Nghiên cứu công nghệ phun plasma hợp kim nền crom, ứng dụng phục hồi cánh quạt khói trong nhà máy nhiệt điện

Tính cấp thiết của đề tài

Máy móc và thiết bị cơ khí trong công nghiệp thường gặp hư hỏng do làm việc trong điều kiện khắc nghiệt, ảnh hưởng đến độ tin cậy và tuổi thọ Để cải thiện chất lượng và bền bỉ của các chi tiết, công nghệ phun phủ bề mặt đã được ứng dụng rộng rãi, đặc biệt cho các chi tiết cơ khí chịu tác động của nhiệt độ và độ ẩm Phương pháp này tạo lớp phủ kim loại hoặc ceramic, giúp tăng cường độ cứng và khả năng chống mài mòn, ăn mòn Mặc dù nhiều nghiên cứu đã được thực hiện tại Việt Nam trong lĩnh vực thủy điện, nhiệt điện, và xi măng, nhưng vẫn còn hạn chế trong việc phân tích ảnh hưởng của các yếu tố độc lập và xác định thông số phù hợp cho từng loại vật liệu Luận án này sử dụng phương pháp phủ nhiệt plasma để tạo lớp phủ hợp kim crom trên thép 16Mn, đồng thời xây dựng các hàm toán học để đánh giá ảnh hưởng của thông số công nghệ tới độ bám dính và chất lượng lớp phủ, từ đó tối ưu hóa quy trình và ứng dụng kết quả vào sản xuất thực tế.

Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của các thông số công nghệ phủ đến chất lượng lớp phủ Cr3C2 - NiCr được tạo ra bằng phương pháp phun phủ nhiệt plasma Mục tiêu chính là xác định bộ thông số công nghệ phủ tối ưu nhằm nâng cao chất lượng lớp phủ và thực hiện thử nghiệm áp dụng trong thực tế.

Nghiên cứu xác định mức độ ảnh hưởng của ba thông số công nghệ, bao gồm Ip, mp và Lp, đến các đặc tính quan trọng của lớp phủ như độ bền bám dính, độ bền bám trượt, độ bền kéo, độ xốp và độ cứng tế vi.

Xây dựng hàm toán học thể hiện mối quan hệ giữa ba thông số công nghệ (Ip, mp và Lp) với các đặc tính cơ học như độ bền bám dính, độ bền bám trượt, độ bền kéo, độ xốp và độ cứng đồng đều tế vi của lớp phủ Cr3C2 - NiCr.

Xác định bộ thông số công nghệ phủ tối ưu (Ip, mp và Lp) là rất quan trọng để đạt được chất lượng lớp phủ Cr3C2 - 30%NiCr trên bề mặt thép nền 16Mn Những thông số này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và độ bền của lớp phủ, đảm bảo khả năng chống mài mòn và ăn mòn cho sản phẩm Việc tối ưu hóa các thông số này sẽ giúp nâng cao chất lượng và tuổi thọ của lớp phủ, từ đó cải thiện hiệu quả sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp.

Sử dụng bộ thông số công nghệ phủ đã được tối ưu, chúng tôi tiến hành ứng dụng để tạo lớp phủ trên cánh quạt khói của nhà máy nhiệt điện và đánh giá chất lượng lớp phủ trong điều kiện làm việc thực tế.

Nội dung nghiên cứu

Để đạt được những mục tiêu kể trên, nội dung nghiên cần thực hiện:

Nghiên cứu tổng quan về công nghệ phun phủ nhiệt tập trung vào lý thuyết hình thành lớp phủ và các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ khi sử dụng phương pháp phun phủ plasma Các yếu tố như nhiệt độ, áp suất và thành phần vật liệu đóng vai trò quan trọng trong việc xác định độ bền và tính năng của lớp phủ Sự hiểu biết sâu sắc về quy trình và điều kiện phun sẽ giúp nâng cao hiệu quả và ứng dụng của công nghệ này trong ngành công nghiệp.

- Nghiên cứu xây dựng hệ thống thí nghiệm

Nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra ảnh hưởng của ba thông số công nghệ chính, bao gồm Ip, mp và Lp, đến quá trình phun bột Mục tiêu của nghiên cứu là xác định các bộ thông số công nghệ tối ưu nhằm nâng cao hiệu quả của phương pháp phun bột.

Cr3C2 - 30%NiCr trên bề mặt thép nền hợp kim 16Mn với các chỉ tiêu đầu ra khác nhau

- Ứng dụng tạo lớp phủ vào phục hồi chi tiết làm việc trong điều kiện môi trường chịu mài mòn và nhiệt độ.

Phương pháp nghiên cứu

Đề tài luận án được thực hiện bằng cách kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm

Nghiên cứu lý thuyết về công nghệ phun phủ plasma đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu rõ sự hình thành và chất lượng lớp phủ Bài viết sẽ phân tích các vấn đề cần thiết để tiếp tục nghiên cứu, từ đó xác định hướng đi cho các nghiên cứu trong tương lai.

