Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của lưu lượng và tốc độ chuyển động tương đối giữa đầu phun với chi tiết đến chất lượng bề mặt phun phủ bằng công nghệ phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN CHÍ BẢO NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LƯU LƯỢNG VÀ TỐC ĐỘ CHUYỂN ĐỘNG TƯƠNG ĐỐI GIỮA ĐẦU PHUN VỚI CHI TIẾT ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT PHUN PHỦ BẰNG CƠNG NGHỆ PHUN NHIỆT KHÍ TỐC ĐỘ CAO – HVOF Ngành Mã số : Kỹ thuật Cơ khí động lực : 62 52 01 16 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2017 Cơng trình hồn thành tại: Bộ mơn Máy & Thiết bị Công nghiệp - Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tập thể hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đinh Văn Chiến PGS.TS Triệu Hùng Trường Phản biện 1: PGS.TS Trần Văn Dũng Trường Đại học bách khoa Hà Nội Phản biện 2: PGS.TS Lê Thu Quý Bộ Công thương Phản biện 3: TS Tạ Ngọc Hải Tập đồn Cơng nghiệp Than - Khống sản Việt Nam Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường Họp Trường Đại học Mỏ - Địa chất Vào hồi:… giờ…, ngày tháng năm 2017 Có thể tìm hiểu luận án tại: + Thư viện Quốc gia; + Thư viện Trường Đại học Mỏ - Địa chất DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ Đinh Văn Chiến, Nguyễn Chí Bảo, Phạm Văn Liệu (2014), “Nghiên cứu độ xốp lớp phủ phun phương pháp phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, (số 1+2), tr 28-33 Phạm Văn Liệu, Đinh Văn Chiến, Nguyễn Chí Bảo (2014), “Nghiên cứu q trình cháy lưu lượng khí cơng nghệ phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF dùng để phục hồi chi tiết máy bị mòn”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, (số 7), tr 15-19 Nguyễn Chí Bảo, Đinh Văn Chiến (2016) “Nghiên cứu độ bám dính lớp phủ bột cacbua Cr3C2 – NiCr thép trục thép 40cr phương pháp phun ôxy – nhiên liệu tốc độ cao (HVOF)”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam (số12 -2016),tr 34-39 Nguyễn Chí Bảo, Đinh Văn Chiến (2016) “Nghiên cứu độ cứng lớp phủ bột cacbua Cr3C2 – NiCr thép trục thép 40cr phương pháp phun ôxy–nhiên liệu tốc độ cao(HVOF)”, Tạp chí KHCN – ĐHCN Hà nội (số 37 tháng 12 - 2016),tr 34-37 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Phun phủ nhiệt khí tốc độ cao (High Velocity Oxygen-Fuel, viết tắt HVOF) kỹ thuật phun nhiệt ứng dụng từ những năm 1980 So sánh với phun phủ nhiệt khác (Phun hồ quang điện, phun plasma, phun khí cháy, phun nổ,…), phun phủ nhiệt HVOF có đặc trưng bật mật độ, độ bền bám dính độ cứng tốt Do đó, công nghệ tạo lớp phủ sử dụng rộng rãi nhiều ngành công nghiệp mang lại hiệu kinh tế cao Hiện nay, nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt HVOF giới phát triển mạnh nhằm tạo lớp phủ kim loại hợp kim có chất lượng tốt, nâng cao tuổi thọ chi tiết máy dạng trục bị mịn cơng nghiệp Tại Việt Nam,một số sở nghiên cứu doanh nghiệp sản xuất khí đã đầu tư thiết bị phun phủ HVOF Tuy nhiên, nghiên cứu công nghệ phun nhiệt HVOF chưa nhiều Thực tế đã có số đề tài khoa học công nghệ cấp Bộ, Ngành công nghệ phun nhiệt HVOF đã thực Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu chuyên sâu ảnh hưởng lưu lượng cấp bột phun tốc độ chuyển động tương đối giữa đầu phun với chi tiết tới chất lượng lớp phủ bề mặt sau phu công nghệ HVOF Xuất phát từ lý NCS đặt vấn đề “Nghiên cứu ảnh hưởng lưu lượng tốc độ chuyển động tương đối đầu phun với chi tiết đến chất lượng bề mặt phun phủ cơng nghệ phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF” làm hướng nghiên cứu đề tài luận án Mục tiêu nghiên cứu Đưa phương pháp tính tốn xác định ảnh hưởng lưu lượng cấp bột tốc độ chuyển động tương đối giữa đầu phun với chi tiết đến chất lượng lớp phủ bột hợp kim Cr3C2-NiCr trục thép 40Cr công nghệ phun nhiệt HVOF Đối tượng phạm vi nghiên cứu * Đối tượng nghiên cứu: Bề mặt trụ thép 40Cr có kích thước 60, 70 80 kích thước đường kính 30, chiều dài 60 mm phủ lớp