Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp phủ cacbit silic lên bề mặt thép để bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường a xít chứa flo.Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp phủ cacbit silic lên bề mặt thép để bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường a xít chứa flo.Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp phủ cacbit silic lên bề mặt thép để bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường a xít chứa flo.Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp phủ cacbit silic lên bề mặt thép để bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường a xít chứa flo.Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp phủ cacbit silic lên bề mặt thép để bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường a xít chứa flo.Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp phủ cacbit silic lên bề mặt thép để bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường a xít chứa flo.Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp phủ cacbit silic lên bề mặt thép để bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường a xít chứa flo.Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp phủ cacbit silic lên bề mặt thép để bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường a xít chứa flo.Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp phủ cacbit silic lên bề mặt thép để bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường a xít chứa flo.Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp phủ cacbit silic lên bề mặt thép để bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường a xít chứa flo.Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp phủ cacbit silic lên bề mặt thép để bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường a xít chứa flo.Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp phủ cacbit silic lên bề mặt thép để bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường a xít chứa flo.Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp phủ cacbit silic lên bề mặt thép để bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường a xít chứa flo.Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp phủ cacbit silic lên bề mặt thép để bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường a xít chứa flo.Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp phủ cacbit silic lên bề mặt thép để bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường a xít chứa flo.Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp phủ cacbit silic lên bề mặt thép để bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường a xít chứa flo.Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp phủ cacbit silic lên bề mặt thép để bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường a xít chứa flo.Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp phủ cacbit silic lên bề mặt thép để bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường a xít chứa flo.Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp phủ cacbit silic lên bề mặt thép để bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường a xít chứa flo.Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp phủ cacbit silic lên bề mặt thép để bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường a xít chứa flo.Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp phủ cacbit silic lên bề mặt thép để bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường a xít chứa flo.Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp phủ cacbit silic lên bề mặt thép để bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường a xít chứa flo.