Nghiên cứu thực nghiệm đã xác định chất lượng lớp phủ dựa trên các thông số công nghệ đã chọn, từ đó tìm ra bộ thông số tối ưu nhằm cải thiện chất lượng lớp phủ Áp dụng bộ thông số tối ưu này, lớp phủ phục hồi cho cánh quạt khói được tạo ra và hiệu quả của nó trong hoạt động sản xuất thực tiễn được đánh giá.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án

Nghiên cứu đã xác định mức độ ảnh hưởng của ba thông số công nghệ phủ (Ip, mp và Lp) đến các tính chất cơ học của lớp phủ Cr3C2 - 30%NiCr trên bề mặt thép 16Mn Các tính chất này bao gồm độ bền bám dính, độ bền bám trượt, độ bền kéo, độ xốp và độ cứng đồng đều tế vi, được thực hiện thông qua phương pháp phun phủ plasma.

Đã phát triển phương trình hàm hồi quy thực nghiệm để dự đoán và xác định các thông số tối ưu, nhằm tạo ra lớp phủ chất lượng cho bề mặt thép nền 16Mn.

Phương trình hồi quy thực nghiệm từ luận án cho phép dự đoán các chỉ tiêu chất lượng của lớp phủ plasma, bao gồm độ bền bám dính, độ bền bám trượt, độ bền kéo, độ xốp và độ cứng tế vi, dựa trên các thông số công nghệ khác nhau.

Các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm từ luận án có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo quý giá trong việc đào tạo và giảng dạy công nghệ phủ nhiệt, đặc biệt là trong các ngành công nghiệp.

Những đóng góp mới của đề tài luận án

Lớp phủ Cr3C2-30%NiCr được tạo ra trên nền thép 16Mn thông qua phương pháp phủ nhiệt plasma Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của các thông số công nghệ phủ, bao gồm cường độ dòng điện phun (I p), lưu lượng cấp bột phun (m p) và khoảng cách phun.

(L p ) tới chất lượng của lớp phủ

Xây dựng các phương trình hàm hồi quy thực nghiệm giúp thể hiện mối quan hệ giữa độ bền bám dính, độ bền bám trượt, độ bền kéo, độ xốp và độ cứng tế vi của lớp phủ với các thông số công nghệ phủ như Ip, mp và Lp, từ đó dự đoán chất lượng lớp phủ một cách chính xác.

Để đạt được độ bền bám dính, độ bền bám trượt, độ bền kéo, độ cứng tế vi cao nhất và độ xốp lớp phủ thấp nhất, cần xác định bộ thông số phun (Ip, mp và Lp) phù hợp với từng chỉ tiêu chất lượng Bộ thông số tối ưu cho đa chỉ tiêu chất lượng được xác định là Ip = 582,3 (A); mp = 31,5 (g/ph); Lp = 160,7 (mm), mang lại chất lượng lớp phủ hài hòa.

Nghiên cứu từ luận án đã được ứng dụng thành công trong việc phục hồi 14 cánh quạt khói bị mòn tại nhà máy nhiệt điện, mở ra cơ hội áp dụng rộng rãi cho các sản phẩm công nghiệp khác có điều kiện làm việc tương tự.

Bố cục luận án

Bố cục của luận án ngoài phần mở đầu, kết luận, luận án gồm 5 chương: Chương 1: Tổng quan về phương pháp phun phủ nhiệt

Chương 2: Quá trình hình thành và các đặc tính của lớp phủ nhiệt plasma Chương 3: Mô hình thực nghiệm, thiết bị, vật liệu và phương pháp nghiên cứu

Chương 4: Kết quả nghiên cứu thực nghiệm và thảo luận đánh giá

Chương 5: Ứng dụng kết quả nghiên cứu vào phục hồi cánh quạt khói trong nhà máy nhiệt điện

TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP PHUN PHỦ NHIỆT

LÝ THUYẾT VỀ SỰ HÌNH THÀNH LỚP PHỦ

Phun phủ nhiệt, một phát minh của kỹ sư Thụy Sỹ Max Ulrich Schoop vào đầu thế kỷ 20, mang lại khả năng tạo ra các lớp phủ đa dạng cho bề mặt chi tiết làm việc trong điều kiện khắc nghiệt như mài mòn, ăn mòn và nhiệt độ cao Công nghệ này không chỉ nâng cao tuổi thọ sản phẩm mà còn tối ưu hóa hiệu quả kinh tế Trong quá trình phát triển, nhiều nhà khoa học đã đóng góp lý thuyết quan trọng về sự hình thành lớp phủ, bao gồm các quan điểm của Pospisil-Sehyl, Schoop, Karg, Katsch, Reininger và Schenk.

Theo quan điểm của Pospisil và Sehyl, lớp phủ phun bằng kim loại hình thành từ các giọt kim loại lỏng được phun ra bằng dòng khí nén với tốc độ rất cao, trung bình khoảng 200m/s Các giọt này sau đó bị phá vỡ thành nhiều hạt rất nhỏ, và hình dạng của các hạt này được xác định bởi loại kim loại mà chúng được tạo ra Thuyết này cho rằng các phần tử kim loại khi va chạm với bề mặt phun vẫn ở thể lỏng.