bột hợp kim Cr3C2-NiCr dày 0,6 mm công nghệ HVOF * Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu ảnh hưởng lưu lượng cấp bột phun (m gam/phút) tốc độ chuyển động phơi (n vịng/phút), tốc độ dịch chuyển đầu phun (S mm/vòng) đến chất lượng lớp phủ bột cacbua Cr3C2-NiCr trục thép 40Cr phương pháp phun HVOF sau: Mức thay đổi Thông số công nghệ m (gam/phút) 25 35 45 n (vòng/phút) 57 130 170 S (mm/vòng) Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm Về lý thuyết: Ứng dụng lý thuyết, tài liệu khoa học liên quan đến hình thành tính chất lớp phủ bột hợp kim thép công nghệ phun nhiệt HVOF Lý thuyết xử lý số liệu thực nghiệm, phần mềm tính tốn Về thực nghiệm: Tạo mẫu thực nghiệm, thiết kế chế tạo đồ gá, phun mẫu thực nghiệm; xác định độ xốp, độ bám dính, độ cứng lớp phủ với bề mặt thép 40Cr Tạo sở để xây dựng phương trình tốn học, đồ thị dạng 2D, 3D phản ánh mối quan hệ giữa độ xốp, độ bám dính,độ cứng với thơng số cơng nghệ (m, n S) đến chất lượng lớp phủ Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Ý nghĩa khoa học: Đã xây dựng mơ hình thí nghiệm phương pháp quy hoạch thực nghiệm để phân tích đánh giá ảnh hưởng thơng số cơng nghệ q trình phun HVOF gồm: lưu lượng cấp bột phun (m, gam/phút), tốc độ dài vết phun tâm điểm va đập chùm vật liệu phun bề mặt chi tiết hình trụ quay ( n vòng/phút hoặc Vct, mm/phút) tốc độ di chuyển đầu súng phun theo phương dọc tâm trục chi tiết phun (S mm/vịng hoặc mm/giây) đến tính chất lý lớp phủ bề mặt sau phun Đã nghiên cứu khảo sát đánh giá mẫu phun phương pháp HVOF nhận theo quy hoạch thực nghiệm tính tốn xây dựng mơ hình tốn học mơ tả quan hệ giữa thông số đầu vào hàm mục tiêu đầu gồm độ xốp lớp phủ, độ bền bám dính lớp phủ, độ cứng tế vi lớp phủ Cr3C2-NiCr với thép 40Cr Đã nghiên cứu khảo sát chụp ảnh tổ chức tế vi vật liệu lớp phủ số mẫu thí nghiệm điển hình nhận theo quy hoạch thực nghiệm, phân tích đánh giá đặc tính chúng để làm rõ ảnh hưởng thông số phun đã chọn (m, n , S) đến chất lượng lớp phủ HVOF phạm vi miền khảo sát lựa chọn luận án Ý nghĩa thực tiễn: Kết nghiên cứu làm tài liệu tham khảo việc lựa chọn công nghệ, thiết bị để phục hồi hoặc chế tạo chi tiết máy khai thác mỏ, máy công cụ nhằm đáp ứng kịp thời sản xuất, hạn chế nhập ngoại góp phần giảm giá thành sản phẩm, cải thiện đời sống người lao động Bố cục luận án Luận án gồm phần mở đầu, bốn chương phần kết luận Chương 1: Tổng quan phương pháp phun nhiệt Chương 2: Cơ sở khoa học phương pháp phun nhiệt khí động lực học trình phun HVOF Chương 3:Vật liệu, trang thiết bị, phương pháp phun xác định đặc tính lớp phủ Chương 4: Kết thực nghiệm đánh giá Luận điểm bảo vệ Bằng thực nghiệm làm rõ hình thành lớp phủ bột hợp kim Cr3C2-NiCr trục thép 40Cr liên kết giữa lớp phủ với kim loại Bằng phương pháp lý thuyết thực nghiệm đã xác định mối quan hệ ảnh hưởng thông số công nghệ (m, n S) đến độ xốp, độ bám dính hình ảnh biên giới liên kết giữa lớp phủ với kim loại sử dụng phương pháp phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF Đã đưa vùng thông số công nghệ phun (m, n S) hợp lý độ xốp lớp phủ nhỏ độ bám dính lớp phủ lớn phun phương pháp phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF: m (gam/phút) n (vịng/phút) S (mm/vòng) 35 130 Điểm luận án Xác định quy luật ảnh hưởng số thông số công nghệ phun (m, n S) đến chất lượng lớp phủ, tạo sở khoa học cho việc đánh giá ảnh hưởng thông số công nghệ đến độ xốp, độ bám dính, độ cứng lớp phủ bột hợp kim Cr3C2-NiCr trục thép 40Cr cơng nghệ phun nhiệt HVOF Có thể làm tài liệu tham khảo giảng dạy, nghiên cứu sở để lựa chọn loại vật liệu phủ kim loại khác công nghệ phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF Chương TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP PHUN NHIỆT 1.1 Công nghệ phun kim loại Công nghệ phun phủ kim loại đã kỹ sư người Thụy Sỹ tên Max Ulrich Schoop phát minh từ những năm đầu kỷ 20 Nguyên lý công nghệ dùng