GIỚI THIỆU
Tổng quan
Các chi tiết máy và kết cấu làm việc trong nhiều môi trường khác nhau với những chế độ công tác rất khác nhau Chúng bị phá huỷ và hư hỏng dưới nhiều dạng (Hình 1.1) Có nhiều nguyên nhân, nhưng nguyên nhân chính là: gỉ (do làm việc trong môi trường không khí - các kết cấu xây dựng, và nước - các phương tiện thuỷ; các môi trường tĩnh và động - thiết bị hoá học…); ăn mòn, xói mòn xâm thực (dưới tác dụng của các chất lỏng và khí cháy); mài mòn cơ học và các hư hỏng khác (tại các mặt tiếp xúc của các chi tiết làm việc dưới áp suất và nhiệt độ cao) Để nâng cao độ bền và tuổi thọ của chi tiết và kết cấu, nhiều giải pháp đã được đưa ra để hạn chế mài mòn trong thực tế, có thể kể đến như: bôi trơn, làm mát Tuy nhiên, các giải pháp trên chỉ áp dụng ở giai đoạn vận hành và bảo dưỡng máy, quá trình mòn hỏng chi tiết vẫn xảy ra thường xuyên, nên định kỳ cần thay thế Bởi vậy, giải pháp triệt để nhất vẫn là phục hồi và tạo một lớp phủ bề mặt có tính năng chống mài mòn cao là rất cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn cao
Hình 1.1 Các cổ trục khuỷu động cơ xe thiết giáp chở quân M113
Hiện nay, có nhiều phương pháp phổ biến được ứng dụng để phục hồi hoặc chế tạo mới bề mặt như: phương pháp hàn, hóa nhiệt, bốc bay, mạ, phun phủ Riêng phương pháp phun phủ phục hồi bề mặt chi tiết cũng có nhiều công nghệ khác nhau như: phun hồ quang điện, phun khí cháy, phun oxy nhiên liệu tốc độ cao (HVOF), phun plasma, phun nổ, phun nguội, … Luận văn lựa chọn công nghệ phun phủ HVOF để nghiên cứu, bởi công nghệ này này có những ưu điểm vượt trội như: phun được trên các bề mặt có diện tích lớn hoặc nhỏ, tạo được lớp phủ với chiều dày lên tới vài mm, có thể phun nhiều lớp với những vật liệu khác nhau để tạo các lớp phủ có tính chất đặc biệt, chi tiết phun ít bị ảnh hưởng nhiệt và biến dạng, phun được chi tiết có hình dạng phức tạp, năng suất phun cao
Một trong những vật liệu được sử dụng phổ biến cho lớp phủ cứng, chịu mài mòn là hợp kim tự chảy NiCrBSi Lớp phủ này có một số đặc tính thú vị, ví dụ: độ cứng tương đối cao, khả năng chống mài mòn và ăn mòn tốt ở nhiệt độ cao [1] Ngoài ra, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện với mục đích cải thiện khả năng chống mài mòn của lớp phủ này và những nghiên cứu này đã chỉ ra hướng bổ sung các hạt cứng gia cường như WC, NbC, Cr3C2, TiC, SiC, VC, WC -Ni… [2]
Trong số các hạt cứng thương mại, cacbit vonfram WC được sử dụng rộng rãi cho lớp phủ chống mài mòn tốt nhờ độ cứng cao của nó Bột WC được bổ sung thêm Co để cải thiện độ dai va đập [3], tạo thành vật liệu WC-Co, gồm hạt WC cứng được nhúng trong nền Co
Lớp phủ tự chảy NiCrBSi hoạt động tốt như một lớp phủ chống mài mòn trong điều kiện ứng suất thấp Tuy nhiên, ở mức ứng suất cao hơn trong điều kiện trượt không được bôi trơn, nó bắt đầu biến dạng, có thể gây bó khi ứng suất tăng lên Molypden Mo được thêm vào lớp phủ để giảm hệ số ma sát, do đó, cải thiện khả năng chống mài mòn trượt khô của nó [4] Ngoài ra, Mo có thể tạo liên kết kim loại với nhiều kim loại khác và làm giảm độ nhạy nứt của lớp phủ dưới tác dụng nhiệt WC-10Ni là một loại bột hình cầu, kết tụ và thiêu kết để phun nhiệt, gồm 90%
WC kích thước trung bình phân bố đều trong kim loại nền 10%Ni Sự phân bố kích thước hạt bột mịn hơn tạo ra lớp phủ rất dai và sít chặt, trong một số trường hợp lớp phủ sau phun có thể đưa vào sử dụng mà không cần mài và đánh bóng sau đó Các lớp phủ làm từ vật liệu WC có khả năng chống mài mòn, chống trầy, chịu va đập và trượt tốt Các sản phẩm WC-Ni thường được sử dụng làm lớp phủ chống mài mòn trong môi trường ma sát khô Lớp phủ WC-(8-11)Ni có độ cứng cao hơn nhưng độ dai thấp hơn so với lớp phủ WC-17Ni Khả năng chống ăn mòn tốt hơn WC-Co nhưng kém hơn WC-Co-Cr, Vì vậy, nó được sử dụng rộng rãi cho van bi, van cổng
(xả), thiết bị ngành khai thác dầu, các chi tiết trong điều kiện ngập trong nước biển, cũng như được sử dụng trong môi trường phóng xạ [5]
Phương pháp phun HVOF ra đời vào khoảng năm 1980 nhưng hiện nay đã được chú trọng và ứng dụng phổ biến Một số doanh nghiệp trong nước cũng đã đầu tư một số thiết bị hiện đại để thực hiện công tác phun phủ phục hồi như Công Ty TNHH MetalTech Saigon - TP HCM, Công ty TNHH Dịch Vụ Kỹ thuật Quang Khánh - TP Vũng Tàu, Công Ty TNHH Cơ khí Công nghệ An Bình - TP HCM
…bước đầu đáp ứng được một phần nhu cầu dân sự trong phun phủ phục hồi sửa chữa các các chi tiết máy bị mài mòn
Lớp phủ HVOF cũng như các lớp phủ phun nhiệt khác đều là kết quả của những quá trình phun khá phức tạp Do đó, những thành tựu đạt được hiện nay là sự kế thừa và phát triển các kết quả nghiên cứu, ứng dụng qua một quá trình Những kết quả đó là cơ sở để tiếp tục triển khai, ứng dụng và phát triển các phương pháp phun phủ Đối với phương pháp phun HVOF, những nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào các vấn đề chính như: vật liệu, cấu trúc, thành phần cơ tính, khả năng chịu mòn của lớp phủ, ảnh hưởng của các thông số phun đến chất lượng của một số lớp phủ cơ bản Các nghiên cứu đều được công bố trên các tạp chí chuyên ngành uy tín có thể kể đến như:
V Kalyankar và cộng sự [6] đã nghiên cứu so sánh cấu trúc tế vi và khả năng chống mài mòn của các lớp phủ NiCrBSi và NiCrBSi-WC khi hàn đắp PTA (plasma transferred arc) trên vật liệu nền inox 304 Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, khả năng chống mài mòn bùn của lớp phủ cứng composite NiCrBSi-WC tốt hơn 2,5 lần so với NiCrBSi và 40 lần so với thép không gỉ 304 (Hình 1.2) Kết quả của phân tích so sánh về cấu trúc tế vi và khả năng chống mài mòn do bùn của lớp phủ composite NiCrBSi-WC khá hữu ích để cải thiện tuổi thọ của đường ống dẫn bùn
Hình 1.2 Khối lượng mòn của NiCrBSi-WC, NiCrBSi và vật liệu nền