Theo M U Schoop, động năng của các hạt kim loại khi bay được cung cấp bởi dòng khí nén, dẫn đến sự thay đổi nhiệt khi va chạm với bề mặt Thực nghiệm cho thấy các hạt kim loại rời khỏi vòi phun nhanh chóng nguội và đông đặc do tác động của dòng khí nén Trong quá trình va chạm, chúng bị biến dạng dẻo và liên kết thành các lớp Tác giả cũng chỉ ra rằng các phần tử kim loại lỏng khi phun luôn nguội dần, với nhiệt độ giữ lại trong dòng tia kim loại chỉ khoảng 50°C đến 100°C trong khoảng cách ngắn từ vòi phun Kết luận của tác giả là có thể phủ lên các vật liệu dễ cháy mà không gây ra cháy nổ.

Theo quan điểm của Karg, Katsch và Reininger, các hạt kim loại nguội và đông đặc là kết quả của năng lượng động năng và khí nén Trong quá trình bay từ vòi phun, các hạt đã ở trạng thái nguội, do đó không xảy ra biến dạng dẻo khi va chạm.

Quan điểm của Schenk cho rằng nhiệt độ của các hạt phun cần phải cao hơn nhiệt độ chảy lỏng để đạt được sự hàn chặt giữa chúng Tuy nhiên, điều này không thực tế vì khi va đập vào bề mặt bị phun, kim loại ở lớp bề mặt nền có khả năng nóng đến nhiệt độ chảy, tạo điều kiện cho sự hàn gắn giữa các phần tử phun và kim loại nền.

Sự hình thành lớp phun là một cơ chế phức tạp, diễn ra khi các hạt vật liệu phun với vận tốc cao va chạm với bề mặt kim loại nền có nhiệt độ từ 140°C đến 150°C Quá trình này tạo ra lớp phun, trong đó các phần tử pha nóng chảy và kim loại nguội của nền liên kết với nhau, cùng với các phần tử kim loại nóng chồng lên nhau Sự liên kết này xảy ra nhờ các cơ chế cơ học, hóa học và vật lý, dẫn đến việc các phần tử kim loại bám dính chắc chắn Độ bám dính được hiểu là sự liên kết giữa các phần tử kim loại của pha nóng chảy, từ đó phát sinh hai khái niệm độ bám dính: giữa kim loại phun và kim loại nền, cũng như giữa các phần tử phủ với nhau.

MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP PHUN PHỦ NHIỆT

Phun phủ nhiệt, ra đời từ đầu thế kỷ 20, đã phát triển nhiều phương pháp và biến thể khác nhau Các nguồn năng lượng được ứng dụng trong các phương pháp phun là yếu tố chính trong các quá trình phun nhiệt Do đó, các phương pháp này thường được phân loại dựa trên nguồn năng lượng sử dụng để làm nóng chảy nguyên liệu phun Trong quá trình phun, vật liệu phủ có thể được sử dụng dưới dạng bột, dây hoặc thanh.

Mặc dù có nhiều phương pháp phun phủ nhiệt khác nhau, tất cả đều chia sẻ những đặc điểm chung, với sự khác biệt về nguyên lý, hiệu suất, khả năng ứng dụng vật liệu lớp phủ và các tính chất của lớp phủ hình thành Một số phương pháp nổi bật với hiệu suất và chất lượng lớp phủ tốt đã được áp dụng rộng rãi.

1.2.1 Phương pháp phun phủ bằng hồ quang điện

Phương pháp phun hồ quang điện do kỹ sư Schoop phát minh vào năm

Quá trình phun hồ quang điện, mặc dù được phát triển từ năm 1910, nhưng chỉ đến năm 1960 mới được công nhận và áp dụng rộng rãi Phương pháp này sử dụng năng lượng điện để tạo ra nhiệt độ cao, giúp nung chảy vật liệu phun thông qua hồ quang điện Hồ quang được hình thành giữa hai điện cực, là hai dây phun được cấp vào liên tục với tốc độ ổn định và đã được xác định trước.

Hình 1.2 Nguyên lý của phương pháp phun phủ bằng hồ quang điện [95]

Tốc độ cấp dây trong quá trình phun được điều chỉnh dựa trên năng suất phun và độ dẫn điện của vật liệu Vật liệu nóng chảy được đẩy tới bề mặt chi tiết đã chuẩn bị sẵn bằng luồng khí nén áp suất cao, khiến các hạt nóng chảy va chạm và tạo thành lớp phủ trên bề mặt chi tiết.

Phương pháp này mang lại năng suất cao và có khả năng lắng đọng lớp phủ ở nhiệt độ thấp, giúp giảm thiểu sự gia nhiệt lên bề mặt nền phun so với các phương pháp khác Bên cạnh đó, chất lượng lớp phủ cũng được cải thiện đáng kể.

