Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt đến cấu trúc, tính chất của hệ lớp phủ kép nhôm và hợp kim ni 20rc trên nền thép

Với mục tiêu nghiên cứu chế tạo ra một hệ lớp phủ mới có khả năng làm việc trong các môi trường khắc nghiệt như vừa chống được mài mòn, ăn mòn và chịu nhiệt, tác giả đã lựa chọn hệ lớp p

về vật liệu vốn đã rất cao thì còn kèm theo chi phí cho công tháo, lắp, sửa chữa và các thiệt hại khác do dây chuyền sản xuất phải ngừng hoạt động

Những năm gần đây, song song với việc phát triển khoa học công nghệ và các ngành kỹ thuật công nghiệp thì việc đòi hỏi nâng cao chất lượng sản phẩm và kéo dài tuổi thọ của các chi tiết máy luôn được quan tâm Đặc biệt đối với các chi tiết máy làm việc trong môi trường khắc nghiệt như chịu ăn mòn, mài mòn thì tính chất vật liệu bề mặt chi tiết máy đó được đặt lên hàng đầu Hiện nay có rất nhiều phương pháp xử lý bề mặt được ứng dụng nhằm đáp ứng các yêu cầu của chi tiết trong các điều kiện làm việc khác nhau Công nghệ phun phủ và xử lý nhiệt là một trong những phương pháp có thể đáp ứng được yêu cầu làm việc của chi tiết trong điều kiện nói trên [4, 5]

Trong các công nghệ xử lý bề mặt được sử dụng, công nghệ phun phủ nhiệt ngày càng được phát triển mở rộng về quy mô, cải thiện về chất lượng, thể hiện được những tính ưu việt so với các phương pháp xử lý bề mặt khác cả về kỹ thuật và kinh tế [5, 6] Như chúng ta đã biết, các kim loại Cr, Ni, Al có khả năng chịu nhiệt, chống ăn mòn, chịu mài mòn và có độ bền khá cao trong nhiều môi trường hóa chất Lớp phủ Al thường được biết đến là lớp phủ chống ăn mòn khí quyển tốt, khả năng chịu nhiệt khá tốt, ngoài ra, khi được xử lý nhiệt lớp phủ Al trên thép, Al còn có khả năng khuếch tán vào nền thép tạo thành các pha liên kim giữa Al và Fe như: Fe3Al, FeAl2, Fe2Al5, Fe3Al, FeAl Các pha liên kim này có độ cứng cao, chịu mài mòn, chịu nhiệt tốt [7 – 13] Ngoài khả năng khuếch tán vào thép, nếu có mặt các nguyên tố Ni và Cr đủ lớn Al còn có thể tương tác với các nguyên tố Ni và Cr tạo thành các liên kim giữa Al – Ni như: AlNi3, Al3Ni5, AlNi, Al3Ni2, Al3Ni; giữa Al – Cr như: AlCr2, Al8Cr5, Al9Cr4, Al11Cr2, Al7Cr là các pha có độ cứng khá cao

2

Ni và Cr là các nguyên tố thường dùng để hợp kim hóa trong thép tạo thành thép hợp kim, với hàm lượng cao cùng với Fe và C tạo ra các loại thép không gỉ, các hợp kim bền nóng Ni kết hợp với Cr theo tỷ lệ gần 80% Ni và gần 20% Cr tạo thành hợp kim Ni-20Cr, hợp kim này thường được dùng làm dây sợi đốt cho các loại lò buồng, nhiệt độ làm việc lên đến 900 – 1100oC [14, 15, 16] Ngoài khả năng chịu nhiệt, hợp kim Ni-20Cr còn được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp dầu khí, khai thác khoáng sản, hóa chất dưới dạng lớp phun phủ nhiệt [17]

Để đáp ứng được các yêu cầu vừa chịu mài mòn, chống ăn mòn và chịu nhiệt cần tìm giải pháp phối hợp các lớp phủ với nhau Việc đưa lớp phủ nhôm vào bên trong (tiếp giáp với nền thép) và lớp phủ Ni-20Cr bên ngoài, kết hợp với xử lý nhiệt khuếch tán giữa các lớp phủ và lớp phủ với nền có thể làm tăng liên kết, đồng thời có một số các tính chất đáp ứng với yêu cầu mong muốn là một hướng có triển vọng, tuy nhiên các nghiên cứu này lại chưa nhiều

Với mục tiêu nghiên cứu chế tạo ra một hệ lớp phủ mới có khả năng làm việc trong các môi trường khắc nghiệt như vừa chống được mài mòn, ăn mòn và chịu nhiệt, tác giả đã lựa chọn hệ lớp phủ kép Al kết hợp với lớp phủ Ni-20Cr, lớp phủ Al ở giữa tiếp giáp nền thép, lớp phủ Ni-20Cr ở trên, kết hợp xử lý ủ nhiệt

Thép C45 và CT3 là nhóm vật liệu thông dụng trong công nghiệp, ưu điểm là rẻ tiền, tính hàn tốt, dễ gia công cắt gọt, thường được dùng để chế tạo các chi tiết máy, kết cấu không đòi hỏi các tính chất đặc biệt Thép C45 thường được dùng để chế tạo các chi tiết dưới dạng trục, thép CT3 thường được dùng dưới dạng tấm, thanh, để chế tạo các kết cấu, cánh quạt, cánh khuấy, vỏ, thân lò

Vì vậy đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt đến cấu trúc, tính chất của hệ lớp phủ kép nhôm và hợp kim Ni-20Cr trên nền thép” chọn thép

C45 và CT3 làm vật liệu nền nhằm khai thác những ưu điểm của nhóm vật liệu này, đồng thời nhờ lớp phủ để nâng cao khả năng làm việc của chúng trong một số môi trường đặc biệt như chống ăn mòn, mài mòn, ví dụ: cánh quạt trong lò đốt rác thải, cánh tuabin, cánh bơm…

3

Chương 1

TỔNG QUAN

1.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng phun phủ nhiệt trên thế giới

Phun phủ nhiệt là một trong những phương pháp công nghệ của khoa học và công nghệ bề mặt nói chung và công nghệ xử lý bề mặt nói riêng Nói về công nghệ bề mặt là chúng ta nói đến một công nghệ truyền thống cổ điển đã tồn tại hàng trăm năm lịch sử của nền văn minh nhân loại; đặc biệt đến đầu thập kỷ 80 của thế kỷ 20 đã tích lũy được nhiều kinh nghiệm phong phú và trở thành một lĩnh vực đặc thù đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng của xã hội loài người

Phun phủ nhiệt là lĩnh vực khoa học và công nghệ còn rất trẻ so với các phương pháp bề mặt cổ điển khác như: sơn, mạ Năm 1910, ý tưởng phun phủ nhiệt được một

kỹ sư cơ khí người Thụy Sĩ là M.U Shoop đưa ra nhưng cho đến năm 1923, phương pháp công nghệ này mới được đưa vào sản xuất, ban đầu chỉ dùng cho mục đích trang trí Đến chiến tranh Thế Giới thứ 2, phun phủ nhiệt mới được ứng dụng trong quy mô công nghiệp ở hầu hết các nước Châu Âu

Phương pháp công nghệ này đã trở thành một công nghệ vạn năng, có nhiều ưu việt trong các lĩnh vực chống gỉ, phục hồi, trang trí, với ưu điểm là tiết kiệm kim loại quý, tạo các lớp bề mặt có tính chất đặc biệt Đến những năm 70, 80 của thế kỷ 20, phun phủ nhiệt đã trở thành một lĩnh vực khoa học và công nghệ riêng biệt, biểu hiện giống như một khoa học và công nghệ bề mặt (Công nghệ xử lý bề mặt); mặt khác nó cũng giống như một phương pháp công nghệ chế tạo mới trong sản xuất Đến những năm 90 của thế kỷ 20, khoa học và công nghệ phun phủ đã có tốc độ phát triển và ứng dụng rất mạnh mẽ trong công nghiệp, đặc biệt là trong lĩnh vực cơ khí (cơ khí chế tạo máy, cơ khí hàng không, cơ khí giao thông vận tải, cơ khí hóa chất )

Để đánh giá sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ phun phủ nhiệt,

có thể dựa trên cơ sở sự phát triển thiết bị, các phương pháp công nghệ, phạm vi ứng dụng, hiệu quả kinh tế trong các lĩnh vực công nghiệp và đời sống xã hội

