Nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần wc 10ni đến cấu trúc và đặc tính cơ học của lớp phủ hỗn hợp nicrbsi

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN NGỌC QUÝ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THÀNH PHẦN WC-10Ni ĐẾN CẤU TRÚC VÀ ĐẶC TÍNH CƠ HỌC CỦA LỚP PHỦ HỖN HỢP NiCrBSi/WC-10Ni EFFECTS OF WC-10Ni COMPOSITION ON THE STRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF NiCrBSi/WC-10Ni COATING Chuyên ngành: Kỹ thuật khí Mã số: 8520103 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2023 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học 1: TS Ngơ Thanh Bình Cán hướng dẫn khoa học 2: PGS TS Nguyễn Thanh Hải Cán chấm nhận xét 1: TS Nguyễn Hải Đăng Cán chấm nhận xét 2: PGS TS Lê Thanh Danh Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM, ngày 24 tháng năm 2023 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS TS Nguyễn Hữu Lộc - Chủ tịch hội đồng TS Phạm Quang Trung - Thư ký hội đồng TS Nguyễn Hải Đăng - Ủy viên phản biện PGS TS Lê Thanh Danh - Ủy viên phản biện PGS TS Trương Nguyên Luân Vũ - Ủy viên hội đồng Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ i ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN NGỌC QUÝ MSHV: 2170100 Ngày, tháng, năm sinh: 10/6/1993 Nơi sinh: Bắc Giang Chuyên ngành: Kỹ thuật khí Mã số: 8520103 Mã số: 8520103 I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu ảnh hưởng thành phần WC-10Ni đến cấu trúc đặc tính học lớp phủ hỗn hợp NiCrBSi/WC-10Ni Effects of WC-10Ni composition on the structure and mechanical properties of NiCrBSi/WC-10Ni coating II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/02/2023 III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 11/6/2023 IV HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Cán hướng dẫn 1: TS Ngơ Thanh Bình Cán hướng dẫn 2: PGS TS Nguyễn Thanh Hải Tp HCM, ngày tháng năm 2023 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) TS Ngơ Thanh Bình PGS TS Nguyễn Thanh Hải TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ (Họ tên chữ ký) ii LỜI CẢM ƠN Lời xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến TS Ngô Thanh Bình PGS TS Nguyễn Thanh Hải giúp đỡ, hướng dẫn tận tình giúp tơi thực luận văn Trong trình thực luận văn Thầy góp ý, tư vấn cho tơi lời khun quan trọng, qua giúp tơi vượt qua khó khăn thử thách q trình nghiên cứu để kịp thời hoàn thành luận văn tiến độ đề Tôi xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa, thầy Khoa Kỹ thuật Cơ sở, Trường Đại học Trần Đại Nghĩa giúp đỡ, tạo điều kiện cho tơi sử dụng máy móc, trang thiết bị phục vụ thí nghiệm Đồng thời, tơi xin cảm ơn q Thầy, Cơ Khoa Cơ khí, người tham gia giảng dạy môn học chương trình đào tạo Thạc sĩ Thầy, Cơ trang bị cho chúng tơi kiến thức bổ ích để hồn thành tốt luận văn Cuối cùng, khơng biết nói tơi muốn gửi lời biết ơn sâu sắc đến tất người thân gia đình, bạn bè, đồng nghiệp; đặc biệt người vợ tôi, người đồng hành, thơng cảm, lo toan việc nhà, chăm sóc để tơi có nhiều thời gian học tập nghiên cứu khoa học Tôi xin chân thành cảm ơn! Tp HCM, ngày … tháng … năm 2023 Nguyễn Ngọc Quý iii TÓM TẮT Các chi tiết máy kết cấu làm việc nhiều môi trường khác với chế độ công tác khác Chúng bị phá huỷ hư hỏng nhiều dạng Để nâng cao độ bền tuổi thọ chi tiết