Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ phun phủ HVOF đến chất lượng lớp phủ WC-20Cr3C2-7Ni

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa-ĐHQG-TP HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: TS Ngô Thanh Bình

Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: PGS TS Nguyễn Thanh Hải

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Phạm Quang Trung

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Nguyễn Hữu Thọ

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP HCM, ngày 24 tháng 06 năm 2023

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS TS Nguyễn Hữu Lộc - Chủ tịch hội đồng

2 TS Trần Hải Nam - Thư ký hội đồng

3 TS Phạm Quang Trung - Ủy viên phản biện 1

4 TS Nguyễn Hữu Thọ - Ủy viên phản biện 2

5 PGS TS Lê Thanh Danh - Ủy viên hội đồng

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: LƯƠNG THÀNH TỰU MSHV: 2170104

Ngày, tháng, năm sinh: 12/04/1992 Nơi sinh: Tiền Giang Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 8520103

Cán bộ hướng dẫn 1: TS Ngô Thanh Bình

Cán bộ hướng dẫn 2: PGS TS Nguyễn Thanh Hải

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

(Họ tên và chữ ký)

LỜI CẢM ƠN

Luận văn thạc sĩ ngành Kỹ thuật cơ khí nằm trong hệ thống bài luận cuối khóa nhằm trang bị cho học viên cao học khả năng tự nghiên cứu, biết cách giải quyết những vấn đề cụ thể đặt ra trong thực tế… Đó là trách nhiệm và niềm tự hào của mỗi học viên cao học

Để hoàn thành luận văn này, ngoài sự cố gắng và nỗ lực của bản thân, tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ từ tập thể và các cá nhân Tôi xin ghi nhận và tỏ lòng biết ơn tới tập thể và các cá nhân đã dành cho tôi sự giúp đỡ quý báu đó

Đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Ngô Thanh Bình và PGS TS Nguyễn Thanh Hải Các thầy đã đưa ra gợi ý đầu tiên để hình thành nên ý tưởng của đề tài, góp ý cho tôi rất nhiều về cách nhận định đúng đắn trong những vấn đề nghiên cứu, cách tiếp cận nghiên cứu hiệu quả

Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã truyền dạy những kiến thức quý giá cho tôi, đó cũng là những kiến thức không thể thiếu trên con đường nghiên cứu khoa học và sự nghiệp của tôi sau này

Luận văn thạc sĩ đã hoàn thành trong thời gian quy định với sự nỗ lực của bản thân, tuy nhiên không thể không có những thiếu sót Kính mong quý Thầy Cô chỉ dẫn thêm để tôi bổ sung những kiến thức và hoàn thiện bản thân mình hơn

Xin trân trọng cảm ơn

Tp HCM, ngày 6 tháng 6 năm 2023

Lương Thành Tựu

TÓM TẮT

Luận văn “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ phun phủ HVOF đến chất lượng lớp phủ WC-20Cr3C2-7Ni” thực hiện với mục tiêu tìm hiểu về công nghệ phun phủ nhiệt HVOF (High Velocity Oxy-Fuel), ảnh hưởng của các thông số công nghệ như lưu lượng khí oxy, lưu lượng khí LPG, khoảng cách phun và tốc độ cấp bột đến chất lượng lớp phủ WC-20Cr3C2-7Ni Các tiêu chí luận văn chọn để đánh giá chất lượng lớp phủ gồm độ cứng, độ xốp và hiệu suất bám dính

Taguchi là một phương pháp phân tích tối ưu hoá (TƯH) đơn giản và hiệu quả, được dùng phổ biến trong thiết kế các quá trình công nghệ Tuy nhiên, phương pháp Taguchi nguyên gốc chỉ cho phép giải các bài toán TƯH một mục tiêu Để có thể TƯH đa mục tiêu, người ta đã phối hợp nó với phân tích quan hệ GRA (Grey Relational Analysis) Luận văn này giới thiệu quy trình TƯH đa mục tiêu nghiên cứu ảnh hưởng các thông số công nghệ phun HVOF đến chất lượng lớp phủ WC-20Cr3C2-7Ni nhờ ứng dụng Taguchi và quan hệ GRA Mô hình TƯH chế độ phun phủ theo mảng trực giao Taguchi L9 xét đồng thời 4 tiêu chí, mỗi tiêu chí có 3 mức giá trị: lưu lượng khí oxy, lưu lượng khí LPG, khoảng cách phun (KCP) và tốc độ cấp bột (CB) Thông số tối ưu được chọn từ chất lượng bề mặt lớp phủ tốt nhất trong quá trình phân tích quy hoạch thực nghiệm Quy trình phủ HVOF tối ưu cho WC-20Cr3C2-7Ni thu được bằng cách TƯH đa mục tiêu là: lưu lượng oxy 130lít/phút, lưu lượng LPG 44lít/phút, khoảng cách phun 310mm và tốc độ cấp bột 45g/phút tốc độ Lớp phủ tối ưu có độ cứng 1380HV, hiệu suất bám dính đạt 8,7 điểm và độ xốp là 3,1%

Các kết quả của luận văn có thể được định hướng ứng dụng trong công nghiệp để phục hồi chi tiết mòn cũng như chế tạo chi tiết mới, tạo lớp phủ bảo vệ lên bề mặt các chi tiết như van, bơm, thiết bị hóa chất trong máy móc dầu khí, làm việc trong các điều kiện mòn khắc nghiệt như nhiệt độ cao 800 – 900oC [6], mòn do xói mòn của các chi tiết, bộ phận trong các hệ thống thủy lực [7]

ABSTRACT

The thesis "Effects of HVOF process parameters on the qualities of 20Cr3C2-7Ni Coating" was carried out with the goal of learning about HVOF (High Velocity Oxy-Fuel) thermal spraying technology, effects of technological parameters such as oxygen flow rate, LPG flow rate, powder feed rate and spray distance on coating quality of WC-20Cr3C2-7Ni Coating The coatings’s quality were evaluated by hardness, porosity and deposition efficiency

WC-Taguchi is a simple and powerful analytical method of optimization which is widely used in the design of technology process However, the original Taguchi method only allows solving signle-objective optimization problems In order to get multiple-objective optimization, it is combined with Grey relational analysis (GRA) This thesis presents a multi-objective optimization to study the influence of HVOF spray technology parameters on the quality of WC-20Cr3C2-7Ni coatings by using Taguchi method and Grey relational analysis The optimal coating process designed by Taguchi L9 matrix considers 4 factors, each factor has 3 levels of values: oxygen flow rate, LPG flow rate, powder feed rate and spray distance Optimum parameters were selected from the best surface quality (hardness, porosity and deposition efficiency) of the coatings from experiments The optimal HVOF process parameters for WC-20Cr3C2-7Ni obtained by multi-targeting optimization is: oxygen flow rate 130l/min, LPG flow rate 44l/min, spray distance 310mm and powder feed rate 45g/min

The results of the thesis can be applied in industry to restore worn parts, fabricate new parts, create protective coatings on the surface of parts such as valves, pumps, chemical equipment in petroleum machinery working under severe wear conditions such as high temperature 800 – 900oC[6], wear due to erosion of parts and components in hydraulic systems [7]

Keywords: HVOF Technology, WC-20Cr3C2-7Ni, Taguchi, GRA

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS Ngô Thanh Bình và PGS TS Nguyễn Thanh Hải

Các kết quả trong Luận văn là đúng sự thật và chưa được công bố ở các nghiên cứu khác

