Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: 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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

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 Nguyễn Hải Đăng

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS TS Lê Thanh Danh

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM, ngày 24 tháng 6 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 Phạm Quang Trung - Thư ký hội đồng

3 TS Nguyễn Hải Đăng - Ủy viên phản biện 1

4 PGS TS Lê Thanh Danh - Ủy viên phản biện 2

5 PGS TS Trương Nguyên Luân Vũ - 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

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/02/2023

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 11/6/2023 IV HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Cán 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

Lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến TS Ngô Thanh Bình và PGS TS Nguyễn Thanh Hải đã giúp đỡ, hướng dẫn tận tình giúp tôi thực hiện luận văn này Trong quá trình thực hiện luận văn các Thầy đã góp ý, tư vấn cho tôi những lời khuyên quan trọng, qua đó giúp tôi vượt qua những khó khăn thử thách trong quá trình nghiên cứu để kịp thời hoàn thành luận văn đúng tiến độ đề ra

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy trong Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa, các thầy trong Khoa Kỹ thuật Cơ sở, Trường Đại học Trần Đại Nghĩa đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi được sử dụng máy móc, trang thiết bị phục vụ thí nghiệm

Đồng thời, tôi cũng xin cảm ơn quý Thầy, Cô trong Khoa Cơ khí, những người đã tham gia giảng dạy các môn học trong chương trình đào tạo Thạc sĩ Thầy, Cô đã trang bị cho chúng tôi những kiến thức mới bổ ích để có thể hoàn thành tốt luận văn của mình

Cuối cùng, không biết nói gì hơn tôi muốn gửi lời biết ơn sâu sắc nhất đến tất cả những người thân trong gia đình, bạn bè, đồng nghiệp; đặc biệt là người vợ của tôi, người đã luôn đồng hành, thông cảm, lo toan việc nhà, chăm sóc con cái để tôi có nhiều thời gian học tập và nghiên cứu khoa học

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Tp HCM, ngày … tháng … năm 2023

Nguyễn Ngọc Quý

TÓM TẮT

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 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 Luận văn lựa chọn công nghệ phun phủ HVOF để nghiên cứu, bởi công nghệ 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 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, XRD, độ nhám, độ cứng, thí nghiệm xói mòn xâm thực, đo ma sát mài mòn… của các lớp phủ

ABSTRACT

Machine parts work in different conditions They are destroyed and damaged in many ways To improve working-time of parts, many solutions have been proposed to reduce wear such as: lubrication, cooling However, these solutions are only applied at the stage of machine operation and maintenance, so the wear still occurs regularly and parts need to be replaced periodically Therefore, the most radical solution is restoring and creating a surface coating with high anti-wear properties The thesis chose HVOF technology to research, because this method has outstanding advantages such as: spraying on large or small surfaces, creating coatings with a thickness of up to several mm, can spray many layers with different materials to create coatings with special properties, sprayed parts are less affected by heat and deformation, coating parts with complex shapes, high spraying efiiciency The main objective of the thesis is to study the influence of WC-10Ni compositionon the structure and mechanical properties of the NiCrBSi/WC-10Ni composite coating, which can be summarized as follows:

Theory of HVOF coating method

Spraying NiCrBSi, WC-10Ni and mixed of NiCrBSi with WC-10Ni coats (according to different percentages of WC-10Ni mass)

Test and evaluate the influence of WC-10Ni on the structure and mechanical properties of the composite coatings through the results of SEM, XRD, roughness, hardness, and erosion tests, measuring the abrasive friction… of the coatings

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn này 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 trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác Ngoại trừ những phần tham khảo đã trích dẫn nguồn trong nội dung luận văn

Nếu sai, tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định

Tp HCM, ngày tháng năm 2023

Nguyễn Ngọc Quý

LỜI CAM ĐOAN v

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ix

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 8

1.3 Cấu trúc luận văn 9

1.4 Ý nghĩa của luận văn 9

1.5 Kết luận chương 1 9

CHƯƠNG 2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP PHUN HVOF 11

2.1 Phun oxy nhiên liệu tốc độ cao 11

2.2 Ưu nhược điểm của phương pháp phun HVOF 15

2.2.1 Ưu điểm của phương pháp phun HVOF 15

2.2.2 Nhược điểm của phương pháp phun HVOF 15

2.3 Ứng dụng của phương pháp phun HVOF 15

2.4 Kết luận chương 2 17

CHƯƠNG 3.THỰC NGHIỆM VÀ KIỂM TRA ĐÁNH GIÁ 18

3.1 Vật liệu, thiết bị thực nghiệm 18

3.3 Chuẩn bị mẫu đánh giá chất lượng lớp phủ 29

3.4 Phương pháp đánh giá chất lượng lớp phủ 31

4.1.1 SEM / EDS của lớp phủ NiCrBSi 43

4.1.1 SEM / EDS của lớp phủ WC-10Ni 46

4.1.2 SEM / EDS của các lớp phủ Ni10W, Ni20W, Ni30W 48

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 70

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Tên viết tắt các lớp phủ 25

Bảng 3.2 Thông số công nghệ chế tạo lớp phủ 26

Bảng 4.1 Thành phần hóa học bề mặt của lớp phủ của các điểm Hình 4.1b 44

Bảng 4.2 Thành phần lớp phủ của các điểm được phân tích trong Hình 4.3 45

Bảng 4.3 Thành phần lớp phủ của các điểm được phân tích trong Hình 4.5 47

Bảng 4.4 Thành phần lớp phủ của các điểm được phân tích trong Hình 4.7 49

Bảng 4.5 Giá trị độ nhám của các lớp phủ sau phun 54

Bảng 4.6 Kết quả đánh giá độ xốp lớp phủ Ni10W 55

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Các cổ trục khuỷu động cơ xe thiết giáp chở quân M113 1