Nhược điểm của phương pháp này là chỉ áp dụng được cho vật liệu dạng dây và có độ nhạy cảm với khí hoạt tính Độ xốp cao của lớp phủ có thể dẫn đến giảm hiệu suất trong việc chống ăn mòn, xói mòn và mài mòn.

1.2.2 Phương pháp phun phủ bằng ngọn lửa khí cháy

Phương pháp phun khí cháy dựa trên nhiệt độ của phản ứng cháy giữa khí nhiên liệu và oxy, với nhiệt độ tối đa khoảng 3000°C, thấp hơn so với các nguồn nhiệt từ điện năng Phương pháp này ít tạo ra biến dạng do nhiệt trong quá trình phun, cho phép tạo lớp phủ dày nhưng chứa nhiều oxit và có độ xốp cao hơn so với các phương pháp phun nhiệt khác Quá trình phun phụ thuộc vào việc kiểm soát nhiệt độ của phản ứng cháy để nung chảy nguyên liệu phun Có hai phương pháp phun chính là phun dạng dây (WFS) và phun dạng bột (FPS).

Vật liệu phun dạng dây hoặc thanh được cung cấp qua lỗ tâm của đầu phun, nơi nguồn nhiệt làm nóng chảy vật liệu Luồng khí cháy áp suất cao thổi phân tán vật liệu nóng chảy thành các hạt nhỏ, chúng bay đến và phủ lên bề mặt vật phun Tốc độ cấp dây được xác định nhờ các con lăn dẫn động từ tuabin khí nén hoặc động cơ điện.

Hình 1.3 Nguyên lý của phương pháp phun phủ bằng ngọn lửa khí cháy sử dụng dây [96]

Vật liệu phun dạng bột được đưa vào đầu phun qua một phễu chứa, nơi bột được hòa trộn với khí Luồng hỗn hợp ôxy và khí cháy sẽ hút bột vào buồng đốt, nơi bột được nung nóng đến trạng thái chảy Nhờ vào luồng khí cháy, các hạt bột sẽ bay tới và va đập với kim loại nền, tạo thành lớp phủ trên bề mặt.

Hình 1.4 Nguyên lý của phương pháp phun phủ bằng ngọn lửa khí cháy sử dụng bột [97]

* Ưu điểm: Giá trang thiết bị thấp, sử dụng đơn giản, phù hợp với sản xuất nhỏ, tính ứng dụng cao

* Nhược điểm: Hiệu quả thấp khi dùng các vật liệu phủ có nhiệt độ nóng chảy cao

1.2.3 Phương pháp phun phủ nhiệt khí tốc độ cao (HVOF)

HVOF, viết tắt của "High velocity oxy – fuel coating spraying", là phương pháp phun phủ vật liệu ở vận tốc cao Quá trình này kết hợp hỗn hợp nhiên liệu khí như hydro, metan, propylen, axetylen hoặc propan với nhiên liệu lỏng, được đốt cháy liên tục trong buồng đốt để tạo ra khí nóng với áp suất cao khoảng 10 bar Khí nóng này được phun qua vòi phun hội tụ - phân kỳ và di chuyển với tốc độ vượt quá âm thanh, trong khi bột phun được hòa trộn vào dòng khí đạt tốc độ trên 800 m/s Hỗn hợp khí nóng và bột kim loại tan chảy được phun lên bề mặt kim loại nền, tạo ra các lớp phủ có độ xốp thấp và lực liên kết cao.

Hình 1.5 Nguyên lý của phương pháp phun phủ HVOF [98]

Sự lựa chọn khí cháy phụ thuộc vào nhiệt độ tối đa của ngọn lửa và đặc tính của vật liệu phun, điều này được điều chỉnh thông qua tỷ lệ giữa oxy và nhiên liệu.

* Ưu điểm: Phương pháp cho bề mặt phủ mịn do vận tốc phun cao, lớp phủ có độ xốp thấp và độ bám dính cao

* Nhược điểm: Nhiệt độ phun bị giới hạn (dưới 3000°C), tiếng ồn lớn, chi tiết phun cần được làm nguội do sự truyền nhiệt từ ngọn lửa

1.2.4 Phương pháp phun phủ nguội

Phương pháp phun nhiệt sử dụng nhiệt độ cao từ ngọn lửa khí oxy - acetylene để làm chảy bột phun, sau đó khí nén hoặc oxy được dùng để tăng tốc dòng khí qua vòi phun De-Laval với áp lực đầu vào lên đến 4MPa và nhiệt độ tối đa 800°C Các loại khí có thể sử dụng trong quá trình phun bao gồm khí nén, nitơ hoặc heli Bột phun được cấp vào phần hội tụ của vòi phun, và nhờ áp suất khí, các hạt phun sẽ được đẩy về phía trước Phương pháp này thường đạt tốc độ hạt khoảng

Tốc độ phun có thể dao động từ 500 đến 1200 m/s, tùy thuộc vào loại vật liệu phun và khí phun được sử dụng Trong suốt quá trình phun, nhiệt độ của chi tiết không được vượt quá 250°C, và đối với vật liệu Metaceram, nhiệt độ tối đa là 150°C Điều này giúp đảm bảo rằng không xảy ra biến dạng hoặc thay đổi thuộc tính của kim loại nền của chi tiết phun.