Tôi xin chịu trách nhiệm về công việc thực hiện của mình

Tp HCM, ngày 6 tháng 6 năm 2023

Lương Thành Tựu

MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT xii

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1

1.1 Tổng quan 1

1.2 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu 10

1.3 Cấu trúc luận văn 14

1.4 Ý nghĩa của luận văn 14

1.5 Kết luận chương 1 15

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP PHUN HVOF 17

2.1 Phun oxy nhiên liệu tốc độ cao (HVOF) 17

2.1.1 Ưu điểm của phương pháp phun HVOF 18

2.1.2 Hạn chế của phương pháp phun HVOF 19

2.1.3 Ứng dụng của phương pháp phun HVOF 19

2.2 Những kết quả nghiên cứu và ứng dụng phun HVOF 19

3.2.2 Thiết bị phun HVOF 32

4.1 Tối ưu hóa đơn mục tiêu bằng phương pháp Taguchi 46

4.1.1 Tối ưu hóa đáp ứng đầu ra độ cứng (H) 46

4.1.2 Tối ưu hóa đáp ứng đầu ra độ xốp (P) 48

4.1.3 Tối ưu hóa đáp ứng đầu ra hiệu suất bám dính DE 50

4.2 Tối ưu hóa đa đáp ứng đầu ra bằng phương pháp Taguchi và quan hệ GRA52 4.2.1 Cơ sở lý thuyết 52

4.2.2 Trình tự tối ưu hóa 53

4.3 Phân tích SEM/EDS và XRD lớp phủ tối ưu đa mục tiêu 58

4.4 Thí nghiệm xói mòn xâm thực 59

4.5 Kết luận chương 4 61

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 63

5.1 Kết luận chung 63

5.2 Kiến nghị 64

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 71

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Lược đồ phát triển của thiết bị, quá trình và vật liệu phun nhiệt 3

Hình 1.2 Tốc độ xói mòn của lớp phủ gốm kim loại WC-Cr3C2-Ni, WC-Ni 4

Hình 1.3 Hệ số ma sát của lớp phủ Cr3C2-NiCr và Cr3C2-WC-NiCoCrMo 5

Hình 1.4 SEM của bột WC-20Cr3C2-7Ni [19] 6

Hình 1.5 Cấu trúc tế vi lớp phủ 6

Hình 1.6 SEM của lớp phủ WC-20Cr3C2-7Ni và chất nền [19] 7

Hình 1.7 (a) EDS của bột WC-20Cr3C2-7Ni (b) EDS cấu trúc tế vi của lớp phủ WC-20Cr3C2-7Ni[19] 7

Hình 1.8 SEM vết lõm bằng máy đo độ cứng Vickers [19] 8

Hình 1.9 Hệ số ma sát dưới áp suất tiếp xúc (a) 1500 MPa (b) 1700 MPa và (c) 1900 MPa (d) Sự thay đổi độ sâu mài mòn……… 8

Hình 1.10 Quy trình quy hoạch thực nghiệm, tối ưu hóa 11

Hình 1.11 (a) Biểu đồ lớp phủ hiển thị các thông số phun HVOF được tối ưu hóa bằng đồ họa để đạt được độ xốp tối thiểu và độ cứng tối đa (b) Biểu đồ mối quan hệ giữa độ xốp của lớp phủ và độ cứng lớp phủ 12

Hình 1.12 Tỷ lệ ứng suất bề mặt lớp phủ trên độ dày (σs/tc) so với khoảng cách phun đối với tỷ lệ oxy/nhiên liệu là 4,50, 4,00 và 3,75 [24] 13

Hình 2.1 Cấu tạo của súng phun HVOF 17

Hình 2.2 Ảnh SEM cầu trúc tế vi 20

Hình 2.3 Phân tích EDS 20

Hình 2.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X của bột WC–(W,Cr)2C–Ni (a) 21

Hình 2.5 Mô hình kiểm tra mài mòn 22

Hình 2.6 Giản đồ XRD của bột 22

Hình 2.7 Ảnh macro của các mẫu T22 và T91 được phun HVOF 23

Hình 2.8 Hình thái học của bột WC-20Cr3C2-7Ni sản xuất bởi Fujimi 24

Hình 2.9 Hình thái học của bột WC-20Cr3C2-7Ni sản xuất bởi Sulzer Metco 24

Hình 2.10 Hình thái học của bột WC-20Cr3C2-7Ni sản xuất bởi H.C Starck 24

Hình 2.11 Cấu trúc tế vi mặt cắt ngang và kết quả EDS 25

Hình 2.12 Tốc độ hao hụt vật liệu của lớp phủ WC- Cr3C2-Ni và 1Cr18Ni9Ti ăn mòn thủy lực trong 6 giờ trong dung dịch NaCl 3,5% 25

Hình 2.13 SEM và ánh xạ nguyên tố tương ứng của các mẫu mài mòn ở 50N, hình (a) và (b) vận tốc trượt 0.5m/s, hình (c) và (d) vận tốc trượt 1m/s 26

Hình 3.1 Mô hình tối ưu các thông số phun HVOF 29

Hình 3.2 SEM bột WC-20Cr3C2-7Ni 30

Hình 3.3 XRD bột WC-20Cr3C2-7Ni 31

Hình 3.4 Máy phân tích hình thái hạt Camsizer X2 31

Hình 3.5 Biểu đồ phân bố kích thước hạt 32

Hình 3.6 Nung bột trước khi phun 32

Hình 3.7 Thiết bị phun HVOF [36] 33

Hình 3.8 Cấu trúc mặt cắt ngang của lớp phủ Cr3C2-NiCr [36] 33

Hình 3.9 Các bộ phận chính của súng phun HVOF [36] 34

Hình 3.10 Mẫu phôi thép C45 dùng để phun phủ thực nghiệm 35

Hình 3.11 Phun thực nghiệm 36

Hình 3.12 Thiết bị cắt mẫu (a), đúc mẫu (b), mài và đánh bóng mẫu (c) 36

Hình 3.13 Ảnh chụp lớp phủ bằng kính hiển vi quang học LEICA DMi8M 37

Hình 3.14 Độ xốp 1%, 5% và 10% 38

Hình 3.15 Lớp phủ Ni/Al [37] 38

Hình 3.16 Lớp phủ Monel [37] 38

Hình 3.17 Xác định độ xốp bằng phần mềm ImageJ 39

Hình 3.18 Ảnh vết đâm đo độ cứng Vickers 42

Hình 3.19 Các chi tiết dùng để kiểm tra hiệu suất bám dính[38] 43

Hình 3.20 Xác định chiều dày lớp phủ trên phần mềm Leopard 44

Hình 4.1 Phân tích giá trị trung bình độ cứng trên phần mềm Minitab 47

Hình 4.2 Phân tích S/N độ cứng trên phần mềm Minitab 47

Hình 4.3 Kết quả độ cứng ở bộ thông số tối ưu 48

Hình 4.4 Phân tích S/N độ xốp trên phần mềm Minitab 49

Hình 4.5 Kết quả độ xốp ở bộ thông số tối ưu 50

Hình 4.6 Phân tích giá trị trung bình hiệu suất bám dính trên Minitab 51

Hình 4.7 Phân tích S/N hiệu suất bám dính trên Minitab 51

Hình 4.8 Kết quả hiệu suất bám dính ở bộ thông số tối ưu 52

Hình 4.9 Phân tích giá trị trung bình hệ số 𝛾 trên phần mềm Minitab 56

Hình 4.10 Phân tích S/N hệ số 𝛾 trên phần mềm Minitab 56

Hình 4.11 Kết quả hệ số 𝛾 ở bộ thông số tối ưu 57

Hình 4.12 SEM/EDS lớp phủ TƯH đa mục tiêu 58

Hình 4.13 So sánh XRD của bột và lớp phủ WC-20Cr3C2-7Ni 59

Hình 4.14 Mô hình đo xói mòn xâm thực 60

Hình 4.15 Khối lượng xói mòn tích lũy của lớp phủ WC-20Cr3C2-7Ni và 10Ni 61

WC-DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Thông số công nghệ bằng súng phun HipoJet 2000 [21] 9