Hiện nay trên thế giới, nhiều nước tiên tiến, các nước có truyền thống về công nghiệp phun phủ nhiệt đều có các hãng chuyên nghiên cứu, thiết kế thiết bị, vật liệu và ứng dụng công nghệ này như: Hãng Plasma Technique, Castolin (Thụy Sĩ);

Phun phủ nhiệt đã và đang phát triển mạnh mẽ ở các nước như: Mỹ, Anh, Pháp, Đức, Nga, Nhật Ở các nước tiên tiến đã có những dây chuyền phun phủ công suất cao khoảng 1 tấn vật liệu phun trong một ngày Song song với phát triển ứng dụng, họ còn tiếp tục nghiên cứu cơ sở lý thuyết để hoàn chỉnh dần Các nước này đã có các viện nghiên cứu, thành lập các hiệp hội và cả tạp chí riêng; họ xây dựng tiêu chuẩn quốc gia, tiêu chuẩn quốc tế về phun phủ nhiệt; hàng năm đều có các công bố phát minh sáng chế khoa học về công nghệ này [6, 17, 18]

1.2 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt ở Việt Nam

Công nghệ phun phủ nhiệt đã du nhập vào nước ta cách đây khoảng 50 năm Thời gian đầu, công nghệ này được sử dụng chủ yếu cho mục đích phục hồi các chi tiết máy bị mài mòn, sử dụng vật liệu phủ là các loại thép Cho đến những năm 1990, xuất phát từ nhu cầu thực tế, một số cơ sở nghiên cứu và sản xuất bắt đầu tập trung phát triển và ứng dụng công nghệ này với mục đích tạo các lớp phủ có khả năng chịu

ăn mòn tốt khi phải làm việc trong các môi trường khắc nghiệt

Năm 1975, Viện Kỹ thuật giao thông vận tải thuộc Bộ giao thông vận tải cho một nhóm cán bộ kỹ sư sang Liên Xô (cũ) thực tập về công nghệ phục hồi và bảo vệ kết cấu máy bằng công nghệ hàn đắp, phun phủ và mạ Sau đó bộ giao thông đã xây dựng

được đề tài cấp nhà nước giai đoạn 1970 – 1979 với đề tài “Phục hồi các chi tiết máy

trong ngành giao thông vận tải bằng Công nghệ hàn đắp, phun phủ và mạ” Đề tài do

Viện Kỹ thuật giao thông vận tải chủ trì và được Ủy ban Khoa học Nhà nước trước đây (bây giờ là Bộ Khoa học và Công nghệ) cấp kinh phí nghiên cứu

Do có sự phát triển cả về phương diện nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu ứng dụng cũng như sự phát triển rộng hơn trên nhiều nhà máy, nên công nghệ phun phủ ở

5

Việt Nam phát triển với tốc độ càng cao Năm 1980 – 1985, nhà máy cơ khí sửa chữa ôtô thủy lợi đã thiết kế chế tạo mẫu đầu phun M-6 và toàn bộ trang thiết bị khác để thực hiện việc phục hồi các trục bơm của các trạm bơm nước thuộc tỉnh Hà Nam, các lớp phủ chống mài mòn và chống ăn mòn hóa học từ thép không gỉ 12Cr18Ni9 trên trục thép cacbon kết cấu

Giai đoạn đất nước đổi mới, các lĩnh vực công nghiệp, xã hội có sự đổi mới và phát triển; đặc biệt lĩnh vực khai thác dầu khí, khai thác than đạt được nhiều thành tích; đồng thời kế hoạch xây dựng đường dây điện cao thế 500 kV Bắc Nam Vấn đề bảo vệ chống ăn mòn kết cấu như dàn khoan, cầu đường, tàu biển được đặt ra Công nghệ phun phủ nhiệt được quan tâm đáng kể Nhiều đơn vị như Viện Công nghệ – Bộ quốc phòng, Viện nghiên cứu máy – Bộ công nghiệp nặng, Trường đại học bách khoa

Hà Nội sử dụng thiết bị phun phủ hồ quang dây M9; M14-M; Y-1 của Liên Xô

để phun phủ lớp bảo vệ nhôm, kẽm với chiều dày phun 160 – 200 m cho các chân cột, thanh giằng, các thanh trụ của dàn khoan (Vũng Tàu); của các cột điện, các thanh trụ của cột bê tông (đảo Trường Sa)

Song song với các kết quả ứng dụng, các đề tài nghiên cứu khoa học các cấp bộ

và nhà nước cũng được hình thành; được nhà nước quan tâm hỗ trợ

Trước những thành tựu đổi mới, sự tăng trưởng của nền kinh tế đất nước liên tục hàng năm, do vậy Đảng và chính phủ đã có sự quan tâm đáng kể đến nhiều vấn đề kinh tế - xã hội; đặc biệt đến sự phát triển của Khoa học và Công nghệ Chương trình xây dựng 16 phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia đã được chính phủ phê duyệt Trong năm 2001 đã chính thức triển khai xây dựng 6 phòng thí nghiệm đầu tiên trong

đó có Phòng thí nghiệm về công nghệ hàn và xử lý bề mặt do Viện nghiên cứu cơ khí thuộc Bộ Công nghiệp nặng chủ trì

Với khoảng kinh phí đáng kể (50 tỷ đồng), Viện nghiên cứu cơ khí đã xây dựng phương án đầu tư các phương pháp công nghệ hàn và phun phủ tiên tiến nhằm thúc đẩy khả năng nghiên cứu khoa học và phục vụ sự nghiệp công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước Về lĩnh vực phun phủ nhiệt, phòng thí nghiệm này đã trang bị mới các thiết bị phun phủ khí cháy, phun phủ plasma, phun phủ nổ Song song với thiết bị công nghệ, phòng thí nghiệm đo lường, kiểm tra cũng trang bị đầy đủ và khá hiện đại (kính hiển vi điện tử, thiết bị đo 3 chiều, đo ứng suất dư ) Với điều kiện tốt về trang thiết bị

có bôi trơn trong dầu (cổ trục đỡ ổ bi, má nghiền…) Đề tài khảo sát khá nhiều loại vật liệu, chủ yếu là một số mác thép hợp kim (65Mn, 20NiCr3…) Độ bền của vật liệu trong các môi trường ăn mòn đã không được nghiên cứu

Các kết quả nghiên cứu, ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt ở Việt Nam trong những năm qua đã có nhiều kết quả và ngày càng phát triển Vì vậy hiện nay cũng như các năm tiếp theo, các bộ ngành có quan tâm và hỗ trợ tích cực

Viện cơ khí năng lượng và mỏ thuộc Bộ Công Thương đã thúc đẩy công nghệ phun phủ nhiệt bằng sự đầu tư toàn bộ thiết bị phun phủ nổ của CHLB Nga, thiết bị DNIPRO-3M với công suất nổ 3000 lần/phút Để phun các lớp phủ bột kim loại, bột hợp kim, bột các ôxit khác với thiết bị phun phủ nổ này, Viện có điều kiện nghiên cứu nâng cao chất lượng bám dính của lớp phủ để tạo lớp phủ có tính chất đặc biệt cho việc phục hồi hoặc chế tạo các chi tiết làm việc trong điều kiện mài mòn và ăn mòn cao của ngành khai thác mỏ ở Việt Nam

Viện công nghệ thuộc Bộ Công Thương cũng đầu tư các thiết bị phun ЭM6; ЭM14; ЭM-12/67 của Nga; Mogan UP-1 của CHLB Đức, để thực hiện chương trình nghiên cứu các lớp phủ và xử lý bề mặt chi tiết

Cùng với thời gian này, Viện Kỹ thuật nhiệt đới thuộc Trung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc Gia (nay là Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) được nhà nước đầu tư trang thiết bị phun phủ hồ quang điện OSU HESSLER 300A ROTARY của CHLB Đức, với thiết bị có chất lượng cao, độ ổn định tốt Viện

đã tiến hành nghiên cứu các lớp phủ bảo vệ chống ăn mòn hóa học ở các điều kiện môi trường khác nhau, đồng thời cũng nghiên cứu các lớp phủ chống mài mòn nhằm mục đích ứng dụng cho các kết cấu làm việc trong vùng khai thác mỏ Quảng Ninh

Tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới, công nghệ phun phủ kim loại dùng hồ quang điện