Hình 1.6 Nguyên lý của phương pháp của phun phủ nguội

Phun phủ với nhiệt độ thấp mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm khả năng giữ nguyên hình dạng và thuộc tính của kim loại mà không bị biến dạng Phương pháp này đặc biệt thuận lợi khi áp dụng cho các chi tiết nhỏ và mỏng, giúp đảm bảo chất lượng và độ bền của sản phẩm.

Nhược điểm của phương pháp này là yêu cầu công việc chuẩn bị bề mặt chi tiết phun rất kỹ lưỡng để đảm bảo độ liên kết tốt Ngoài ra, lớp phủ đạt được có độ xốp cao nhưng độ bám dính lại thấp, điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu quả sử dụng.

1.2.5 Phương pháp phun phủ bằng kích nổ khí

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG PHUN PHỦ NHIỆT TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM

Hiện nay, lớp phủ được tạo ra bằng phương pháp phun phủ nhiệt khí đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như cơ khí chế tạo, hàng không vũ trụ, năng lượng, điện - điện tử, ô tô, nông nghiệp và y tế Phạm vi ứng dụng của công nghệ phủ nhiệt rất đa dạng, ảnh hưởng đến cả sản xuất và đời sống Nghiên cứu về công nghệ này vẫn thu hút sự quan tâm lớn từ các nhà khoa học và kỹ sư vật liệu trên toàn cầu Nhờ vào sự phát triển của khoa học công nghệ, việc nghiên cứu và thiết kế lớp phủ với các đặc tính ưu việt, phù hợp với yêu cầu làm việc đặc thù đang ngày càng trở nên khả thi.

Hình 1.10 Một số lĩnh vực và sản phảm ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt

1.3.1 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng phun nhiệt trên thế giới

Phun phủ nhiệt đang phát triển mạnh mẽ tại các quốc gia như Mỹ, Anh, Pháp, Đức, Nga và Nhật Bản, với nhiều dây chuyền phun phủ công suất cao được triển khai Bên cạnh việc ứng dụng, các nước này cũng tiếp tục nghiên cứu lý thuyết nhằm nâng cao chất lượng lớp phủ cho nhiều ứng dụng khác nhau Phương pháp phun plasma đang thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học, với nhiều nghiên cứu được công bố hàng năm, chỉ ra những lợi thế mới được phát hiện.

Nghiên cứu của V Sreenivasulu và cộng sự [34] đã chỉ ra rằng lớp phủ Cr3C2 - 25NiCr và NiCrMoNb có khả năng chống ăn mòn ở nhiệt độ cao lên đến 900°C thông qua công nghệ phủ plasma Kết quả cho thấy độ xốp của lớp phủ dưới 4% và độ bền liên kết vượt quá 35MPa Đặc biệt, sự hiện diện của nguyên tố Mo trong lớp phủ NiCrMoNb đã nâng cao khả năng chống ăn mòn nóng trong môi trường dung dịch muối nóng chảy (Na2SO4 + 60% V2O5).

M Arai và cộng sự đã nghiên cứu lớp phủ gốm cho lưỡi tuabin khí, với lớp phủ có độ xốp nhằm cải thiện hệ thống làm mát qua thoát khí Nghiên cứu sử dụng phương pháp phun plasma (APS) với hỗn hợp zirconia và bột polyester ổn định 8%, trong đó bột polyester bị bốc hơi sau khi phun Các đặc tính của lớp phủ cho thấy nó có độ dẫn nhiệt thấp, chỉ bằng một nửa so với tiêu chuẩn, và độ bền bám dính thấp hơn 20% so với tiêu chuẩn Hệ thống làm mát thoát hơi kết hợp với lớp phủ gốm xốp đã được đánh giá là rất hiệu quả trong việc làm mát lưỡi tuabin khí.

M Nicolaus và cộng sự đã nghiên cứu quy trình kết hợp hàn và phun nhiệt phủ NiCrSi/NiCoCrAlY/Al để sửa chữa lưỡi tuabin, chứng minh tính khả thi của phương pháp này Cụ thể, kim loại phụ cùng với lớp phủ chống ăn mòn khí nóng và nhôm được phun nhiệt và sau đó xử lý nhiệt thông thường Nghiên cứu cho thấy sự hình thành các pha nhôm giàu niken và coban thấp trong lớp phủ, giúp cải thiện khả năng bảo vệ chống lại sự phá hủy do dòng khí nóng Kết quả thử nghiệm (UTS) của mẫu hàn với kim loại phụ cho thấy giá trị đạt tiêu chuẩn so với các hệ thống vật liệu tương tự, đồng thời kiểm tra (UTS) ở nhiệt độ cao lên đến 900°C xác nhận tính khả thi của quy trình sửa chữa này.