A Gowtham và cộng sự [7] đã nghiên cứu chế tạo lớp phủ NiCrBSi/WC trên nền thép không gỉ SS410 bằng kỹ thuật hàn đắp dùng nguồn laser (laser cladding), cho thấy với các thông số công nghệ công suất 3,6 kW và tốc độ nạp bột 65 g/phút, sẽ thu được lớp phủ chất lượng tốt (Hình 1.3) Lớp phủ gồm WC gia cường cho nền NiCrBSi sử dụng laser cladding liên kết tốt với vật liệu nền, vật liệu nền ít bị ảnh hưởng nhiệt, cấu trúc ma trận -Ni có dạng nhánh cây Các hạt WC trong ma trận Ni đã cải thiện đáng kể độ cứng của vật liệu composite nền kim loại này Độ cứng tế vi vật liệu tăng tăng từ 390 HV lên 1900 HV khi gia cường WC
Hình 1.3 Ảnh SEM của các mẫu được phủ laser – lớp phủ hình thành ở các công suất phun và tốc độ cấp bột khác nhau
H Guo và cộng sự [8] đã nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng WC-Co đến cấu trúc tế vi và cơ tính của lớp phủ NiCrBSi chế tạo bằng phương pháp phun plasma siêu âm Kết quả nghiên cứu cho thấy, các tính chất cơ học của lớp phủ khi phun được cải thiện đáng kể bằng cách bổ sung WC-Co, với tỉ lệ WC-Co là 5, 10,
15, 20, 25 và 30% khối lượng Biểu đồ XRD của các lớp phủ thể hiện ở (Hình 1.4) Khi tăng WC-Co, hệ số ma sát của lớp phủ sau phun tăng từ 0,59 lên 0,74 (Hình 1.4, Hình 1.5) Lớp phủ với 15% WC-Co có độ cứng tế vi cao hơn 910,6 HV, và độ bám dính 44,7 MPa và tốc độ mài mòn 8×10 mm /Nm -6 3 thấp hơn so với các lớp phủ khác Và nhóm tác giả nhận định rằng đây là tỉ lệ tối ưu cho lớp phủ NiCrBSi/WC-Co trên vật liệu nền 718 Các cơ chế mài mòn chính của lớp phủ chuyển đổi từ mài mòn do mòn kết hợp với nứt vỡ đối với các lớp phủ NiCrBSi có hàm lượng WC-Co thấp sang mài mòn do dính và đứt gãy do mỏi đối với các lớp phủ có hàm lượng WC-Co trung bình, thành sự kết hợp của sự phá hủy giòn và mòn do mài mòn nhẹ đối với các lớp phủ có hàm lượng WC-Co cao
Hình 1.4 XRD của các lớp phủ Hình 1.5 Hệ số ma sát của các lớp phủ
R Rachidi và cộng sự [9] đã nghiên cứu cấu trúc tế vi và đặc tính cơ học của hợp kim NiCrBSi và lớp phủ composite NiCrBSi-WC được sản xuất bằng phương pháp phun ngọn lửa khí cháy Khi phân tích XRD tiết lộ rằng các pha có trong lớp phủ thay đổi với các loại bột ban đầu, hình thành các pha mới như W2C và Cr7C3 Ngoài ra, hạt gia cường WC làm cho độ cứng của lớp phủ NiCrBSi-WC cao hơn đáng kể so với hợp kim NiCrBSi (Hình 1.6) Sự thay đổi độ cứng lớp phủ theo phương vuông góc từ vật liệu nền đến lớp phủ của các lớp phủ NiCrBSi và NiCrBSi-WC thể hiện ở Hình 1.7
Hình 1.6 Độ cứng tế vi của vật liệu nền,
Hình 1.7 Biến thiên độ cứng tế vi theo chiều dày lớp phủ
W Wang và cộng sự [10] đã nghiên cứu cấu trúc tế vi và tính chất của lớp phủ PTA NiCrBSi/WC-Co Kết quả cho thấy liên kết giữa lớp NiCrBSi + 20%WC/12Co và vật liệu nền H13 là liên kết hàn Phân tích XRD cho thấy các pha chính trong lớp phủ gồm γ-(Fe, Ni), Cr7BC4, Ni4B3, Cr7C3 và Co7W6, giúp lớp phủ có độ bền nhiệt và độ cứng cao hơn so với vật liệu nền H13 (Hình 1.8)
Hình 1.8 XRD của lớp NiCrBSi+20%WC/12Co
P Niranatlumpong và cộng sự [11] đã khảo sát sự chuyển pha của lớp phủ phun hồ quang NiCrBSi–WC và NiBSi–WC Kết quả cho thấy đối với lớp phủ NiCrBSi–WC, cấu trúc tế vi thu được bao gồm các dung dịch rắn NiCr, NiCrW và WC/W2C là các pha chính (Hình 1.9) Đối với lớp phủ NiBSi–WC, các pha Ni, NiW là dung dịch rắn và WC/W2C là pha chính (Hình 1.10) B có mặt trong lớp phủ dưới dạng tạp chất Lượng WC/W2C suy giảm ở cả hai lớp phủ do sự hình thành của các dung dịch rắn NiCrW và NiW với tỉ lệ W lớn Kết tủa của các pha giàu W từ các dung dịch rắn NiCrW và NiW cũng được nhìn thấy, nhưng sự biến đổi là bị hạn chế bởi tốc độ làm nguội nhanh đặc trưng của quá trình phun Ngoài ra, sự hòa tan của WC/W2C vào ma trận lớp phủ NiBSi–WC dẫn đến độ cứng tế vi của lớp phủ suy giảm Tuy nhiên, kết quả kiểm tra độ mài mòn cho thấy rằng mặc dù lớp phủ NiBSi–WC có độ cứng tế vi thấp hơn, nhưng nó chống mài mòn trượt khô hiệu quả hơn so với lớp phủ NiCrBSi–WC, do liên kết luyện kim tốt hơn giữa ma trận và cacbit, là kết quả của sự hòa tan WC/W2C
Hình 1.9 XRD của NiCrBSi–WC Hình 1.10 XRD của NiBSi–WC
Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
Mục tiêu chính của luận văn là 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, có thể được tóm tắt như sau:
Cơ sở lý thuyết của phương pháp phun phủ HVOF
Thực nghiệm phun phủ lớp phủ riêng rẽ NiCrBSi, WC-10Ni và lớp phủ phối trộn NiCrBSi với WC-10Ni (theo các mức tỉ lệ % khối lượng WC-10Ni khác nhau) Kiểm tra, đánh giá ảnh hưởng của WC-10Ni đến cấu trúc, đặc tính cơ học của các lớp phủ hỗn hợp thông qua các kết quả SEM/EDS, XRD, độ nhám, độ xốp, độ cứng tế vi, thí nghiệm xói mòn xâm thực, đo ma sát mài mòn… của các lớp phủ
Lựa chọn tỉ lệ phối trộn NiCrBSi/WC-10Ni phù hợp để tạo ra chất lượng lớp phủ tốt nhất.
Cấu trúc luận văn
Nội dung luận văn được trình bày như sau:
Chương 1: Giới thiệu tổng quan đề tài, mục tiêu, phạm vi nghiên cứu và cấu trúc, ý nghĩa luận văn
Chương 2: Cơ sở lý thuyết của phương pháp phun phủ HVOF; ưu, nhược điểm và ứng dụng của phương pháp phun HVOF
Chương 3: Phun phủ thực nghiệm và phương pháp kiểm tra, đánh giá chất lượng các lớp phủ
Chương 4: Kết quả thực nghiệm và bàn luận, đánh giá mức độ ảnh hưởng của thành phần WC-10Ni đến chất lượng lớp phủ hỗn hợp NiCrBSi/WC-10Ni
Chương 5: Kết luận và kiến nghị.
Ý nghĩa của luận văn
Các kết quả của luận văn đóng góp thông tin về cấu trúc và đặc tính cơ học của một số tỉ lệ NiCrBSi/WC-10Ni Các kết quả của luận văn có thể được định hướng ứng dụng trong công nghiệp để phục hồi chi tiết bị mài mòn trong điều kiện khắc nghiệt cũng như chế tạo chi tiết mới, tạo lớp phủ bảo vệ lên bề mặt các chi tiết làm việc trong các điều kiện mài mòn khắc nghiệt là cơ sở để lựa chọn và ứng dụng lớp phủ trong thực tiễn Việc phối trộn WC-10Ni với các tỉ lệ khối lượng khác nhau góp phần cải thiện và nâng cao chất lượng (độ cứng, độ xốp, khả năng chống mài mòn) của lớp phủ hỗn hợp NiCrBSi/WC-10Ni.