đã được nghiên cứu từ khoảng năm 1995 và đã thu được một số kết quả nghiên cứu và

7

triển khai ứng dụng Tính đến nay, sau hơn 15 năm hoạt động, Viện đã chủ trì và tham gia 10 đề tài nghiên cứu các cấp liên quan đến phun phủ kim loại, công bố hơn 50 bài báo và báo cáo khoa học về nghiên cứu - đánh giá các lớp phủ bảo vệ, đào tạo 11 sinh viên cao học, khoảng 50 sinh viên đại học và cao đẳng, thực hiện hơn 50 hợp đồng trong lĩnh vực phun phủ nhiệt và công nghệ xử lý bề mặt [19]

1.3 Nguyên lý công nghệ phun phủ nhiệt

Nguyên lý chung của phun phủ nhiệt là dùng nguồn nhiệt (hồ quang, khí cháy, plasma) làm nóng chảy toàn bộ hay một phần các vật liệu phun dưới dạng bột, dạng thanh, dạng dây hay dạng lõi thuốc Vật liệu sau đó được phân tán thành các hạt dưới dạng sương mù, dưới tác dụng của dòng khí năng lượng cao sẽ tăng tốc và phun lên bề

Nguyên liệu thanh, dây hoặc bột

Nguồn nhiệt (điện, khí hoặc plasma)

8

mặt của chi tiết đã được chuẩn bị trước Các vật liệu dùng để phun phủ có thể là kim loại, hợp kim, bột ceramic, nhựa hoặc composit

Với đặc điểm hình thành như vậy, lớp phủ sẽ có cấu trúc dạng lớp, trong đó, các phần

tử vật liệu bị biến dạng và xếp chồng lên nhau Vì vậy chiều dày lớp phủ không bị giới hạn, có thể tạo lớp phủ mỏng vài chục µm hoặc dày vài mm (hình 1.1) [20]

1.3.1 Mục đích và phân loại công nghệ phun phủ nhiệt

1.3.1.1 Mục đích của phương pháp phun phủ nhiệt

Phun phủ có ứng dụng rất nhiều trong thực tế, dưới đây là một số ứng dụng quan trọng nhất:

- Phun phủ phục hồi các chi tiết bị mòn

- Tạo các lớp phủ chức năng: chịu mài mòn, chống ăn mòn, chịu nhiệt…

- Phun các lớp phủ (lớp phủ dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, cách điện, cách nhiệt, lớp phủ

từ tính…) lên các chi tiết mà vật liệu cơ bản không có các đặc tính này

- Sửa chữa khuyết tật (vật đúc, chi tiết sau khi gia công cơ)

- Tạo lớp phủ trang trí

1.3.1.2 Phân loại công nghệ phun phủ

Phân loại theo năng lượng phun: phun bằng khí cháy, phun bằng nguồn năng lượng điện Phân loại theo công nghệ phun: phun khí cháy, phun hồ quang điện, phun

nổ, phun plasma, phun HVOF (High Velocity Oxygen Fuel)

Ngoài các phương pháp phun trên còn một số phương pháp phun khác như phun nguội (cold spray), phun ấm (warm spray), phun laser, Bảng 1.1 so sánh đặc điểm một số phương pháp phun phủ nhiệt [21] Hình 1.2 chỉ ra các công nghệ phun phủ nhiệt điển hình [22]

Hình 1.2 Các công nghệ phun phủ nhiệt [22]

Phun HVOF

Phun

hồ quang điện

Phun Plasma

Độ bám dính

(MPa)

Hợp kim Fe Hợp kim màu Gốm Cácbit

< 83

28 – 41

14 – 48 –

0,05 – 2,0 0,05 – 5,0 0,25 – 2,0 0,15 – 0,8

0,05 – 2,5 0,05 – 2,5 – 0,002 – 0,200

0,1 – 2,5 0,1 – 5,0 – –

0, 4 – 2, 5 0,05 – 5,0 0,1 – 2,0 0,15 – 0,8

Độ cứng (HRC)

Hợp kim Fe Hợp kim màu Gốm Cácbit

55 – 72

40

35 – –

< 1

3 – 10

3 – 10 – –

10

1.3.1.3 Phương pháp phun phủ bằng hồ quang điện

Nguyên lý: Hồ quang điện được tạo ra bởi 2 hoặc 3 dây kim loại (hay hợp kim)

dịch chuyển bằng cặp con lăn cấp dây qua ống dẫn dây đến tiếp xúc với nhau Các dây kim loại được nối với hai điện cực khác nhau bằng ống tiếp điện, khi tiếp xúc nhau sẽ gây ngọn lửa hồ quang có nhiệt độ cao làm nóng chảy đầu dây kim loại Dây kim loại liên tục được cấp bởi cặp con lăn quay với vận tốc phù hợp với quá trình phun (hình 1.3) [22]

Các yếu tố ảnh hưởng và thông số tối ưu quá trình phun phủ hồ quang điện:

Hình 1.4 Mô tả sơ đồ nguyên lý phun hồ quang điện [23]

Hình 1.3 Nguyên lý phun phủ hồ quang điện 2 điện cực [22]

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý phun hồ quang điện [22]

1 Máy nén khí; 2 Bình chứa khí nén; 3 Máy sấy lọc khí;

4 Thiết bị làm sạch; 5 Tủ điều khiển; 6 Đầu phun LD/U-2

Chế độ hoạt động của thiết bị:

Các yếu tố ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất quá trình phun là công suất dòng hồ quang và tiêu hao khí

Công suất riêng của đầu phun Nd = (2.000 – 10.000) KJ/kg, nếu tăng Nd sẽ dẫn đến thất thoát nhiều phân tử kim loại do bị quá nhiệt, song chất lượng lớp phủ sẽ tốt hơn Thường dùng thiết bị phun có công suất P = (5 – 20) kW, dòng điện I = (80 – 600) A, điện áp U = (18 – 35) V

Áp suất, lượng tiêu hao khí cũng như các tính chất của khí thổi ảnh hưởng trực tiếp đến các chỉ tiêu của quá trình Việc tăng áp suất dẫn đến tăng tốc độ phun, tăng lượng tiêu hao khí thổi Chọn áp suất dòng khí trong khoảng (3,5 – 5,5) atm, tiêu hao khí (16 – 150) m3/giờ

Dây và tốc độ cấp dây:

Đường kính dây thường dao động trong khoảng (1 – 3,5) mm, tốc độ cấp dây thường là (0,05 – 0,35) m/giây, tương ứng với năng suất phun (2 – 120) kg/giờ

Điều kiện ngoại vi:

+ Góc phun được chọn trong khoảng (65o– 90o

)

+ Khoảng cách phun L = (100 – 300) mm

+ Tốc độ di chuyển đầu phun (20 – 50) m/phút

Ưu điểm: Phương pháp phun phủ bằng hồ quang điện cho năng suất phun cao, có

thể đạt tới 120 kg/giờ, hệ số hiệu dụng năng lượng và hệ số sử dụng vật liệu phủ cao (0,6  0,85) Chất lượng lớp phủ khá tốt, độ bám dính cao

Nhược điểm: Chỉ dùng được vật liệu dây kim loại để phun, nhạy cảm với các khí

hoạt tính

12

Trong thực tế phương pháp và các thiết bị phun phủ bằng hồ quang điện được lựa chọn và sử dụng rộng rãi vì những đặc tính ưu việt của phương pháp như như tính cơ động, thực hiện trên nhiều chi tiết có hình dạng và bề mặt khác nhau, dễ dàng điều chỉnh chiều dày lớp phủ theo ý muốn và giá thành rẻ hơn so với các công nghệ phun phủ khác

1.3.2 Cấu trúc và tính chất của lớp phủ kim loại

Cấu trúc của lớp phủ kim loại có đặc trưng của các cấu trúc bị nguội nhanh đột ngột Các phần tử kim loại phủ bị nguội rất nhanh do tốc độ nguội rất lớn, do vậy khi đông đặc sẽ xuất hiện trong mạng tinh thể (hoặc trong cấu trúc) những trung tâm lệch mạng Do sự kết tinh nhanh của lớp phủ, có thể nhận được cấu trúc giả bền vững dưới dạng các dung dịch rắn bão hòa và có thể có cả trạng thái vô định hình của kim loại