Bảng 1.2 Thông số công nghệ bằng súng phun CH-2000 [22] 10

Bảng 1.3 Thông số phun tối ưu cho vật liệu nhôm/ thép công cụ 13

Bảng 3.1 Mức giá trị các thông số phun 34

Bảng 3.2 Ma trận quy hoạch Taguchi L9 35

Bảng 3.3 Độ xốp các lớp phủ Taguchi L9 40

Bảng 3.4 Giá trị độ cứng của các lớp phủ 42

Bảng 3.5 Bảng quy đổi thang điểm hiệu suất bám dính 44

Bảng 3.6 Kết quả đo các thông số chất lượng bề mặt lớp phủ 45

Bảng 4.1 Bảng kết quả thực nghiệm độ cứng và xử lý kết quả theo Taguchi 46

Bảng 4.2 Các nhân tố ảnh hưởng đến độ cứng S/N 47

Bảng 4.3 Bảng kết quả thực nghiệm độ xốp và xử lý kết quả 48

Bảng 4.4 Các nhân tố ảnh hưởng đến độ xốp S/N 49

Bảng 4.5 Bảng kết quả thực nghiệm hiệu suất bám dính và xử lý kết quả 50

Bảng 4.6 Các nhân tố ảnh hưởng đến hiệu suất bám dính S/N 51

Bảng 4.7 Kết quả phân tích quan hệ GRA 54

Bảng 4.8 Mảng trực giao với quan hệ GRA 55

Bảng 4.9 Kết quả phân tích Taguchi theo quan hệ GRA 56

Bảng 4.10 Tổng hợp kết quả TƯH đơn mục tiêu và TƯH đa mục tiêu 57

Bảng 4.11 Khối lượng xói mòn của lớp phủ WC-20Cr3C2-7Ni và WC-10Ni 60

MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT

HVOF High Velocity Oxy Fuel

SEM/EDS Scanning Electron Microscopy/Energy Dispersive Spectroscopy

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

1.1 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 Trong quá trình làm việc chúng không những phải chịu các tải trọng cơ học (kéo, nén, uốn, xoắn, hoặc đồng thời) mà còn phải chịu các tác động ăn mòn (như nhiệt độ cao, môi trường ăn mòn), xói mòn do sự va đập của các dòng lưu chất vào bề mặt chi tiết (như các chi tiết trong hệ thống thủy lực, cánh tua-bin, bơm thủy lực…) và các dạng phá hủy khác Kết quả của các tác động này là sự suy giảm chất lượng bề mặt, thay đổi các kích thước làm việc ban đầu, dẫn tới hỏng hóc cục bộ hay hư hại toàn bộ chi tiết, kết cấu

Để nâng cao độ bền, tăng tuổi thọ của chi tiết và kết cấu, có nhiều giải pháp được áp dụng như bôi trơn, làm mát để giảm ma sát, hạn chế mài mòn, sơn phủ hoặc gắn thêm các khối kim loại lên bề mặt chi tiết làm việc trong điều kiện ăn mòn điện hóa… Tuy nhiên, các giải pháp trên chỉ áp dụng ở giai đoạn vận hành và bảo dưỡng máy, do đó quá trình mòn và hỏng chi tiết vẫn xảy ra thường xuyên Vì vậy, giải pháp triệt để nhất là lựa chọn vật liệu tốt và áp dụng các phương pháp nhiệt luyện, hóa nhiệt luyện, các phương pháp phun phủ và biến tính bề mặt Trong nhiều trường hợp, bề mặt vật liệu được phủ một lớp bảo vệ với mục đích chống ăn mòn và mài mòn

Hiện nay, có rất 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 nhiệt 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 Trong các phương pháp phun phổ biến, phun HVOF cho lớp phủ có độ cứng và độ bền bám dính cao, độ xốp thấp, tăng khả năng chống mòn (do mài mòn, ăn mòn và xói mòn) so với lớp phủ cùng loại được phun bởi các phương pháp phun thông dụng khác

Phun phủ nhiệt được phát minh bởi nhà khoa học M U Schoop và được công bố đầu tiên vào năm 1910 [1] Xuất phát từ vết của viên đạn chì bị phân tách, biến dạng và bám dính lên bề mặt bức tường đá sau khi bị bắn cùng với một phương pháp để chuẩn bị bột chì khi làm việc trong phòng thí nghiệm Sau đó, Schoop đã phát triển một phương pháp sản xuất bột chì mới dùng trong phun phủ Nhờ đó Schoop được cấp bằng sáng chế độc quyền cho phương pháp phun chì nóng chảy bằng súng phun cùng với khí nén ở áp suất cao Sau vài lần thử nghiệm, Schoop đã hoàn thành các loại súng phun thương mại đầu tiên, phương pháp phun nhiệt được thực hiện trong những năm đầu tiên sau công bố đó là phun hồ quang điện

Đối với phương pháp phun, các nhà nghiên cứu đã tìm ra các loại nguồn nhiệt để đưa ra những phương pháp phun mới như phun HVOF, phun nguội, phun laser, phun bể kim loại nóng chảy, Các phương pháp phun trên cơ sở ngày càng nâng cao tốc độ hạt và kiểm soát nhiệt độ hạt trong quá trình phun cũng như cải thiện điều kiện môi trường phun để có chất lượng lớp phủ tốt nhất

Thiết bị phun cũng được nghiên cứu chế tạo và đưa vào ứng dụng nhiều loại đầu phun khác nhau phục vụ cho các phương pháp phun phủ: súng phun dùng nhiên liệu khí cháy (dây, bột), súng phun hồ quang điện (loại hai dây, ba dây…), súng phun plasma (dây, bột), súng phun bằng dòng cao tần, súng phun nổ… Đặc biệt, phun nhiệt đã được cải tiến đáng kể năng suất phun, thiết bị và dây chuyền phun tự động với độ ổn định và chất lượng ngày càng cao Yếu tố công nghệ cũng được giải quyết thành công nhờ các chế độ công nghệ phun cho các vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao (vật liệu gốm, các loại cacbit và oxit kim loại) đã được công bố [8]

Hình 1.1 Lược đồ phát triển của thiết bị, quá trình và vật liệu phun nhiệt Phun phủ nhiệt phù hợp với hầu hết các vật liệu, ngoại trừ các hợp chất phân hủy do nhiệt cũng như các chất không có trạng thái nóng chảy ổn định và bốc hơi mạnh trong quá trình phun Lúc đầu, vật liệu phun phủ nhiệt chủ yếu là các kim loại nguyên chất hoặc hợp kim Đến nay, vật liệu phun rất đa dạng bao gồm nhiều chủng loại: kim loại tinh khiết, hợp kim, gốm kim loại, các oxit kim loại, composit thậm chí là chất dẻo Điều này giúp cho lớp phủ phun nhiệt có thể tạo ra các tính chất chịu nhiệt, dẫn điện, cách điện, chống oxy hóa, chống ăn mòn và mài mòn cho các chi tiết hay kết cấu hoặc tạo các lớp bề mặt để tiết kiệm kim loại quý và tăng giá trị thẩm mỹ trong trang trí Hiệu suất tạo thành lớp phủ của các phương pháp phun phủ nhiệt là khá cao so với nhiều công nghệ bề mặt khác, lớp phủ phun nhiệt có thể từ vài chục μm đến vài mm Hơn nữa, tính linh hoạt đối với các vật liệu khác nhau, quy trình phun phủ nhiệt, tính chất lớp phủ và đặc biệt là sự hiệu quả về chi phí cho lớp phủ phun nhiệt dẫn đến chúng ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp cũng như trong các ngành xây dựng cơ sở hạ tầng, y sinh học, điện tử