nguồn nhiệt (hồ quang, khí cháy, plasma) làm nóng chảy kim loại Sau đó, kim loại lỏng dòng khơng khí nén thổi mạnh làm phân tán thành hạt (sương mù) nhỏ, bắn vào bề mặt chi tiết đã chuẩn bị sẵn (làm sạch, tạo nhám) tạo lớp kim loại phủ có độ dày theo yêu cầu, đó hạt kim loại đè lên theo lớp Công nghệ phun kim loại ngày quan tâm có ý nghĩa quan trọng định đến tính chất vật liệu lớp phủ Đó tạo lớp bề mặt có khả đáp ứng điều kiện làm việc chịu mài mịn, chống ăn mịn, chịu nhiệt Cơng nghệ phun phủ kim loại sử dụng nhiều lĩnh vực với mục đích khác như: - Bảo vệ chống gỉ, chống ăn mòn - Tạo lớp dẫn điện bề mặt không dẫn điện - Phục hồi chi tiết máy bị mài mòn - Sửa chữa khuyết tật tiết kiệm kim loại quý Hiện công nghệ phun phủ kim loại nói chung phương pháp phun nhiệt nói riêng cịn so với cơng nghệ khác đã ứng dụng rộng rãi nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt khí chế tạo máy, giao thơng vận tải, dầu khí đã trở thành cơng nghệ khơng thể thiếu q trình phục hồi chi tiết bị mài mòn đó lớp phủ hình thành từ nóng chảy vật liệu 1.2 Giới thiệu phương pháp phun phủ nhiệt 1.2.1 Quá trình phun nhiệt phân loại Hình 1.1: Phân loại phương pháp phun theo nguồn nhiệt 1.2.2 Các phương pháp phun nhiệt khí Trong phun nhiệt khí người ta sử dụng hai nguồn nhiệt đó nguồn nhiệt sinh từ ơxy – khí cháy nguồn điện Vật liệu dùng để phun gồm có: dây, bột Các phương pháp phun như: phun lửa, phun hồ quang điện, phun Plasma Phương pháp ứng dụng phổ biến HVOF Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý đầu phun HVOF 1.3 Xu hướng nghiên cứu thành tựu đạt đượccủa phương pháp phun phủ HVOF 1.3.1 Trên giới Trên giới đã có nhiều nước thành lập Viện, trung tâm, hay hiệp hội để nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt Phương pháp phun HVOF đã có nhiều tác giả nghiên cứu khả hình thành lớp phủ số vật liệu ứng dụng vào điều kiện làm việc khác 1.3.2 Ở Việt Nam Ở Việt Nam, cơng nghệ phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF giai đoạn nghiên cứu, ứng dụng thành giới Kết luận chương Từ việc nghiên cứu tổng quan xu hướng nghiên cứu những thành tựu lĩnh vực phun phủ HVOF giới Việt Nam, luận án đã chọn chi tiết thép 40Cr làm thép để phủ lớp bột cacbua Cr3C2 - NiCr phương pháp HVOF làm đối tượng nghiện cứu Với mục đích xác định ảnh hưởng lưu lượng cấp bột phun chuyển động tương đối giữa đầu phun với chi tiết đến chất lượng lớp phủ phun phương pháp HVOF, giúp cho lựa chọn vùng thông số công nghệ phun hợp lý áp dụng vào thực tế nhằm đảm bảo chất lượng lớp phủ có độ xốp nhỏ nhất, độ bám dính lớn nhất, tạo sở khoa học cho việc hình thành lớp phủ đáp ứng yêu cầu kịp thời sản xuất, hạ giá thành sản phẩm hạn chế nhập ngoại phù hợp với điều kiện Việt nam Về ảnh hưởng lưu lượng phun tốc độ chuyển động tương đối giữa đầu phun chi tiết phun đến chất lượng lớp phủ chưa có tài liệu cơng trình cơng bố Chương CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA PHƯƠNG PHÁP PHUN NHIỆT KHÍ 2.1 Lý thuyết hình thành lớp phủ Trong q trình phát triển cơng nghệ phun phủ nhiệt, nhiều nhà khoa học đã xây dựng lý thuyết hình thành lớp phủ, đó lý thuyết đóng vai trò quan trọng gồm: - Lý thuyết Pospisil- Sehyl - Lý thuyết Schoop - Lý thuyết Karg, Katsch, Reininger - Lý thuyết Schenk Từ quan điểm đã mô tả thành giai đoạn đó nung nóng làm nóng chảy vật liệu phun; phân tán hình thành giọt; bay va đập giọt kim loại lỏng tới bề mặt kim loại hình 2.1 Hình 2.1.Các giai đoạn trình phun nhiệt Khi giọt kim loại lỏng bay đến va đập lên bề mặt nền, chúng bám đơng đặc, nhóm hạt, lớp hình thành lớp phủ 2.2 Quá trình phun phủ HVOF Quá trình phun HVOF kết hợp nhiệt động làm tan chảy tăng tốc hạt bột, bay tới bám vào bề mặt kim loại tạo thành lớp phủ Khí cacbon hydro (propan, propylen, acetylen) hoặc hydrơ tinh khiết dùng làm khí nhiên liệu, nhiệt độ khí cháy phụ thuộc vào việc lựa chọn khí tỷ lệ lưu lượng giữa dịng khí ơxy dịng khí nhiên