Trong lớp phủ kim loại có thể có 2 loại ôxit, một loại ôxit được hình thành riêng biệt, loại khác bao bọc xung quanh các phần tử kim loại phun khi đập vào bề mặt cần phun, các phần tử này sẽ bị biến dạng Loại đầu thường coi là bất lợi, làm xấu tính chất

cơ học của lớp phủ Loại thứ hai tạo thành trên bề mặt (đặc biệt là ôxit crom) có độ xít chặt cao, thụ động trong môi trường ăn mòn sẽ nâng cao độ bền ăn mòn và mài mòn của lớp phủ Hình 1.5 mô tả cấu trúc của lớp phủ kim loại [5]

Bên cạnh các cấu trúc trên, trong thành phần cấu trúc lớp phủ phải kể đến một lượng khá lớn các lỗ xốp Các lỗ xốp này được hình thành do sự liên kết không chặt

[20]

Hình 1.5 Cấu trúc của lớp phủ kim loại

13

chẽ của các phần tử kim loại khi biến dạng và do phương pháp phun phủ được thực hiện theo từng hàng và từng lớp Các lỗ xốp có trong các cấu trúc của lớp phủ sẽ cho lớp phủ những tính chất tốt khi lớp phủ làm việc trong điều kiện bôi trơn Lớp phủ hình thành trong không khí, do vậy các lỗ xốp bị lấp đầy khí, đặc biệt là giữa các lớp có khả năng bão hòa khí lớn nhất Các khuyết tật khác cũng có thể hình thành như: sự không bám dính giữa lớp phủ và chi tiết, sự phân tầng, nứt tế vi do ứng suất kéo trên các phần tử biến dạng và sự nguội không đồng nhất tạo thành, các vết nứt vuông góc với bề mặt do lớp phủ co lại khi nguội và bị cản co do lực bám dính, do các hạt không nóng chảy

Lớp phủ có cấu trúc lớp, bao gồm các hạt bị biến dạng rất nhiều, nối với nhau theo bề mặt Có đặc trưng gồm những tấm kim loại có sự phân lớp do các tấm hình thành ở các thời điểm khác nhau chồng lên nhau Các tấm này có độ biến dạng khác nhau và bị phân cách với nhau bằng một lớp ôxit mỏng với chiều dày khoảng 1 m Trên hình 1.6 mô tả sự phân lớp trong cấu trúc của lớp phủ kim loại [20]

Biên giới phân chia giữa lớp phủ và nền kim loại xác định độ bám dính giữa chúng Tính chất của bản thân lớp phủ thể hiện bằng độ kết dính giữa các phần tử hạt Biên giới giữa các lớp hình thành do khoảng thời gian khác nhau giữa các lần phun Sau mỗi lần phun, bề mặt rất nhanh bị nhiễm bẩn, bị oxy hóa Do đó làm cho các quá

Hình 1.6 Biên giới giữa các lớp trong lớp phủ và giữa lớp phủ

với kim loại nền [20]

14

trình tiếp xúc giữa các hạt trở nên khó khăn hơn và từ đó xuất hiện biên giới giữa các lớp phun Chiều dày lớp phun dao động rất nhiều và phụ thuộc vào công nghệ tiến hành Thông thường, mỗi lớp phun dày 10 – 100 m

Như vậy, cấu trúc và tính chất lớp phủ phụ thuộc vào các quá trình tương tác giữa các hạt kim loại với dòng khí và quá trình hình thành lớp phủ trên bề mặt kim loại nền

Khả năng chịu mài mòn của vật liệu không phải là tính chất vốn có, nó có xu hướng biến đổi tùy theo từng trường hợp mòn Một vật liệu có độ cứng cao và khả năng chịu mài mòn tốt trong môi trường khô có thể không làm việc hiệu quả trong môi trường chứa các tác nhân gây ăn mòn do khả năng chịu ăn mòn kém của vật liệu này Như vậy, ta có thể thấy, khi lựa chọn một vật liệu làm việc trong một môi trường cụ thể, độ cứng của vật liệu chỉ là một trong các yếu tố cần xét tới Ta còn phải quan tâm tới các tính chất khác như độ bền hóa học, khả năng bám dính với vật liệu nền, khả năng chống mài mòn

1.4 Vật liệu nhôm và lớp phủ nhôm

1.4.1 Sơ lược về vật liệu nhôm

Nhôm (Al) là kim loại yếu nhóm IIIA, có tính chất mềm, dẻo, nhẹ, trên bề mặt luôn có một lớp mỏng ôxit tạo thành rất nhanh khi nó tiếp xúc với không khí do Al có điện thế điện cực khá âm (Al= -1,662 V)

Nhôm có khả năng bền ăn mòn trong một số môi trường có hoạt tính yếu do lớp

ô xit bảo vệ có tính lưỡng tính Nhôm có cấu tạo mạng lập phương tâm mặt do vậy dễ biến dạng dẻo, có khả năng dẫn điện và nhiệt tốt Bảng 1.2 trình bày một số tính chất

cơ bản của nhôm [14, 15, 24]

Bảng 1.2 Một số tính chất cơ bản của nhôm [14]

ra, nhôm còn có đặc tính chống mài mòn tốt do sự có mặt của lớp ôxit nhôm hình thành dễ dàng khi tạo thành lớp phủ

Lớp phủ nhôm khi được xử lý nhiệt ở 400 – 950oC có khả năng khuếch tán vào thép tạo hợp chất trung gian giữa sắt và nhôm như FeAl, Fe2Al, Fe3Al (xem giản đồ pha Fe – Al hình 1.11) làm tăng độ bền, độ cứng và tăng khả năng liên kết của lớp phủ nhôm với nền thép [25 – 32]

Ye Hong và cộng sự – 2005 [33] đã nghiên cứu cấu trúc và tính chất của lớp khuếch tán nhôm trên nền thép cacbon thấp chế tạo bằng công nghệ phun khí cháy, trong nghiên cứu này lớp phủ Al được phun với chiều dày 150 – 200 µm, sau đó xử lý

ủ nhiệt ở 860 – 880oC, thời gian giữ nhiệt 2 giờ Kết quả cho thấy Al đã khuếch tán vào sâu trong nền thép (đạt 300 – 400 µm) tạo thành các pha liên kim,tùy theo tỷ lệ Al trong Fe có thể tạo thành các pha: Al, Fe2Al5 – pha η; FeAl2 – pha ζ; FeAl – pha β2; Fe3Al – β1 và α – Fe, các pha liên kim này có độ cứng khá cao, cao nhất đạt 850 – 900

HV Kết quả thử ăn mòn trong dung dịch NaCl có nồng độ 50 g/l, pH= 6,5 – 7,2 sau

300 giờ thử nghiệm ở nhiệt độ phòng cho thấy: lớp phủ Al trên nền thép có lớp khuếch tán do xử lý nhiệt có khả năng chống ăn mòn tốt hơn thép không gỉ họ 18- 8 Kết quả thử ăn mòn ở nhiệt độ 723oC có lẫn khí SO2 sau 48 giờ thử nghiệm cũng cho thấy, lớp khuếch tán Al chống ô xi hóa tốt hơn thép không gỉ họ 18-8

Lớp phủ Al cũng được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất, dầu khí với vai trò là lớp phủ chịu nhiệt và chống ăn mòn [34 – 44]

Nghiên cứu của nhà khoa học Nga V.A Pavloskii - 2005 [34] cho thấy: lớp phủ

Al kết hợp với Ni đươc ứng dụng làm lớp phủ chịu nhiệt, lớp phủ Al – Ni có thể làm việc ở miền nhiệt độ 950 – 1100oC, ở nhiệt độ cao Al tương tác với Ni tạo thành các pha Ni2Al3 (Al ≈ 40 – 45%); NiAl (Al ≈ 22 – 36%); Ni3Al (Al ≈ 12,5 – 14%); độ cứng các pha tương ứng là 850, 520 và 420 kg/mm2

16

Do có độ xốp tương đối lớn nên chiều dày lớp phun phủ nhôm là yếu tố cần quan tâm khi tính toán tuổi thọ làm việc của lớp phủ Cũng cần lưu ý đến hiện tượng

ăn mòn điểm (pitting) có thể xảy ra trên bề mặt nhôm

Các xu hướng nghiên cứu trên thế giới hiện nay tập trung mở rộng phạm vi ứng dụng của lớp phun phủ nhôm khi làm việc trong các môi trường khắc nghiệt và khả năng kết hợp của lớp phủ này với các lớp phủ vô cơ cũng như hữu cơ khác [45 – 50]