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ NGƠ XN CƯỜNG NGHIÊN CỨU CƠNG NGHỆ PHUN PHỦ PLASMA TẠO LỚP PHỦ CACBIT SILIC LÊN BỀ MẶT THÉP ĐỂ BẢO VỆ CHỐNG ĂN MÒN TRONG MƠI TRƯỜNG AXÍT CHỨA FLO NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ MÃ SỐ: 9520103 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ Hà Nội - 2023 Cơng trình hồn thành Viện nghiên cứu Cơ khí – Bộ Cơng thương Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Hà Tuấn TS Nguyễn Tuấn Anh Phản biện 1: GS TS Đinh Văn Chiến Phản biện 2: PGS TS Phạm Đức Cường Phản biện 3: PGS TS Hoàng Văn Gợt Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp viện Họp tại: Viên nghiên cứu Cơ khí – Bộ Cơng thương Phịng 405 Tịa nhà trụ sở chính, số Đường Phạm Văn Đồng Quận Cầu Giấy – Thành phố Hà Nội Vào hồi 30 phút, Ngày 19 Tháng Năm 2023 Có thể tìm hiểu Luận án thư viện: Thư viện Quốc gia Thư viện Viện nghiên cứu Cơ khí GIỚI THIỆU LUẬN ÁN Tính cấp thiết Mịn ăn mịn kim loại phá hủy chi tết, thiết bị, cơng trình mịn - hóa Khảo sát số nhà máy hóa chất nhà máy Supe Phốt phát hóa chất Lâm Thao thiết bị làm việc điều kiện khắc nghiệt chứa yếu tố oxi hóa mạnh, axit nhiệt độ cao như: Tua-bin, cánh quạt, bơm Chống ăn mịn quan trọng cần thiết cơng nghiệp, cơng trình văn hóa đời sống xã hội Nhiều cơng trình nhiên cứu giới tạo lớp phun phủ nhiệt nhằm bảo vệ chống ăn mòn cho thiết bị làm việc mơi trường hóa học Ở Việt Nam lĩnh vực phun phủ mới, có nghiên cứu lớp phủ chống ăn mịn Vì vậy, Luận án: “Nghiên cứu cơng nghệ phun phủ plasma tạo lớp phủ cacti silicleen bề mặt thép để bảo vệ chống ăn mịn mơi trường a xít chứa flo” cơng trình nghiên cứu nước lĩnh vực cần thiết, có ý nghĩa khoa học thực tiễn Mục tiêu nghiên cứu - Tạo lớp phủ plasma SiC-Cu lên bề mặt thép - Nghiên cứu thông số công nghệ phun phủ plasma ảnh hưởng đến chất lượng lớp SiC-Cu lên bề mặt thép môi trường chứa axit chứa flo Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu Ảnh hưởng thơng số dịng điện I, khoảng cách phun L, lưu lượng cấp bột M đến chất lượng lớp phủ plasma sở SiC lên bề mặt thép Khả chống mòn lớp phủ tạo 3.2 Phạm vi nghiên cứu - Thông số công nghệ: - Những tiêu bản lớp phủ khảo + Kích thước hạt phun - W(µm) sát, đánh giá: + Tỷ lệ phối trộn -S (%) + Chiều dày + Cường độ dòng điện - I (A) + Độ bền bám dính + Khoảng cách phun - L (mm) + Độ xốp + Lưu lượng cấp bột - M (g/ph) + Độ cứng HV + Khả chống ăn mòn mơi trường a xít chứa flo Bố cục luận án Chương 1: Tổng quan lớp phủ nhiệt chống ăn mịn Chương 2: Cơng nghệ chế tạo lớp phủ plasma SiC thép Chương 3: Vật liệu phương pháp nghiên cứu Chương 4: Chế tạo, phân tích, đánh giá lớp phủ plasma SiC thép Chương 5: Xác định thông số công nghệ cho phun phủ plasma SiC-50Cu thép C45 Chương TỔNG QUAN VỀ LỚP PHỦ NHIỆT CHỐNG ĂN MỊN 1.1 Tình hình nghiên cứu lớp phun phủ nhiệt Việt Nam Ở Việt Nam phun phủ cịn lĩnh vực mẻ, có nghiên cứu phun nhiệt khí, hồ quang, HVOF, plasma tạo lớp phủ phục hồi kích thước mịn: liên doanh dầu khí Vũng Tàu; Cơng ty khí MAR 60 - Thủy lợi, Viện nghiên cứu khí; Viện lượng - mỏ; Viện cơng nghệ,Viện kỹ thuật Nhiệt đới, Viện kỹ thuật giao thông; Đại học Bách khoa Hà Nội… 1.2 Tình hình nghiên cứu lớp phun phủ nhiệt giới 1.2.1 Tình hình nghiên cứu phun phủ nhiệt giới Công nghệ phun phủ phát triển mạnh nước tiên tiến Mỹ, Nhật, Nga, Anh, Pháp, Đức, Thụy Sĩ, thành công việc tạo lớp phủ có khả tốt chống ăn mòn từ loại vật liệu: Gốm, loại cacbit, hợp kim Những nghiên cứu lớp phủ chống mòn SiC đạt kết quả 1.2.2 Lớp phủ SiC để bảo vệ chống mòn cho thép môi trường ăn mòn Cacbit silic (SiC) vật liệu gốm với kết hợp tuyệt vời yếu tố học, hóa học: SiC có độ cứng cao, không tác dụng với axit ba zơ mạnh SiC có khả