liệu Vật liệu phủ, dạng bột hoặc dây cung cấp vào dịng khí nóng, bị nung nóng đến trạng thái chảy phun lên bề mặt Súng phun gồm có ba phận: vùng trộn, vùng đốt vịi phun Trong q trình hoạt động, thân súng phun làm mát khí nén hoặc nước Nhiên liệu ôxy trộn vùng trộn dẫn vào vùng đốt; sử dụng lửa mồi hoặc đầu đánh lửa để đốt cháy hỗn hợp khí Trong q trình đốt cháy, khí giãn nở tăng tốc vòi phun Bột phun tăng tốc nhờ vào luồng khí mang hút vào vùng đốt Khi hạt bột bị hút vào vùng đốt khỏi vòi phun, chúng bị nung nóng tăng tốc nhanh Do hạt bột bị phun với vận tốc lớn va đập mạnh, tạo thành lớp phủ có độ xốp thấp khả bám dính cao so với phương pháp khác 2.3 Tính chất lớp phủ HVOF Các lớp phun kim loại hợp kim phương pháp HVOF không cịn giữ ngun thành phần hóa học ban đầu chúng Dưới tính chất lớp phun Cấu trúc lớp phủ HVOF; thành phần lớp phủ phun nhiệt; lắng đọng lớp phủ đông đặc; ứng suất dư; độ cứng; độ xốp; độ bám dính 2.3.1 Cấu trúc lớp phủ Cấu trúc lớp phủ hình thành từ những khối nhỏ kim loại phủ, bồi đắp sát chồng chất lên 2.3.2 Thành phần lớp phủ phun nhiệt Trong q trình phun nhiệt, thành phần lớp phủ khác biệt với vật liệu dùng để phun phủ, phản ứng hạt nóng chảy với mơi trường khí 2.3.3 Sự lắng đọng lớp phủ Ban đầu hạt nung nóng chảy đẩy khỏi đầu phun dạng hình cầu, sau đó lần va đập với bề mặt tạo lớp mỏng bề mặt nền, đã có nhiều tác giả nghiên cứu đặc điểm hạt phun va đập 2.3.4 Ứng suất dư Quá trình tác động lên bề mặt vật liệu nền, hạt nóng chảy bị biến dạng thành lớp mỏng, nhiệt độ chúng giảm xuống đông đặc Nhiệt độ giảm mạnh tạo ứng suất dư lớp mỏng Trong trình phun HVOF, trình chuyển pha có thể tạo ứng suất dư Có hai chế tạo ứng suất dư lớp phủ là: làm nguội 2.3.5 Độ cứng Lớp phủ phun nhiệt có cấu trúc khơng đồng nhất, vật liệu lớp phủ có chứa ơxit rỗ xốp Độ cứng phụ thuộc vào nhiều yếu tố trước hết phương pháp phun phun phương pháp - điều kiện phun như: (chế độ cơng tác đầu phun, khoảng cách phun, tính chất vật lý vật liệu nền, tính chất vật liệu phun, tốc độ cấp vật liệu phun, tốc độ di chuyển đầu phun hay vật liệu nền) Điều 10 như: Tốc độ di chuyển vết phun (Vct) phụ thuộc vào số vòng quay (n)đối với chi tiết dạng trục, tốc độ chuyển động tương đối giữa súng phun với chi tiết (S)và lưu lượng cấp bột phun(m) 2.5.1 Ảnh hưởng dịch chuyển tương đối đầu phun chi tiết Để nghiên cứu ảnh hưởng dịch chuyển tương đối giữa đầu phun chi tiết, xét chuyển động hình thành lớp phủ ô tả chi tiết mặt phẳng hình 2.2a Đối với chi tiết dạng trục chuyển động chi tiết chuyển động quay tròn so với súng phun (tốc độ dịch chuyển vết phun Vct hay số vòng quay n ứng với đường kính chi tiết) hình 2.2b Hình 2.2: Mơ tả q trình chuyển động hình thành lớp phủ Đồng thời đầu phun lại chuyển động tịnh tiến theo hướng song song với tâm chi tiết (S) để kết hợp tạo thành đường xoắn bề mặt trụ chi tiết phun làm cho lớp phủ đan xen chồng chất lên tạo thành lớp phủ sau lần phun nhiều lần phun tạo độ dày lớp phủ theo mong muốn hình 2.2 e-f 2.5.2 Ảnh hưởng tham số động học phun Trên thực tế dòng hạt phun tương tác với bề mặt phủ va đập hạt bột tác động dòng hỗn hợp với tốc độ cao đã đẩy hạt bắn vào dính lại bề mặt cần phun 11 mức độ tương tác giữa dòng hạt phun với chi tiết liên quan đến thời gian dòng hỗn hợp chồng chất lên theo đơn vị thời gian dài hay ngắn phụ thuộc vào trình tạo chuyển động tương quan giữa chi tiết phun với súng phun Để khảo sát cho lớp phủ chồng chất lên theo mức độ thay đổi lần dịch chuyển ta mơ hình 2.3 với khoảng cách phun 250 mm độ chụm chùm tia phun cỡ khoảng 12mm nên chọn với tốc độ quay chi tiết thay đổi từ khoảng n = 57 đến 170 vịng/phút với đường kính chi tiết D = 60, 70, 80 mm tương đương với V = 10.7 m/phút đến 42.7 m/phút với lượng tịnh tiến súng phun khoảng 1/4, 1/2 2/3 chùm tia phun sau vòng quay chi tiết S = 3; ; mm/vịng Hình 2.3: Hình ảnh tốc độ dịng phun theo vị trí Qua sơ đồ mô ta thấy mức độ ảnh