1.5 Vật liệu crôm, niken và lớp phủ hợp kim Ni-20Cr

1.5.1 Sơ lược về crôm (Cr)

Crôm là kim loại chuyển tiếp nhóm VIB Bảng 1.3 trình bày một số tính chất cơ bản của crôm [14, 15, 24] Crôm là kim loại cứng, có nhiệt độ nóng chảy cao Đặc điểm rất đáng chú ý của crôm là ở nhiệt độ khoảng 37 oC nhiều tính chất vật lý của nó thay đổi đột ngột: hệ số ma sát của crôm đạt giá trị lớn nhất, còn môđun đàn hồi thì tụt xuống mức nhỏ nhất Độ dẫn điện, hệ số giãn dài, sức nhiệt điện động cũng thay đổi đột ngột

Bảng 1.3 Một số tính chất cơ bản của crôm [14]

Đặc tính quan trọng nhất của crôm là tính ổn định hoá học cao, chống lại sự oxy hóa trong không khí và không tương tác với các axit Trong nhiều môi trường axit, crôm có khả năng tạo màng thụ động hoá và trở nên rất ổn định Tính ổn định nhiệt của crôm rất cao, ở 1200 oC Cr thể hiện ổn định hơn cả W, Mo, Nb, Ta Crôm tác dụng

17

với cacbon tạo ra các loại cacbit: (FeCr)3C, Cr23C6, Cr7C3 và Cr2C3 Khi cacbit tồn tại

ở dạng mạng lưới phân bố theo biên giới hạt sẽ làm hợp kim nhạy cảm với phá huỷ giòn [14, 24]

Crôm là nguyên tố hợp kim không thể thiếu trong chế tạo các loại thép hợp kim, thép không gỉ và hợp kim bền nhiệt Ưu điểm của các loại thép này là chịu được áp lực lớn, chịu được các hóa chất, dễ gia công, chịu được nhiệt độ cao cũng như nhiệt độ thấp Các hợp kim trên cơ sở crôm ngày càng được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi [14, 15]

1.5.2 Sơ lược về niken (Ni)

Niken là kim loại chuyển tiếp nhóm VIII B Bảng 1.4 trình bày một số đặc tính

cơ bản của niken

Niken là kim loại màu trắng bạc, có cơ tính cao b = 400 – 500 MPa, có độ dẻo cao ( = 50%) do niken có kiểu mạng lập phương tâm mặt, niken có khả năng bền ăn mòn cao So với các kim loại khác, niken có khả năng ổn định chống ăn mòn trong khí quyển cao hơn cả Dưới tác dụng của không khí ẩm, bề mặt niken bị mờ do tạo ra lớp ôxit mỏng có tính bảo vệ tốt

Tốc độ ăn mòn của niken rất chậm, khoảng 0,003 mm/năm trong nước ngọt và 0,13 –0,61 mm/năm trong nước biển Ni bền trong dung dịch muối, kiềm hoặc axít hữu cơ và trong một số loại khí khô (O2, N2, H2S, NH3, HF…), tuy nhiên niken tỏ ra kém bền trong một số axit mạnh (HCl, HNO3, H2SO4…) [1, 14, 15, 24]

Bảng 1.4 Một số tính chất cơ bản của niken [14]

Từ giản đồ pha Ni – Cr ở hình 1.7 [100] có thể thấy Cr tan khá tốt vào Ni với độ hòa tan tối đa là 47% ở 1345oC và giảm xuống còn 30% ở nhiệt độ thường

Ở nhiệt độ thường, khi hàm lượng Cr trong hợp kim từ 30% trở lên thì tổ chức của Ni-20Cr có 2 pha: α-Cr và γ-Ni Pha α-Cr là pha giòn do đó làm giảm độ dai của hợp kim Nếu hợp kim có hàm lượng Cr < 7% sẽ làm giảm khả năng chống oxy hoá vì

tỷ lệ khuếch tán của oxy vào trong hợp kim này sẽ tăng lên Hàm lượng Cr từ 7 – 30%, thì tỷ lệ khuếch tán oxy vào hợp kim giảm, như vậy thành phần hợp kim có ảnh hưởng lớn đến khả năng chống oxy hoá ăn mòn và mài mòn

Do có độ bền hóa học nên hợp kim Ni-20Cr có rất nhiều ứng dụng thực tế, quan trọng nhất là để chế tạo các phần tử đốt nóng Các phần tử này có điện trở rất cao; vì vậy, khi có dòng điện đi qua, chúng sẽ được nung nóng mạnh Nếu pha thêm Co và Al thì các hợp kim này sẽ có khả năng chịu được tải trọng lớn ở nhiệt độ 650 – 900o

C [14]

Hình 1.7 Giản đồ pha của Ni – Cr [101]

19

Các chi tiết như cánh quạt của tuabin khí chẳng hạn, được chế tạo bằng loại hợp kim chịu nhiệt như vậy Crôm còn có mặt trong nhiều loại hợp kim khác mà ta có thể nhận thấy qua tên gọi của chúng: cromen, croman, cromansi Hợp kim comocrom (CoMoCr) không độc hại đối với cơ thể người; vì vậy, nó được sử dụng trong việc phẫu thuật phục hồi Các ứng dụng của crôm còn phải kể đến các hợp chất hóa học của

nó được dùng để chế tạo pigment tạo màu cho sơn, lớp mạ điện hóa crôm có độ cứng rất cao và bền hóa học, các ứng dụng làm chất xúc tác trong công nghiệp hóa học, … Crôm và niken là các nguyên tố hợp kim chính trong thành phần nhiều loại thép không gỉ bền hóa chất Khả năng chịu hóa chất của chúng tạo bởi sự hình thành các lớp thụ động có độ bền ăn mòn cao trên bề mặt các kim loại này khi chúng tiếp xúc với môi trường hóa chất và tạo ra tổ chức tế vi có thể chỉ có một pha austenite do vậy bền

ăn mòn do không tạo thành pin ăn mòn galvanic Khi hai kim loại này kết hợp tạo với nhau ở dạng hợp kim Ni-20Cr sẽ tạo nên loại vật liệu có độ bền cao trong nhiều môi trường ăn mòn khắc nghiệt [51 – 55]

Trong các nghiên cứu [56 – 68], các tác giả sử dụng hợp kim Ni-20Cr kết hợp với các loại cacbit: (W,Cr)2C, Cr2C3 và Cr3C2 dưới dạng bột để chế tạo các lớp phủ gốm bằng công nghệ phun phủ HVOF và công nghệ phun phủ plasma Các nghiên cứu cấu trúc, tính chất của lớp phủ gốm trên cơ sở hợp kim Ni-20Cr để nâng cao khả năng chống ăn mòn ở nhiệt độ cao cho các kết cấu, đường ống, nồi hơi

Lớp phủ hợp kim Ni-20Cr khi được trộn thêm các oxit Nd2O3; Cr2O3 hoặc các nguyên tố Fe, Bo, Si sẽ làm tăng khả năng chống ăn mòn và mài mòn [69 – 77] Trong các nghiên cứu [78 – 85] lớp phủ Ni-20Cr được chế tạo bằng công nghệ phun phủ HVOF hoặc công nghệ phun nguội trên nền thép chế tạo lò hơi Các nghiên cứu cấu trúc, tính chất của lớp phủ cho thấy, lớp phủ Ni-20Cr có thể làm việc ở miền nhiệt độ cao lên đến 800 – 900o

C

Lớp phủ hợp kim Ni-20Cr được kết hợp các tính chất của Cr và Ni có ưu điểm là khả năng chịu nhiệt, chống ăn mòn, chịu mài mòn và có độ bền khá cao trong nhiều môi trường hoá chất

1.6 Lớp phủ kép Ni-20Cr và Al

Lớp phủ hợp kim Ni-20Cr trên nền thép cacbon thể hiện tính năng ưu việt, ngoài việc tăng cứng bề mặt, tăng khả năng chịu mài mòn, thì lớp phủ hợp kim Ni-20Cr có