chống mịn tốt mơi trường ăn mịn (Bảng 1.1) Vật liệu SiC, điểm nóng chảy 2730 °C, làm việc nhiệt độ cao khoảng 1500oC Nghiên cứu chế tạo lớp phủ SiC giới - Bartuli đống nghiệp chế tạo lớp phủ bảo vệ ZrB2–SiC kỹ thuật phun phủ plasma - Fahmi Mubarok (2014), đại học Oslo Na Uy, phun plasma hạt micro-SiC - Samarin Peter cộng sự, đại học Bauman Maxcova [30] dùng lượng laser xạ lên lớp phủ SiC bề mặt hợp kim nhôm tạo lớp phủ composit SiC – Al - Tului cộng với lớp phủ chứa 66 % SiC (về thể tích) phun phủ plasma với hỗn hợp bột SiC ZrB2 - Ibrahim, phủ hỗn hợp SiC - B4C có sử dụng B2O3 lớp trung gian lớp phủ có độ bám dinh cao hơn, độ xốp thấp so với phun riêng rẽ SiC - Kang cộng chế tạo compozit SiC phương pháp phun plasma, với tỷ lệ phối trộn : Cu–27SiC, Cu–50SiC, Cu–60SiC hai loại bột SiC (96%, ρ = 8,96g/cm3 Cu SiC có tỷ trọng khác nên chọn kích thước bột khác nhau: Cu (30 µm) SiC (50 µm) nhằm tăng cường đồng tốc phun Với nhiệt độ nóng chảy Cu (1085°C) thấp nhiều so với SiC (2730°C) lửa phun plasma đồng dễ hình thành lớp phủ, nhanh đạt chiều dày khả bám dính cao Khi tăng hàm lượng Cu tăng tốc độ hình thành lớp phủ chất lượng lớp phủ giảm Độ cứng, độ chịu mòn 3.1.2 Vật liệu Mẫu thép C45 có kích thước 50×50×4 mm Trước tiến hành phun phủ, bề mặt thép C45 cần làm sạch,tạo nhám Hình 3.3 Mẫu thép C45 trước sau phun làm tạo nhám 3.1.3 Mẫu thí nghiệm a) Mẫu kiểm tra tế vi, thành phần, đo độ xốp, đo độ cứng, thử nghiệm ăn mòn, mài mịn b) Mẫu kiểm tra bám dính c) Mẫu kiểm tra mịn, ăn mịn Hình 3.5 Mẫu thí nghiệm 3.2 Thiết bị công nghệ phun phủ plasma 3.2.1 Thiết bị phun phủ Luận án sử dụng thiết bị phun phủ plasma hãng PRAXAIR thuộc Phịng thí nghiệm trọng điểm cơng nghệ Hàn Xử lý bề mặt Hình 3.6 Hình 3.6.Thiết bị plasma 3.2.2 Các thơng sớ cơng nghệ tiêu kỹ thuật - Thơng số bột: +Kích thước SiC; Cu: W (µm) +Tỷ lệ: S (%) - Thông số công nghệ phun + Cường độ dòng điện: I (A) + Khoảng cách phun: L (mm) + Tốc độ cấp bột: Mcb (g/ph) - Các tiêu chất lượng lớp SiC/Cu + Độ bền bám dính;+ Độ xốp;+ Độ cứng + Hàm lượng SiC lớp phủ + Khả chịu mòn 3.3 Thiết bị đo - Máy đo Độ cứng (đo độ cứng thô đại phương pháp Leeb) lớp phủ HH 401 (Mitutoyo – Japan) (hình 3.4 a) - Máy đo độ dày lớp phủ (hình 3.4 b): DIGI – DERM 745 (Mitutoyo – Japan) - Máy đo Độ bền bám dính (POSITEST - AT – M, Defelsko – USA) (hình 3.4 c) - Kính hiển vi quang học AXIOKOP MAT MOT (hình 3.4 d) (Germany) dùng phần mềm AxioVision phân tích thành phần pha lớp phủ để xác định độ xốp lớp phủ phương pháp phân tích ảnh a)Máy đo Độ cứng b) Máy đo độ dầy c) Máy đo bám dính d) Kính hiển vi e)Kính hiển vi điện tử quét Hình 3.4 Các thiết bị kiểm tra chất lượng lớp phủ 3.4 Súng phun plasma khí bảo vệ Ar Sự cải tiến phương pháp công nghệ phun plasma khí bảo vệ Ar nhằm giải vấn đề oxi hóa luồng bột phun khơng khí (Hình 3.5) a) Súng SG100 b) Mơ hình khí bảo vệ c) Chụp lắp súng d) Ngọn lửa plasma chụp khí Ar Hình 3.5 Súng phun cải tiến khí bảo vệ Nguyên lý làm việc: Khí argon 5Psi (0,04 MPa) cấp vào từ súng cải tiến (Hình 3.5c) tạo áo khí hình nón (Hình 3.5b), ngăn cách luồng bột vật phun với khơng khí bên ngồi Hình 3.5d ảnh chụp lửa plasma có khí Ar bảo vệ: Ngọn lửa plasma màu trắng, vịng khí bảo vệ ngăn cách màu xanh 3.5 Các phương pháp phân tích, đánh giá 3.5.1 Đo chiều dày độ xốp lớp phủ Chiều dày lớp phủ đo thiết bị Digi-Derm (Model DGE-745, Mituyo, Japan) Độ xốp khả kiến (apparent porosity) lớp phủ xác định bới kính hiển vi quang học AXIOKOP MAT MOT (Germany): dùng phần mềm phân tích thành phần pha AxioVision để xác định độ xốp lớp phủ phương pháp phân tích ảnh Tiêu chuẩn áp dụng ASTM B276 3.5.2 Phân tích hình thái bề mặt lớp phủ bằng kinh hiển vi điện