Crom cacbit có độ cứng cao và có đặc tính chống ăn mòn tốt, độ cứng ở nhiệt độ cao khá tốt [9] Nhờ các tính chất này, crom cacbit được ứng dụng như một thành phần gia cường cho các hợp kim Khi các hạt crom cacbit được bổ sung vào hợp kim, nó sẽ cải thiện khả năng chịu mài mòn và chống ăn mòn của kim loại và duy trì các

tính chất này ở nhiệt độ cao Crom cacbit có thể tồn tại ở 3 dạng cấu trúc tinh thể khác nhau, tương ứng với 3 thành phần hóa học [9]: Cr23C6, Cr7C3 và Cr3C2, trong đó Cr3C2có độ bền cao nhất, độ cứng lên đến 2280HV và là dạng crom cacbit được sử dụng nhiều nhất trong thực tế Cr3C2 rất cứng, trơ về mặt hóa học, hệ lớp phủ gốm này có độ bền chống mài mòn rất cao, độ bền nhiệt lên đến 800-900C [6] và khả năng chống ăn mòn trong các môi trường có tác nhân gây xói mòn [7] Ví dụ Hình 1.2 cho thấy lớp phủ có chứa thành phần crom cacbit (WC-Cr3C2-Ni) có tốc độ xói mòn thấp hơn so với WC-Ni và thép không gỉ ở các góc phun xói mòn khác nhau.

Hình 1.2 Tốc độ xói mòn của lớp phủ gốm kim loại WC-Cr3C2-Ni, WC-Ni và thép không gỉ ở các góc phun xói mòn khác nhau

Công nghệ mạ crom cứng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp do có khả năng chống mài mòn và chống ăn mòn tốt Tuy nhiên, quá trình mạ crom VI gây ô nhiễm môi trường và sức khỏe con người Vì vậy, ở các nước tiên tiến, công nghệ phun phủ nhiệt đã dần thay thế phương pháp mạ crom truyền thống

Gốm kim loại cacbua vonfram (WC) bao gồm các hạt WC được nhúng trong một ma trận kim loại, kết hợp các ưu điểm của cả độ cứng và độ bền cao [10], [11] Gốm kim loại dựa trên WC là vật liệu phủ có đặc tính cơ học toàn diện và giúp nâng cao tuổi thọ của các bộ phận khác nhau (ví dụ: đường ống, van, máy bơm cánh gạt…)

[10], [11] Coban (Co) thường được sử dụng làm chất kết dính kim loại cho các hạt WC do năng lượng bề mặt thấp, khả năng thấm ướt tối ưu và độ bám dính ở trạng thái rắn tốt [12], [13] Gốm kim loại WC-Co được nhiều tài liệu nghiên cứu cho các lớp phủ chống mài mòn [10], [11] Mặc dù có khả năng chống mài mòn vượt trội, nhưng khả năng chống ăn mòn của gốm kim loại dựa trên WC phụ thuộc chủ yếu vào pha kết dính, tức là Co, Ni, CoCr và NiCr [14] Nguồn Co hạn chế cản trở việc sử dụng gốm kim loại WC-Co trên quy mô lớn Cả khả năng chống mài mòn cao và khả năng chống ăn mòn tuyệt vời đều được yêu cầu đối với một số ứng dụng [12], [13] Do có cấu trúc tương tự và khả năng chống ăn mòn vượt trội, niken (Ni) được coi là một chất thay thế cho Co trong gốm kim loại [12], [13] Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để khảo sát quan hệ cấu trúc-tính chất của gốm kim loại WC-Ni So với gốm kim loại dựa trên WC, gốm kim loại dựa trên Cr3C2 hoạt động tốt hơn trong điều kiện làm việc khắc nghiệt ở nhiệt độ cao lên tới 650°C-900°C [6], [14]

Hình 1.3 Hệ số ma sát của lớp phủ Cr3C2-NiCr và Cr3C2-WC-NiCoCrMo ở các nhiệt độ khác nhau

WC và Cr3C2 được kết hợp để tận dụng khả năng chống mài mòn cao của WC và khả năng chống ăn mòn tốt của Cr3C2 [14]–[16] Đặc biệt, Cr3C2 kích thước nano ức chế sự phát triển hạt của WC trong quá trình thiêu kết Khi sử dụng Ni thay vì Co làm vật liệu kết dính và bổ sung crom cacbit (Cr3C2) vào pha kết dính, khả năng chống ăn mòn của lớp phủ tăng lên [17]

Các loại lớp phủ gốm kim loại khác nhau hiện đang được sử dụng trong các ngành công nghiệp, lớp phủ dựa trên thành phần WC (WC-Co, WC-Co-Cr) và Cr3C2(Cr3C2-NiCr) và WC- Cr3C2-Ni…[1] Lớp phủ dựa trên WC được tạo thành từ các hạt WC bằng gốm cứng được nhúng trong một ma trận kim loại, vì vậy hệ các lớp phủ này có độ dẻo dai được cải thiện và tăng khả năng chống mài mòn Ứng dụng của các lớp phủ dựa trên WC được giới hạn trong khoảng 550oC, trong khi đó, lớp phủ WC- Cr3C2-Ni sở hữu khả năng chống mài mòn và oxy hóa tốt hơn so với vật liệu dựa trên cacbua vonfram với nhiệt độ hoạt động từ 850oC [2]–[4] Hợp kim hóa Cr3C2 với pha WC với Ni làm chất kết dính cải thiện nhiệt độ cao và sự ăn mòn điện trở của lớp phủ [5] Lớp phủ gốm kim loại được sử dụng để bảo vệ vật liệu nền chống lại các loại các điều kiện mòn như mài mòn, ăn mòn và trượt

Việc chọn vật liệu và phương pháp phun phủ có ảnh hưởng lớn đến chất lượng bề mặt lớp phủ, cải thiện khả năng làm việc của chi tiết trong các điều kiện mòn khắc nghiệt Từ những phân tích kết quả của các công trình đã công bố về lĩnh vực phun phủ nhiệt, Luận văn xác định một số vấn đề chưa giải quyết triệt để hoặc chưa được giải quyết để tiến hành nghiên cứu, nhằm mục đích đóng góp thêm cho việc ứng dụng và phát triển công nghệ phun phủ nhiệt Trên cơ sở nghiên cứu xác định các thông số phun cho một số lớp phủ thông dụng như WC-Co, NiCrBSi, Cr3C2-NiCr… nhằm tối ưu hóa chất lượng bề mặt lớp phủ, nâng cao khả năng chịu mài mòn của chi tiết Luận văn lựa chọn tối ưu hóa các thông số công nghệ phun phủ HVOF đến lớp phủ WC-20Cr3C2-7Ni để nghiên cứu

Hình 1.4 SEM của bột WC-20Cr3C2-7Ni [19]

Hình 1.5 Cấu trúc tế vi lớp phủ WC-20Cr3C2-7Ni [19]

Bột phun phủ WC-20Cr3C2-7Ni có cấu trúc tế vi dạng cầu (Hình 1.4) Lớp phủ WC-20Cr3C2-7Ni có cấu trúc tế vi như Hình 1.5, các hạt WC như được mô tả bởi các vùng sáng và các hạt Cr3C2 là các vùng tối được nhúng trong ma trận Ni kim loại mềm Độ bền bám dính của lớp phủ WC-20Cr3C2-7Ni bằng công nghệ phun HVOF đạt trên 60MPa [18]