Kết luận chương 1
Chương này trình bày một số dạng hỏng hóc thường gặp của các chi tiết kỹ thuật làm việc trong điều kiện khắc nghiệt như ăn mòn, xói mòn, mòn cơ học… Ngoài ra còn giới thiệu công nghệ phun phủ nhiệt có nhiều tiềm năng ứng dụng trong thực tiễn nhờ các ưu điểm vượt trội của chúng Đã tổng quan các tài liệu nghiên cứu của các tác giả ngoài nước về các lớp phủ NiCrBSi và NiCrBSi bổ sung các hạt gia cường như WC, NbC, Cr3C2, TiC, SiC,
VC, WC-Ni với các tỉ lệ khác nhau để tăng độ cứng, cải thiện độ bền và các đặc tính của lớp phủ Kết quả nghiên cứu tổng quan cho thấy bổ sung WC-10Ni vào bột NiCrBSi có tính khả thi cao và lớp phủ sẽ có các tính năng tốt hơn các lớp phủ riêng rẽ.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP PHUN HVOF
Phun oxy nhiên liệu tốc độ cao
Phun oxy nhiên liệu tốc độ cao HVOF là một bước tiến phát triển của quá trình phun bột khí cháy thông thường PFS (powder flame spray) và phun nổ DGS (detonation spraying) Lớp phủ HVOF cho phép cải thiện mật độ phủ, nâng cao độ bền bám dính của lớp phủ với bề mặt chi tiết phun Nhờ đó, vận tốc hạt khi phun bột khí cháy trong khoảng 50 m/s có thể được tăng lên đến hơn 1000 m/s Súng phun HVOF hiện đại được thiết kế dưới dạng ống Laval có cấu trúc ống dạng hội tụ
- phân kỳ (Hình 2.1) cho vận tốc hạt rất cao và ngày càng được nghiên cứu cải thiện Tốc độ dòng khí sau khi thoát ra khỏi miệng phun bằng 5-7 lần vận tốc âm thanh
Hình 2.1 Cấu tạo của súng phun HVOF
Union Carbide (nay là Praxair Surface Technology) đã giới thiệu quy trình HVOF vào năm 1958 mặc dù nó không thực sự được thương mại hóa cho đến đầu những năm 1980, khi hệ thống Jet Kote (Dloro Stellite) được giới thiệu bởi Browning J.A (1983) Nguyên lý của hệ thống Jet Kote, được thể hiện dưới dạng sơ đồ trong Hình 2.2.a, bao gồm việc nạp một lượng lớn khí dễ cháy vào buồng đốt điều áp, làm mát bằng nước Lối ra của buồng đốt này vuông góc với vòi phun Bột được đưa vào luồng lửa vào tâm vòi phun làm mát bằng nước Thiết kế súng HVOF luồng khí hướng trục thể hiện trong Hình 2.2.b đã được phát triển hơn nữa thông qua việc giới thiệu hệ thống làm mát bằng nước, giúp cải thiện độ bền của súng và hiệu suất nhiệt của nó trong khi vẫn duy trì cấp bột dọc trục Như với thiết kế kiểu
Jet Kote, việc cấp bột dọc trục cần sử dụng bộ cấp bột áp suất cao Trong thiết kế súng trình bày Hình 2.2.c, buồng đốt vẫn đồng trục với vòi phun nhưng bột được cấp hướng tâm ở phần phân kỳ của vòi phun Ở sau tiết diện tới hạn của vòi phun, áp suất thấp hơn nhiều so với trong buồng đốt ở phần hội tụ Cấp bột tại vị trí này làm đơn giản hóa quá trình cấp bột, trong trường hợp cần thiết, nhiều cổng cấp bột có thể được sử dụng cùng lúc Nói chung, thống kê thực tế cho thấy có thể đạt được ít nhất gấp đôi tốc độ cấp bột trên mỗi đơn vị năng lượng khi cấp hướng tâm so với cấp bột dọc trục Hơn nữa, thiết kế này cho phép tăng áp suất buồng đốt lên tới 8–9 bar [14]
Như trong tất cả các quy trình phun, khi khí nóng thoát ra ngoài không khí xung quanh, khí nóng nguội đi khá nhanh do sự giãn nở của nó và cuốn theo không khí xung quanh Để ngăn chặn hiện tượng này, người ta đã kéo dài vòi phun đến 30 cm (vòi phun được làm mát bằng nước), trong đó một phần năng lượng của luồng khí nóng bị thất thoát do trao đổi nhiệt với thành vòi phun nhưng ít hơn nhiều so với việc hòa trộn với môi trường xung quanh Tất nhiên, điều này cũng đòi hỏi các hạt không được làm nóng quá mức, hoặc duy trì dưới nhiệt độ nóng chảy, để tránh lắng đọng trên thành vòi gây tắc nghẽn vòi phun [14]
Hình 2.2 Sự phát triển thiết kế của các hệ thống HVOF:
(a) Nguyên mẫu của súng Jet Kote (b) Cấp bột dọc trục và buồng đốt
(c) Buồng đốt hướng trục và cấp bột xuyên tâm
Các loại khí cháy được sử dụng khi phun gồm: hidro, metan, etylen, propylen hoặc propan cùng nhiên liệu lỏng Việc lựa chọn khí cháy xác định bởi nhiệt độ, độ ổn định của ngọn lửa đạt được tối đa và đặc tính của vật liệu phun Bằng cách điều chỉnh tỷ lệ khí cháy giữa oxy và nhiên liệu, nhiệt độ ngọn lửa có thể được điều chỉnh Súng phun HVOF được làm mát bằng hệ thống sử dụng khí (nitơ, CO2 lỏng, argon, không khí ) hoặc nước làm mát Trong quá trình phun, khí nén với áp suất cao được sử dụng để tăng tốc cho phần tử phun, nhưng quá trình này tương đương với việc đưa thêm nitơ vào vì vậy kết quả làm cho nhiệt độ ngọn lửa giảm Nhiệt độ cung cấp cho bột phun không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ cháy của hỗn hợp nhiên liệu áp dụng, mà còn phụ thuộc vào vị trí phun và các điều kiện như góc phun, đường kính vòi phun, tốc độ dòng khí vận chuyển, tỷ lệ cấp bột Ngoài ra, độ dài và hình dạng góc mở của các vòi phun ảnh hưởng đến sự truyền nhiệt đến các hạt bột Ở trong vòi phun, các vòi phun dài sẽ dẫn và truyền nhiệt mạnh hơn Vòi phun dạng ống Laval làm tốc độ luồng khí nhanh hơn so với các vòi phun hình trụ, do đó giảm thời gian của các hạt ở bên trong súng phun và nhiệt truyền cho chúng, chất lượng lớp phủ chịu ảnh hưởng lớn của vận tốc hạt phun Về cơ bản các hệ thống phun phủ HVOF công suất lớn cho chất lượng lớp phủ rất tốt, độ xốp thấp, độ bám dính cao, tuy nhiên giá thành đầu tư cho các các hệ thống HVOF cao, chi phí vận hành đắt và khá phức tạp
Gần như đồng thời, các loại súng có thiết kế chung trong Hình 2.2.b và Hình 2.2.c được phát triển bằng cách sử dụng nhiên liệu lỏng như xăng máy bay thay vì khí nhiên liệu và oxy, cho phép công suất súng tăng lên rất cao (gần 300 kW) Với những loại súng này, bột được cấp xuyên tâm phía sau tiết diện tới hạn Những súng phun công suất cao dẫn đến ứng suất nhiệt lớn và làm oxy hóa các chi tiết của súng, đặc biệt là buồng đốt và vòi phun, nên hệ thống làm mát bằng nước phải được thiết kế rất cẩn thận Việc sử dụng nhiên liệu lỏng cho phép tăng đáng kể công suất của súng phun, đơn giản hóa quy trình phun, cải thiện an toàn vận hành và giảm chi phí
Ví dụ về các súng HVOF chạy bằng nhiên liệu khí và lỏng thương mại trên thị trường được đưa ra trong Hình 2.3, do hãng Oerlikon Metco cung cấp Cả hai súng đều được làm mát bằng nước, với việc phun bột hướng trục trong trường hợp súng phun sử dụng nhiên liệu khí (Hình 2.3.a) và phun bột hướng tâm trong trường hợp súng phun nhiên liệu lỏng (Hình 2.3.b) Súng phun HVOF Diamond Jet phiên bản gắn robot và cầm tay với hệ thống làm mát bằng nước và khí nén thể hiện như trong Hình 2.4
Hình 2.3 Thiết kế điển hình của súng phun HVOF hãng Oerlikon-Metco
(a) súng phun nhiên liệu khí, làm mát bằng nước (b) súng phun nhiên liệu lỏng, làm mát bằng nước
Hình 2.4 Súng phun HVOF Diamond Jet phiên bản gắn robot và cầm tay với hệ thống làm mát bằng nước và khí nén [15]
Ưu nhược điểm của phương pháp phun HVOF
2.2.1 Ưu điểm của phương pháp phun HVOF
Vận tốc hạt trong phun HVOF là yếu tố cực kỳ quan trọng Chất lượng lớp phủ được cải thiện nhờ vận tốc của hạt phun Phun HVOF có thể đạt vận tốc hạt
1000 m/s, cao hơn nhiều so với các phương pháp phun nhiệt khác Phun HVOF mang lại những ưu điểm sau:
Có thể phun phủ nhiều vật liệu khác nhau trên bề mặt chi tiết
Có thể phun trên bề mặt có diện tích lớn với thời gian nhanh hơn các phương pháp khác
Tăng khả năng chống mài mòn cơ học và chống ăn mòn điện hóa, ăn mòn hóa học
Hàm lượng oxit thấp do thời gian tiếp xúc nhiệt ngắn, tỉ lệ hạt không nóng chảy ít, chi tiết phun ít bị biến dạng
Chất lượng bề mặt lớp phủ cao, mịn do vận tốc phun cao
Có thể tạo lớp phủ dày để phục hồi các chi tiết bị mòn
Nhiệt độ nguồn nhiệt thấp hơn so với phun plasma
Hạn chế phản ứng và biến đổi pha, thành phần hóa học của kim loại phun không thay đổi Ứng suất dư do nén cao thuận lợi cho lớp phủ chịu va đập Độ bền bám dính với chất nền cao Độ bền liên kết giữa các lớp phun cao
Quy trình có thể được tự động hóa, qua đó giảm giá thành sản phẩm
2.2.2 Nhược điểm của phương pháp phun HVOF
Chi phí đầu tư ban đầu cao
Phải được thực hiện trong phòng phun đặc biệt, với các thiết bị giảm cường độ âm thanh, xử lý bụi phù hợp
Khó khăn trong việc phun bề mặt bên trong hình trụ tròn có đường kính nhỏ.