hưởng vị trí tương đối giữa súng phun với chi tiết phủ tạo cho lát phủ chồng chất lên có mật độ hạt phủ khác tiến nhanh lượng chồng chất hạt thưa tiến chậm theo chiều (S) cịn chiều dọc chọn tốc độ quay(n hoặc V) khác có dịch chuyển lớp thay đổi điều có ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ 2.5.3 Ảnh hưởng vật liệu phun lưu lượng cấp bột Tính chất bột đặc tính (hình dạng hạt, cấu trúc kích thước, mật độ bột khả năng, độ tinh khiết ) phụ thuộc vào phương pháp sản xuất bột, tức là, nghiền xay xát, nước khí phun, sấy phun, tích tụ thiêu kết Các nghiên cứu đã ý nghĩa nguyên liệu khác cho lớp phủ hình thành, đặc điểm hạt khác q trình phun (ví dụ, nhiệt độ vận tốc) Khi bột từ vật liệu tương tự, với hình thái khác phân bố kích thước khác nhau, có phun với nhiệt độ tương tự phạm vi vận tốc, lớp phủ 12 hình thành đã thể đáng kể khác biệt vài thuộc tính ví dụ như, mơ đun đàn hồi Ví dụ bột phun khác hình thái đặc điểm nguyên liệu (dạng hạt, phân bố kích thước, mật độ hóa học) có ảnh hưởng đến hình thành hiệu trình thay đổi độ dày lớp phủ Kết luận chương Qua nghiên cứu lý thuyết hình thành lớp phủ cơng nghệ phun nhiệt động lực học trình phun HVOF cho thấy: - Chất lượng lớp phủ hình thành nhờ lớp kim loại nóng chảy từ đầu súng phun phủ lớp lên bề mặt cần phun nên muốn có lớp phủ có độ xốp nhỏ, độ bám dính độ cứng cao cần phải nghiên cứu lựa chọn thông số công nghệ (m,n,s) cho hợp lý - Từ mô động lực học trình phun cho thấy để đạt chất lượng lớp phủ tốt khoảng cách từ đầu súng phun tới bề mặt cần phun khoảng 250 mm, kích thước bột phun khoảng từ 0.5 đến 20 µm - Tốc độ quay chi tiết n = 57, 130, 170 vịng/phút với đường kính mẫu phun Ф = 60, 70, 80 mm tương đương vớiVct = 10,7 – 42,7 m/phút với lượng dịch chuyển súng phun S = 3, 6, mm/vòng Đó những sở khoa học cho việc tiến hành lựa chọn vật liệu bột phun, thiết bị phun, thiết bị kiểm tra chất lượng lớp phủ thực nghiệm đánh giá kết thực nghiệm nội dung Chương VẬT LIỆU,TRANG THIẾT BỊ, PHƯƠNG PHÁP PHUN VÀ XÁC ĐỊNH ĐẶC TÍNH LỚP PHỦ 3.1 Vật liệuphun phủ 3.1.1 Vật liệu nền: Mẫu thực nghiệm thép 40Cr 3.1.2 Vật liệu bột phun Vật liệu phun bột bột cacbua Cr3C2 - NiCr cung cấp Cơng ty Sulzer Metco (Singapore) Pte Ltd., hình 3.1 để làm thí nghiệm Hình 3.1: Hình ảnh bột phun Cr3C2– NiCr 13 3.2 Thiết bị thực nghiệm 3.2.1 Thiết bị phục vụ thực nghiệm: Sử dụng máy tiện vạn hãng HAKUSAN - Nhật, để chế tạo đồ gá (trục gá), chế tạo mẫu phun dùng để gá mẫu trình phun, làm lớp bề mặt mẫu phun sử dụng máy phun hạt TSA–206 thiết bị thuộc công ty TNHH dịch vụ kỹ thuật Quang khánh – Vũng Tàu 3.2.2 Thiết bị phun Hình 3.2 Thiết bị thực nghiệm phun HVOF Thiết bị phun HVOF gồm ba phận là: bảng điều khiển MP2100; súng phun HP-2700M; phận cấp bột phun PF-3350 3.2.3 Thiết bị đánh giá tổ chức tính chất lớp phủ - Máy đo độ cứng tế vi IndentaMet 1106 (Mỹ); - Kính hiển vi quang học GX51F(Nhật); - Thiết bị máy kéo, nén TUTM (Hàn quốc); - Thiết bị hiển vi điện tử quét trường xạ FESEM (Nhật Bản) 3.3 Phương pháp đánh giá chất lượng lớp phủ 3.3.1 Phương pháp xác định độ cứng lớp phủ Độ cứng đo theo phương pháp Vicker – thang đo HV Hình 3.3 Ảnh chụp máy đo độ cứng tế vi IndentaMet 1106 Hình 3.4 Ảnh chụpkết đo độ cứnglớp phủ 14 3.3.2 Phương pháp xác định độ xốp lớp phủ Độ xốp đo theo phương pháp kim tương học Hình 3.5 Ảnh chụp kính hiển vi Kính hiển vi quang học GX51F(Nhật) đo độ xốp lớp phủ 3.3.3 Phương pháp xác định độ bám dính lớp phủ Độ bám dính kiểm tra theo phương tiếp tuyến Hình 3.6 Ảnh chụp thiết bị đo độ bám tiếp tuyến Hình 3.7 Đồ thị giá trị lực nén đo bám dính lớp phủ 3.3.4 Phương pháp chụp ảnh FE-SEM Để khảo sát phân bố tổ chức, cấu trúc tế vi vùng biên giới liên kết giữa lớp phủ bột bua Cr3C2 - NiCr thép 40Cr, mẫu chụp với nhiều mức phóng đại khác (1000-30000lần) 3.4 Quy trình phun phủ thử nghiệm Quy trình phun phủ thử nghiệm hình 3.8 3.5 Tiến hành phun phủ thực nghiệm Việc phun lớp