J.H Ouyang và cộng sự đã nghiên cứu đặc điểm ma sát và mài mòn của ZrO2 - Cr2O3 - CaF2 thông qua phương pháp phủ plasma ở nhiệt độ từ phòng đến 800°C Nghiên cứu cho thấy khả năng sử dụng CaF2 và Cr2O3 như chất bôi trơn rắn cho lớp phủ gốm ZrO2 áp suất thấp (LPPS) trong các ứng dụng nhiệt độ cao, chủ yếu là trong vật liệu tổng hợp tự bôi trơn Thêm vào đó, các nghiên cứu sâu hơn đã được thực hiện để phân tích cơ chế ma sát và mài mòn của ZrO2 - Cr2O3 - CaF2 khi tiếp xúc với quả cầu gốm Al2O3 thiêu kết 10 mm ở nhiệt độ cao lên tới 800ºC.

Nghiên cứu của El-Sayed M và cộng sự chỉ ra rằng lớp phủ 75%Cr3C2 - 25%NiCr có tác dụng tích cực trong việc chống ăn mòn cho thép ống API-2H khi tiếp xúc với dung dịch NaCl 4wt Kết quả từ thí nghiệm quẹt que dương phân cực cho thấy lớp phủ này làm giảm đáng kể dòng ăn mòn và tốc độ ăn mòn Các nghiên cứu khác, như của Chatha và cộng sự, cũng đã khẳng định hiệu quả của lớp phủ Cr3C2 - NiCr trong việc bảo vệ thép nồi hơi T91 trong nhiều môi trường khác nhau Tillmann và nhóm nghiên cứu đã nhấn mạnh rằng lớp phủ Cr3C2 - NiCr có độ xốp thấp, quá trình oxy hóa và phân hủy cacbua cũng thấp, từ đó tăng cường độ cứng và khả năng chống mài mòn Thi và cộng sự đã chỉ ra rằng việc sử dụng lớp phủ gốm kim loại Cr3C2 - NiCr trên bề mặt thép không gỉ 410 giúp bảo vệ thép khỏi sự ăn mòn trong dung dịch NaCl 3,5wt.

Nghiên cứu của A Maatta và các cộng sự đã chỉ ra rằng lớp phủ HVOF với thành phần hợp kim Cr3C2 - 25NiCr và NiCrBSi có cấu trúc và đặc tính ma sát đáng chú ý Các thí nghiệm về ma sát và mòn ở nhiệt độ 300°C và nhiệt độ phòng cho thấy rằng hợp kim NiCrBSi giúp giảm ma sát hiệu quả tại nhiệt độ cao.

Nghiên cứu của V.N Shukla và cộng sự [39] đã chỉ ra tuổi thọ của lớp phủ Cr3C2 - 25% NiCr khi tiếp xúc với nhiệt độ cao Các tác giả đã phân tích tuổi thọ lớp phủ trong một chu kỳ, đồng thời xem xét sự thay đổi của chất nền và bề mặt phủ sau các khoảng thời gian 10, 30 và 50 giờ Kết quả cho thấy tuổi thọ của lớp phủ tuân theo quy luật parabol.

Nghiên cứu của Josep A Picas và các cộng sự đã chỉ ra rằng lớp phủ CrC - NiCr được phun bằng phương pháp HVOF có khả năng cải thiện đáng kể khả năng chống mài mòn của các chi tiết thiết bị làm việc ở nhiệt độ khoảng 900°C Kết quả này cho thấy các loại bột CrC - NiCr phun HVOF là một giải pháp tiềm năng cho việc nâng cao hiệu suất của thiết bị trong môi trường nhiệt độ cao.

M Leylavergne và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu lớp phủ cacbit titan (TiC) plasma trong môi trường argon có chứa khí nitơ (N) Nghiên cứu này đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng khí nitơ đến độ bám dính, độ nhấp nhô bề mặt và vi cấu trúc của lớp phủ.

Theo tài liệu Thermal Spray Fundamental, nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu sâu về công nghệ phun phủ nhiệt trên toàn cầu Để đạt được lớp phủ chất lượng cao, cần xem xét nhiều yếu tố như điều kiện phun, thông số kỹ thuật và bề mặt chi tiết Các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào tác động của tốc độ phun, lưu lượng khí, nhiên liệu, nhiệt độ hạt và khoảng cách phun đến đặc tính và chất lượng của lớp phủ.

1.3.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng phun phủ nhiệt ở Việt Nam Ở Việt Nam, công nghệ phun phủ đang trong giai đoạn nghiên cứu, ứng dụng các thành quả của thế giới Tuy nhiên trong những năm gần đây đã có những công trình được một số các nhà khoa học triển khai nghiên cứu và ứng dụng tiêu biểu sau: Đề tài, mã số KHCN 05 - 07 - 03 [3], đã tiến hành 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 pit tông thủy lực, đế pit tông bơm tại công ty kỹ nghệ hàn Việt Nam đảm bảo yêu cầu đề ra Đề tài, mã số KC 05.10 [4], đã nghiên cứu xác định độ chịu mài mòn và độ bám dính lớp phủ bột hợp kim ZRO-182 trên nền vật liệu Nimonic 263 (được sử dụng chế tạo ống vòi voi trong các nhà máy nhiệt điện) có lớp phủ trung gian bột hợp kim NiCrAlY, kết quả cho thấy độ bám dính với kim loại nền đạt 378 kG/cm 2 , độ xốp lớp trung gian 2%, tuy nhiên các kết quả nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở mức phòng thực nghiệm Đề tài, mã số: 01C-01/04-2009-2 [5], đã 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 đoàn than - khoáng 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, mã số 256-08 RD/HĐ-KHCN

