Nghiên cứu ảnh hưởng phần trăm thành phần WC đến đặc tính lớp phủ hỗn hợp NiCrBSi
MỤC LỤC
GIỚI THIỆU
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). 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.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP PHUN HVOF
- Ưu nhược điểm của phương pháp phun HVOF
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. 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. 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).
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.
THỰC NGHIỆM VÀ KIỂM TRA ĐÁNH GIÁ
Vật liệu, thiết bị thực nghiệm
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. Kết quả phân tích cho thấy các bột có thành phần khá tương đồng với thông tin do nhà sản xuất cung cấp. 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.
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.
Thực nghiệm phun phủ
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. 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. Các thông số phun phủ thể hiện trong Bảng 3.2 được chọn dựa trên catalog của súng phun cùng loại và thực nghiệm phun phủ thăm dò để chọn ra bộ thông số phun chung cho toàn bộ các lớp phủ.
Đo chiều dày lớp phủ bằng thiết bị DeFelsko PosiTector 6000 FNS3 Trong quá trình phun cần kiểm soát nhiệt độ của mẫu không vượt quá 200ºC (Hình 3.18), nếu quá nhiệt cần tạm dừng phun, chờ nguội và phun tiếp để tránh ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ.
Chuẩn bị mẫu đánh giá chất lượng lớp phủ
Phương pháp đánh giá chất lượng lớp phủ
Ưu điểm của phần mềm SIAMS 700 là trực quan, có thể xây dựng quy trình xử lý tự động, xây dựng thuật toán trước, và sau đó chỉ cần thay thế hình ảnh gốc phần mềm sẽ tự động xử lý các tính toán phía sau mà không cần phải lặp lại các thao tác đã thực hiện như đối với các mẫu trước đó. Sự dao động của áp suất kéo các phân tử chất lỏng ra xa nhau tạo ra các bong bóng nhỏ (lỗ trống), mở rộng trong quá trình tạo áp suất âm và phá vỡ mạnh mẽ trong quá trình áp suất dương. Khi các bong bóng bị phá vỡ, cùng với tiếng nổ, tạo ra hàng triệu sóng xung kích, xoáy nước và các biến đổi cực đoan (extreme) của áp suất và nhiệt độ được tạo ra tại vị trí vỡ, gây ra các tia nước nhỏ đập vào bề mặt mẫu thử, làm xói mòn vật liệu.
Các nghiên cứu về ma sát mài mòn được thực hiện trên thiết bị Micro- Tribometer CETR-UMT-3, Bruker, USA tại Bộ môn Cơ học máy, Học viện Kỹ thuật Quân sự bằng thí nghiệm trượt ball-on-flat trong điều kiện ma sát khô (Hình 3.40).
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN
SEM / EDS
Kết quả phân tích EDS một số pha trong lớp phủ cho thấy lớp phủ có sự xuất hiện đầy đủ của các nguyên tố W, Ni, Cr, Si, O, C, B. Hàm lượng nguyên tố O đáng kể tại các điểm Spc_002, Spc_004 cho thấy tại các vị trí này trong quá trình phun đã bị oxy hóa, hình thành oxit trong cấu trúc lớp phủ. Trong quá trình phun phủ, vật liệu đầu vào bắt đầu chảy khi nhiệt độ đạt đến điểm nóng chảy của nó, điều này có nghĩa là nhiệt độ nóng chảy của NiCrBSi đã đạt được trước do có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn, nhưng các hạt WC-10Ni chưa hoàn toàn chảy.
Phân tích ảnh SEM cho thấy, các vùng vật liệu WC-10Ni phân bố không đồng nhất bên trong lớp phủ, mà phân bố thành từng cụm rời rạc, các vùng rỗ xốp tập.
XRD
Hơn nữa, các nhà nghiên cứu cũng cho rằng các pha borid và cacbit là pha tăng cường của lớp phủ. Biểu đồ XRD của lớp phủ WC-10Ni sau phun phủ ít có sự thay đổi, bên cạnh sự xuất hiện thêm các đỉnh phụ W2C do hiện tượng thoát cacbon từ các hạt gia cường WC. Đối với các lớp phủ phối trộn, giản đồ XRD là sự kết hợp của 2 giản đồ vật liệu ban đầu.
Sự tăng giảm cường độ các đỉnh chủ yếu lên quan đến tỉ lệ phần trăm khối lượng bột phối trộn.
Độ nhám
Độ xốp
Khi trộn WC-10Ni với NiCrBSi với các tỉ lệ khối lượng khác nhau thì độ xốp các lớp phủ có xu hướng tăng lên. Lớp phủ WC-10Ni có độ xốp cao nhất, do đó, khi trộn nó với lớp phủ NiCrBSi có độ xốp ít hơn, lớp phủ nhận được sẽ có xu hướng tăng độ xốp so với lớp phủ NiCrBSi ban đầu. Tuy nhiên, kết quả phân tích cấu trúc tế vi cho thấy lớp phủ Ni20W có độ xốp thấp hơn 2 lớp phủ phối trộn còn lại, điều này tương đồng với giá trị độ nhám bề mặt lớp phủ đo được.
Độ xốp lớp phủ thấp dự đoán sẽ làm tăng các tính chất khác của lớp phủ như độ cứng, khả năng chống xói mòn xâm thực….
Độ cứng tế vi
Kết quả đánh giá độ xốp các lớp phủ Lớp phủ Kết quả các lần đo Độ xốp trung bình. Dựa trên bảng số liệu Bảng 4.7 có thể thấy độ xốp của lớp phủ Ni (NiCrBSi) là thấp nhất.
Đặc tính chống xói mòn xâm thực
Lớp phủ có các hạt gia cường WC liên kết với nền kết dính Ni tốt sẽ giúp giảm sự bong tróc của các hạt do xói mòn [5]. Mẫu Ni20W có tốc độ xói mòn thấp nhất trong ba lớp phủ phối trộn, điều này lý giải do độ xốp của nó thấp hơn hai lớp phủ còn lại. Ảnh vết mòn của các mẫu đo xói mòn xâm thực có thể chụp trên các kính hiển vi điện tử quét SEM, hoặc các thiết bị 3D optical surface profiler.
Cơ chế xói mòn xâm thực có thể được giải thích như sau: xuất phát từ các điểm yếu trên bề mặt, chẳng hạn như khuyết tật, nứt, rỗ xốp, oxit, dưới tác động của áp lực cao từ sự sụp đổ của các bong bóng khí, làm các vết nứt lan truyền theo hướng ranh giới hạt và các khuyết tật khác và hình thành nguồn xói mòn.
Đặc tính ma sát mài mòn
Thấy rằng, khi tăng tỉ lệ phối trộn WC-10Ni vào NiCrBSi thì khả năng chống mài mòn của lớp phủ càng cao. Khả năng chống mài mòn của lớp phủ WC-10Ni là tốt nhất trong các loại lớp phủ. Ảnh quét biên dạng vết mòn và xác định độ sâu vết mòn lớp phủ NiCrBSi sau thử nghiệm đo ma sát mài mòn.
Độ sâu trung bình của các vết mòn Lớp phủ Độ sâu trung bình vết mòn (μm).