20

tác dụng như lớp màng ngăn chặn các tác nhân gây ăn mòn Tuy nhiên khi nền thép bị

hở thì lớp phủ Ni-20Cr không còn khả năng bảo vệ

Với các loại chi tiết cần chú trọng khả năng bảo vệ chống ăn mòn ở nhiệt độ cao thường được phun lớp phủ kép Ni-20Cr và Al với lớp nhôm bên ngoài để nâng cao khả năng chống ăn mòn Ở đây Ni-20Cr chỉ đóng vai trò là lớp màng chống oxy hóa thứ hai sau lớp nhôm chứ không được nhấn mạnh đến khả năng chịu mài mòn Nhóm nghiên cứu người Nhật Bản Kazuo Ishikawa và cộng sự [85 – 86] đã có những nghiên cứu về lớp phủ kép 80Ni-20Cr (Ni-20Cr) kết hợp lớp phủ nhôm trên nền thép cacbon thấp, trong các nghiên cứu này lớp phủ Al được phủ lên trên lớp phủ Ni-20Cr, các lớp phủ được chế tạo bằng công nghệ phun khí cháy METCO 12E của hãng Sulzer Metco-Nhật Bản, sử dụng vật liệu là dây kim loại Các lớp phủ được khống chế chiều dày lần lượt là lớp phủ Ni-20Cr dày 100 – 150 µm, lớp phủ Al dày là 200 - 250

µm, sau đó lớp phủ Ni-20Cr – Al được nghiên cứu cấu trúc và các tính chất điện hóa Kết quả cho thấy lớp phủ kép Ni-20Cr – Al có khả năng chống ăn mòn trong dầu thực vật tốt hơn thép không gỉ SS400 và các lớp phủ đơn riêng rẽ Khả năng bám dính của lớp phủ Al trên lớp phủ Ni-20Cr cũng tốt hơn lớp phủ Al trên nền thép do lớp phủ Ni-20Cr có độ nhấp nhô bề mặt cao

Việc đưa lớp phủ Al vào giữa lớp phủ Ni-20Cr và nền thép sau đó xử lý ủ nhiệt

có thể tăng đồng thời khả năng chống mài mòn và bảo vệ chống ăn mòn, đồng thời cải thiện khả năng bám dính của lớp phủ Al do xẩy ra khuếch tán giữa các lớp phủ và giữa lớp phủ và nền thép

Cũng đã có một số nghiên cứu về lớp phủ kép Al/Ni-20Cr với lớp phủ Al tiếp ở giữa tiếp xúc với nền thép và lớp phủ Ni-20Cr ở trên nhưng những nghiên cứu này chưa nhiều Trong nghiên cứu [87 – 90] các tác giả nghiên cứu vùng biên giới giữa Fe – Al, giữa NiAl và Ni-20Cr, lớp phủ chế tạo bằng công nghệ phun nổ Các kết quả nghiên cứu cho thấy lớp phủ Ni-20Cr có khả năng bám dính tốt trên bề măt lớp phủ

Al

Trong một số nghiên cứu khác, Al được trộn vào hợp kim Ni-20Cr kết hợp với các nguyên tố Ti, Co, Y, Ta, Fe làm nguyên liệu để chế tạo lớp phủ gốm bằng công nghệ phun phủ HVOF, Plasma [91 – 98] Các kết quả nghiên cứu cho thấy lớp phủ hợp kim Ni-20Cr khi có thêm nguyên tố Al có khả năng chịu nhiệt lên đến 900 –

1100oC và có khả năng chống ăn mòn trong nhiều môi trường hóa chất

21

Với chi tiết làm việc trong điều kiện khắc nghiệt vừa chịu mài mòn, vừa chịu ăn mòn, việc dùng lớp phủ kép Al với Ni-20Cr chống mài mòn cao bên ngoài là thích hợp Lớp phủ nhôm vừa có tác dụng như một rào cản chống lại sự xâm nhập của các tác nhân ăn mòn, đồng thời nó lại có tính năng hoạt động của anốt hy sinh tan dần ra

để bảo vệ nền thép khi lớp phủ bị hở Như vậy, tổ hợp lớp phủ nhôm bên dưới và hợp kim Ni-20Cr bên trên có khả năng kết hợp hai hiệu ứng bảo vệ trên, cùng góp phần nâng cao tuổi thọ của các kết cấu thép nền

Tổ hợp lớp phủ kép nhôm và Ni-20Cr trên nền thép cacbon được chế tạo bằng công nghệ phun phủ hồ quang điện theo trình tự sau:

- Trước khi phun phủ, bề mặt chi tiết được tạo nhám cho phép giảm ứng suất kéo

tổng, nhờ các vết nhám ứng suất được chia ra thành nhiều phần nhỏ (trở thành vi

mô và tự cân bằng), tạo điều kiện cho lớp phủ Al bám dính vào nền thép

- Lớp phủ Al được phun trước, trên bề mặt lớp phủ Al có độ nhấp nhô khá cao tạo

điều kiện cho lớp phủ hợp kim Ni-20Cr bám dính lên trên bề mặt lớp phủ nhôm Tuy nhiên, do quá trình phun phủ được thực hiện ngoài không khí, nên trên bề mặt lớp phủ nhôm luôn tồn tại một lớp màng ôxit Al2O3 xít chặt Khả năng bám dính của lớp phủ Ni-20Cr trên lớp phủ Al phụ thuộc vào góc thấm ướt của lớp bề mặt mà chủ yếu là ôxit nhôm Góc thấm ướt là góc hình thành giữa tiếp tuyến của giọt chất lỏng tại điểm tiếp xúc giữa 3 pha rắn, lỏng, khí với bề

mặt của pha rắn (góc θ) Chất lỏng thấm ướt hoàn toàn khi θ = 0o

; nó hoàn toàn không thấm ướt khi θ = 180o

Hình 1.9 Sự thay đổi góc thấm ướt của hợp kim Ni-20Cr lên bề mặt ôxit nhôm

(Al2O3), Hafnium (HfO2) và Ytri (Y2O3) theo thời gian [47]

Thời gian (giây)

Hợp kim Ni-20Cr khi đông đặc trên nền oxit nhôm tạo thành đĩa hình dẹt, tăng diện tích tiếp xúc với nền Al2O3, do đó tăng khả năng bám dính với nền Đối với nền là oxit Y2O3 có khả năng bám dính kém hơn nền Al2O3 và HfO2 không có hiện tượng này nên không xảy ra sự bám dính

Hình 1.10 Ảnh giọt hợp kim Ni-20Cr lên bề mặt [48]

a) Al2O3 b) Y2O3 c) HfO2

24

tăng độ bám dính giữa các lớp phủ, do vậy làm thay đổi tính chất của lớp phủ Ngoài

ra, xử lý nhiệt còn làm giảm độ xốp của lớp phủ, khử bớt ứng suất dư trong lớp phủ và ứng suất dư trong nền gây ra do quá trình nguội nhanh và sự khác nhau của hệ số giãn

nở nhiệt của các kim loại và hợp kim Nhôm nguyên chất nóng chảy ở nhiệt độ 660o

C, nếu nhiệt độ xử lý cao hơn nhiệt độ nóng chảy của Al, lớp phủ Al có thể bị chảy lỏng

dễ làm bong tróc lớp phủ Ni-20Cr, vì vậy cần lựa chọn nhiệt độ và chế độ xử lý nhiệt phù hợp để đạt được các kết quả mong muốn mà không làm bong tróc lớp phủ Ni-20Cr

Việc kết hợp giữa hai lớp phủ, lớp phủ Al ở dưới lớp phủ hợp kim Ni-20Cr ở trên

sẽ phát huy thế mạnh của cả hai loại lớp phủ: lớp phủ nhôm gắn liền với nền thép nên

nó có khả năng bảo vệ thép bằng cả hai phương pháp là rào cản và là anốt hy sinh; lớp phủ hợp kim Ni-20Cr ở trên có khả năng chống ăn mòn, bền mài mòn, khả năng chịu nhiệt tốt

1.6.2 Tương tác giữa lớp phủ Al với nền thép

25

Trước tiên, nhôm phủ trên nền thép, do vậy cần xem xét sự tương tác giữa Al và thép thông qua giản đồ pha Fe – Al hình 1.11 [100]

Từ giản đồ pha Fe – Al chúng ta có thể có các nhận xét như sau:

- Quá trình khuếch tán giữa nhôm và nền thép có xu hướng hình thành liên kết liên kim loại AlmFen từ dung dịch rắn vì cấu trúc nguyên tử của Fe với lớp "d" (6 điện tử) không điền đầy, thuận lợi cho việc hình thành các pha này

