các lớp phun dày cần phun thành nhiều lớp, với chiều dày lép không 0,25 mm Công suất súng phun plasma thông thường 20 - 40 kW, khoảng 40% cơng suất dùng để gia nhiệt súng phun Vì thực tế cơng suất súng phun cấp trực tiếp cho phun chiếm khoảng 60% công suất danh nghĩa Thông thường không cần đốt nóng sơ vật liệu trước phun Song số trường hợp đốt nóng vật ứng dụng nhằm loại bỏ độ ẩm khỏi mặt tăng độ bám đính lúp phun với Có thể sử dụng mỏ đốt plasma để đốt nóng sơ Nhiệt độ đốt nóng sơ vật không vượt 200 độ C Khi phun plasma cần đặc biệt ý đến việc cấp bột đặn liên tục vào mỏ đốt Khi cấp bột không chiều dày lớp phun thay đổi 5 Ứng dụng Phun phủ phương pháp xử lý bề mặt vật liệu sử dụng nửa kỷ nay, nhờ vào khả đốt cháy nhiều loại bột khác nên công dụng phun phủ nhiệt Plasma đa dạng: Phun phủ bảo vệ chống ăn mòn Phun phủ chức Phun phủ chịu mài mòn Phun phủ phục hồi chi tiết Tính tốn độ bám lớp phun Độ bám dính lớp phun với kim loại yếu tổ quan trọng nhiều nhà khoa học nghiên cứu Có nhiều luận điểm đưa Dưới giới thiệu số luận điểm 6.1 Lực bám kim loại lỏng chất rắn Giả thiết rằng, kim loại phun va chạm với mặt nển trạng thải lỏng, lúc xuất hiện tượng bám đính giọt lỏng bề mặt chất rắn nhờ lực căng bề mặt môi trường xung quanh Hình 7: Sự bám dính giọt lỏng mặt rắn Nếu gọi α12 lực căng giọt lỏng chất rắn; α23 lực căng giọt lỏng khơng khí; α13 lực căng chất rắn khơng khí; θ góc căng giọt lỏng chất rắn, để giọt lỏng giữ trạng thái cân phải thoã mãn biểu thức sau: cos θ=¿ α −α 13 12 ¿ α 23 Từ ta suy ra, góc θ phục thuộc vào chất ba thể hạt phun (lỏng, sệt, rắn); thay đổi theo trạng thái độ bề mặt Nếu góc căng thể rắn khí lớn so với thể lỏng < θ < 90 độ Điều kiện để góc dính ướt mặt nhẵn cos θ ≈ Đối với mặt nhám, ta cần thêm hệ số K: cos θ =¿ K α13−α12 ¿ α 23  cos θ1=¿ K cos θ ¿ Vì hệ số K lớn 0, nên bề mặt nhám có khả bám dính tốt bề mặt nhẵn 6.2 Liên kết kim loại Khi hai kim loại tiếp xúc với nhau, ảnh hưởng yếu tố nhiệt động, nguyên tử chúng khuếch tán vào mạng tạo thành vùng chuyển tiếp Đó dung dịch rắn chúng Khi chúng hình thành mối liên kết kim loại Mối liên kết phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ tiếp xúc trạng thái bể mặt kim loại Qua nhiều trình nghiên cứu thực nghiệm, nhà nghiên cứu kết luận độ bám dính lớp phun với kim loại liên kết tổng hợp liên kết sau: Liên kết hàn hàn tế vi Liên kết phần ứng hoá học Liên kết lực co rút kim loại kết tinh Liên kết độ bám học Khi bề mặt không làm khỏi dầu mở, oxit bám bẩn khác, có độ nhấp nhơ khác lên kết hố học học phần tử phun khác Trong điểu kiện thích hợp hình thái khơng gian bề mặt thích hợp, vài kim loại đạt hàn điểm kim loại phần tử phun 6.3 Lực Van der Waals (Tương tác định hướng) Khi phân tử hay nguyên tử va vào bể mặt kim loại chúng có lực liên kết Van der Waals Lực tạo tác dụng tương hai momen lưỡng cực hai nguyên tử hay phân tử Khi trọng tâm điện tích điện tử, bị thăng giáng, khơng trùng với tâm điện tích hạt nhân lúc ngun tử trở thành mômen lưỡng cực Giá trị hướng mômen thay đổi theo thời gian giá trị trung bình theo thời gian Nếu phân tử hay ngun tử có mơmen lưỡng cực rơi vào trường ngun tử khác có xmơmen lưỡng cực chúng có lực tác dụng Theo Đebai lượng trao đổi chúng là: −2 μ Ew= 12 r μ 22 KT Trong đó: μ12.μ22: momen lưỡng cực r: khoảng cách hai nguyên tử T: nhiệt độ Phần 3: Tài liệu kham khảo Nguyễn, V Thông (2006) Công nghệ phun phủ bảo vệ phục hồi Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hà Nội Robert, B Heimann (1996) Plasma-Pray coating VCH Verlagsgesellschaft Trần, N Đảm (2015) Xu hướng ứng dụng công nghệ Plasma lạnh Trung tâm Thông tin Khoa học Công nghệ TP.HCM Trang The History of Thermal Spray [Knowledge Podium] Retrieved from http://www.knowledgepodium.com/responsive-beta/GP1/assets/PDF/1.%20History/History%20-%20Early%20stages.pdf ... phát triển phun phủ nhiệt Đánh giá tiềm phun phủ plasma Phân biệt plasma nóng plasma lạnh So sánh phun phủ plasma với phun phủ lửa Phần 2: Phun phủ nhiệt Plasma ... Có thể phun vật có kích thước lớn đảm bảo chất lượng Phun dày, mạnh, Phần 2: Phun phủ nhiệt Plasma Cơ chế vận hành Hình 2: Cơ chế vận hành máy phun phủ nhiệt Plasma Trong thiết bị phun plasma, ... plasma nguội So sánh phun phủ plasma với phun phủ lửa 4.1 Ưu điểm phun phủ nhiệt Có độ kết dính cao Độ cứng, độ bền cao , phun vật liệu có độ nóng chảy cao Tốc độ phủ cao, lớp phủ mịn, không bị