tử quét Hình thái học bề mặt mẫu phân tích kính hiển vi điện tử quét FEI Nova Nano SEM 450 Scanning Electron Microscope (Japan), phân tích tán xạ tia X lượng (Energy-dispersive X-ray spectroscopy EDX) 3.5.3 Phân tích thành phần pha bằng nhiễu xạ tia X (XRD) Máy phân tích thành phần pha D8 Advance hãng Brucker (Đức) Các thông số đo gồm nhiệt độ 25°C, góc 2θ quét từ 15˚ to 65˚ Sau thu giản đồ XRD, số liệu phân tích phần mềm Eva software đánh giá bán định lượng phần mềm Dquant software với sai số ± 3% 3.5.4 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng chế độ cơng nghệ đến tính lớp phủ Luận án dùng thiết kế thực nghiệm phát triển Genichi Taguchi sở lý thuyết thiết kế bền vững (Robust Design) Mục đich điều chỉnh thơng số đến mức tối ưu để q trình/sản phẩm ổn định mức chất lượng tốt 3.5.5 Phương pháp đánh giá khả bảo vệ chống ăn mòn Để đánh giá khả bảo vệ chống ăn mòn lớp phù, luận án sử dụng phương pháp phân tích điện hóa phương pháp đo tổn hao khối lượng Nội dung phương pháp sau: 1) Phương pháp phân tích điện hóa a) Phương pháp đo đường cong phân cực tafel Hình 3.8 Các mẫu đo điện hóa Hình 3.9 Đo điện hóa Các mẫu sau phun phủ chuẩn bị (Hình 3.8) kết nối với máy đo (Hình 3.9 Tính chất ăn mòn lớp phủ khảo sát phương pháp đo điện hóa: đo đường cong phân cực Tafel tổng trở điện hóa (Hình 3.9) So sánh với phương pháp đo điện trở phân cực tuyến tính phương pháp cung cấp nhiều thông tin khoảng rộng điện thế: cung cấp thơng tin tốc độ ăn mịn, giải thích chế ăn mịn dự báo ăn mịn b) Phương pháp đo tổng trở điện hóa (EIS) Quá trình ăn mịn thép dung dịch 3,5 % NaCl có thể đánh giá phép đo phổ tổng trở điện hóa điện hở mạch (Eoc) thép Phổ tổng trở tập hợp tất cả giá trị Z đo tần số khác Hình 3.10 Giản đồ Nyquist với vectơ tổng trở thép C45/NaCl Hình 3.11 sơ đồ mạch tương đương cho mẫu SiC-Cu/thép NaCl, với Rs điện trở dung dịch điện ly (là điện trở điện cực làm việc-thép C45, với điện cực so sánh Cdc điện dung lớp điện tích kép hình thành ranh giới bề mặt thép dung dịch điện ly Rct điện trở chuyển dịch điện tích tiếp giáp bề mặt thép dung dịch Rp tổng điện trở bề mặt che chắn Hình 3.11 Mạch tương đương cho mẫu SiC-Cu/thép NaCl Khi có mặt PTFE, sơ đồ mạch tương đương trình bầy hình 3.12 Hình 3.12 Mạch tương đương cho mẫu PTFE/SiC-Cu/thép NaCl Trong đó Rseal Cseal điện trở điện dung lớp phủ/bọc bịt PTFE tương ứng Cseal phụ thuộc vào số điện môi, chiều dày, diện tích lớp PTFE Điện trở Rseal liên quan tới thâm nhập chất điện ly 2) Phương pháp đo tổn tổn hao khối lượng thiết bị kiểm tra mịn hỗn hợp Thiết bị (Hình 3.13) sản phẩm nghiên cứu, thiết kế chế tạo tác giả dùng để đánh giá khả chống ăn mòn mài mịn lớp phủ mơi trường tương thích với điều kiện trạng thái làm viêc thực tế thiết bị (mơi trường ăn mịn điển hình Cơng ty Supe phốt phát hóa chất Lâm Thao) 11 Nhận xét Khi phun plasma SiC khó hình thành lớp phủ; SiC dễ bị phân hủy Để giải cần kết hợp bột SiC với chất kết dính chống ăn mịn (Cu) nhằm mục đích: Hạ nhiệt độ phun để giảm phân hủy tăng khả bám dính với Với vật liệu bột SiC/Cu chất kết dính bột Cu khả khó bị oxy hóa môi trường HF, độ bám dính liên kết cao; nhiệt nóng chảy (10500C) thấp nhiệt độ phân hủy SiC Vì khối lượng riêng Cu SiC khác nên chọn kích thước hạt SiC lớn Cu để đảm bảo đồng tốc nhằm: + Tránh phân tầng trình bay động hai loại hạt vật liệu + Tăng mật độ phân tán phần tử đồng SiC, tăng liên kết lớp phủ + Giảm cường độ plasma mà đảm bảo tốc độ hình thành lớp phủ 4.2 Chế tạo lớp phủ compozit SiC-Cu thép 4.2.1 Phân tích yếu tớ công nghệ bột SiC-Cu phun plasma thép C45 4.2.1.1 Kích thước hạt: Tham khảo số bột phun phủ plasma: AL2O3 Cr3C2 45 +15 µm Kang chế tạo bột phun plasma