Tương tác giữa Fe và Al trên giản đồ tạo thành các pha ở các vùng nhiệt độ được thống kê trên bảng 1.6

- Ở nhiệt độ thường các pha có thể tạo thành là: α (dung dịch rắn Fe(Al)) + FeAl (vùng tiếp giáp Fe), FeAl3 + Al(Fe) (vùng tiếp giáp nhôm)

- Khi lượng Al tăng lên (từ vùng giàu Fe), có thể tạo thành các pha FeAl, Fe3Al, FeAl2, Fe2Al5, FeAl3

chậm Độ hoà tan lớn nhất của nhôm trong dung dịch rắn  là 45% tại 1310oC, độ hoà tan giảm theo nhiệt độ Do phản ứng bao tinh, ở 1215o

C, pha  được tạo ra Pha này chỉ tồn tại đến nhiệt độ nhỏ nhất là 1092oC với nồng độ (55 – 63)%Al Ở nhiệt độ nóng chảy 1171o

C và 1157oC, nồng độ Al hoà tan lớn nhất có thể là 70% và 75%, tương ứng với hai pha liên kim loại Fe2Al5 và FeAl3 Độ cứng của các pha có thể tạo thành đã được nghiên cứu và đưa ra trong bảng 1.7 [100]

Bảng 1.6 Nhiệt độ và phần trăm khối lượng tồn tại của các pha

theo giản đồ pha Fe – Al [100]

26

Bảng 1.7 Cấu trúc tinh thể và độ cứng các pha FemAln [100]

Pha Cấu trúc tinh thể Phạm vi ổn

định (%Al)

Độ cứng HV (9,8N)

Fe dung

dịch rắn Lập phương tâm khối (A2) 0 - 45 Chưa nghiên cứu

γ - Fe Lập phương tâm mặt 0 - 1,3 Chưa nghiên cứu

Fe3Al DO3 (cấu trúc A2 và B2 xếp

hình 1.13) [25]

Theo định luật Fick I, dòng nguyên tử Al khuếch tán sang Fe sẽ nhiều hơn dòng nguyên tử Fe khuếch tán sang Al, nói cách khác, bên Fe số lượng nguyên tử tăng (thừa nguyên tử), bên Al số lượng nguyên tử giảm (thừa nút trống) Thực nghiệm cho thấy

sự khuếch tán này phù hợp với hiệu ứng Kirkendall (cơ chế khuếch tán tương hỗ) Trong miền khuếch tán ở bên Al, do các nút trống đi vào trục lệch biên nên mặt mạng tinh thể bị mất dần, còn ở thép (coi là Fe) các nguyên tử đi vào lệch biên nên mặt mạng tinh thể được tạo thêm, kết quả là mặt ranh giới giữa Al và Fe bị dịch chuyển dần về phía Al (kim loại có hệ số khuếch tán lớn hơn)

27

Nếu coi các tinh thể là lý tưởng và hiệu ứng Kirkendall gây ra bởi toàn bộ dòng các nút trống mà chưa kể đến những hiệu ứng khác thì quan hệ giữa hệ số khuếch tán tương hỗ (Ď) và các hệ số khuếch tán riêng phần DAl và DFe được Darken rút ra như sau: Ď = DAlcFe + DFecAl

Trong đó: cFe, cAl lần lượt là nồng độ của Fe và Al

1.6.2.3 Dự đoán các pha tạo thành và chuyển biến

1/2 Fe3Al + Al → 3/2 FeAl FeAl + Al → FeAl2

2 FeAl2 + Al → Fe2Al5 Fe2Al5 + Al → 2FeAl3 Trong đó, pha FeAl2 là pha giả bền trong quá trình khuếch tán, khả năng tạo thành là thấp nhất vì dễ bị phân huỷ

Ở nhiệt độ cao do nhôm tiếp tục khuếch tán sâu vào trong bề mặt thép nên hàm lượng nhôm giảm dần và hình thành các pha trung gian: FeAl3 → Fe2Al5 → FeAl → Fe3Al Như vậy có thể dự đoán, tại phía gần với thép thì lớp liên kim có thể là Fe3Al

và phía gần nhôm thì có thể là FeAl3

Các pha liên kim có một số tính chất đặc biệt như: nhiệt độ nóng chảy cao, bền axít, độ bền riêng cao Tuy nhiên chúng có nhược điểm là giòn ở nhiệt độ thường, ở nhiệt độ cao độ dẻo tăng, làm giảm độ dai, độ bền kéo của lớp phủ

Như vậy xử lý nhiệt tạo thành một lớp khuếch tán, hình thành pha liên kim làm tăng liên kết giữa lớp phủ và nền thép

1.6.3 Tương tác giữa lớp phủ Ni-20Cr với lớp phủ nhôm

Giản đồ 3 nguyên Cr – Ni – Al, mặt cắt đẳng nhiệt ở 700 oC được đưa ra trên hình 1.14 [101] Trên giản đồ 3 nguyên không thấy có sự tương tác đáng kể nào của Cr và Ni, chỉ có sự tương tác của Cr và Ni với Al để tạo thành các pha liên kim theo tỉ lệ Al khuếch tán được

Các pha liên kim giữa Al và Ni – Cr được tạo thành tùy theo tỉ lệ của Al với hai nguyên tố còn lại Trong đó Al tạo thành các liên kim riêng lẻ với Cr và Ni chứ không thấy sự kết hợp phức của cả 3 nguyên tố để tạo thành một pha liên kim của ba nguyên tố

Để biết được các pha có thể tạo thành giữa Al và Cr, Al và Ni, chúng ta xem xét thêm giản đồ hai nguyên Al – Cr và Al – Ni (hình 1.15 và hình 1.16) [100]

Hình 1.14 Giản đồ pha 3 nguyên Cr – Ni – Al, mặt cắt đẳng nhiệt ở 700 oC [101]

30

các hỗn hợp nhiều pha liên kim Ngay cả khi xác định được thành phần, phần trăm từng nguyên tố trong hợp chất cũng chỉ giúp ta phần nào dự đoán được pha tạo thành

Vì vậy, cần những phương pháp phân tích thành phần pha cụ thể để hiểu rõ hơn

về tương tác giữa lớp Ni-20Cr với Al

Qua tổng quan tài liệu có thể rút ra một số kết luận sau:

+ Công nghệ phun phủ hồ quang điện có thể chế tạo được lớp phủ kép Al/Ni-20Cr trên nền thép thông dụng C45 và CT3, với lớp phủ Al được phủ trực tiếp trên nền thép, lớp phủ Ni-20Cr được phủ lên trên lớp phủ Al

+ Lớp phủ Al có khả năng bám dính tốt trên nền thép, lớp phủ Ni-20Cr có thể bám dính tốt trên lớp phủ Al

+ Lớp phủ kép Al/Ni-20Cr khi được xử lý nhiệt thích hợp, tại biên giới giữa hai lớp phủ, giữa lớp phủ Al và thép nền có thể xẩy ra khuếch tán tạo thành các pha mới làm tăng cơ tính của lớp phủ, giảm độ xốp, tăng khả năng chống ăn mòn, bền mài mòn của lớp phủ

31

Chương 2

THỰC NGHIỆM

Chất lượng lớp phun phủ nhiệt phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như: chế độ

xử lý bề mặt trước khi phun phủ, thông số công nghệ phun phủ, xử lý nhiệt lớp phủ sau khi phun Các yếu tố này ảnh hưởng đến các tính chất cơ lý của lớp phủ như khả năng bám dính của lớp phủ với kim loại nền, độ xốp, độ cứng của lớp phủ Lớp phủ sau khi phun được xử lý nhiệt làm giảm độ xốp, khử bỏ ứng suất dư, tăng khả năng bám dính giữa lớp phủ và kim loại nền do xảy ra quá trình khuếch tán vật liệu, tăng độ cứng do hình thành pha mới Để nghiên cứu các tính chất cơ lý của lớp phủ thì cần kết hợp nhiều phương pháp phân tích khác nhau

Trên hình 2.1 trình bày sơ đồ các bước tiến hành nghiên cứu

2.1 Chế tạo mẫu nghiên cứu

2.1.1 Mẫu thép nền

Mẫu thép nền để nghiên cứu là thép cacbon thông dụng C45 và CT3 có kích thước 50 x 3 mm (hình 2.2) Thành phần hóa học của thép nền trước khi phun phủ nêu trong bảng 2.1