Ứng dụng của phương pháp phun HVOF
Lớp phủ HVOF hiện nay được ứng dụng rất rộng rãi bởi một số đặc tính quan trọng của lớp phủ: độ xốp thấp, độ cứng và độ bền bám dính cao, chiều dày phun lớn, thuận lợi để tạo lớp phủ chịu nhiệt, tạo lớp phủ dẫn và cách điện, nâng cao được khả năng chống mòn (mài mòn, ăn mòn) ngay cả ở nhiệt độ cao Một số lĩnh vực công nghiệp khác được ứng dụng như như: ô tô, hàng không vũ trụ, khai thác mỏ, hóa dầu, tua bin khí, ngành giấy, điện tử, y học và đóng tàu Một số sản phẩm ứng dụng quan trọng hiện nay như: lớp phủ thay thế mạ crom cứng trong ngành hàng không vũ trụ; các dụng cụ y tế; các bộ phận trong các thiết bị điện bao gồm cả bộ tản nhiệt bán dẫn và chất cách điện, được phủ gốm oxit và polyme bằng phương pháp phun HVOF; các van bi dưới biển, cánh quạt, đường ống thủy khí, và nhiều ứng dụng khác
Hình 2.5 Ứng dụng của phương pháp phun HVOF trong các lĩnh vực khác nhau
Kết luận chương 2
Chương 2 đã tập trung nghiên cứu lịch sử phát triển của các thiết kế súng phun, đi sâu vào phân tích các thiết kế, ưu điểm và hạn chế của các thiết kế đó Từ đó cho thấy, trang bị hệ thống HVOF hiện đại và độ tin cậy cao sẽ đảm bảo cho việc chế tạo lớp phủ nhất quán Các thiết kế đơn giản, dễ sử dụng, vật tư tiêu hao ít và rẻ, độ tin cậy của hệ thống cao và hỗ trợ sau bán hàng sẽ là các yếu tố chính quyết định đến lựa chọn đầu tư của người sử dụng.
THỰC NGHIỆM VÀ KIỂM TRA ĐÁNH GIÁ
Vật liệu, thiết bị thực nghiệm
Dựa trên các khảo sát những công trình nghiên cứu trong Chương 2, luận văn lựa chọn bột phun là NiCrBSi/WC-10Ni, với kích thước hạt -45/+15μm để phun thực nghiệm Thành phần hóa học chính của bột được cung cấp bởi nhà sản xuất, NiCrBSi: 83,43 % Ni, 10,52% Cr, 2,10% B, 3,95% Si và WC-10Ni: 90% WC, 10% Ni
Kích thước và hình dạng của bột phun WC-10Ni được đo kiểm tra bằng máy phân tích hình thái hạt Camsizer X2 (Hình 3.1), sử dụng module X-jet, tại công ty ITS Việt Nam Dựa trên nguyên lý phân tích hình ảnh động học ISO 13322-2 [16]thiết bị CAMSIZER X2 cung cấp giá trị chính xác về kích thước và thông tin hình dạng của bột, hạt nhỏ và huyền phù trong dải đo từ 0,8 μm đến 8 mm
Hình 3.1 Máy phân tích kích thước hạt Camsizer X2
Hình 3.2 Biểu đồ phân bố kích thước hạt theo thể tích Trong Hình 3.2 biểu diễn phân bố kích thước hạt theo thể tích Chất lượng bột phun ở mức khá, có 90% hạt có kích thước dưới 44,3 μm Hạt có kích thước >45 μm chiếm đến 8,25 % Ảnh SEM của các loại bột thực hiện trong nghiên cứu thể hiện ở Hình 3.3 và Hình 3.4 Ảnh SEM cho thấy các hạt có dạng cầu tròn, tuy nhiên hệ số cầu tròn không cao, sẽ ảnh hưởng ít nhiều đến chất lượng lớp phủ do các ảnh hưởng của khí động học của hạt trong quá trình phun
Hình 3.3 Ảnh SEM của bột NiCrBSi
Hình 3.4 Ảnh SEM của bột WC-10Ni Kết quả phân tích EDS của các bột được trình bày ở Hình 3.5 và Hình 3.6 Kết quả phân tích cho thấy các bột có thành phần khá tương đồng với thông tin do nhà sản xuất cung cấp
Hình 3.5 Kết quả phân tích EDS bột NiCrBSi
Hình 3.6 Kết quả phân tích EDS bột WC-10Ni Kết quả phân tích XRD Hình 3.7 của bột NiCrBSi các đỉnh của biểu đồ cho thấy sự hiện diện của Ni là pha chính Ni3B được phát hiện là pha có cường độ trung bình Các đỉnh của Cr2B, Cr7C3, Cr23C6, Cr3Si cũng có thể nhìn thấy trong biểu đồ
Hình 3.7 XRD của bột NiCrBSi
Giản đồ pha XRD của bột WC-10Ni thể hiện ở Hình 3.8 Kết quả phân tích cho thấy, bột được cấu tạo từ các đỉnh (peak) chính WC và các đỉnh phụ Ni
Hình 3.8 XRD của bột WC-10Ni
Súng phun HVOF [17] được làm mát bằng nước (hybrid), cho phép tạo ra tạo ra vận tốc hạt cao, tối ưu chất lượng lớp phủ Cấu tạo súng phun được thể hiện ở Hình 3.9
Hình 3.9 Cấu tạo súng phun HVOF sử dụng trong luận văn
Thực nghiệm phun phủ
3.2.1 Chuẩn bị mẫu phun phủ
Các thí nghiệm phun phủ được thực hiện trên mẫu thép C45, bản vẽ mẫu thực nghiệm, hình dạng mẫu thể hiện ở Hình 3.10 - Hình 3.11 Mẫu được phay 4 mặt, sử dụng máy phay CNC để phục vụ đo XRD, đo ma sát mài mòn, đo xói mòn xâm thực …
Hình 3.10 Bản vẽ chế tạo mẫu thực nghiệm
Hình 3.11 Mẫu được gia công trên máy phay CNC
Những phần cần phun phủ sẽ cần phải hoạt hóa bề mặt (HHBM) để đạt độ nhám Ra từ 6,5÷7,0 μm trở lên để tạo điều kiện cho lớp phủ bám dính tốt vào vật liệu nền Có một số kỹ thuật HHBM được thế giới áp dụng, như phun cát, tạo ren, phun tia nước áp lực cao và hoạt hóa bằng laser Trong luận văn này sử dụng phương pháp thứ nhất Mẫu sau hoạt hóa bề mặt thể hiện ở Hình 3.12.