kết cấu, nhiều giải pháp đưa để hạn chế mài mịn thực tế kể đến như: bôi trơn, làm mát Tuy nhiên, giải pháp áp dụng giai đoạn vận hành bảo dưỡng máy, q trình mịn hỏng chi tiết xảy thường xuyên, nên định kỳ cần thay Bởi vậy, giải pháp triệt để phục hồi tạo lớp phủ bề mặt có tính chống mài mịn cao cần thiết có ý nghĩa thực tiễn cao Luận văn lựa chọn công nghệ phun phủ HVOF để nghiên cứu, cơng nghệ có ưu điểm vượt trội như: phun bề mặt có diện tích lớn nhỏ, tạo lớp phủ với chiều dày lên tới vài mm, phun nhiều lớp với vật liệu khác để tạo lớp phủ có tính chất đặc biệt, chi tiết phun bị ảnh hưởng nhiệt biến dạng, phun chi tiết có hình dạng phức tạp, suất phun cao Mục tiêu luận văn nghiên cứu ảnh hưởng thành phần WC-10Ni đến cấu trúc đặc tính học lớp phủ hỗn hợp NiCrBSi/WC-10Ni, tóm tắt sau: Cơ sở lý thuyết phương pháp phun phủ HVOF Thực nghiệm phun phủ lớp phủ riêng rẽ NiCrBSi, WC-10Ni lớp phủ phối trộn NiCrBSi với WC-10Ni (theo mức tỉ lệ % khối lượng WC-10Ni khác nhau) Kiểm tra, đánh giá ảnh hưởng WC-10Ni đến cấu trúc, đặc tính học lớp phủ hỗn hợp thông qua kết SEM, XRD, độ nhám, độ cứng, thí nghiệm xói mịn xâm thực, đo ma sát mài mòn… lớp phủ iv ABSTRACT Machine parts work in different conditions They are destroyed and damaged in many ways To improve working-time of parts, many solutions have been proposed to reduce wear such as: lubrication, cooling However, these solutions are only applied at the stage of machine operation and maintenance, so the wear still occurs regularly and parts need to be replaced periodically Therefore, the most radical solution is restoring and creating a surface coating with high anti-wear properties The thesis chose HVOF technology to research, because this method has outstanding advantages such as: spraying on large or small surfaces, creating coatings with a thickness of up to several mm, can spray many layers with different materials to create coatings with special properties, sprayed parts are less affected by heat and deformation, coating parts with complex shapes, high spraying efiiciency The main objective of the thesis is to study the influence of WC-10Ni compositionon the structure and mechanical properties of the NiCrBSi/WC-10Ni composite coating, which can be summarized as follows: Theory of HVOF coating method Spraying NiCrBSi, WC-10Ni and mixed of NiCrBSi with WC-10Ni coats (according to different percentages of WC-10Ni mass) Test and evaluate the influence of WC-10Ni on the structure and mechanical properties of the composite coatings through the results of SEM, XRD, roughness, hardness, and erosion tests, measuring the abrasive friction… of the coatings v LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan tồn nội dung luận văn tơi thực hướng dẫn TS Ngơ Thanh Bình PGS TS Nguyễn Thanh Hải Các kết luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Ngoại trừ phần tham khảo trích dẫn nguồn nội dung luận văn Nếu sai, tơi xin chịu hình thức kỷ luật theo quy định Tp HCM, ngày tháng năm 2023 Nguyễn Ngọc Quý vi MỤC LỤC NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT iii ABSTRACT iv LỜI CAM ĐOAN v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ix MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT xii CHƯƠNG GIỚI THIỆU 1.1 Tổng quan 1.2 Mục