SiC/Cu với cỡ hạt tương ứng 45/45µm Để tránh phân ly luồng bột phun, chọn cỡ hạt SiC Cu cho thí nghim: SiC: 25 ữ 65 àm; Cu: 20 ữ 50 µm 4.2.1.2 Tỷ lệ phối trộn Tỷ lệ phối trộn nhằm đáp ứng: Hình thành lớp phủ đạt chiều dày > 100 µm; đảm bảo hàm lượng cần thiết SiC lớp phủ Theo [107]; Kang [55] đưa tỷ lệ cho bột phun plsma SiC/Cu: Cu–27SiC, Cu–50SiC, Cu–60SiC Từ đó chọn tỷ lệ bột SiC-Cu để khảo sát: SiC-20Cu; SiC-30Cu; SiC50Cu 4.2.1.3 Chế độ công nghệ phủ compozit SiC-Cu thép Phương án tạo lớp phủ tổ hợp plasma SiC-Cu nhằm giải mục tiêu: - Chiều dầy lớp phủ > 100 µm - Hàm lượng SiC lớp phủ tăng cao Chế độ phun plasma (SiC-Cu) áp dụng theo bột đồng phun plasma Cu Bảng 4.7 Chọn sơ chế độ công nghệ phun SiC-Cu thép Thơng số Cường độ dịng điện, A Điện áp, V Lưu lượng cấp bột, g/phút Khoảng cách phu, mm Kích thước hạt, µm Tỷ lệ trộn bột, % Cu (theo khối lượng) Phun SiC-Cu 400 58 42 50 50 (SiC); 30 (Cu) SiC–20Cu ; SiC–30Cu; SiC-50Cu) 4.2.2 Hiệu quả phun plsma SiC/Cu khí bảo vệ Ar a) Phun SiC-30Cu khơng có khí bảo vệ (hình 4.11 4.12) Hình 4.11 Ảnh SEM lớp phủ SiC-30Cu/C45, phun khơng Hình 4.12 Phổ EDS lớp phủ SiC-30Cu/C45 – không bảo vệ Ar bảo vệ Ar (X750 lần) 12 Bảng 4.8 Kết quả phân tích EDS cho mẫu SiC-30Cu thép C45 khơng có khí bảo vệ Nguyên tố % Khối lượng % Nguyên tử C 6.30 18.79 O 7.09 16.86 Si 3.66 5.42 Ca 0.09 0.09 Cr 0.20 0.16 Fe 0.26 0.19 Ni 1.28 0.9 Cu 81.13 53.04 a) Phun có chụp khí Ar bảo vệ Hình 4.14 Hình 4.13 Ảnh SEM lớp phủ SiC- Chiều dầy phủ SiC30Cu/C45 Phun có bảo vệ (X 1000 lần) 30Cu/C45 Có bảo vệ Ar Hình 4.15 Phổ EDS, SiC-30Cu/ C45 Có bảo vệ Ar Bảng 4.9 Kết quả EDS mẫu SiC-30Cu thép C45 - có khí bảo vệ Ar Nguyên tố C O Si Cl % Khối lượng 32,41 9,32 35,49 0,41 % Nguyên tử 54.38 11,26 27,03 0,23 Cu 22,37 7,09 Phân tích nguyên tố phổ EDS (hình 4.15và bảng 4.9) cho thấy C (32,41 %); Si (33,49 %); O (11,32 %); Cl (0,41 %); Cu (22,37 %) SiC 66% c) Kết chiều dày hàm lượng thành phần lớp phủ SiC/Cu (bảng 4.10) Bảng 4.10 Kết quả đo chiều dày lớp phủ, hàm lượng SiC lớp phủ Thí nghiệm Tỷ lệ Cu/SiC H (%wt) 20 30 50 20 30 50 20 30 50 Kích thước hạt (µm) WSiC 25 45 65 25 45 65 25 45 65 WCu 20 20 20 35 35 35 50 50 50 Chiều dày lớp phủ, Hàm lượng SiC lớp phủ, (µm) (%) 106 41,3 178 58,6 287 59,5 104 68,4 193 68,7 292 47,8 100 64,5 186 56,4 209 37,6 Phun plasma SiC/Cu khí bảo vệ làm giảm mức độ oxy hóa, nâng cao hàm lượng SiC lớp phủ 4.2.3 Xác lập thông số bột hợp lý cho bột phun plasma SiC-Cu Từ kết quả thu có thể lập phương án thực nghiệm để xác định thông số bột (tỷ lệ phối trộn S kích thước hạt W) cho tiêu: Chiều dầy lớp phủ () hàm lượng SiC (H) lớp phủ Trên sở nghiên cứu thăm dị, chế độ cơng nghệ xác lập bảng 4.11 Bảng 4.11 Chọn chế độ cơng nghệ thí nghiệm phun SiC-Cu thép Thông số Phun SiC-Cu Cường độ dòng điện, A 400 Điện áp, V 58 Lưu lượng cấp bột, g/phút 42 Khoảng cách phu, mm 50 Kích thước hạt, µm 20 - 70 (SiC); 15 - 55 (Cu) Tỷ lệ trộn bột, % Cu (theo khối lượng) SiC–20Cu ; SiC–30Cu; SiC-50Cu) Sử dụng phương pháp Taguchi, nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố (Kích thước hạt Cu, kích thước hạt SiC tỷ lệ trộn Cu/SiC theo khối lượng) đến tiêu: Chiều dầy lớp phủ hàm lượng SiC lớp phủ 13 Bảng 4.13 Kết quả tỷ lệ SN chiều dày hàm lượng SiC lớp phủ Chiều dày lớp phủ Hàm lượng SiC lớp phủ Tỷ lệ Cu/SiC Kích thước hạt (µm) TT (%wt) WSiC WCu Thực nghiệm (µm) SN (dB) Thực nghiệm (%) SN (dB) 20 30 50 20 30 50 20 30 50 25 45 65 25 45 65 25 45 65 20 20 20 35 35 35 50 50 50 106 178 287 104 193 292 100 186 209 32,86 39,01 48,44 32,76 40,71 48,67 31,85 39,03 48,53 41,3 58,6 59,5 68,4 68,7 47,8 64,5 56,4 37,6 32,32 35,36 35,49 36,58 36,74 33,59 36,19 35,03 31,50 BBảng4.14 