Hình 3.12 Hình ảnh bề mặt sau HHBM Nguyên liệu sử dụng để HHBM thường được sử dụng nhất trong CN PPN là oxit nhôm alumina Thông thường, là alumina + 3% oxit titan, được gọi là oxit nhôm nâu, alumina “nâu” Titan được thêm vào nhằm tăng độ dẻo dai cho hạt phun Alumina có khả năng cắt tốt, sắc cạnh kể cả sau vỡ, trơ về mặt hóa học và có khả năng chịu nhiệt độ cao
3.2.2 Chuẩn bị bột phun phủ
H Guo và cộng sự [8] đã nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng WC-Co đến cấu trúc tế vi và cơ tính của lớp phủ NiCrBSi chế tạo bằng phương pháp phun plasma siêu âm Kết quả nghiên cứu cho thấy, các tính chất cơ học của lớp phủ khi phun được cải thiện đáng kể bằng cách bổ sung WC-Co, với tỉ lệ WC-Co là 5, 10,
Ngoài ra Costel-Relu Ciubotariu và cộng sự [12] nghiên cứu về các tính chất chống xói mòn và ăn mòn của lớp phủ composite NiCrBSi/WC-12Co bằng phun ngọn lửa khí cháy Kết quả cho thấy việc tăng tỉ lệ phối trộn WC-Co đã dẫn đến sự suy giảm tính chất của lớp phủ này Hơn nữa, tính chất ăn mòn của lớp phủ composite này cũng bị ảnh hưởng tiêu cực, điều này được xác nhận bởi sự gia tăng của giá trị mật độ dòng ăn mòn
Phân tích danh mục bột của các nhà sản xuất cũng như các nghiên cứu cho thấy tỉ lệ bột/hạt gia cường thường giới hạn đến 30% khi trộn với NiCrBSi, do đó trong luận văn này sẽ giới hạn phối trộn tối đa 30%, và các tỉ lệ phối trộn WC-10Ni/NiCrBSi 10%, 20% và 30% khối lượng sẽ được lựa chọn khảo sát Ngoài ra, các thuộc tính của lớp phủ NiCrBSi, WC-10Ni riêng rẽ cũng được đưa vào nghiên cứu khảo sát Để thuận tiện cho việc ghi chép và trích dẫn, tên của các lớp phủ được viết tắt trong Bảng 3.1
Bảng 3.1 Tên viết tắt các lớp phủ
STT Thành phần lớp phủ Tên viết tắt
Bột cần được cân chính xác theo tỉ lệ xác định trước khi phối trộn Hình 3.13
Hình 3.13 Quá trình cân khối lượng bột Sau khi cân xong, bột được trộn đều theo tỉ lệ cho trước Máy nghiền bi 2 tầng Ball Mill SH Scientific được sử dụng để phối trộn, tốc độ quay 312 vòng/phút, thời gian trộn 30 phút (Hình 3.14)
Hình 3.14 Máy trộn bột Ball Mill SH Scien
Bề mặt mẫu sau khi được làm sạch bằng axeton, thực hiện HHBM và tiến hành chế tạo các lớp phủ
Các thông số phun phủ thể hiện trong Bảng 3.2 được chọn dựa trên catalog của súng phun cùng loại và thực nghiệm phun phủ thăm dò để chọn ra bộ thông số phun chung cho toàn bộ các lớp phủ
Bảng 3.2 Thông số công nghệ chế tạo lớp phủ
Lưu lượng oxy (lít/phút) 130
Lưu lượng LPG (lít/phút) 40
Tốc độ cấp bột (g/phút) 35-45
Tốc độ bề mặt mẫu phun (mm/s) 630 Tốc độ chuyển động giữa súng phun và mẫu phun (mm/s) 3
Mẫu sau khi hoạt hóa được gá lên máy tiện, thiết lập tốc độ quay của mẫu 200 vòng/phút (Hình 3.15) Chuẩn bị hệ thống phun, hệ thống điều khiển chuyển động, khởi động sỳng phun và phun mẫu đạt độ dày khoảng 300 àm (Hỡnh 3.16)
Hình 3.15 Gá mẫu trên máy tiện và điều chỉnh khoảng cách phun
Hình 3.16 Phun phủ HVOF lên mẫu thực nghiệm Chiều dày lớp phủ được đo bằng thước cặp điện tử và thiết bị đo độ dày lớp phủ DeFelsko PosiTector 6000 FNS3 (Hình 3.17) cho đến khi lớp phủ đủ độ dày yêu cầu
Hình 3.17 Đo chiều dày lớp phủ bằng thiết bị DeFelsko PosiTector 6000 FNS3 Trong quá trình phun cần kiểm soát nhiệt độ của mẫu không vượt quá 200ºC (Hình 3.18), nếu quá nhiệt cần tạm dừng phun, chờ nguội và phun tiếp để tránh ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ Thiết bị đo nhiệt độ hồng ngoại Fluke 62 Max + được sử dụng để kiểm soát nhiệt độ mẫu trong quá trình đo
Hình 3.18 Theo dõi nhiệt độ của mẫu trong quá trình phun
Chuẩn bị mẫu đánh giá chất lượng lớp phủ
Mẫu sau phun phủ được cắt ra thành các phần nhỏ hơn để chế tạo mẫu đánh giá chất lượng lớp phủ như trong Hình 3.19
Hình 3.19 Cắt mẫu trên máy cắt dây Để phân tích mặt cắt ngang của mẫu, các mẫu nhỏ phía trên còn được được cắt nhỏ hơn bằng đĩa SiC trên máy cắt mẫu kim tương Leco MSX 205 M2 (Hình 3.20)
Hình 3.20 Máy cắt Leco MSX 205 M2
Sau đó các mẫu này được đúc trên máy đúc mẫu nóng XQ-2B để tạo mẫu kim tương, đường kính mẫu 30 mm (Hình 3.21)
Hình 3.21 Máy đúc mẫu nóng XQ-2B Các mẫu được gá vào bộ gá mẫu, sau đó được mài và đánh bóng bán tự động trên thiết bị Leco Spectrum System® 1000, sử dụng giấy mài SiC với các cỡ hạt 80,
120, 320, 600, 1000, 1200, 1500, 2000 grit Mẫu được đánh bóng sử dụng bột kim cương nhõn tạo, kớch thước hạt 0,5 àm (Hỡnh 3.22)
Hình 3.22 Thiết bị mài và đánh bóng mẫu Leco Spectrum System® 1000
Phương pháp đánh giá chất lượng lớp phủ
Hình thái học SEM được nghiên cứu với kính hiển vi điện tử quét JEOL JSM- IT200 tại Trung tâm Công nghệ Việt Đức – HUFI (Hình 3.23) Thiết bị được sử dụng để đánh giá vật liệu phủ, cấu trúc lớp phủ, khảo sát các hợp chất oxit, các hạt không nóng chảy và các lỗ xốp, cũng như đánh giá vết mòn sau thử nghiệm ma sát mài mòn để tìm hiểu cơ chế mòn
Hình 3.23 Kính hiển vi điện tử quét JEOL JSM-IT200 Nguyên tắc hoạt động của thiết bị SEM là sử dụng một chùm electron được tập trung trong chân không vào một đầu dò và truyền qua bề mặt mẫu Chân không được tạo ra bởi bơm khuyếch tán và súng điện tử tạo ra nguồn electron Khi các electron chạm và xuyên qua bề mặt mẫu, một số tương tác sẽ diễn ra và dẫn đến phát xạ electron hoặc phát xạ photon từ bề mặt Mỗi điểm phát xạ xảy ra bởi chùm electron được ánh xạ lên một điểm tương ứng trên màn hình, tập hợp vô số điểm cung cấp hình ảnh bề mặt của mẫu thử nghiệm
Các thiết bị SEM nói trên còn được tích hợp thêm mô đun phổ tán xạ năng lượng EDS, được sử dụng để định tính và định lượng nguyên tố của bột phun và lớp phủ Ảnh SEM và EDS được chụp với năng lượng chùm điện tử là 10 và 15 keV
Phương pháp nhiễu xạ được sử dụng rộng rãi để xác định cấu trúc tinh thể nhờ chùm tia X song song hẹp, đơn sắc, chiếu vào mẫu Mẫu được quay và quay đầu thu chùm nhiễu xạ trên đường tròn đồng tâm, ghi lại cường độ chùm tia phản xạ và ghi phổ nhiễu xạ bậc 1 (n = 1) Phổ nhiễu xạ sẽ là sự phụ thuộc của cường độ nhiễu xạ vào 2 lần góc nhiễu xạ (2θ) Đối với các mẫu màng mỏng, tia X được chiếu tới dưới góc rất hẹp Để tăng chiều dài tia X tương tác với màng mỏng, giữ cố định mẫu và chỉ quay đầu thu Phương pháp nhiễu xạ bột cho phép xác định thành phần pha của vật liệu
Máy đo nhiễu xạ Brukerr D2 Phaser (Hình 3.24) trang bị phần mềm DIFFRAC.EVA đã được sử dụng để tiến hành phân tích XRD của bột phun và lớp phủ sau phun HVOF Phân tích được thực hiện với bức xạ Cu Kα và bộ lọc niken ở
10 mA dưới hiệu điện thế 30 kV Góc 2 quét từ 5 đến 80 Mỗi 0,02 lấy tín hiệu