SEM lớp phủ được hiển thị trong Hình 1.6 cho biết độ bám dính bền chặt của lớp phủ với chất nền Phổ EDS của bột WC-20Cr3C2-7Ni và lớp phủ như được mô tả trong Hình 1.7 cho biết thành phần của bột bao gồm Ni,W và Cr; thành phần của lớp phủ được xác nhận bằng phổ EDS trong Hình 1.7 (b) [19]

Lớp phủ

Vật liệu nền

Hình 1.6 SEM của lớp phủ WC-20Cr3C2-7Ni và chất nền [19]

Hình 1.7 (a) EDS của bột WC-20Cr3C2-7Ni (b) EDS cấu trúc tế vi của lớp phủ WC-20Cr3C2-7Ni[19]

Độ cứng tế vi của lớp phủ WC-20Cr3C2-7Ni có thể đạt từ 1037 ± 100HV trở lên tùy thuộc vào các thông số như kích thước các hạt cacbua, độ xốp, mức độ khử cacbon và phương pháp phun phủ

Hình 1.8 SEM vết lõm bằng máy đo độ cứng Vickers [19]

Sự mài mòn đối với các mẫu được phun lớp phủ WC-20Cr3C2-7Ni bằng phương pháp HVOF đã được giảm bớt 81–85% so với mẫu không phủ Hệ số ma sát của các mẫu thử không phủ và có phủ lớp phủ WC-20Cr3C2-7N dưới áp suất tiếp xúc từ 1500-1900MPa được biểu diễn trong Hình 1.9 Vì vậy, các lớp phủ WC-20Cr3C2-7Ni có thể ứng dụng cho các chi tiết làm việc trong điều kiện mài mòn khắc nghiệt [20]

Hình 1.9 Hệ số ma sát dưới áp suất tiếp xúc (a) 1500 MPa (b) 1700 MPa và (c) 1900 MPa (d) Sự thay đổi độ sâu mài mòn [20]

Về thông số công nghệ phun phủ, Digvijay và các cộng sự đã tiến hành nghiên

cứu, so sánh hành vi ma sát của lớp phủ WC-20Cr3C2-7Ni được chế tạo bằng công nghệ phun phủ HVOF và công nghệ phun phủ plasma Thông số công nghệ phun bằng phương pháp HVOF, súng phun HipoJet 2000 của hãng Metallizing Equipment đựợc trình bày ở Bảng 1.1 Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng đối với lớp phủ WC-20Cr3C2-7Ni được chế tạo bằng hai phương pháp phun HVOF và plasma đều cho ra chất lượng tốt, khả năng chịu mài mòn lên đến 800oC Lớp phủ chế tạo bằng phương pháp HVOF có khả năng chịu mài mòn tốt hơn trong môi trường giàu oxy [21]

Bảng 1.1 Thông số công nghệ bằng súng phun HipoJet 2000 [21]

Hai-Long Yao và các cộng sự đã tiến hành chế tạo lớp phủ WC-20Cr3C27Ni bằng phương pháp phun HVOF trên súng phun CH-2000 của Đại học Xi'an Jiaotong, Trung Quốc Thông số công nghệ của quá trình phun được trình bày ở Bảng 1.2 Nhóm nghiên cứu đã tiến hành nghiên cứu, khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng oxy đến chất lượng lớp phủ WC-Cr3C2-Ni Nghiên cứu khảo sát chất lượng của lớp phủ WC-Cr3C2-12Ni với thành phần khối lượng Cr3C2 là 10% và 30%, lưu lượng oxy

-thay đổi ở 4 mức khác nhau là 6, 8, 10 và 12m3/h Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng thành phần pha của của lớp phủ WC-Cr3C2-Ni chịu ảnh hưởng chủ yếu của hàm lượng Cr3C2 chứ không phải do ảnh hưởng của lưu lượng dòng oxy [22]

Bảng 1.2 Thông số công nghệ bằng súng phun CH-2000 [22]

1.2 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu

Ngày nay, phun oxy nhiên liệu vận tốc cao (HVOF) đang được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp do khả năng tạo ra lớp phủ chất lượng cao với độ cứng cần thiết và hàm lượng oxit thấp Độ xốp và độ cứng là hai đặc tính quan trọng của lớp phủ đối với các ứng dụng liên quan đến mài mòn và ăn mòn, và chúng đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao tuổi thọ của các chi tiết, bộ phận Trong phun HVOF, các thông số như lưu lượng oxy tốc độ, tốc độ dòng khí hóa lỏng (LPG), tốc độ cấp bột và khoảng cách phun có ảnh hưởng lớn hơn đến tính chất cuối cùng của lớp phủ

K Murugan và các cộng sự tiến hành chọn các thông số phun HVOF tối ưu

lớp phủ WC–10Co–4Cr trên nền vật liệu đồng thau để đạt được độ xốp tối thiểu và độ cứng tối đa bằng súng phun HipoJet-2000, Metallizing Equipment Co Jodhpur[23] Các công cụ quy hoạch thực nghiệm như thiết kế thí nghiệm (DOE), phân tích phương sai và phương pháp quy hoạch phản hồi bề mặt (RSM) đã được sử dụng để đáp ứng các mục tiêu đã nêu Từ kết quả, người ta nhận thấy rằng oxy tốc độ dòng chảy có ảnh hưởng lớn hơn đến độ xốp và độ cứng của lớp phủ, tiếp theo là tốc độ dòng LPG, tốc độ cấp bột và khoảng cách phun Dựa trên thực nghiệm, bốn thông số đầu vào là tốc độ dòng oxy, tốc độ LPG, tốc độ cấp bột và khoảng cách phun, mỗi

thông số có năm mức giá trị (−2, −1, 0, 1, 2) Quy trình quy hoạch thực nghiệm, đánh giá ảnh hường của các nhân tố đến độ xốp và độ cứng lớp phủ được triển khai như Hình 1.10

Hình 1.10 Quy trình quy hoạch thực nghiệm, tối ưu hóa

Biểu đồ đáp ứng và biểu đồ đường được xây dựng kết hợp các thông số phun HVOF để xác định độ xốp tối thiểu và miền độ cứng cực đại Người ta thấy rằng các thông số phun HVOF: lưu lượng oxy là 253lít/phút, lưu lượng LPG tốc độ 61lít/phút, khoảng cách phun 227mm và tốc độ nạp bột là 35g/phút, mang lại độ xốp tối thiểu (1,38%) và tối đa độ cứng (1318HV) Mối quan hệ ảnh hưởng giữa các thông số đến độ cứng, độ xốp được thể hiện trong Hình 1.11

Hình 1.11 (a) Biểu đồ lớp phủ hiển thị các thông số phun HVOF được tối ưu hóa bằng đồ họa để đạt được độ xốp tối thiểu và độ cứng tối đa (b) Biểu đồ mối quan

hệ giữa độ xốp của lớp phủ và độ cứng lớp phủ

M Hasan và các cộng sự đã tiến hành thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của các

thông số phun phủ đối với sự tích tụ ứng suất dư của các lớp phủ HVOF bằng bột nhôm/thép [24] Nhóm nghiên cứu thiết kế thí nghiệm 33 để thiết lập ảnh hưởng của các thông số phun đối với ứng suất dư Ứng suất dư được đo bằng phương pháp phân tích của Clyne Các thông số phun phủ gồm tỷ lệ lưu lượng oxy, lưu lượng propylene, lưu lượng khí nén, khoảng cách phun đã thay đổi trong quá trình chế tạo lớp phủ Trong bốn thông số phun phủ trên, khoảng cách phun có ảnh hưởng lớn nhất đến sự tích tụ ứng suất dư trong các lớp phủ so với tỷ lệ lưu lượng oxy so với lưu lượng propylene và lưu lượng khí nén Kết quả quy hoạch thức nghiệm chỉ ra bộ thông số phun phủ tối ưu để chế tạo lớp phủ nhôm/thép dụng cụ chuyên dụng bằng phương pháp HVOF có chiều dày đạt yêu cầu, ứng suất dư sinh ra trong lớp phủ nhỏ nhất