Nghiên cứu về độ cứng và khả năng chịu mài mòn của lớp phủ bột 75Cr3C2 - 25NiCr bằng phương pháp phun plasma cho thấy lớp phủ này có độ cứng tế vi bề mặt và khả năng gia công tốt hơn so với lớp mạ crom cứng Đặc biệt, lớp phủ này có khả năng chịu mài mòn gấp 2,5 lần so với lớp mạ crom cứng, chứng tỏ ưu điểm vượt trội trong ứng dụng thực tiễn.

Nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng khoảng cách phun, áp suất khí thổi và áp suất oxy có ảnh hưởng đáng kể đến các đặc tính cơ học của lớp phủ Ni-Cr-Si-B trên thép C45, được ứng dụng qua phương pháp ngọn lửa oxy axetylen Các yếu tố này quyết định độ bền bám dính, độ bền bám trượt và độ bền kéo của lớp phủ, từ đó mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong công nghiệp.

QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH LỚP PHỦ NHIỆT

2.1.1 Nguyên lý sự hình thành lớp phủ nhiệt

Hình 2.1 Nguyên lý chung của công nghệ phun phủ nhiệt

Nguyên lý phun phủ nhiệt sử dụng nguồn nhiệt như hồ quang, khí cháy hoặc plasma để làm nóng chảy một phần hoặc toàn bộ vật liệu phun dưới dạng bột, dây hoặc thanh Sau đó, vật liệu được phân tán thành các hạt nhỏ dạng sương mù và được tăng tốc bởi dòng khí năng lượng cao, phun lên bề mặt chi tiết đã chuẩn bị Vật liệu phun phủ có thể bao gồm kim loại, hợp kim, bột ceramic, nhựa hoặc composit, tạo ra lớp phủ có cấu trúc dạng lớp với các phần tử vật liệu bị biến dạng và xếp chồng lên nhau Độ dày của lớp phủ không bị giới hạn, có thể tạo lớp phủ mỏng vài chục micromet hoặc dày vài mm.

Theo các quan điểm lý thuyết của các nhà khoa học, quá trình hình thành lớp phủ bao gồm bốn giai đoạn chính: (1) nung nóng và làm nóng chảy vật liệu phun, (2) phân tán để tạo ra giọt kim loại lỏng, (3) bay của các giọt kim loại, và (4) va đập của các giọt kim loại vào bề mặt kim loại nền để hình thành lớp phủ Những giai đoạn này được mô phỏng rõ ràng trong hình ảnh (hình 2.1).

2.1.2 Các giai đoạn hình thành lớp phủ nhiệt

2.1.2.1 Giai đoạn nung nóng và làm nóng chảy vật liệu phun

Trong giai đoạn này, nhiên liệu khí và ôxy được đưa vào buồng đốt của súng phun, tạo thành hỗn hợp cháy Khi được mồi cháy, khí nén tiếp tục được cung cấp vào buồng phun, tạo ra sản phẩm cháy với nhiệt độ và áp suất cao Các phần tử phun sau đó di chuyển theo dòng khí với tốc độ siêu âm và vượt siêu âm nhờ vào cấu trúc ống Laval, tuân theo định luật bảo toàn lưu lượng.

2.1.2.2 Giai đoạn phân tán thành giọt

Trong quá trình phun nóng chảy, khi vật liệu ra khỏi miệng súng phun, các giọt nóng chảy với áp suất cao tiếp xúc với khí quyển áp suất thấp, dẫn đến sự giảm đột ngột áp suất bên trong, khiến chúng phân tán thành nhiều hạt nhỏ dạng sương Sự phân tán này phụ thuộc vào áp lực dòng khí cháy và đường kính của miệng phun, với thời gian phân tán chỉ kéo dài khoảng 1/10.000 đến 1/100.000 giây, tạo ra khoảng 7000 hạt kim loại mỗi giây Hình dạng của các hạt kim loại được hình thành từ sự phân tách giọt phụ thuộc vào loại vật liệu sử dụng, bao gồm hạt hình cầu và hạt đa giác, bên cạnh vật liệu phun cơ bản còn có tỷ lệ phần trăm nhất định của các oxít.