Hình 3.24 Thiết bị đo XRD Bruker D2 Phaser
Tiến hành đo các thông số độ nhám bề mặt lớp phủ sau phun, cũng như sau mài và đánh bóng theo tiêu chuẩn ISO 4288-1996 [18], chiều dài lấy mẫu 10 mm, chiều dài cut-off 2,5 mm Giá trị Ra là giá trị trung bình của năm vị trí khác nhau trên mẫu Sử dụng thiết bị Mitutoyo SJ-410 (Hình 3.25) tại Chi nhánh Phía Nam/Trung tâm Nhiệt đới Việt Nga Mẫu được làm sạch bề mặt trước khi đo
Hình 3.25 Đo độ nhám lớp phủ trên máy Mitutoyo SJ-410
3.4.4 Độ xốp Độ xốp của lớp phủ thực chất là phần trăm thể tích của các lỗ rỗng trên thể tích lớp phủ Tuy nhiên, việc đánh giá độ xốp thông qua phương pháp phần trăm thể tích gặp khá nhiều khó khăn Do đó người ta đã đưa ra phương pháp đánh giá độ xốp lớp phủ thông qua ảnh kim tương của mặt cắt ngang lớp phủ theo phương chiều dày Độ xốp được tính bằng tỷ lệ phần trăm diện tích của các lỗ rỗng chiếm trên ảnh so với toàn bộ diện tích của ảnh kim tương đang xét Tỷ lệ phóng đại của ảnh thông thường là 100 hoặc 200 lần Độ chính xác của phép đo có thể được đảm bảo nhờ việc thực hiện xác định giá trị độ xốp trên nhiều ảnh ở các vị trí khác nhau bằng các phần mềm tính toán chuyên dụng Trong luận văn này độ xốp của lớp phủ được đánh giá theo tiêu chuẩn ASTM E2109 – 2014 [19] Ví dụ độ xốp 1%, 5% và 10% trong Hình 3.26 của lớp phủ phun nhiệt, đây là các ảnh đối chứng trong tiêu chuẩn ASTM E2109 Các hình ảnh lớp phủ được in ra và so sánh với ảnh chụp mẫu đối chứng để đánh giá tỉ lệ xốp Trong phạm vi luận văn, tôi sử dụng kính hiển vi quang học Leica DMi8M, phần mềm phân tích hình ảnh SIAMS 700 - SIAMS Ltd tại Phòng ĐBNĐ/Trung tâm Nhiệt đới Việt Nga/CN Phía Nam để đánh giá độ xốp lớp phủ
NOTE 1—V = void, O = oxide, L = linear detachment
Hình 3.27 Lớp phủ Ni/Al [19]
NOTE 1—V = void, G = embedded grit, L = linear detachment
Khi sử dụng các phương pháp đánh giá độ xốp, người đánh giá phải quen thuộc với các đặc điểm trực quan của lớp phủ phun nhiệt và có thể xác định sự khác biệt giữa lỗ xốp và oxit (Hình 3.27) Người đánh giá phải phân biệt được các loại dị vật có thể được tạo ra trong quá trình phun cát và chuẩn bị mẫu (Hình 3.28), để kết quả báo cáo được chính xác Nếu có nghi ngờ về tính toàn vẹn của việc chuẩn bị mẫu thì có thể sử dụng các phương tiện khác để xác nhận các đặc điểm cấu trúc vi mô, ví dụ sử dụng phổ EDS Độ xốp của lớp phủ PPN bao gồm các khoảng trống gián đoạn (void) và các đường phân tách (linear detachment) giữa các tấm (splat), hạt nóng chảy Trong đó, các đường phân tách là các vùng trong lớp phủ phun nhiệt, nằm giữa hai tấm vật liệu lắng đọng thành công, tiếp giáp nhau và không có liên kết cơ học giữa chúng
Ví dụ trình tự các bước xác định độ xốp lớp phủ NiCrBSi (Hình 3.29), độ xốp
⁓2%) thực hiện bằng phần mềm SIAMS 700 được thể hiện ở Hình 3.30 Độ xốp của lớp phủ là giá trị trung bình độ xốp của 5 vị trí mặt cắt ngang lớp phủ Ưu điểm của phần mềm SIAMS 700 là trực quan, có thể xây dựng quy trình xử lý tự động, xây dựng thuật toán trước, và sau đó chỉ cần thay thế hình ảnh gốc phần mềm sẽ tự động xử lý các tính toán phía sau mà không cần phải lặp lại các thao tác đã thực hiện như đối với các mẫu trước đó Trong mỗi bước tính cho phép người sử dụng hiệu chỉnh các thông số để phần mềm nhận diện các lỗ xốp tốt hơn
Hình 3.29 Lớp phủ NiCrBSi dùng để đánh giá độ xốp
Hình 3.30 Tính toán độ xốp bằng phần mềm SIAMS 700
3.4.5 Độ cứng tế vi Đo đo cứng Vickers theo tiêu chuẩn ISO 6507:2005 [20] trên thiết bị HV- 1000ZDT (Hình 3.32) tại CN Phía Nam/Trung tâm Nhiệt đới Việt Nga
Hình 3.31 Vết đâm đo độ cứng Vickers
Giá trị độ cứng Vickers được tính theo công thức HV = 0,1891 F d 2 , trong đó d là trung bình độ dài của hai đường chéo vết đâm (mm) (Hình 3.31) Lực đo 300 gf, thời gian giữ tải 10 giây Giá trị độ cứng của mẫu là trung bình của 5 lần đo dọc theo phương chiều dày lớp phủ trên mẫu đó
Hình 3.32 Thiết bị HV-1000ZDT
3.4.6 Đặc tính chống xói mòn xâm thực
Xói mòn xâm thực thực chất là hiện tượng xuất hiện các bọt khí trong chất lỏng, gây ra hư hỏng bề mặt vật liệu Đây là hệ quả từ sự thay đổi áp suất nhanh chóng trong chất lỏng Khi chất lỏng chịu sự thay đổi về áp suất trong thời gian ngắn, chúng hình thành các bọt khí tại nơi có áp suất tương đối thấp Khi chịu áp lực cao, các bọt khí sẽ nổ tung ra, tạo thành sóng xung kích cực mạnh Cường độ sóng xung kích mạnh tại các điểm gần vị trí bong bóng khí bị nổ và nhanh chóng yếu đi khi chúng lan truyền ra xa Việc hình thành rồi vỡ tung của bọt khí diễn ra lặp đi lặp lại sẽ gây ảnh hưởng lớn đến bề mặt kim loại Về lâu dài, chúng gây ra sự hao mòn, hỏng hóc, phá hủy dần bề mặt của các chi tiết như cánh quạt máy bơm, thân máy bơm, van bi, bạc trượt trục khuỷu Ví dụ Hình 3.33 thể hiện hình ảnh cánh bơm ly tâm bị hỏng do bị xói mòn xâm thực
Hình 3.33 Cánh bơm ly tâm bị xói mòn xâm thực
Hình 3.34 Hình ảnh bố trí thí nghiệm đo xói mòn xâm thực Đánh giá khả năng chống xói mòn xâm thực của vật liệu trong phòng thí nghiệm có thể được thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM G32 [21] Phương pháp thực hiện trong luận văn là phương pháp đánh giá gián tiếp, sơ đồ bố trí thí nghiệm thể hiện trong Hình 3.35 Thiết bị rung siêu âm Sonics Vibracell VCX 750, Sonics & Materials, Inc (Hình 3.34) được sử dụng để tạo môi trường xâm thực [22] Mẫu thử được cố định trong bình chứa, dung dịch nước cất, chiều sâu mực nước 100 mm, chiều sâu bề mặt mẫu thử trong nước cất là 14 mm Khoảng cách từ đầu dò (tip) đến bề mặt mẫu thử nghiệm là 0,6 mm
Hình 3.35 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xói mòn xâm thực Các mẫu trong Hình 3.36, sử dụng để đo xói mòn xâm thực được cắt dây từ mẫu sau phun phủ, bề mặt lớp phủ khi thử nghiệm là bề mặt sau phun, chưa trải qua mài hay đánh bóng
Hình 3.36 Mẫu sử dụng để đo xói mòn xâm thực
Các dao động siêu âm dọc được tạo ra bởi tinh thể áp điện (piezoelectric) trong bộ biến đổi được khuếch đại bởi đầu dò (horn tip) và truyền vào chất lỏng dưới dạng sóng siêu âm gồm sự mở rộng và thu hẹp xen kẽ Sự dao động của áp suất kéo các phân tử chất lỏng ra xa nhau tạo ra các bong bóng nhỏ (lỗ trống), mở rộng trong quá trình tạo áp suất âm và phá vỡ mạnh mẽ trong quá trình áp suất dương Khi các bong bóng bị phá vỡ, cùng với tiếng nổ, tạo ra hàng triệu sóng xung kích, xoáy nước và các biến đổi cực đoan (extreme) của áp suất và nhiệt độ được tạo ra tại vị trí vỡ, gây ra các tia nước nhỏ đập vào bề mặt mẫu thử, làm xói mòn vật liệu