Hình 1.12 Tỷ lệ ứng suất bề mặt lớp phủ trên độ dày (σs/tc) so với khoảng cách phun đối với tỷ lệ oxy/nhiên liệu là 4,50, 4,00 và 3,75 [24]

Kết quả nghiên cứu thể hiện trên Hình 1.12 biểu diễn mối quan hệ giữa tỷ lệ ứng suất bề mặt/độ dày lớp phủ (σs/tc) và khoảng cách phun Biểu đồ so sánh tác động của khoảng cách phun, tỷ lệ oxy/nhiên liệu (O/F) và lưu lượng khí nén (lít/phút) Ứng suất bề mặt/độ dày lớp phủ (σs/tc) biến đổi phi tuyến tính theo khoảng cách phun Nghiên cứu này đã đề xuất các tham số cần thiết để chế tạo các lớp phủ nhôm/thép công cụ bằng phương pháp phun HVOF

Bảng 1.3 Thông số phun tối ưu cho vật liệu nhôm/ thép công cụ bằng phương pháp phun HVOF [24]

Lưu lượng oxy (lít/phút) 198 Lưu lượng propylene (lít/phút) 44

Lưu lượng khí nén (lít/phút) 270

Mục tiêu chính của luận văn là nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ phun phủ HVOF đến chất lượng lớp phủ WC-20Cr3C2-7Ni, có thể được tóm tắt như sau:

- Cơ sở lý thuyết của công nghệ phun phủ HVOF

- Phun phủ thực nghiệm WC-20Cr3C2-7Ni bằng phương pháp HVOF Bộ 4 thông số khảo sát gồm: lưu lượng khí oxy, lưu lượng khí LPG, khoảng cách phun, tốc độ cấp bột

- Kiểm tra, đánh giá cấu trúc lớp phủ bằng kính hiển vi quang học, SEM/EDS, thành phần pha lớp phủ bằng XRD… Thực nghiệm đo độ cứng, độ xốp, hiệu suất bám dính của lớp phủ WC-20Cr3C2-7Ni Khảo sát khả năng chống xói mòn xâm thực của lớp phủ tối ưu đa mục tiêu

- Tối ưu hóa đơn và đa mục tiêu các thông số công nghệ phun phủ bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi L9 và quan hệ GRA, với các thông số đầu ra độ cứng, độ xốp, hiệu suất bám dính Đánh giá kết quả của các thông số tối ưu

1.3 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 luận văn

Chương 2: Nguyên lý của công nghệ phun phủ HVOF và đặc tính cơ học của lớp phủ chế tạo bằng công nghệ phun phủ HVOF

Chương 3: Tiến hành phun phủ thực nghiệm và thực hiện các thí nghiệm kiểm tra, đánh giá chất lượng lớp phủ WC-20Cr3C2-7Ni

Chương 4: Đánh giá tính chất của lớp phủ và mức độ ảnh hưởng của các thông số phun phủ bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm đơn và đa mục tiêu

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

1.4 Ý nghĩa của luận văn

Công nghệ phun phủ nhiệt xét về các tiêu chí kinh tế, kỹ thuật và môi trường có khả năng đáp ứng tốt các yêu cầu về sửa chữa các trang thiết bị bị hỏng hóc do mòn và xói mòn gây ra, thay thế công nghệ mạ crom truyền thống gây ảnh hưởng tới

môi trường và con người Nhờ những đặc tính ưu việt, công nghệ phun phủ nhiệt được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều trong thực tế [25]:

- Vật liệu phun đa dạng đáp ứng hầu hết các điều kiện làm việc của chi tiết - Tính chất luyện kim khi phun làm tăng độ bền mài mòn, độ cứng, và độ bền bám dính của lớp phủ và phù hợp với nhiều ứng dụng trong công nghiệp

- Tốc độ sản xuất phun nhiệt rất cao và thích hợp cho các bề mặt rộng - Chi phí sản xuất cho lớp phủ ở mức độ trung bình và thấp

- Phun phủ nhiệt được coi là công nghệ xanh, đặc biệt là so với mạ crom cứng Việc tối ưu hóa thông số phun phủ HVOF sẽ giúp đảm bảo rằng lượng vật liệu phun phủ được bám chặt vào bề mặt kim loại và tạo ra một lớp phủ đồng đều, có độ bám dính cao Nếu thông số phun phủ không được tối ưu hóa, vật liệu phun phủ có thể không bám chặt vào bề mặt kim loại hoặc tạo ra một lớp phủ không đồng đều hoặc không đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật Tối ưu hóa thông số phun phủ HVOF cũng có thể giúp tiết kiệm thời gian và chi phí sản xuất bằng cách giảm thiểu lượng vật liệu phun phủ được sử dụng, đồng thời tăng tốc độ phun phủ Điều này có thể giảm thiểu thời gian chờ đợi và chi phí phát sinh trong quá trình sản xuất Do đó, tối ưu hóa thông số phun phủ HVOF là rất quan trọng để đạt được kết quả tốt nhất và đảm bảo rằng quá trình phun phủ được thực hiện hiệu quả và hiệu quả nhất có thể

Các kết quả của luận văn có thể được định hướng ứng dụng trong công nghiệp để phục hồi chi tiết mòn cũng như chế tạo chi tiết mới, tạo lớp phủ bảo vệ lên bề mặt các chi tiết như van, bơm, thiết bị hóa chất trong máy móc dầu khí, làm việc trong các điều kiện mòn khắc nghiệt như nhiệt độ cao 800 – 900oC [6], mòn do xói mòn của các chi tiết, bộ phận trong các hệ thống thủy lực [7]

1.5 Kết luận chương 1

Chương 1 nghiên cứu lịch sử hình thành và phát triển của công nghệ phun phủ nhiệt, so sánh công nghệ phun phủ HVOF với các phương pháp phủ khác Lớp phủ HVOF WC-20Cr3C2-7Ni đưực lựa chọn nghiên cứu do có các đặc tính tốt, được ứng dụng trong các môi trường làm việc chịu mài mòn khắc nghiệt ở nhiệt độ cao và xói

mòn Đã xác định được mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số phun phủ HVOF đến độ cứng, độ xốp và hiệu suất bám dính của lớp phủ WC-20Cr3C2-7Ni

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP PHUN HVOF

2.1 Phun oxy nhiên liệu tốc độ cao (HVOF)

Hình 2.1 Cấu tạo của súng phun HVOF

Phun oxy nhiên liệu tốc độ cao HVOF là một bước tiến của quá trình phun bột khí cháy thông thường (PFS) và phun nổ (DGS) Lớp phủ HVOF được 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 1000 m/s Súng phun HVOF hiện đại được thiết kế dạng ống Laval, 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

Khí nhiên liệu được sử dụng khi phun gồm: hidro, metan, etylen, propylen hoặc propan cùng nhiên liệu lỏng Sự 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 khí (nitơ, CO2 lỏng, argon, ) hoặc nước 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 [26] 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

Công ty Progressive Surface®, USA đã thương mại các hệ thống phun phủ HVOF tự động phục hồi cổ trục khuỷu kích thước trục khuỷu đến 4,17 m chiều dài, nặng đến 1815 kg