Ảnh hưởng yếu tố đến chiều dày lớp phủ WCu WSiC H(%) Mức (mm) (mm) Cu/SiC 44,77 46,49 44,97 46,71 45,37 46,43 45,92 45,54 46,00 Delta 1,94 1,12 1,46 Hạng Hình 4.16 Ảnh hưởng yếu tố đến chiều dày lớp phủ theo tỷ số S/N Bảng 4.15 Ảnh hưởng yếu tố đến hàm lượng SiC WCu WSiC H(%) Mức (mm) (mm) Cu/SiC 34,39 35,47 33,64 36,07 35,71 34,92 34,24 33,53 36,14 Delta 1,83 2,18 2,50 Hạng Hình 4.17 Ảnh hưởng yếu tớ đến hàm lượng SiC lớp phủ theo S/N Nhận xét: Phun plasma SiC/Cu khí bảo vệ làm giảm mức độ oxy hóa, nâng cao hàm lượng SiC lớp phủ a) Đối với chiều dày lớp phủ - Kích thước hạt đồng (WCu) ảnh hưởng mạnh Kết quả phân tích cho thấy: kích thước hạt Cu từ 30 µm đến 40 µm cho hiệu quả hình thành lớp phủ - Tỷ lệ % Cu/SiC theo khối lượng ảnh hưởng thứ Tỷ lệ % Cu/SiC ảnh hưởng tới chiều dày lớp phủ chủ yếu khoảng từ 30-50 %, tăng tỷ lệ % Cu/SiC chiều dày lớp phủ tăng, cịn khoảng từ 20-30 %, tăng tỷ lệ % Cu/SiC, chiều dày lớp phủ thấp Vì chọn tỷ lệ % Cu/SiC vùng giá trị 30-50 % - Kích thước hạt cácbít Silic (WSiC) ảnh hưởng yếu đến tiêu chiều dày lớp phủ (xếp thứ 3) Trong khoảng khoảng kích thước hạt SiC trung bình từ 25 – 35 µm (đồ thị giảm mạnh), cịn khoảng kích thước hạt SiC trung bình từ 35 – 50 µm (đồ thị tăng yếu) ảnh hưởng Để đạt tiêu chiều dày lớp phủ lớp, kích thước hạt SiC có hiệu quả từ 40 – 50 µm 14 b) Đối với hàm lượng SiC lớp phủ - Tỷ lệ % Cu/SiC theo khối lượng ảnh hưởng mạnh (xếp thứ 1) Tỷ lệ % Cu/SiC tăng hàm lượng SiC tăng, tỷ lệ % Cu/SiC 25% không có hiệu quả tiêu chiều dày lớp phủ Như tỷ lệ thành phần phối trộn bột SiC-30Cu SiC-50Cu có thể áp dụng - Kích thước hạt cácbít Silic (WSiC) ảnh hưởng thứ đến hàm lượng SiC lớp phủ Kết quả để có hàm lượng SiC lớp phủ lớn, cần phải chọn kích thước hạt SiC mức trung bình, khoảng có hiệu quả từ 40 – 50 µm - Kích thước hạt đồng (WCu) ảnh hưởng yếu đến tiêu hàm lượng SiC lớp phủ (xếp thứ 3) Cu từ 20ữ30 àm thỡ hm lng SiC hiu qua ng thời đạt tiêu chiều dày, hàm lượng SiC lớp phủ ứng với: - Tỷ lệ trộn bột: SiC-30Cu; SiC-50Cu - Kích thước hạt: SiC từ 40 - 50 µm; Cu từ 20 - 30 µm - Chế độ công nghệ: I (A): 400; L (mm): 50; M(g/min): 40 4.3 Kết tổ chức tế vi lớp phủ plasma SiC-Cu/C45 khí bảo vệ Argon Mẫu phun khí bảo vệ Ar sau 10 lượt phun Chiều dày lớp phủ đạt: - SiC-30Cu 201,67 ± 26,5 µm - SiC-50Cu 220 ± 20,5 µm 4.3.1 Cấu trúc lớp phủ SiC-30Cu thép C45 Từ phân tích ảnh hiển vi quang học (thiết bị Axiovert 40 MAT), giá trị độ xốp trung bình lớp phủ 1,65 % (1,38 %) Giá trị thấp nhiều so với độ xốp lớp phun phủ plasma Cr3C2-25NiCr (3,1% - 3,4% [26]) Theo[26], bột Cr3C2-25NiCr (kích thước 35±5 µm), I= 600 A khoảng cách phun 100 mm Bảng 4.16 Kết quả EDS mẫu SiC-30Cu/C45 Nguyên tố % Khối lượng % Nguyên tử Hình4.18 Ảnh SEM lớp phủ SiC-30Cu (X 500 lần) Hình 4.19 Phổ EDS Hình 4.20 Giản đồ XRD lớp lớpphủ SiC-30Cu phủ SiC-30Cu C O Al Si Fe Cu 30,48 8,29 0,54 40,96 1,73 17,52 52,27 10,67 0,42 30,04 0,64 5,68 4.3.2 Cấu trúc lớp phủ SiC-50Cu thép C45 Hình 4.18 mơ tả bề mặt lớp phủ SiC-50Cu Bề mặt lớp phủ gồ ghề, đồng tăng hàm lượng bột Cu Kết quả đo hàm lượng SiC lớp phủ (~29%) Bảng 4.17 Kết quả EDS cho mẫu SiC-50Cu/thép Hình 4.26 Mặt cắt ngang lớp phủ SiC50Cu (X200 lần) Hình 4.27 Phổ EDS Hình 4.28 Phổ XRD lớp phủ SiC-50Cu lớp phủ SiC-50Cu Nguyên tố Khối lượng % Nguyên tử % C O Al Si Cl Fe Cu 52,38 12,57 0,28 26,62 0,19 0,40 7,55 30,03 9,60 0,36 35,69 0,32 1,08 22,91 Dựa theo kết quả phân tích XRD (Hình 4.20), hàm lượng pha SiC 53 %, đó pha tinh thể 42% pha vô định hình 11% Hàm lượng Cu lớp phủ 47 % (phần mềm Dquant software sai số ± 3%) Từ kết quả tế vi lớp phủ thu nhận thấy với bột phun SiC-30Cu; SiC50Cu đạt tiêu độ dầy, cấu trúc lớp phủ tốt thành phần