tiêu phạm vi nghiên cứu 1.3 Cấu trúc luận văn 1.4 Ý nghĩa luận văn 1.5 Kết luận chương CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP PHUN HVOF 11 2.1 Phun oxy nhiên liệu tốc độ cao 11 2.2 Ưu nhược điểm phương pháp phun HVOF 15 2.2.1 Ưu điểm phương pháp phun HVOF 15 2.2.2 Nhược điểm phương pháp phun HVOF .15 2.3 Ứng dụng phương pháp phun HVOF 15 2.4 Kết luận chương 17 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM VÀ KIỂM TRA ĐÁNH GIÁ 18 3.1 Vật liệu, thiết bị thực nghiệm 18 3.1.1 Vật liệu phun .18 3.1.2 Thiết bị phun HVOF 22 3.2 Thực nghiệm phun phủ 23 3.2.1 Chuẩn bị mẫu phun phủ 23 3.2.2 Chuẩn bị bột phun phủ 24 3.2.3 Thực nghiệm phun phủ .26 vii 3.3 Chuẩn bị mẫu đánh giá chất lượng lớp phủ 29 3.4 Phương pháp đánh giá chất lượng lớp phủ 31 3.4.1 SEM / EDS 31 3.4.2 XRD 32 3.4.3 Độ nhám 33 3.4.4 Độ xốp .33 3.4.5 Độ cứng tế vi .36 3.4.6 Đặc tính chống xói mịn xâm thực 37 3.4.7 Đặc tính ma sát mài mòn 41 3.5 Kết luận chương 42 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN 43 4.1 SEM / EDS 43 4.1.1 SEM / EDS lớp phủ NiCrBSi .43 4.1.1 SEM / EDS lớp phủ WC-10Ni 46 4.1.2 SEM / EDS lớp phủ Ni10W, Ni20W, Ni30W .48 4.2 XRD 52 4.3 Độ nhám 53 4.4 Độ xốp 54 4.5 Độ cứng tế vi 56 4.6 Đặc tính chống xói mịn xâm thực 57 4.7 Đặc tính ma sát mài mịn 60 4.8 Kết luận chương 62 CHƯƠNG KẾT LUẬN 64 5.1 Kết luận 64 5.2 Kiến nghị 65 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 70 viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Tên viết tắt lớp phủ 25 Bảng 3.2 Thông số công nghệ chế tạo lớp phủ 26 Bảng 4.1 Thành phần hóa học bề mặt lớp phủ điểm Hình 4.1b 44 Bảng 4.2 Thành phần lớp phủ điểm phân tích Hình 4.3 45 Bảng 4.3 Thành phần lớp phủ điểm phân tích Hình 4.5 47 Bảng 4.4 Thành phần lớp phủ điểm phân tích Hình 4.7 49 Bảng 4.5 Giá trị độ nhám lớp phủ sau phun 54 Bảng 4.6 Kết đánh giá độ xốp lớp phủ Ni10W 55 Bảng 4.7 Kết đánh giá độ xốp lớp phủ .56 Bảng 4.8 Giá trị độ cứng lớp phủ 56 Bảng 4.9 Kết đo khối lượng mẫu qua lần thử nghiệm xói mịn xâm thực 57 Bảng 4.10 Độ sâu trung bình vết mịn .62 56 Bảng 4.7 Kết đánh giá độ xốp lớp phủ Kết lần đo Độ xốp trung bình Lần Lần Lần Lần Lần (%) Ni 1,948 1,569 2,272 1,421 1,212 1,684 Ni10W 3,014 3,402 3,653 2,587 3,032 3,138 Ni20W 2,223 3,678 2,310 2,651 2,005 2,573 Ni30W 2,856 3,748 3,892 3,552 3,254 3,460 W 2,893 3,665 3,399 3,687 4,028 3,544 Lớp phủ Dựa bảng số liệu Bảng 4.7 thấy độ xốp lớp phủ Ni (NiCrBSi) thấp Khi trộn WC-10Ni với NiCrBSi với tỉ lệ khối lượng khác độ xốp lớp phủ có xu hướng tăng lên Lớp phủ WC-10Ni có độ xốp cao nhất, đó, trộn với lớp phủ NiCrBSi có độ xốp hơn, lớp phủ nhận có xu hướng tăng độ xốp so với lớp phủ NiCrBSi ban đầu Tuy nhiên, kết phân tích cấu trúc tế vi cho thấy lớp phủ Ni20W có độ xốp thấp lớp phủ phối trộn lại, điều tương đồng với giá trị độ nhám bề mặt lớp phủ đo Độ xốp lớp phủ thấp dự đoán làm tăng tính chất khác lớp phủ độ cứng, khả chống xói mịn xâm thực… Độ cứng tế vi 4.5 Bảng kết đo giá trị độ cứng lớp phủ trình bày Bảng 4.8 Khi trộn bột WC-10Ni có độ cứng cao vào lớp phủ có độ cứng thấp (NiCrBSi) làm cho độ cứng lớp phủ sau phun tăng Giá trị tăng độ cứng thường tỉ lệ với tỉ lệ phối trộn Đối với lớp phủ có tỉ lệ phối trộn 20% WC-10Ni cho ta giá trị độ cứng cao có độ xốp thấp Bảng 4.8 Giá trị độ cứng