2.1.1 Ưu điểm của phương pháp phun HVOF

So với các quá trình phun nhiệt khác, phun HVOF ngoài yếu tố tạo ra vận tốc hạt phun cao hơn so với các quá trình phun khác thì còn có rất nhiều các ưu điểm khác chứng tỏ sự phù hợp để tạo lớp phủ phục hồi bề mặt như:

- Nhiệt độ nguồn nhiệt thấp hơn so với phun plasma

- Môi trường thuận lợi hơn do ít bị oxy hóa hơn các phương pháp phun thông dụng khác do giảm sự tiếp xúc của hạt phun với không khí

- Hạn chế phản ứng và biến đổi pha

- 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 - Mật độ của lớp phủ cao

- Nhiệt độ hạt khá tương đồng và hiệu suất sử dụng nhiệt cao hơn - Nhiệt độ hạt cuối cùng thấp hơn so với các quá trình phun khác

- Độ nhám bề mặt lớp phủ sau khi phun thấp hơn các phương pháp khác - Có thể sử dụng để hoàn thiện bề mặt gia công

- Chi phí đầu tư trung bình và dễ sử dụng hơn so với các quy trình khác (phun plasma, phun nổ)

2.1.2 Hạn chế của phương pháp phun HVOF

- Giới hạn nhiệt độ ngọn lửa (thường dưới 3000°C) - Độ ồn cao do vận tốc khí cao

- Chi tiết phun cần được làm nguội trong quá trình phun do sự truyền nhiệt từ ngọn lửa

- Khó khăn trong việc che chắn các mẫu dẫn đến tăng thời gian phụ khi phun các chi tiết phức tạp

2.1.3 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

2.2 Những kết quả nghiên cứu và ứng dụng phun HVOF

Phương pháp phun HVOF ra đời vào khoảng năm 1960 nhưng hiện nay đã được chú trọng và ứng dụng phổ biến [1] 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

Đối với việc tối ưu hóa các thông số phun phủ đến chất lượng của một số lớp phủ: nhóm nghiên cứu của M Tahari và cộng sự [27] đã tiến hành nghiên cứu

ảnh hưởng của 4 thông số gồm dòng điện, điện áp, khoảng cách phun và tốc độ cấp bột đến chất lượng của lớp phủ NiAl/Cr2C3 Bằng các quy hoạch thực nghiệm Taguchi, kết quả nghiên cứu chứng minh dòng điện là thông số ảnh hưởng lớn nhất đối với độ cứng và khả năng chống mài mòn của lớp phủ Nhóm nghiên cứu của K Murugan [23] tiến hành đánh giá ảnh hưởng của các thông số phun phủ gồm tốc độ dòng oxy, lưu lượng LPG, tốc độ cấp bột, khoảng cách phun đến độ xốp và độ cứng cho các lớp phủ WC–10Co–4Cr trên các chi tiết, thiết bị tàu hải quân bằng phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu với RSM (Response surface methodology) Nghiên cứu xác định bộ thông số phun HVOF: lưu lượng oxy là 253lít/phút, lưu lượng LPG 61lít/phút, khoảng cách phun 227mm và tốc độ cấp bột là 35g/phút, mang lại độ xốp nhỏ nhất (1,38%) và độ cứng lớn nhất (1318HV) trong lớp phủ

Trong nước, luận án của Đinh Văn Chiến [28] thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của các thông số phun phủ HVOF đến lớp phủ Cr3C2-NiCr Nghiên cứu tiến hành đánh giá ảnh hưởng của các thông số phun bao gồm tốc độ cấp bột, tốc độ quay của chi tiết được phun và tốc độ chuyển động của súng phun để cải thiện các đặc tính của lớp phủ (độ bám dính, độ xốp và độ cứng)

Hình 2.2 Ảnh SEM cầu trúc tế vi của bột WC-Co-Cr

Hình 2.3 Phân tích EDS của bột WC-Co-Cr

Đối với ảnh hưởng của việc xử lý nhiệt đến tính chất lớp phủ: nghiên cứu

“Ảnh hưởng của xử lý nhiệt đến hành vi mài mòn của Lớp phủ WC–(W,Cr)2C–Ni” của GL Hou [29] đã tiến hành phun phủ WC–(W,Cr)2C–Ni trên thép không gỉ

1Cr18Ni9Ti bằng công nghệ phun HVOF Qua quá trình xử lý nhiệt trong môi trường chân không đến 1000oC đã ghi nhận được các pha vô định hình giòn bắt đầu kết tinh ở 600oC, và các pha mới được tạo ra sau khi xử lý nhiệt ở 700oC để làm đầy các lỗ trống trong lớp phủ, làm tăng độ cứng lớp phủ Tuy nhiên, xử lý nhiệt ở nhiệt độ cao hơn của 800 và 1000oC tạo ra các pha giòn giàu các nguyên tố Fe và C xen kẽ vào các pha WC và (W,Cr)2C cứng, dẫn đến giảm độ cứng và khả năng chống mài mòn của lớp phủ Với kết quả nghiên cứu trên, có thể ứng dụng để xây dựng quá trình xử lý nhiệt phù hợp cho lớp phủ WC–(W,Cr)2C–Ni Lee và cộng sự [30] thấy rằng xử lý nhiệt sau khi phun làm giảm độ xốp có thể giúp cải thiện tính chống ăn mòn lớp phủ NiCrWMoB Đồng thời, độ xốp giảm cùng với với độ bền liên kết đƣợc cải thiện có thể đạt được thông qua xử lý nhiệt sau khi phun Độ xốp lớp phủ qua xử lý nhiệt có thể giảm xuống dưới 1% Tính chất của lớp phủ hợp kim Ni sau khi phun và được xử lý nhiệt cũng được chứng minh làm độ xốp lớp phủ Ngoài ra, ứng suất dư giảm, các tính chất cơ học, độ bền bám dính lớp phủ, độ bền cắt, mô đun đàn hồi và độ cứng được cải thiện

Hình 2.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X của bột WC–(W,Cr)2C–Ni (a)

và khi phun kết hợp xử lý nhiệt các lớp phủ WC–(W,Cr)2C–Ni (b)

Cấu trúc tế vi và thành phần lớp phủ HVOF đã được nhiều nhà nghiên cứu chứng minh là có ưu điểm vượt trội như mật độ lỗ trống, độ xốp thấp, thành phần oxit

thấp Điều đó đã giải thích lý do vì sao phun HVOF đang được sử dụng rộng rãi trong

việc tạo lớp phủ từ nhiều loại vật liệu khác nhau

Đối với lớp phủ WC-Cr3C2-Ni được phun phủ bằng công nghệ phun HVOF, trên thế giới và trong nước đã có những nghiên cứu sau:

Giovanni Bolelli và các cộng sự đã so sánh hành vi mài mòn trượt khô của hai

lớp phủ kim loại cứng WC–(W,Cr)2C–Ni và WC–CoCr[31] Nghiên cứu đã tiến hành thí nghiệm đo ma sát mài mòn trượt khô của lớp phủ WC–(W,Cr)2C–Ni trên nền thép không gỉ trong điều kiện thử nghiệm lên đến 750oC Kết quả thí nghiệm đo ma sát theo tiêu chuẩn ASTM G99 cho thấy khả năng chống mài mòn trượt khô của lớp phủ WC–(W,Cr)2C–Ni tốt hơn lớp phủ WC–CoCr ở 750oC Ở điều kiện nhiệt độ này, lớp phủ WC–CoCr bị oxi hóa

