Hình 1.8 Các lĩnh vực ứng dụng cơng nghệ HVOF
Hệ thống phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF có nhiều thiết kế khác nhau, các loại có sự khác biệt thể hiện trong thiết kế kết cấu súng phun, nhưng tất cả đều dựa trên các nguyên tắc cơ bản giống nhau đó là sự kết hợp áp lực và lưu lượng khí cao tạo ra vận tốc khí siêu thanh. Tất cả các kết cấu súng phun đều gồm có một buồng đốt áp lực, một ống trụ hoặc phân kỳ Laval. Một số thậm chí cịn có một thùng sau những vịi phun, một phần cấp bột trong súng phun và một phần cấp bột ngoài. Súng phun được cải tiến về kỹ thuật theo từng giai đoạn để nâng cấp chất lượng và phù hợp hơn với quy trình phun.
1.4 Một số kết quả nghiên cứu về phun phủ nhiệt trên thế giới và ở Việt Nam. Nam.
Hiện nay, công nghệ phun phủ nhiệt được ứng dụng rộng rãi, bởi việc lựa chọn vật liệu phun và vật liệu nền trong phạm vi rộng. Vật liệu được sử dụng chủ yếu trong phun nhiệt là kim loại và các bít. Lớp phủ phun nhiệt chủ yếu được sử dụng để bảo vệ các chi tiết hoặc phục hồi từ các dạng mòn khác nhau như: bảo vệ bề mặt chi tiết trong ngành khai thác dầu mỏ, bảo vệ các kết cấu trong môi trường xâm thực, ngành công nghiệp ô tô và các ngành công nghiệp hàng không, vũ trụ.
Từ xu hướng nghiên cứu và những thành tựu đạt được của phương pháp phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF cho thấy rằng hướng nghiên cứu của
các tác giả đã tập trung vào việc nâng cao chất lượng lớp bề mặt của chi tiết bằng cách phủ lên bề mặt của chi tiết một lớp kim loại hoặc hợp kim có tính chịu nhiệt, chịu mài mòn cao, nhằm đáp ứng các điều kiện làm việc khác nhau. Ở Việt Nam, công nghệ phun phủ nhiệt đang nằm trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển, ứng dụng của các nước trên thế giới. Với những đề tài nghiên cứu của cấp Bộ, cấp nhà nước cho ta thấy công nghệ phun phủ nhiệt mang lại một số hiệu quả nhất định như sau:
Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của khoảng cách phun, vận tốc phun, lưu lượng phun đến độ xốp, độ bám dính lớp phủ bột hợp kim Cr20Ni3 trên nền trục thép 40Cr bằng phương pháp phun nổ ”, ứng dụng kết quả nghiên cứu vào phục hồi trục khuỷu xe tải CAT 773E tập đồn than - khống sản Việt Nam làm cho tuổi thọ tăng gấp 4 lần so với mua mới và giá thành chỉ bằng 30% mua mới.
Đề tài “Nghiên cứu xác định độ cứng, độ bám dính, độ bền uốn lớp phủ bột hợp kim Ni-Cr-B-Si trên nền thép CT38” kết quả nghiên cứu ứng dụng vào phục hồi trục piton thủy lực, đế piton bơm tại công ty kỹ nghệ hàn Việt Nam đảm bảo yêu cầu đề ra.
Và có một số đề tài nghiên cứu khác theo hướng ứng dụng đã và đang nghiên cứu như: Nghiên cứu độ cứng, độ chịu mài mòn lớp phủ bột các bít crom 75Cr3C2-25NiCr bằng phương pháp phun Plasma, nghiên cứu xác định độ cứng, độ xốp, độ bám dính và độ chịu mài mòn của lớp phủ hợp kim 67Ni18Cr5Si4B trên nền thép C45 bằng phương pháp Plasma, nghiên cứu ảnh hưởng của khoảng cách phun, áp suất khí thổi, áp suất oxy đến độ bền bám dính, độ bền bám trượt, độ bền kéo lớp phủ Ni-Cr-Si-B trên thép C45 phun theo phương pháp ngọn lửa oxy axetylen...
Để nâng cao năng suất, chất lượng trong quá trình phun, người ta đã chế tạo ra các loại đầu phun khác nhau như: Đầu phun bột kim loại, đầu phun dùng nhiên liệu khí cháy, đầu phun hồ quang điện, đầu phun bằng dòng cao tần, đầu phun Plasma với dây chuyền phun tự động. Song song với sự phát
triển của các thiết bị và dây chuyền phun tự động đó người ta còn nghiên cứu về cơng nghệ phun với những vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao (như vật liệu gốm Ceramic, các loại cacbit, các loại oxit kim loại khác...).