bột bua Cr3C2 - NiCr thép 40Crbằng phương pháp phun HVOF, thực Cơng ty Quang khánhVũng tàu Q trình phun tiến hành thay đổi giá trị thông số phun lưu lượng cấp bột phun m = 25÷45g/ph; tốc độ chuyển động chi tiết n= 57÷170 vịng/phút; chuyển động súng phun s = ÷ mm/vịng 15 Chuẩn bị mẫu trước phun (Vật liệu, kích thước trạng thái bề mặt phun…) Chuẩn bị vật liệu phun, thiết bị Chuẩn bị bề mặt mẫu (Làm tạo nhám) phun Lựa chọn chế độ công nghệ Gia nhiệt Tiến hành phun Gia công khí sau phun Kiểm tra chất lượng lớp phủ Hình 3.8 Quy trình phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF Kết luận chương Từ kết nghiên cứu đã chọn vật liệu thép 40Cr bột phủ Cr3C2 – NiCr - Đã lập quy trình thử nghiệm phương pháp quy hoach thực nghiệmvới số thí nghiệm tối thiểu N = 33 = 27 mẫu Đã lựa chọn thiết bị phục vụ trình thực nghiệm như: Máy tiện vạn năng, thiết bị làm bề mặt TSA, thiết bị phun gồm súng phun HP 2700M, bảng điều khiển MP 2100, phận cấp bột phun PF 3350 - Đã lựa chọn thiết bị đánh giá chất lượng lớp phủ gồm: Kính hiển vi quang học GX51F Nhật bản, Máy kéo nén TUTM Hàn quốc, máy đo độ cứng tế vi Trên sở đó đã tiến hành thực nghiệm đưa kết thực nghiệm phun phủ tạo sở khoa học độ tin cậy cho việc đánh giá kết đưa phương pháp đánh giá độ xốp, độ bám dính độ cứng lớp phủ đáp ứng tiêu chí độp xốp nhr nhất, độ bám dínhcao với vật liệu phủ vật liệu đã chọn phù hợp với điều kiện Việt Nam Chương KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 4.1 Kết thông số sau sử dụng thiết bị đo Sau thí nghiệm đo kiểm thiết bị chuyên dùng 16 đã trình bày ta nhận kết thông số đo bảng 4.1 Bảng 4.1: Kết đo độ xốp, độ bám dính, độ cứng m n S γ τ TT Mã HV (g/phút) (v/phút) (mm/v) (%) (MPa) 000 25 57 1,55 41,810 586,40 001 25 57 2,71 39,268 582,60 002 25 57 3,22 36,665 560,70 010 25 130 1,30 44,578 648,00 011 25 130 2,37 41,541 635,00 012 25 130 3,06 38,474 645,80 020 25 170 1,32 44,348 566,00 021 25 170 2,38 42,045 564,20 022 25 170 3,10 40,436 503,20 10 100 35 57 1,46 42,575 596,10 11 101 35 57 2,59 39,891 616,10 12 102 35 57 3,17 37,383 562,40 13 110 35 130 1,25 45,753 654,70 14 111 35 130 2,26 42,715 643,60 15 112 35 130 3,01 40,961 657,00 16 120 35 170 1,36 43,495 571,50 17 121 35 170 2,45 41,719 564,20 18 122 35 170 3,13 39,651 512,40 19 200 45 57 1,38 43,562 610,00 20 201 45 57 2,47 40,616 608,00 21 202 45 57 3,11 38,036 564,20 22 210 45 130 1,28 45,100 541,60 23 211 45 130 2,32 42,201 538,20 24 212 45 130 3,08 40,805 553,60 25 220 45 170 1,39 42,785 578,90 26 221 45 170 2,49 41,343 566,00 27 222 45 170 3,19 39,004 533,20 4.2 Xây dựng hàm hồi quy thực nghiệm Sử dụng phương pháp cực tiểu bình phương, với hàm mục tiêu lựa chọn dạng hàm đa thức bậc hai biến với hàm biến bậc có dạng: (4.1) f  a1  a2 x1  a3 x2  a4 x3  a5 x1 x2  a6 x1 x3  a7 x2 x3  a1 x12  a5 x22  a8 x32 17 Các hàm hồi quy tìm theo luật cực tiểu bình phương sai số:   a1  a2 x1  a3 x2  a4 x3  a5 x1 x2  P    zi    x1i , x2i , x3i     zi   2  i 1 i 1    a6 x1 x3  a7 x2 x3  a1 x1  a5 x2  a8 x3  n n (4.2) đó, zi , x1i , x2i , x3i giá trị đã biết; a1 , a2 , a3 , a4 biến phải tìm Khai triển hệ phương trình trên, hệ phương trình đại số với số biến số hệ số phương trình hồi quy Giải hệ phương trình thu hệ số hàm hồi quy, tự hàm hồi quy xác định Trên sở kết xác định độ xốp lớp phủ mẫu thí nghiệm, sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm giải phần mềm MATLAB hàm độ xốp theo thông số phương trình (4.3)   1,39  0,032m  0,0158n  0,54S  0,000115.m.n  0,00012.n.S (4.3)  0,00033.m.S  0,00021.m2  0,000045.n2  0,0228.S Hàm ứng suất bám trượt theo thơng số phương trình (4.4)   32,9  0,36m  0,15n  1, 4S  0,00106.m.n  0,00196.n.S (4.4)  0,00389.m.S  0,00334.m2  0,00049.n2  0,0198.S 4.3 Ảnh hưởng thông số tới độ xốp lớp phủ Từ phương trình hàm hồi quy thực nghiệm (4.3), vẽ đồ thị 2D, 3D phản ảnh hưởng thông số lưu lượng cấp bột, tốc độ quay chi tiết tốc độ dịch chuyển