Qun Wang, Yingpeng Zhang và các cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của

kích thước hạt WC và loại mài đối với hiệu suất mài mòn của lớp phủ HVOF 20Cr3C2-7Ni [32] Kết quả của nghiên cứu cho thấy khi giảm kích thước hạt WC (8µm-2.5µm-0,8µm), độ cứng của lớp phủ tăng lên, nhưng độ bền đứt gãy và độ xốp giảm, điều này ảnh hưởng đến khả năng chống mài mòn của lớp phủ (Hình 2.5) Hình 2.6 trình bày giản đồ pha XRD của bột và các lớp phủ sau phun Các lớp phủ có sự xuất hiện của pha mới là WC1-x và (W,Cr)2C do hiện tượng thoát cacbon trong quá trình phun

WC-Hình 2.5 Mô hình kiểm tra mài mòn

Hình 2.6 Giản đồ XRD của bột và lớp phủ WC-20Cr3C2-7Ni

Varinder Pal Singh Sidhu, Khushdeep Goyala and Rakesh Goyalb đã tiến

hành một nghiên cứu chuyên sâu về ăn mòn trong môi trường nhiệt độ cao trên 900oC

[6] đã chứng minh khả năng làm việc ưu việt của các chi tiết được phủ lớp WC-Cr3C2Ni so với các chi tiết không được phun phủ và các chi tiết được phủ lớp bột WC-Co (Hình 2.7)

-Hình 2.7 Ảnh macro của các mẫu T22 và T91 được phun HVOF

(a) T22 phủ 93(WC- Cr3C2)-7Ni (b) T91phủ (WC- Cr3C2)-7Ni, (c) T22 phủ 17CO, (d) T91 phủ 83WC-17CO, (e) T22 không phủ và (f) T91 không phủ

83WC-Yirui Chen và các cộng sự đã nghiên cứu so sánh ảnh hưởng của góc xói mòn

đối với lớp phủ WC-Cr3C2-Ni [7] Nghiên cứu đã tiến hành tạo môi trường trầm tích ăn mòn gồm hỗn hợp nước và SiO2 phun xói mòn vào bề mặt ba mẫu thí nghiệm (mẫu 1: thép không gỉ 1Cr18Ni9Ti, mẫu 2: thép không gỉ 1Cr18Ni9Ti phủ lớp WC-Ni và mẫu 3: thép không gỉ 1Cr18Ni9Ti phủ lớp WC- Cr3C2-Ni bằng công nghệ HVOF) Kết quả cho thấy với góc va đập nhỏ sẽ gây ra hiện tượng biến dạng gãy, góc va đập lớn gây ra biến dạng dẻo trên lớp phủ Mẫu thép không gỉ 1Cr18Ni9Ti phủ lớp WC- Cr3C2-Ni ít bị ăn mòn hơn so với 2 mẫu còn lại ở các góc va đập khác nhau

Tsai-Shang Huang đã tiến hành thực nghiệm nghiên cứu cấu trúc tế vi và chất

lượng của lớp phủ WC-20Cr3C2-7Ni bằng công nghệ phun phủ nhiệt của ba nhà sản xuất khác nhau là Fujimi, Sulzer Metco và H.C Starck (Hình 2.8-Hình 2.10) [18] Các thuộc tính của lớp phủ, bao gồm độ cứng, độ bền bám dính và khả năng chống mài mòn đã được thử nghiệm Kết quả cho thấy ba loại bột có cùng thành phần nhưng hiệu suất phun phủ của chúng có khác nhau Lớp phủ WC-CrC-Ni phun nhiệt là có độ cứng cao và chống mài mòn tốt, có thể thay thế lớp mạ crom cứng

Hình 2.8 Hình thái học của bột WC-20Cr3C2-7Ni sản xuất bởi Fujimi

Hình 2.9 Hình thái học của bột WC-20Cr3C2-7Ni sản xuất bởi Sulzer Metco

Hình 2.10 Hình thái học của bột WC-20Cr3C2-7Ni sản xuất bởi H.C Starck

Hai-Long Yao và các cộng sự đã tiến hành nghiên cứu cấu trúc tế vi và đặc

tính cơ học của lớp phủ WC-Cr3C2-Ni bằng phương pháp phun HVOF [22] Nghiên cứu đã so sánh tính chất của lớp phủ WC-Cr3C2-Ni với thành phần khối lượng Cr3C2 lần lượt là 10% và 30% với các thông số lưu lượng oxy nhiên liệu khác nhau (6, 8, 10 và 12 m3/h) Cấu trúc tế vi và kết quả EDS thu được thể hiện ở Hình 2.11 Kết quả nghiên cứu cho thấy thành phần pha của lớp phủ chịu ảnh hưởng của phần trăm khối lượng Cr3C2 Lớp phủ WC-Cr3C2-12Ni có độ xốp thấp và các cấu trúc tế vi điển hình, trong đó hỗn hợp các hạt WC mịn và thô được nhúng đồng đều vào ma trận nền Ni/Cr3C2 Độ cứng tế vi, độ bền đứt gãy và mô đun đàn hồi của lớp phủ WC- Cr3C2-12Ni được cải thiện, dẫn đến khả năng chống mài mòn cao của lớp phủ WC- Cr3C2-12Ni tang cao

Hình 2.11 Cấu trúc tế vi mặt cắt ngang và kết quả EDS

của lớp phủ WC-Cr3C2-Ni được phun phủ dưới các luồng oxy khác nhau

Jinran Lin và các cộng sự đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc dòng

chảy và nồng độ cát đến hành vi xói mòn thủy lực của lớp phủ HVOF WC-Cr3C2-Ni trong dung dịch NaCl nồng độ 3,5% [33] Nghiên cứu so sánh các hành vi xói mòn thủy lực của thép không gỉ 1Cr18Ni9Ti phủ lớp HVOF WC- Cr3C2-Ni với vận tốc dòng lưu chất xói mòn và nồng độ cát khác nhau, kết quả thu được thể hiện ở Hình 2.12

Hình 2.12 Tốc độ hao hụt vật liệu của lớp phủ WC- Cr3C2-Ni và 1Cr18Ni9Ti ăn mòn thủy lực trong 6 giờ trong dung dịch NaCl 3,5%

Lớp phủ WC- Cr3C2-Ni có cấu trúc dày đặc với độ dày xấp xỉ 350 µm, độ xốp trung bình 1,1% và kết hợp tốt với chất nền So với thép không gỉ 1Cr18Ni9Ti, lớp phủ WC- Cr3C2-Ni có độ cứng tế vi và mođun đàn hồi cao hơn, đặc tính chống ăn mòn kém hơn và khả năng chóng xói mòn thủy lực trong dung dịch NaCl nồng độ 3,5% vượt trội hơn

Ayush Kumar Goyal và các cộng sự đã thực nghiệm nghiên cứu tính chất ma

sát của lớp phủ WC-Cr3C2-Ni bằng phương pháp phun HVOF [34] Ma sát và mài mòn được so sánh với các mức tải trọng và vận tốc trượt khác nhau Hệ số ma sát tăng 1,6–2 lần khi tăng tải trọng và giảm khoảng 15%–20% khi tăng vận tốc trượt Tốc độ mài mòn giảm khoảng 2 lần khi vận tốc trượt tăng Sự sụt giảm tốc độ mài mòn và hệ số ma sát ở vận tốc trượt cao hơn là do đặc tính bôi trơn của oxit bậc 3 được hình thành do nhiệt sinh ra trong ma sát Thành phần của các oxit bậc 3 trên bề mặt bị mài mòn qua phân tích XRD là các oxit khác nhau của vonfram, crom và niken như WO3, W3O8, NiO2, NiWO4, NiCr2O3 và CrO2, kết quả như Hình 2.13

Hình 2.13 SEM và ánh xạ nguyên tố tương ứng của các mẫu mài mòn ở 50N, hình (a) và (b) vận tốc trượt 0.5m/s, hình (c) và (d) vận tốc trượt 1m/s