phối trộn khác Như thông số bột sau: - SiC-30Cu; SiC-50Cu 15 - Kích thước hạt SiC: 40 - 50 μm - Kích thước hạt Cu: 20 - 30 μm 4.4 Khả chống ăn mòn lớp phủ plsma SiC-Cu Đánh giá khả chống mòn lớp phủ theo phương thức: - Tính chất điện hóa - Tổn hao khối lượng theo thời gian 4.4.1 Tính chất điện hố lớp phun phủ plasma SiC-Cu/thép môi trường 3,5% NaCl Khả bảo vệ chống ăn mòn tốt khi: Điện trở phân cực cao, điện dung thấp, dòng điện ăn mịn bé 4.4.1.1 Đường cong phân cực Hình 4.21 Đường cong phân cực mẫu C45 dung dịch 3,5% NaCl Bảng 4.18 Giá trị điện ăn mòn mật độ dòng ăn mòn mẫu lớp phủ thép C45 Mẫu Điện ăn mòn Ecorr (mV/SCE) Dịng ăn mịn I corr (µA/cm2) Nền thép C45 SiC-30Cu/thép SiC-50Cu/thép PTFE/SiC-30Cu/thép -707,242 -576,492 -211,828 -758,022 9,44 55,055 5,597 12,542 PTFE/SiC-50Cu/thép -647,73 0,593 Về giá trị điện ăn mòn, hình 4.22 thể giá trị điện ăn mòn thép C45 dung dịch NaCl có hay khơng có lớp phủ bảo vệ Nhìn vào hình 4.22, có thể thấy loại mẫu thử: C45 , SiC-Cu PTFE/SiC-Cu làm dịch chuyển điện thép phía dương hơn, thể khả cách ly tốt kim loại (thép C45) khỏi dung dịch ăn mòn Sự dịch chuyển cực âm điện ăn mòn lớp phủ PTFE/SiC-50Cu liên quan tới ăn mòn điện hóa galvanic tiếp xúc trực tiếp Cu thép lớp phủ không che kín tồn bề mặt thép lỗ rỗng/xốp lớp phủ 0.000 SiC-30Cu/Thép SiC-50Cu/Thép PTFE/SiC30Cu/Thép -200.000 -211.828 -300.000 -400.000 -500.000 -600.000 55.06 50.00 40.00 30.00 20.00 12.54 10.00 -576.492 -647.730 -700.000 -707.242 -800.000 60.00 PTFE/SiC50Cu/Thép Dòng ăn mịn Icorr (µA/cm2) Thế ăn mịn Ecorr (mV/SCE) Thép C45 -100.000 9.44 5.60 0.59 0.00 Thép C45 -758.022 Hình 4.22 Thế ăn mòn thép C45 dung dịch NaCl SiC-30Cu/Thép SiC-50Cu/Thép PTFE/SiC30Cu/Thép PTFE/SiC50Cu/Thép Hình 4.23 Dòng ăn mòn C45 dung dịch NaCl 16 Hai hệ lớp phủ SiC-50Cu PTFE/SiC-50Cu giảm dòng ăn mòn thép C45 từ 9,44 xuống 5,6 0,59 µA/cm2(Hình 4.23) Sự giảm dòng ăn mòn quy thành hiệu quả ức chế 40,7% 87,5%, tương ứng 4.4.1.2 Phổ tổng trở điện hóa Hình 4.24 phổ tổng trở Nyquist thép C45, có thể nhận thấy phổ thể lớp điện tích kép biên giới kim Title loại/dung dịch, mô tả mạch điện -Im(Z) vs Re(Z) NEN2.mpr # NEN2_zfit.mpp tương đương hình 3.12 300 -Im(Z)/Ohm 250 200 150 100 50 0 500 Re(Z)/Ohm Hình 4.24 Phổ tổng trở Nyquist thép C45 (khơng lớp phủ) dung dịch 3,5% NaCl Hình 4.25 4.26 phổ lớp phủ SiC-30Cu SiC-50Cu thép dung dịch NaCl Có thể thấy phổ có bán cung đại diện cho cặp RC Không thấy đóng góp điện trở khuếch tán hay cặp RC Rpore Cdl Điều có thể giải thích độ xốp lớp phủ thấp (nhờ có mặt bột Cu phun) Lop Phu SiC-50Cu/C45 SiC-50Cu.mpr -Im(Z) vs Re(Z) 1,000 -Im(Z )/O h m 800 600 400 200 0 Hình 425 Phổ tổng trở Nyquist SiC30Cu/C45 dung dịch 3,5% NaCl 1,000 2,000 Re(Z)/Ohm 3,000 Hình 4.26 Phổ tổng trở Nyquist SiC-50Cu/C45 dung dịch 3,5% NaCl Lop phu PTFE/SiC-50Cu -Im(Z) vs Re(Z) PTFE+SiC-50Cu.mpr # PTFE+SiC-50Cu_zfit.mpp 100,000 -Im (Z )/O h m 80,000 60,000 40,000 20,000 0 Hình 4.36 Phổ tổng trở Nyquist PTFE/SiC30Cu/C45 dung dịch 3,5% NaCl 200,000 Re(Z)/Ohm Hình 4.37 Phổ tổng trở Nyquist PTFE/SiC-50Cu/C45 dung dịch 3,5% NaCl Từ kết quả phân tích phổ tổng trở bảng 4.19 mô tả giá trị thông số điện hóa hệ lớp phủ SiC-Cu/C45 dung dịch NaCl 3,5% 17 Bảng 4.19 Các thơng sớ điện hóa hệ lớp phủ SiC-Cu /thép C45 dung dịch NaCl 3,5% Mẫu Thép C45 SiC-30Cu/Thép SiC-50Cu/Thép PTFE/SiC-30Cu/Thép PTFE/SiC-50Cu/Thép Các thơng số điện hóa (diện tích mẫu 1cm2) Điện trở Rs(Ω) Điện dung Q(CPE/Cseal); (F.s(α - 1)) 17.88 0.343E-3 (α = 0.7355) 15.84 0.01903 (α = 0.5642) 32.13 18.8E-6 (α = 0.778 9) 14.21 0.01235 (α = 0.5306) 32.4 50.13E-9 (α = 0.6345) Điện trở phân cực Rp (Ω) 1002 514.2 3517 576 369.096 Hình 4.27 Điện