súng phun tới độ xốp lớp phủ 4.3.1 Ảnh hưởng lưu lượng cấp bột phun tới độ xốp lớp phủ Hình 4.1: Đồ thị 3D mối quan hệ (m) đến độ xốp lớp phủ Hình 4.2: Đồ thị 2D mối quan hệ (m) đến độ xốp lớp phủ 18 Trên đồ thị 2D 3D hình 4.1 4.2 cho thấy thay đổi lưu lượng cấp bột phun từ 25 gam/phút, 35 gam/phút 45 gam/phút với chế độ thực nghiệm theo quy hoạch mẫu độ xốp lớp phủ có thay đổi với mức cấp bột khác mức độ ảnh hưởng không nhiều 4.3.2 Ảnh hưởng tốc độ quay chi tiết tới độ xốp lớp phủ Tốc độ dòng hạt phun lớn nên mức độ nhanh hay chậm vị trí tương tác giữa chùm hạt phun với tốc độ di chuyển bề mặt có chịu ảnh hưởng khơng lớn khảo sát mức độ thay đổi tốc độ đồ thị đã thể Hình 4.3:Đồ thị 3D mối quan hệ (n) đến độ xốp lớp phủ Hình 4.4: Đồ thị 2D mối quan hệ (n) đến độ xốp lớp phủ 4.3.3 Ảnh hưởng dịch chuyển súng phun tới độ xốp lớp phủ Quá trình phun dịch chuyển súng phun tăng lên đồng nghĩa với việc giảm chồng nén lớp phủ, tăng khả tiếp xúc với môi trường hạt bột theo thời gian ơxy hóa hạt bột tăng dễ tạo cho việc hình thành lỗ rỗng sau lớp phun chồng chất lên làm cho độ xốp lớp phủ có xu hướng tăng Hình 4.5: Đồ thị 3D mối quan hệ (S) đến độ xốp lớp phủ 19 Hình 4.6:Đồ thị 2D mối quan hệ (S) đến độ xốp lớp phủ Tóm lại: Kết thực nghiệm vùng khảo sát thông số (m,n,S) cho thấy chất lượng lớp phủ đánh giá độ xốp miền thơng số đạt chất lượng lớp phủ có độ xốp nhỏ mằm khoảng: Lưu lượng cấp bột từ m = 35 gam/phút, tốc độ quay chi tiết n = 130 vòng/ phút, tốc độ dịch chuyển súng phun s = mm/vòng Cụ thể mã mẫu 110 cho độ xốp nhỏ Mã m (gam/phút) n (vòng/phút) S (mm/vòng) γ (%) 110 35 130 1,25 Hình 4.7: Ảnh chụp đo độ xốp mẫu số 110 4.4 Ảnh hưởng thơng số đến độ bám dính lớp phủ Từ phương trình hàm hồi quy thực nghiệm (4.4), vẽ đồ thị 2D, 3D phản ảnh hưởng thông số lưu lượng cấp bột, tốc độ quay chi tiết tốc độ dịch chuyển súng phun tới độ xốp lớp phủ 4.4.1 Ảnh hưởng lượng cấp bột tới độ bám lớp phủ Khi thay đổi lưu lượng cấp bột làm thay đổi mật độ hạt phun lên bề mặt chi tiết, dẫn đến thay đổi cháy hạt buồng đốt, mật độ hạt cao tạo nên ơxy hóa hạt làm giảm khả liên kết giữa lớp với liên kết với bề mặt chi tiết phủ lớp phủ 20 có xu hướng giảm độ bám dính giữa lớp phủ với vật liệu Kết thể đồ thị hình 4.8 4.9 Hình 4.8: Đồ thị 3D mối quan hệ (m)đến độ bám dính lớp phủ Hình 4.9: Đồ thị 2D mối quan hệ (m)đến độ bám dính lớp phủ 4.4.2 Ảnh hưởng tốc độ quay tới độ bám dính lớp phủ Tốc độ quay chi tiết ảnh hưởng lớn tới độ bám dính lớp phủ Các đồ thị 2D 3D cho thấy miền có độ bám cao khoảng khảo sát tốc độ quay chi tiết nằm khoảng n = 100 ÷ 140 vịng/phút Hình 4.10: Đồ thị 3D mối quan hệ (n) đến độ bám dính lớp phủ Hình 4.11:Đồ thị 2D mối quan hệ (n)đến độ bám dính lớp phủ 21 4.4.3 Ảnh hưởng dịch chuyển đầu phun tới độ bám dính lớp phủ Lượng dịch chuyển đầu phun ảnh hưởng lớn tới độ bám dính, mức độ ảnh hưởng có xu hướng giảm theo mức độ tăng lượng dịch chuyển súng phun tăng theo mức độ tăng tốc độ quay chi tiết lưu lượng cấp bột Hình 4.12:Đồ thị 3D mối quan hệ (S)đến độ bám dính lớp phủ Hình 4.13: Đồ thị 2D mối quan hệ (S)đến độ bám dính lớp phủ Tóm lại: Từ hàm thực nghiệm đồ thị cho thấy độ bám dính lớp phủ với lớp có xu hướng thay đổi lượng dịch chuyển súng phun; lưu lượng cấp bột tốc độ quay chi tiết thay đổi Trong đó mức độ ảnh hưởng lớn thay đổi lượng dịch chuyển súng phun Điều giải thích lượng dịch chuyển tăng lớp hạt chồng chất lên bề mặt mỏng, nguội nhanh, co ngót lớn nên bám dính Bằng kết thực nghiệm vùng khảo sát thông số (m,n,S) đã thể đồ thị 2D 3D cho thấy chất lượng lớp phủ đánh giá độ bám dính miền thơng số đạt chất lượng lớp phủ có độ bám dính tốt mằm khoảng: Lưu lượng cấp bột m = 35 ÷ 40 gam/phút, tốc độ quay chi tiết n =100 ÷ 140 vịng/ phút, tốc độ dịch chuyển súng phun S = ÷ mm/vịng 22 Cụ thể độ bám cao mẫu 110: Mã m (gam/ phút) n (vòng/ phút) 110 35 130 S (mm/vòng) τ (MPa) 45,7525 Hình 4.14 :Ảnh chụp đo lực