Các mẫu được cân trước và sau khi thử nghiệm (Hình 3.37) Xói mòn do đầu dò tạo ra với chu kỳ 60 giây bật và nghỉ trong 60 giây, đầu dò rung ở tần số 20 kHz, biờn độ dao động 23 àm, nhiệt độ chất lỏng được duy trỡ ở 25 ºC nhờ chiller làm mát, áp suất khí quyển Sau mỗi 4 giờ thử nghiệm, mẫu được lấy ra và làm sạch trong bể rửa siêu âm Elma S100H trong Hình 3.38
Hình 3.37 Cân mẫu trước và sau khi xói mòn xâm thực
Hình 3.38 Bể rửa siêu âm Elma S100H
Kết luận chương 3
Trong chương này đã lựa chọn được vật liệu chế tạo lớp phủ, gồm 05 lớp phủ (100%NiCrBSi, 90%NiCrBSi + 10%WC-10Ni, 80%NiCrBSi + 20%WC-10Ni và 70%NiCrBSi + 30%WC-10Ni, 100%WC-10Ni) Ngoài ra thông số công nghệ chế tạo lớp phủ, phương pháp chuẩn bị mẫu phun và mẫu đánh giá chất lượng lớp phủ cũng được mô tả trong chương này Đặc tính của bột trước khi phun sẽ được đánh giá trên các thiết bị phân tích hình thái hạt Camsizer X2, kính hiển vi điện tử quét SEM/EDS JEOL JSM-IT200, máy đo nhiễu xạ XRD Bruker D2 Phaser Sau khi phun phủ các đặc tính khác của lớp phủ cũng sẽ được khảo sát như đo độ nhám lớp phủ trên thiết bị Mitutoyo SJ-
410, cấu trúc tế vi sử dụng kính hiển vi quang học Leica DMi8M, độ cứng tế vi sử dùng thiết bị HV-1000ZDT, đo ma sát mài mòn trên thiết bị Tribometer - CETR - UMT-3, đo xói mòn xâm thực trên Sonics Vibracell VCX 750…
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN
SEM / EDS
4.1.1 SEM / EDS của lớp phủ NiCrBSi
Hình thái bề mặt lớp phủ HVOF NiCrBSi được thể hiện trong Hình 4.1a, lớp phủ có màu trắng bạc Bề mặt sau phủ quan sát thấy một số lượng lớn hạt dạng cầu tròn trên bề mặt Bề mặt lớp phủ NiCrBSi phun HVOF có hình thái bề mặt giống như vảy nước (Hình 4.1a), dạng thường gặp khi động năng hạt kim loại nóng chảy cao
Hình 4.1 Hình thái bề mặt và EDS (% khối lượng) NiCrBSi sau phun
Một số khoảng trống đã được nhìn thấy ở bề mặt của lớp phủ, những vị trí này có thể sẽ hình thành lỗ xốp nếu quá trình lắng đọng tiếp theo không thể lấp đầy chúng Phân tích EDS chỉ ra sự hiện diện không đầy đủ của Ni, Cr, Si, B và không đồng đều trong các điểm trên bề mặt của lớp phủ, cùng với sự hiện diện của một lượng đáng kể nguyên tố oxy tại một số điểm, điều này cho thấy khả năng hình thành các oxit trong cấu trúc lớp phủ (Hình 4.1b)
Bảng 4.1 Thành phần hóa học bề mặt của lớp phủ của các điểm Hình 4.1b Điểm Nguyên tố, % khối lượng
Hình 4.2 Kết quả phân tích EDS scan line mặt cắt ngang lớp phủ NiCrBSi
Kết quả phân tích SEM/EDS theo đường (scan line) và theo các pha trên mặt cắt ngang lớp phủ NiCrBSi thể hiện ở Hình 4.2, Hình 4.3 và Bảng 4.2
Hình 4.3 Phân tích EDS một số pha trong mặt cắt ngang lớp phủ NiCrBSi
Bảng 4.2 Thành phần lớp phủ của các điểm được phân tích trong Hình 4.3 Điểm Nguyên tố, % khối lượng
4.1.1 SEM / EDS của lớp phủ WC-10Ni
Hình 4.4 Kết quả phân tích scan line mặt cắt ngang EDS lớp phủ WC-10Ni
Hình 4.5 Phân tích EDS một số pha trong lớp phủ WC-10Ni
Bảng 4.3 Thành phần lớp phủ của các điểm được phân tích trong Hình 4.5 Điểm Nguyên tố, % khối lượng
Kết quả phân tích EDS một số pha trong lớp phủ cho thấy lớp phủ có sự xuất hiện của các nguyên tố W, Ni, O, C Hàm lượng nguyên tố O đáng kể tại các điểm Spc_002, Spc_003, Spc_006 cho thấy tại các vị trí này trong quá trình phun đã bị oxy hóa Các pha sẫm màu là nền kết dính Ni (Spc_001, Spc_004)
4.1.2 SEM / EDS của các lớp phủ Ni10W, Ni20W, Ni30W
Hình 4.6 Kết quả phân tích EDS scan line mặt cắt ngang lớp phủ Ni10W
Hình 4.7 Phân tích EDS một số pha trong lớp phủ Ni10W Bảng 4.4 Thành phần lớp phủ của các điểm được phân tích trong Hình 4.7 Điểm Nguyên tố, % khối lượng
Spc_001 3,83±0,05 2,11±0,04 0,51±0,03 2,43±0,09 - 90,81±3,13 0,32±0,29 Spc_002 2,36±0,03 2,79±0,04 5,30±0,08 0,37±0,03 0,12±0,14 15,7±1,24 73,36±0,67 Spc_003 3,05±0,03 9,25±0,08 0,32±0,03 0,51±0,10 0,2±0,15 2,87±0,78 83,79±0,69 Spc_004 6,09±0,07 27,1±0,16 39,69±0,31 1,41±0,09 16±0,67 9,48±1,56 0,23±0,32 Spc_005 2,17±0,03 2,67±0,04 2,59±0,05 0±0,09 0,1±0,13 9,98±1,02 82,48±0,67 Spc_006 4,05±0,06 2,61±0,05 0,98±0,04 2,9±0,1 0,06±0,14 89,38±3,16 0,01±0,29
Kết quả phân tích EDS một số pha trong lớp phủ cho thấy lớp phủ có sự xuất hiện đầy đủ của các nguyên tố W, Ni, Cr, Si, O, C, B Hàm lượng nguyên tố O đáng kể tại các điểm Spc_002, Spc_004 cho thấy tại các vị trí này trong quá trình phun đã bị oxy hóa, hình thành oxit trong cấu trúc lớp phủ Ni có màu xám đậm, các hạt WC có thể dễ dàng nhận biết bởi màu sắc khác biệt (màu trắng) và hình dạng góc cạnh; các hạt WC giữ nguyên hình dạng giống như trong bột ban đầu Trong quá trình phun phủ, vật liệu đầu vào bắt đầu chảy khi nhiệt độ đạt đến điểm nóng chảy của nó, điều này có nghĩa là nhiệt độ nóng chảy của NiCrBSi đã đạt được trước do có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn, nhưng các hạt WC-10Ni chưa hoàn toàn chảy
Phân tích ảnh SEM cho thấy, các vùng vật liệu WC-10Ni phân bố không đồng nhất bên trong lớp phủ, mà phân bố thành từng cụm rời rạc, các vùng rỗ xốp tập trung chủ yếu tại những vùng ranh giới giữa NiCrBSi và WC-10Ni Kết quả phân tích line scan EDS của các tỉ lệ phối trộn khác thể hiện ở Hình 4.8 và Hình 4.9
Hình 4.8 Kết quả phân tích EDS scan line mặt cắt ngang lớp phủ Ni20W
Hình 4.9 Kết quả phân tích EDS scan line mặt cắt ngang lớp phủ Ni30W
XRD
Sử dụng phần mềm phân tích X'Pert HighScore Plus, version 3.0 (3.0.0), cơ sở dữ liệu cấu trúc tinh thể mở (Crystallography Open Database-COD) COD2021 Kết quả phân tích XRD thể hiện ở Hình 4.10
Hình 4.10 Kết quả phân tích XRD Phân tích XRD của lớp phủ NiCrBSi cho thấy thành phần pha trước và sau phun phủ ít có sự thay đổi Các đỉnh của biểu đồ cho thấy sự hiện diện của Ni là pha chính Ni3B được phát hiện là pha có cường độ trung bình Các đỉnh của Cr2B,
Cr7C3, Cr23C6, Cr3Si cũng có thể nhìn thấy trong biểu đồ Các tác giả [24] [25] [26] tiết lộ sự hiện diện của Ni là pha chính trong lớp phủ cùng với các pha Ni2Si, CrB,
Cr2B, NiB và Cr3C7 Hơn nữa, các nhà nghiên cứu cũng cho rằng các pha borid và cacbit là pha tăng cường của lớp phủ
Biểu đồ XRD của lớp phủ WC-10Ni sau phun phủ ít có sự thay đổi, bên cạnh sự xuất hiện thêm các đỉnh phụ W2C do hiện tượng thoát cacbon từ các hạt gia cường WC Đối với các lớp phủ phối trộn, giản đồ XRD là sự kết hợp của 2 giản đồ vật liệu ban đầu Sự tăng giảm cường độ các đỉnh chủ yếu lên quan đến tỉ lệ phần trăm khối lượng bột phối trộn.