Hình 1.2 Khối lượng mòn của NiCrBSi-WC, NiCrBSi và vật liệu nền 4

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 4

Hình 1.4 XRD của các lớp phủ 5

Hình 1.5 Hệ số ma sát của các lớp phủ 5

Hình 1.6 Độ cứng tế vi của vật liệu nền, NiCrBSi và NiCrBSi-WC 6

Hình 1.7 Biến thiên độ cứng tế vi theo chiều dày lớp phủ 6

Hình 1.8 XRD của lớp NiCrBSi+20%WC/12Co 6

Hình 1.9 XRD của NiCrBSi–WC 7

Hình 1.10 XRD của NiBSi–WC 7

Hình 1.11 Tổn thất khối lượng trong quá trình thử nghiệm xói mòn 7

Hình 2.1 Cấu tạo của súng phun HVOF 11

Hình 2.2 Sự phát triển thiết kế của các hệ thống HVOF: 12

Hình 2.3 Thiết kế điển hình của súng phun HVOF hãng Oerlikon-Metco 14

Hình 2.4 Súng phun HVOF Diamond Jet phiên bản gắn robot và cầm tay 14

Hình 2.5 Ứng dụng của phương pháp phun HVOF trong các lĩnh vực khác nhau 16

Hình 3.1 Máy phân tích kích thước hạt Camsizer X2 18

Hình 3.2 Biểu đồ phân bố kích thước hạt theo thể tích 19

Hình 3.3 Ảnh SEM của bột NiCrBSi 19

Hình 3.4 Ảnh SEM của bột WC-10Ni 20

Hình 3.5 Kết quả phân tích EDS bột NiCrBSi 20

Hình 3.6 Kết quả phân tích EDS bột WC-10Ni 21

Hình 3.7 XRD của bột NiCrBSi 21

Hình 3.8 XRD của bột WC-10Ni 22

Hình 3.9 Cấu tạo súng phun HVOF sử dụng trong luận văn 22

Hình 3.10 Bản vẽ chế tạo mẫu thực nghiệm 23

Hình 3.11 Mẫu được gia công trên máy phay CNC 23

Hình 3.12 Hình ảnh bề mặt sau HHBM 24

Hình 3.13 Quá trình cân khối lượng bột 25

Hình 3.14 Máy trộn bột Ball Mill SH Scien 26

Hình 3.15 Gá mẫu trên máy tiện và điều chỉnh khoảng cách phun 27

Hình 3.16 Phun phủ HVOF lên mẫu thực nghiệm 27

Hình 3.17 Đo chiều dày lớp phủ bằng thiết bị DeFelsko PosiTector 6000 FNS3 28

Hình 3.18 Theo dõi nhiệt độ của mẫu trong quá trình phun 28

Hình 3.19 Cắt mẫu trên máy cắt dây 29

Hình 3.20 Máy cắt Leco MSX 205 M2 29

Hình 3.21 Máy đúc mẫu nóng XQ-2B 30

Hình 3.22 Thiết bị mài và đánh bóng mẫu Leco Spectrum System® 1000 30

Hình 3.23 Kính hiển vi điện tử quét JEOL JSM-IT200 31

Hình 3.24 Thiết bị đo XRD Bruker D2 Phaser 32

Hình 3.25 Đo độ nhám lớp phủ trên máy Mitutoyo SJ-410 33

Hình 3.33 Cánh bơm ly tâm bị xói mòn xâm thực 38

Hình 3.34 Hình ảnh bố trí thí nghiệm đo xói mòn xâm thực 38

Hình 3.35 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xói mòn xâm thực 39