lớp phủ Kết lần đo Trung bình độ cứng Lần Lần Lần Lần Lần (HV0,3) Lớp phủ Ni 709,5 684,9 749,1 763,1 770,2 735,4 Ni10W 815,1 770,2 628,5 722,4 770,2 741,3 57 Ni20W 996,7 1111 1098 1175 986,2 1073,4 Ni30W 1018 777,4 815,1 799,7 830,9 848,2 W 1162 965,8 1231 1086 1007 1090,4 Đặc tính chống xói mịn xâm thực 4.6 Khối lượng mẫu lớp phủ thử nghiệm xói mòn xâm thực sau 4, 8, 12 16 thử nghiệm ghi lại Bảng 4.9 Khối lượng vật liệu mát sau thử nghiệm - m tính tốn để xây dụng biểu đồ thay đổi khối lượng xói mịn qua lần đo (Hình 4.12) Bảng 4.9 Kết đo khối lượng mẫu qua lần thử nghiệm xói mịn xâm thực Lớp Ni phủ Thời gian m (g) Ni10W m m (g) (g) (giờ) Ni20W m m (g) (g) Ni30W m m (g) (g) W m m (g) (g) m (g) 20,8966 22,6740 20,3223 22,5902 22,2359 20,8920 0,005 22,6690 0,0050 20,3204 0,0019 22,5841 0,0061 22,2131 0,0228 20,8899 0,007 22,6655 0,0085 20,3159 0,0064 22,5765 0,0137 22,1782 0,0577 12 20,8891 0,008 22,6639 0,0101 20,3136 0,0087 22,5722 0,0180 22,1437 0,0922 16 20,8888 0,008 22,6623 0,0117 20,3109 0,0114 22,5711 0,0191 22,1146 0,1213 58 Hình 4.12 Biểu đồ khối lượng xói mịn qua lần đo Phân tích biểu đồ Hình 4.12 cho thấy, tốc độ xói mịn lớp phủ WC-10Ni cao nhất, sau 16 thử nghiệm có xu hướng giảm nhẹ Sau khoảng 12 thử nghiệm, tốc độ xói mịn bốn lớp phủ Ni, Ni10W, N20W, Ni30W vào ổn định Khi trộn WC-10Ni với NiCrBSi với tỉ lệ khác nhau, tốc độ xói mịn có xu hướng tăng tăng tỉ lệ phối trộn Tốc độ xói mịn phụ thuộc nhiều yếu tố liên quan đến trạng thái bề mặt, cấu tạo pha vật liệu liên kết pha Cấu trúc mịn độ xốp thấp hơn, dẫn đến giảm tổn thất vật liệu lớp phủ đó, giảm thiệt hại xâm thực Lớp phủ có hạt gia cường WC liên kết với kết dính Ni tốt giúp giảm bong tróc hạt xói mịn [5] Trong thí nghiệm xói mịn xâm thực thực hiện, kết hợp khảo sát cấu trúc mặt cắt ngang lớp 59 phủ SEM, cho thấy, vật liệu WC-10Ni pha trộn vào lớp phủ không thực NiCrBSi độ xốp lớp phủ tập trung chủ yếu khu vực pha pha trộn WC10Ni Vật liệu bị xói mòn chủ yếu tập trung biên giới hạt WC chúng bị bong tróc khỏi bề mặt mẫu Mẫu Ni20W có tốc độ xói mịn thấp ba lớp phủ phối trộn, điều lý giải độ xốp thấp hai lớp phủ cịn lại Hình 4.13 Hình ảnh bề mặt Ni10W sau bị xói mịn Ảnh vết mịn mẫu đo xói mịn xâm thực chụp kính hiển vi điện tử quét SEM, thiết bị 3D optical surface profiler Ngồi phân tích dựa giá trị đo độ nhám Ra Rt Trên Hình 4.13 cho thấy hình ảnh bề mặt sau bị xói mịn Ni10W Cơ chế xói mịn xâm thực giải thích sau: xuất phát từ điểm yếu bề mặt, chẳng hạn khuyết tật, nứt, rỗ xốp, oxit, tác động áp lực cao từ sụp đổ bong bóng khí, làm vết nứt lan truyền theo hướng ranh giới hạt khuyết tật khác hình thành nguồn xói mịn Khi hố xói mịn bắt đầu xuất bề mặt lớp phủ Sự phát triển hố dẫn đến 60 việc loại bỏ hạt WC lớn lớp phủ cấu trúc lớp mỏng bị bong tách 4.7 Đặc tính ma sát mài mịn Trong Hình 4.14 thể giá trị trung bình hệ số ma sát thu với tải trọng 25 N lớp phủ Hình 4.14 Hệ số ma sát COF lớp phủ tải trọng 25N Hệ số ma sát đo cặp ma sát bi 100Cr6 với lớp phủ thay đổi từ 0,35 đến 0,45 Các mẫu Ni10W, Ni20W, Ni30W cho thấy giá trị hệ số ma sát thấp lớp phủ NiCrBSi WC-10Ni chưa pha trộn Hệ số ma sát 200 giây đầu chưa ổn định có xu hướng tăng dần, sau 400 giây hệ số ma sát vào ổn định Hệ số ma sát giảm dần theo tỉ lệ tăng hàm lượng WC-10Ni: Ni30W