Bảng 2.1.Thành phần hóa học của thép nền trước khi phun phủ

Hình 2.2 Mẫu thép nền trước khi phun phủ

Chế tạo mẫu nền

Thép C45 và CT3

Phun phủ theo chế độ tối ưu:

Đánh giá các tính năng:

- Thử bám dính lớp phủ

- Thử ma sát mài mòn

- Thử ăn mòn

Tổng hợp và đánh giá các kết quả đạt được

sau quá trình nghiên cứu

Xử lý nhiệt

ở các nhiệt độ và thời gian ủ

khác nhau

Thành phần hóa học của hai loại vật liệu phun được đưa ra trong bảng 2.2

2.1.3 Trang thiết bị phun phủ kim loại

Hệ thống trang thiết bị phun phủ kim loại của Viện Kỹ thuật nhiệt đới – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam được trang bị khá đồng bộ bao gồm máy phun phủ hồ quang điện OSU – Hessler 300A (Đức), máy nén khí trục vít BOGE S29 (Đức), máy làm khô khí nén BOGE D17 – D275 (Đức), máy phun hạt mài SPEEDO PBM – 100 (Singapore) Thiết bị phun phủ hồ quang điện OSU – Hessler 300A (Đức)

Bảng 2.2 Thành phần hóa học cơ bản của 2 loại vật liệu phun [14]

Hình 2.3 Hệ thống kéo dây (a), nguồn điện (b) và tủ điều khiển (c)

Trước khi phun kim loại, chi tiết phủ được tạo nhám bề mặt Có nhiều phương

pháp tạo nhám bề mặt như: tiện rãnh, lăn ren, phun hạt mài…, trong đó tạo nhám bằng phun hạt mài corindon nâu có ưu điểm là có độ cứng cao, có góc cạnh sắc nhọn, có thể tái sử dụng nhiều lần Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến kết quả tạo nhám như hình dạng của đầu phun, áp lực khí, góc phun, thời gian phun, khoảng cách từ đầu phun đến bề mặt chi tiết và cỡ hạt mài… Trong các yếu tố đó, nghiên cứu chỉ xét đến ảnh hưởng của hai yếu tố quan trọng là khoảng cách phun L mm và cỡ hạt mài Các yếu tố còn lại như loại đầu phun, áp lực khí, góc phun và thời gian phun cho các mẫu được giữ cố định Cụ thể là: góc phun 450, áp lực khí phun 7-8 atm, thời gian phun 30 giây, đầu phun có đường kính 4 mm được làm từ vật liệu BN (Nitrit bo)

Nền thép trước khi phun phủ kim loại được làm sạch và tạo nhám với các chế độ tạo nhám khác nhau để chọn ra chế độ tạo nhám tối ưu (chế độ tạo nhám tối ưu là chế

độ có độ nhám cao nhất cho nền thép)

Thông số để xác định độ nhám: sử dụng giá trị Rz là trị số trung bình của 5

khoảng cách từ các đỉnh cao nhất đến 5 đáy thấp nhất của nhấp nhô bề mặt tế vi tính trong chiều dài chuẩn L

Nền thép sau khi được tạo nhám với chế độ tối ưu sẽ được dùng để làm mẫu phun phủ kim loại cho các nghiên cứu tiếp theo

35

+ Áp lực khí phun: 8 – 10 atm

2.2.3 Thiết bị đo độ nhám

Độ nhám nền thép được đo trên máy đo độ nhám bề mặt vật liệu Mitutoyo

Surftest SJ301 (Mỹ) – Bộ môn máy chính xác – Trường đại học Bách khoa Hà Nội

2.3 Lựa chọn thông số công nghệ phun phủ tối ưu

2.3.1 Chọn thông số công nghệ phun tối ưu

Chế độ công nghệ phun được nêu trong sách hướng dẫn sử dụng của thiết bị OSU –Hessler 300A như sau:

Đối với vật liệu phủ hợp kim Ni-20Cr

Đây là các chế độ công nghệ chắc chắn tạo được lớp phủ, song để có các thông

số công nghệ cho lớp phủ tốt nhất, hiệu quả cao nhất thì cần nghiên cứu thực nghiệm

để xác định chính xác các thông số đó Mặt khác, sách hướng dẫn sử dụng thiết bị phun phủ không đề cập tới yếu tố khoảng cách phun Chính vì vậy, tác giả tiến hành thực nghiệm phun phủ lên các mẫu với các chế độ phun khác nhau và giải bài toán quy hoạch thực nghiệm để thu được chế độ phun tối ưu cho phù hợp với mục đích nghiên cứu của lớp phủ

Chọn ba yếu tố công nghệ chính có thể ảnh hưởng đáng kể đó là áp lực khí phun, khoảng cách phun và điện áp hồ quang

Các yếu tố công nghệ phun được khảo sát trong các miền giá trị như sau:

Đối với vật liệu phủ hợp kim Ni-20Cr

- Áp lực khí phun: P = Z1 = 3,5 – 5,5 atm

- Khoảng cách phun: L = Z1 = 100 – 300 mm

- Điện áp hồ quang: U = Z1 = 26 – 33 V

Đối với vật liệu phủ Al

- Áp suất khí phun: P = Z1 = 3,5 – 5,5 atm

- Khoảng cách phun: L = Z2 = 100 – 300 mm

36

- Điện thế hồ quang: U = Z3 = 25 – 30 V

2.3.2 Phun phủ mẫu thí nghiệm

* Các bước tiến hành phun phủ mẫu

Bước 1: Làm sạch và tạo nhám

Các mẫu thép nền CT3 và C45 được làm sạch và tạo nhám bằng chế độ tạo nhám tối ưu

Bước 2: Tạo hệ phủ kép Al/Ni-20Cr với chế độ phun tối ưu

Sau khi tạo nhám, các mẫu thép nền được phun phủ lớp phủ Al dày 80 –120 m, tiếp theo mẫu được phun phủ lớp phủ Ni-20Cr lên trên lớp phủ Al, chiều dày khoảng

Hình 2.4 Đo chiều dày lớp phủ sau khi phun

lò theo các chế độ ủ và giữ nhiệt khác nhau

này dự đoán sẽ đã xảy ra sự khuếch tán mạnh giữa Al và Fe; Ni-20Cr và Al

Tiến hành ủ nhiệt theo chế độ được nêu trong bảng 2.3, quy trình xử lý nhiệt thể

hiện trên hình 2.6

Hình 2.5 Mẫu trước khi được xử lý nhiệt

a) Hộp thép đựng mẫu khi ủ b) Mẫu được cắt ra để nghiên cứu

2.5 Nghiên cứu cấu trúc lớp phủ

2.5.1 Đo độ xốp lớp phủ

Có nhiều phương pháp để đo độ xốp lớp phủ như: phương pháp đo độ xốp bằng cân trọng lượng trong chất lỏng, phương pháp phân tích ảnh kim tương định lượng Trong luận án sử dụng phương pháp phân tích ảnh kim tương định lượng vì phương

Hình 2.6 Quy trình xử lý nhiệt mẫu lớp phủ kép Al/Ni-20Cr

T (oC)

2, 4, 6, 8 (giờ)

Nguội cùng lò

Hình 2.7 Mẫu đo độ xốp bằng phương pháp soi kim tương

Hình 2.8 Phân tích độ xốp bằng phần mềm Image-Pro Plus

Kính hiển vi quang học Axiovert 25 CA – Phòng thí nghiệm Kim loại học và

nhiệt luyện – Trường đại học Bách khoa Hà Nội

2.5.2 Nghiên cứu tổ chức tế vi bằng kính hiển vi quang học

2.5.2.1 Chuẩn bị mẫu

Mẫu nghiên cứu tổ chức tế vi là các mẫu lớp phủ kép Al/Ni-20Cr trước và sau khi ủ nhiệt ở các chế độ khác nhau

- Mẫu được đúc nhựa epoxy để gá chặt mẫu, sau đó mẫu được mài mặt cắt ngang

với các cỡ giấy nhám lần lượt là #100, 240, 600, 800, 1000 và 1500

- Đánh bóng bề mặt mài với bột nhão Cr2O3

- Sử dụng dung dịch HNO3 4% trong cồn để tẩm thực, thời gian tẩm thực 3 – 4 giây