trở phân cực mẫu sau giờ dung dịch 3,5% NaCl Hình 4.27 điện trở phân cực thép C45 1002 Ω, lớp phủ SiC-30Cu SiC50Cu 5142 Ω 9517 Ω Giá trị điện trở phân cực tăng lên với hai hệ lớp phủ PTFE/SiC-30Cu PTFE/SiC-50Cu, tương ứng với giá trị 210.584 Ω 369.096 Ω Các lớp phủ SiC-30Cu SiC-50Cu, có giá trị điện trở phân cực nhỏ độ xốp, q trình ăn mịn galvanic diễn mạnh Sự có mặt PTFE kết hợp với lớp phủ SiC-50Cu làm tăng điện trở phân cực lên 370 lần so với thép C45, lớp phủ PTFE/SiC-50Cu có khả bảo vệ tốt 4.4.2 Tổn hao lớp phun phủ SiC-Cu/C45 môi trường ăn mòn Dung dịch axit 10% HF/20% H2SO4 + hạt SiC 0,2mm, nhiệt độ 70ºC, tốc độ 1000 v/ph Bảng 4.20 Tổn hao khối lượng mẫu phun mẫu thép C45 dung dịch hỗn hợp axit Giảm khối lượng (mg)/cm2 Thời gian (giờ) I2 24 36 48 60 72 84 96 108 120 136 Tổn hao tổng C45 3605 3574 3644 3700 3755 3624 3674 3756 3742 3778 3704 42556 SUS 304 SiC-30Cu/C45 SiC-50Cu/C45 PTFE/SiC-30Cu/C45 705 670 687 674 725 736 747 680 700 740 735 7809 57 57 56 58 57 58 56 57 58 55 59 628 43 45 48 51 45 44 46 45 44 46 46 503 19 18 17 17 16 15 17 19 17 18 19 192 PTFE/SiC-50Cu/C45 14 15 13 15 14 15 14 15 13 14 14 156 Hình 4.41 Tổn hao khới lượng mẫu sau 136 giờ thiết bị thử mòn hỗn hợp, với dung dịch axit 10% HF/20% H2SO4 18 Theo hình 4.41 (được vẽ từ số liệu bảng 4.20) khối lượng thép khơng có lớp phủ giảm nhanh Tiếp đến mẫu phủ SiC/Cu, mẫu thẩm thấu PTFE giảm khối lượng thấp, mẫu lớp phủ PTFE/SiC-50Cu 156mg sau 136 (bảng 4.20) Bản thân lớp phủ PTFE nhiều tác giả công bố khả chống ăn mòn/mài mòn nhờ hệ số ma sát thấp độ bền hóa chất cao Vậy lớp phủ plasma khắc phục rỗ xốp ngăn cách q trình thẩm thấu mơi trường xâm thực hóa học nâng cao hiệu quả chống ăn mịn Mẫu PTFE/SiC-50Cu/thép bị ăn mịn (156mg) Đây kết quả nghiên cứu luận án nhằm: tạo lớp phủ plasma SiC-50Cu để bảo vệ chống ăn mịn cho thép làm việc mơi trường a xít chứa flo Kết luận chương Thơng qua kết quả phân tích thí nghiệm thăm dị, thí nghiệm sàng lọc lớp phủ plasma SiC thép có khí bảo vệ Ar Với lớp phủ compozit SiC-Cu (SiC-30Cu SiC-50Cu): Cường độ dòng điện giảm xuống 400 A; Oxy lớp phủ giảm (16 xuống 2.3)%; Chiều dày lớp phủ > 200 µm; Hàm lượng SiC lớp phủ đạt từ 56,4% đến 68,7% Bằng QHTN Taguchi kết quả tế vi xác định thông số bột: - Tỷ lệ phối trộn: 50/50 tương ứng SiC-50Cu - Kích thước hạt: SiC(40 - 50 μm); Cu(20 - 30 μm) Kết quả từ phương pháp thí nghiệm ăn mịn cho thấy lớp phủ SiC-50Cu hay PTFE-SiC-50Cu có khả bảo vệ chống ăn mịn động học tốt mơi trường axit chứa flo Tiến hành QHTN thực nghiệm phun phủ plasma SiC-50Cu để xác định thông số công nghệ Chương BỘ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ PHUN PLASMA SiC-50Cu /C45 5.1 Xác lập kế hoạch thực nghiệm phun phủ plasma SiC- 50Cu thép C45 đánh giá ảnh hưởng thông số công nghệ tới chất lượng lớp phủ Để xác lập chế độ hợp lý cho phun phủ plasma SiC-50Cu cần thiết lập thực nghiệm theo quy hoạch thực nghiệm Taguchi [96] ảnh hưởng thơng số cơng nghệ cường độ dòng điện (I), khoảng cách phun (L), tốc độ cấp bột (M) tới tiêu chất lượng lớp phủ là: Độ bền bám dính: σ(MPa); độ xốp: (%); Độ cứng: D(HV), hàm lượng SiC lớp phủ: H(%) Các yếu tố công nghệ (bảng 5.1) Bảng 5.1 Các thông số cố định nghiên cứu thực nghiệm plasma SiC-Cu/C45 Thông số Điện áp, V Tốc độ dịng khí sơ cấp (Ar), L/phút Tốc độ dịng khí thứ cấp (khí H2), L/phút Tốc độ dịng khí mang (Ar), L/phút Kích thước hạt, µm Tỷ lệ trộn bột, % Cu (theo khối lượng) Phun SiC-Cu 58 35 12 50 (SiC); 30 (Cu) (SiC – 50%Cu) Bảng 5.2 Mức thơng sớ cơng nghệ đánh giá tính lớp phủ plasma SiC-Cu/C45 TT Thông số Cường độ dòng điện I (A) Khoảng cách phun L (mm) Tốc độ cấp bột M(g/min) Mức 350 40 30 Mức 400 50 40 Mức 450 60 50