Hình 3.36 Mẫu sử dụng để đo xói mòn xâm thực 39

Hình 3.38 Bể rửa siêu âm Elma S100H 40

Hình 3.40 Thiết bị đo ma sát mài mòn Tribometer - CETR - UMT-3 41

Hình 3.41 Các mẫu lớp phủ đo ma sát mài mòn 42

Hình 4.1 Hình thái bề mặt và EDS (% khối lượng) NiCrBSi sau phun 43

Hình 4.2 Kết quả phân tích EDS scan line mặt cắt ngang lớp phủ NiCrBSi 44

Hình 4.3 Phân tích EDS một số pha trong mặt cắt ngang lớp phủ NiCrBSi 45

Hình 4.4 Kết quả phân tích scan line mặt cắt ngang EDS lớp phủ WC-10Ni 46

Hình 4.5 Phân tích EDS một số pha trong lớp phủ WC-10Ni 47

Hình 4.6 Kết quả phân tích EDS scan line mặt cắt ngang lớp phủ Ni10W 48

Hình 4.7 Phân tích EDS một số pha trong lớp phủ Ni10W 49

Hình 4.8 Kết quả phân tích EDS scan line mặt cắt ngang lớp phủ Ni20W 50

Hình 4.9 Kết quả phân tích EDS scan line mặt cắt ngang lớp phủ Ni30W 51

Hình 4.10 Kết quả phân tích XRD 52

Hình 4.11 Đồ thị biên dạng độ nhám bề mặt lớp phủ NiCrBSi sau phun 53

Hình 4.12 Biểu đồ khối lượng xói mòn qua các lần đo 58

Hình 4.13 Hình ảnh bề mặt Ni10W sau khi bị xói mòn 59

Hình 4.14 Hệ số ma sát COF của các lớp phủ dưới tải trọng 25N 60

Hình 4.15 Ảnh quét bề mặt vết mòn các lớp phủ 61

Hình 4.16 Ảnh quét biên dạng vết mòn và xác định độ sâu vết mòn 61

MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT Chữ viết tắt

HVOF High Velocity Oxy Fuel

SEM/EDS Scanning Electron Microscopy/Energy Dispersive Spectroscopy XRD X-Ray Diffraction

APS Atmospheric Plasma Spraying DGS Detonation Spraying

VPS Vacuum Plasma Spraying LPG Liquefied Petroleum Gas

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 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, NiCrBSi và NiCrBSi-WC

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

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 lửa Các kết quả cho thấy việc thêm 15% trọng lượng WC-12Co vào hợp kim sẽ cải thiện khả năng chống xói mòn (Hình 1.11)

Hình 1.11 Tổn thất khối lượng trong quá trình thử nghiệm xói mòn

Tuy nhiên, việc tăng nồng độ 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 giá trị tăng của mật độ dòng ăn mòn Dựa trên các kết quả thực nghiệm đạt được, ta có thể kết luận rằng các lớp phủ composite NiCrBSi/WC-Co có thể tăng tuổi thọ của các bộ phận đắt tiền, có hiệu suất cao, được tiếp xúc với điều kiện xói mòn nghiêm trọng

Aleksandar Vencl và cộng sự [13] đã sử dụng phương pháp kiểm tra tiêu

chuẩn ASTM C633 để đánh giá độ bám dính hoặc độ bền liên kết của lớp phủ phun nhiệt Những thử nghiệm này được thực hiện bằng cách sử dụng máy thử kéo thủy lực Instron M 1185, với tốc độ di chuyển đầu gối là 0,5 mm/phút (lớp phủ 4052 và 92F) và 1 mm/phút (lớp phủ 505 và 34F) Hình dạng của các mẫu là hình trụ, đường kính Ø25 và diện tích là 50 mm2 Hai mẫu được sử dụng cùng một lúc, và chỉ một trong số chúng được phủ lớp phủ Các mẫu được liên kết bằng keo và giữ chặt lên nhau trong lò nung Độ bền được tính bằng cách chia tải tối đa (hỏng) cho tiết diện của mẫu Các kết quả trình bày về thử nghiệm độ bền kéo của các lớp phủ đại diện cho giá trị trung bình của một số lượng lớn các thử nghiệm

Có thể thấy các kết quả nghiên cứu chủ yếu tìm hiểu về ảnh hưởng của Co đến lớp phủ NiCrBSi mà ít thấy các nghiên cứu nói về ảnh hưởng của WC-10Ni Do đó luận văn chọn nội dung “Nghiên cứu ảnh hưởng của WC-10Ni đến cấu trúc và đặc tính cơ học của lớp phủ NiCrBSi/WC-10Ni” để khảo sát

WC-1.2 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận văn là nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần 10Ni đến cấu trúc và đặc tính cơ học của lớp phủ hỗn hợp NiCrBSi/WC-10Ni, có thể được tóm tắt như sau:

WC-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

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, 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

1.4 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

1.5 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

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP PHUN HVOF 2.1 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]

2.2 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

2.3 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

Hình 2.5 Ứng dụng của phương pháp phun HVOF trong các lĩnh vực khác nhau

2.4 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

CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM VÀ KIỂM TRA ĐÁNH GIÁ 3.1 Vật liệu, thiết bị thực nghiệm

3.1.1 Vật liệu phun

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

3.1.2 Thiết bị phun HVOF

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

5 Water inlet

2 Oxydizer7 Water cooling

jacket

4 Tube6 Water

3 Fuel

1 Powder injector

Hình 3.9 Cấu tạo súng phun HVOF sử dụng trong luận văn

3.2 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, 15, 20, 25 và 30% khối lượng

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

Bảng 3.2 Thông số công nghệ chế tạo lớp phủ

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 súng phun và phun mẫu đạt độ dày khoảng 300 µm (Hình 3.16)