Trên thế giới nhiều nước tiên tiến đã hình thành các các trung tâm hay hiệp hội để nghiên cứu và ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt: Hiệp hội phun phủ nhiệt Nhật Bản - JTSS, Hiệp hội phun phủ nhiệt Mỹ - ATSS; viện Công nghệ Bombay (Ấn Độ); Viện Khoa học vật liệu quốc gia Tsukuba, Ibaraki (Nhật Bản)... Ngồi ra, cịn có các hãng thiết kế, sản xuất thiết bị và ứng dụng công nghệ phun phủ kim loại như: Hãng Plasma Technique, Castolim (Thụy sĩ), Volvoflemotor (Thụy Điển)...với các dây chuyền cơng suất cao.
Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu về cơng nghệ phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF được cấp bằng sáng chế như: Edward Miller và cộng sự đã nghiên cứu công nghệ phun nhiệt HVOF, vật liệu nóng chảy được phun với tốc độ cao, kết quả cho thấy lớp phủ có độ bám dính tốt và độ cứng cao.
Warren Nelson và cộng sự đã nghiên cứu về độ xốp khi phủ 2 lớp vật liệu MCrAlY/Polyester bằng công nghệ phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF, kết quả cho thấy khi phủ 2 lớp sẽ làm tuổi thọ của lớp phủ và tuổi thọ của vật liệu nền tăng.
Jie Chen và cộng sự nghiên cứu lớp phủ thép không gỉ 316L bằng công nghệ phun nhiệt HVOF, hệ thống phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF áp suất cao với áp suất buồng đốt lên đến 3,0 MPa sử dụng ngọn lửa thấp và tốc độ cao thực hiện lớp phủ thép không gỉ 316L, kết quả cho thấy áp suất buồng đốt cao hơn khi vận tốc cho phép của hạt cao hơn. Tỷ lệ oxy nhiên liệu và khoảng cách phun có ảnh hưởng nhiều tới trạng thái nóng chảy của hạt.
Một trong những phương pháp phun nhiệt được ứng dụng rộng rãi đó là cơng nghệ phun nhiệt HVOF. Về bản chất, các lớp phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF rất đa dạng phức tạp, các đặc tính và cấu trúc tế vi của lớp phủ phụ thuộc rất nhiều vào thông số của quá trình phun. Mặc dù lớp phủ phức tạp, nhưng công nghệ HVOF vẫn được sử dụng rộng rãi trong thực tế, cho phép sử
dụng các loại vật liệu khác nhau để tạo lớp phủ trong điều kiện khác nhau, môi trường làm việc khắc nghiệt như: ăn mòn, mài mòn và nhiệt độ cao... Sự phát triển của phương pháp này là một bước tiến quan trọng trong các ngành cơng nghiệp và đây cũng là lĩnh vực có những bước tiến mới với tốc độ phát triển nhanh chóng, điều này đã tác động tới nhiều lĩnh vực trong các ngành công nghiệp và đã mang lại hiệu quả trong ứng dụng thực tiễn.
1.5 Một số vấn đề đặt ra cần nghiên cứu
Phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF là một q trình rất phức tạp, trong đó có một lượng lớn các thơng số ảnh hưởng đến việc hình thành lớp phủ. Những thông số này bao gồm đặc điểm phần cứng (kết cấu hình học súng phun) và thơng số q trình phun như: khí đốt, mật độ dịng khí, và bột nguyên liệu, chế độ phun (khoảng cách, góc phun, tốc độ di chuyển giữa chi tiết với súng phun, dịch chuyển giữa các lớp phun…). Trong quá trình phun, các hạt bột được đưa vào vùng nhiệt độ rất cao và tốc độ lớn nên đã nhanh chóng nóng lên đến nhiệt độ nóng chảy của nó hoặc cao hơn. Nhiệt độ cao này có thể gây ra sự bay hơi của bột hoặc một số thành phần của nó thậm chí có thể dẫn đến sự chuyển đổi thành phần. Do tính chất phức tạp này của kỹ thuật phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF nên để đạt được lớp phủ với đặc tính mong muốn là một việc rất phức tạp như hình 1.9 mơ tả sự tương tác trong q trình phun để hình thành lên lớp phủ.