để tính độ bám mẫu số 110 4.5 Kết mối quan hệ thông số đến độ cứng lớp phủ Tổ chức tế vi độ cứng lớp vật liệu sau phun phủ phương pháp HVOF tiêu chí đánh giá chất lượng tổng hợp Kết khảo sát đo độ cứng, ảnh chụp tổ chức tế vi vùng biên giới liên kết giữa lớp phủ bột cacbua Cr3C2-NiCr trục thép 40Cr phương pháp phun HVOF hình 4.15 Hình 4.15: Ảnh Soi vết đo độ cứng vùng biên giới liên kết Theo kết đo độ cứng mẫu theo chế độ phun khác cho thấy, độ cứng lớp phủ đạt giá trị trung bình 583 HV, Đồng thời, ảnh chụp cấu trúc tế vi vùng biên giới liên kết giữa lớp 23 phủ bột cacbua Cr3C2-NiCr thép 40Cr hình 4.15 cho thấy, vết ấn có kích thước tăng dần từ phần lớp phủ sang phần lõi thép, lớp phủ nhận mẫu thực nghiệm khảo sát có độ mịn, tỷ lệ tạp chất bên lớp phủ ít, độ xốp nhỏ mẫu có độ xốp nhỏ thường có độ cứng cao mẫu có độ xốp lớn lưu lượng cấp bột tăng số hạt bột nóng chảy khơng hồn tồn tăng theo làm giảm liên kết giữa lát phủ phần đó ảnh hưởng đến độ bền liên kết độ cứng lớp phủ mẫu có độ cứng cao nằm vùng tốc độ quay của mẫu 130 vòng/phút với lượng dịch chuyển súng phun nằm khoảng từ đến mm/vòng lưu lượng cấp bột khoảng 25 đến 35 gam/phút điều đó cho thấy với vùng tốc độ lượng tiến súng hợp lý để có độ cứng lớp phủ cao miền khảo sát tuân thủ theo quy luật độ xốp nhỏ liên kết giữa lát phủ chặt chẽ dẫn đến độ cứng cao Kết luận chương 4: Kết đo độ cứng lớp phủ mẫu chụp ảnh SEM cho thấy vùng biên giới liên kết giữa lớp phủ bột cacbua Cr3C2-NiCr thép 40Cr có tạp chất, cấu trúc tế vị mịn Điều đó cho thấy lớp phủ có độ xốp thấp phù hợp với tính chất, cấu trúc lớp phủ Đã xây dựng phương trình tốn học hàm bậc đồ thị 2D, 3D biểu diễn mối quan hệ ứng suất bám dính độ xốp lớp phủ ứng với thông số phun m, n S Đó công thức (4.1), (4.2), theo tiêu lớp phủ có độ xốp thấp độ bám dính cao, đã xác định vùng thơng số hợp lý miền khảo sát m = 35÷40 gam/phút ; n = 100 ÷ 140 vịng/phút (Vct = 21,98 ÷ 30,772 m/phút) S = ÷ mm/vòng (S = 5,675 – 11,35 mm/giây) Cụ thể với mẫu thực nghiệm số 110 cho kết độ xốp nhỏ độ bám dính cao với cặp thông số sau: m n S γ τ Mã (gam/phút) (vòng/phút) (mm/vòng) (%) (MPa) 110 35 130 1,25 45,7525 Với mẫu số 110 có đường kính thực nghiệm D = 70 mm nên quy đổi tương đương ứng với tốc độ dịch chuyển bề mặt chi tiết phun Vct = 28,574 m/phút lượng tiến súng phun mm/vòng với tốc độ 130 vòng/ phút quy đổi tương đương ta có lượng dịch chuyển súng phun S = 6,5 mm/giây 24 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: Sự hình thành lớp phủ bột cacbua Cr3C2-NiCr trục thép 40Cr phương pháp phun HVOF phụ thuộc vào nhiều thông số đó thông số m,n, s những thơng số có ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng lớp phủ Làm rõ hình thành lớp phủ bột cacbua Cr3C2-NiCr trục thép 40Cr phương pháp phun HVOF, rõ liên kết lớp phủ bột cacbua Cr3C2-NiCr với kim loại chủ yếu liên kết nhiệt Đã ứng dụng phương pháp mơ để mơ tả q trình phun bột Cr3C2-NiCr lên bề mặt trục thép 40Cr phương pháp HVOF, tạo sở khoa học định hướng cho việc thực nghiệm phun phủ HVOF mẫu thực nghiệm Xây dựng phương trình tốn học hàm bậc (4.1); (4.2) phản ánh mối quan hệ giữa độ xốp, ứng suất bám dính lớp phủ với ba thơng số chế độ phun là: lưu lượng cấp bột phun (m); chuyển động tương đối giữa súng phun với bề mặt chi tiết phun (n) lượng dịch chuyển đầu súng phun sau lớp phun (S) Xây dựng đồ thị dạng 2D, 3D, từ đó lựa chọn vùng giá trị hợp lý thông số công nghệ phun (m), (n) (s) là: m = 35gam/phút ; n = 130 vòng/phút (Vct = 28,574 m/phút) S = mm/vòng (S = 6,5 mm/giây) Tương ứng với giá trị đó có độ xốp, độ bám dính tốt Kiến nghị : Kết nghiên cứu làm tài liệu tham khảo việc lựa chọn thơng số phun hoặc xây dựng mơ hình thiết bị phun HVOF để phục vụ cho giảng dạy, nghiên cứu khoa học chế tạo hoặc phục hồi chi tiết máy bị mòn điều kiện Việt Nam góp phần hạn chế nhập giảm giá thành sản phẩm nâng cao suất cải thiện đời sống cho người lao động