Độ nhám
Độ nhám bề mặt lớp phủ là một tham số tham khảo không nên bỏ qua khi đánh giá chất lượng lớp phủ Giá trị độ nhám bề mặt lớp phủ sau phun phụ thuộc chủ yếu vào thiết bị phun, các thông số công nghệ phun phủ và kích thước vật liệu phun Các mẫu sau phun phủ được đo độ nhám 5 lần và tính giá trị trung bình Kết quả đo được trình bày trong Bảng 4.5 Phân tích số liệu cho thấy, độ nhám lớp phủ tăng khi tăng tỉ lệ phối trộn bột WC-10Ni, ngoại trừ lớp phủ Ni20W cho giá trị độ nhám thấp hơn 2 lớp phủ còn lại Độ nhám bề mặt thấp được dự đoán sẽ cho ta lớp phủ có các đặc tính tốt hơn Đồ thị biên dạng độ nhám bề mặt lớp phủ NiCrBSi sau phun được thể hiện như trong Hình 4.11
Hình 4.11 Đồ thị biên dạng độ nhám bề mặt lớp phủ NiCrBSi sau phun
Bảng 4.5 Giá trị độ nhám của các lớp phủ sau phun
Lớp phủ Độ nhỏm Ra (àm)
Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 4 Lần 5 Trung bình
Độ xốp
Sau khi phân tách được các lỗ xốp, phần mềm sẽ tính toán tỉ lệ lỗ xốp trên toàn bộ diện tích Ví dụ kết quả phân tách lỗ xốp và giá trị độ xốp của lớp phủ Ni10W thể hiện ở Bảng 4.6
Bảng 4.6 Kết quả đánh giá độ xốp lớp phủ Ni10W
TT Cấu trúc tế vi lớp phủ Phân tách các lỗ xốp Độ xốp
Cách làm tương tự được thực hiện cho 4 lớp phủ còn lại và được tổng hợp trong Bảng 4.7
Bảng 4.7 Kết quả đánh giá độ xốp các lớp phủ
Lớp phủ Kết quả các lần đo Độ xốp trung bình
(%) Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 4 Lần 5
Dựa trên bảng số liệu Bảng 4.7 có thể thấy độ xốp của lớp phủ Ni (NiCrBSi) là thấp nhất Khi trộn WC-10Ni với NiCrBSi với các tỉ lệ khối lượng khác nhau thì độ xốp các lớp phủ có xu hướng tăng lên Lớp phủ WC-10Ni có độ xốp cao nhất, do đó, khi trộn nó với lớp phủ NiCrBSi có độ xốp ít hơn, lớp phủ nhận được sẽ có xu hướng tăng độ xốp so với lớp phủ NiCrBSi ban đầu Tuy nhiên, kết quả phân tích cấu trúc tế vi cho thấy lớp phủ Ni20W có độ xốp thấp hơn 2 lớp phủ phối trộn còn lại, điều này tương đồng với giá trị độ nhám bề mặt lớp phủ đo được Độ xốp lớp phủ thấp dự đoán sẽ làm tăng các tính chất khác của lớp phủ như độ cứng, khả năng chống xói mòn xâm thực…
Độ cứng tế vi
Bảng kết quả đo giá trị độ cứng của các lớp phủ trình bày ở Bảng 4.8 Khi trộn bột WC-10Ni có độ cứng cao vào lớp phủ có độ cứng thấp hơn (NiCrBSi) thì 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 nhất vì có độ xốp thấp hơn
Bảng 4.8 Giá trị độ cứng của các lớp phủ
Kết quả các lần đo Trung bình độ cứng
(HV0,3) Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 4 Lần 5
Đặc tính chống xói mòn xâm thực
Khối lượng mẫu của 5 lớp phủ khi thử nghiệm xói mòn xâm thực sau 4, 8, 12 và 16 giờ thử nghiệm được ghi lại trong Bảng 4.9 Khối lượng vật liệu mất mát sau mỗi 4 giờ thử nghiệm - m được tính toán để xây dụng biểu đồ thay đổi khối lượng xói mòn qua các lần đo (Hình 4.12)
Bảng 4.9 Kết quả đo khối lượng mẫu qua các lần thử nghiệm xói mòn xâm thực
Lớp phủ Ni Ni10W Ni20W Ni30W W
Hình 4.12 Biểu đồ khối lượng xói mòn qua các lần đo Phân tích biểu đồ Hình 4.12 cho thấy, tốc độ xói mòn của lớp phủ WC-10Ni là cao nhất, sau 16 giờ thử nghiệm nó có xu hướng giảm nhẹ Sau khoảng 12 giờ thử nghiệm, tốc độ xói mòn của bốn lớp phủ Ni, Ni10W, N20W, Ni30W đi vào ổn định Khi trộn WC-10Ni với NiCrBSi với các tỉ lệ khác nhau, tốc độ xói mòn có xu hướng tăng khi tăng tỉ lệ phối trộn Tốc độ xói mòn phụ thuộc nhiều yếu tố liên quan đến trạng thái bề mặt, cấu tạo pha vật liệu và liên kết giữa các pha Cấu trúc mịn hơn và độ xốp thấp hơn, dẫn đến giảm tổn thất vật liệu của lớp phủ và do đó, giảm thiệt hại do xâm thực Lớp phủ có các hạt gia cường WC liên kết với nền kết dính Ni tốt sẽ giúp giảm sự bong tróc của các hạt do xói mòn [5] Trong các thí nghiệm xói mòn xâm thực đã thực hiện, kết hợp khảo sát cấu trúc mặt cắt ngang lớp phủ trên SEM, cho thấy, vật liệu WC-10Ni pha trộn vào lớp phủ không thực sự đều trên nền NiCrBSi và độ xốp lớp phủ tập trung chủ yếu ở khu vực pha pha trộn WC- 10Ni Vật liệu bị xói mòn chủ yếu tập trung ở biên giới hạt WC và chúng bị bong tróc ra khỏi bề mặt mẫu Mẫu Ni20W có tốc độ xói mòn thấp nhất trong ba lớp phủ phối trộn, điều này lý giải do độ xốp của nó thấp hơn hai lớp phủ còn lại
Hình 4.13 Hình ảnh bề mặt Ni10W sau khi bị xói mòn Ảnh vết mòn của các mẫu đo xói mòn xâm thực có thể chụp trên các kính hiển vi điện tử quét SEM, hoặc các thiết bị 3D optical surface profiler Ngoài ra cũng có thể phân tích dựa trên các giá trị đo độ nhám Ra và Rt
Trên Hình 4.13 cho thấy hình ảnh bề mặt sau khi bị xói mòn của Ni10W Cơ chế xói mòn xâm thực có thể được giải thích như sau: xuất phát từ các điểm yếu trên bề mặt, chẳng hạn như khuyết tật, nứt, rỗ xốp, oxit, dưới tác động của áp lực cao từ sự sụp đổ của các bong bóng khí, làm các vết nứt lan truyền theo hướng ranh giới hạt và các khuyết tật khác và hình thành nguồn xói mòn Khi đó các hố xói mòn bắt đầu xuất hiện trên bề mặt lớp phủ Sự phát triển của các hố có thể dẫn đến việc loại bỏ các hạt WC lớn hơn trong lớp phủ và các cấu trúc lớp mỏng cũng bị bong tách.
Đặc tính ma sát mài mòn
Trong Hình 4.14thể hiện giá trị trung bình hệ số ma sát thu được với tải trọng
Hình 4.14 Hệ số ma sát COF của các lớp phủ dưới tải trọng 25N
Hệ số ma sát đo được trong cặp ma sát giữa bi 100Cr6 với các lớp phủ thay đổi từ 0,35 đến 0,45 Các mẫu Ni10W, Ni20W, Ni30W đều cho thấy giá trị hệ số ma sát thấp hơn lớp phủ NiCrBSi và WC-10Ni khi chưa pha trộn Hệ số ma sát trong 200 giây đầu chưa ổn định và có xu hướng tăng dần, sau 400 giây hệ số ma sát đi vào ổn định Hệ số ma sát giảm dần theo tỉ lệ tăng của hàm lượng WC-10Ni: Ni30W