2.1.2.3 Giai đoạn bay của các phần tử phun

Trong giai đoạn phun, tốc độ của các hạt tăng dần từ vùng đốt đến miệng súng phun, nhưng giảm dần khi ra khỏi miệng phun do ma sát với không khí Các phần tử phun nóng chảy ở nhiệt độ cao sẽ phân tán thành chùm hạt nhỏ, tương tác hóa học và vật lý với môi trường, dẫn đến một phần vật liệu bị oxy hóa và hòa tan khí, tạo ra lớp oxit bao bọc Lớp oxit này phát triển tùy thuộc vào khoảng cách bay và quá trình oxy hóa bị ảnh hưởng bởi thành phần khí cháy, độ hòa tan khí, sức căng bề mặt giọt kim loại, sức hút của các nguyên tử hợp chất phun, và hệ số dẫn nhiệt của vật liệu Trong khi bay, áp suất bên trong hạt chênh lệch với áp suất môi trường, khiến các hạt tiếp tục vỡ ra thành nhiều hạt nhỏ Dòng phun có hình phễu, với góc loe phụ thuộc vào góc loe của ống Laval, tốc độ phun và đường kính đầu phun Ngoài ra, các phần tử còn bị ảnh hưởng bởi nhiều nhân tố khác, dẫn đến các phản ứng không đồng nhất, do đó cần tính toán kỹ lưỡng trong quá trình phun.

+ Các hạt kim loại tách ra ở trạng thái lỏng hay bán lỏng

+ Các phần tử phun luôn bị thay đổi trong trường gia tốc khi bay

+ Các hạt phản ứng với môi trường xung quanh có ôxy, hơi nước, nitơ… + Khả năng hòa tan của khí phụ thuộc vào nhiệt độ, áp lực riêng…

2.1.2.4 Giai đoạn va đập của các giọt kim loại vào bề mặt kim loại nền

Các hạt vật liệu phủ khi va chạm với bề mặt nền sẽ hình thành lớp phủ nhờ vào động năng và nhiệt năng Sự bám dính của các hạt lên bề mặt phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ, tốc độ va đập, trạng thái của giọt vật liệu (lỏng, bán lỏng, rắn), cũng như thuộc tính vật lý của bột phun và trạng thái bề mặt của vật liệu nền Khi các giọt vật liệu va đập, động năng chuyển hóa thành nhiệt năng, làm tăng nhiệt độ bề mặt nền Các phần tử phun ở trạng thái lỏng sẽ bị biến dạng từ hình tròn thành hình dẹt và bám chặt vào bề mặt gồ ghề của kim loại nền, đồng thời tạo ra sự kết dính giữa các nhóm vật liệu phun với nhau.

Hình 2.2 Quá trình va đập của các hạt (gọt) nóng chảy hình thành lớp phủ

Trong quá trình hình thành lớp phủ, nhiệt độ cao dẫn đến sự khuyếch tán giữa các nguyên tử, tạo ra khối vật liệu phủ đồng nhất Sự truyền nhiệt khiến các hạt phủ biến dạng và nguội đi, dẫn đến sự giảm thể tích; phần lớn hạt bám chắc vào bề mặt nền, trong khi một số ít bị bắn ra ngoài Tùy thuộc vào sự di chuyển của đầu phun hoặc vật được phun, chùm tia hạt phủ được phun lên bề mặt nền theo từng lớp, chồng chất lên nhau để tạo thành lớp phủ theo yêu cầu.

Hình 2.3 Sự chồng chất của lớp phủ phụ thuộc vào sự chuyển động khi phun

2.2 SỰ HÌNH THÀNH VÀ CẤU TRÚC LỚP PHỦ NHIỆT PLASMA

Phun plasma là quá trình tạo ra các lớp phủ đa dạng như kim loại, gốm sứ và vật liệu tổng hợp Nhiệt plasma bao gồm hỗn hợp electron, phân tử trung tính, nguyên tử và ion, ở trạng thái cơ bản hoặc bị kích thích Sự dao động giữa các trạng thái này dẫn đến phát xạ photon, tạo ra luồng phát sáng của plasma Plasma được coi là ổn định khi các điện tích âm và dương cân bằng, đảm bảo tính trung tính điện Để tồn tại, plasma nhiệt cần có độ dẫn điện vượt ngưỡng nhất định, với nhiệt độ khoảng 700°C đến 800°C trong các hỗn hợp phun plasma ở áp suất khí quyển Quy trình phun phủ nhiệt, đặc biệt là phun plasma, là sự tổng hợp của các quá trình hóa lý.

2.2.1 Sự hình thành lớp phủ plasma

Lớp phủ được hình thành qua quá trình phun, trong đó bột được cấp vào ngọn lửa hồ quang plasma với nhiệt độ cao Bột này sẽ được nung nóng và cưỡng bức với áp suất và vận tốc lớn, hướng tới bề mặt vật liệu nền đã được chuẩn bị kỹ lưỡng Nhiệt độ của hạt vật liệu phun nóng chảy có thể đạt tối thiểu 1000 °C.

Do nhiệt độ cao, lớp ngoài của mỗi hạt sẽ trải qua quá trình chuyển pha Bề mặt phủ cần đủ lớn để làm dẻo lớp ngoài và cho phép hình thành lớp phủ dày đặc Hạt phun cũng phải nhỏ để không làm ảnh hưởng đến pha tinh thể lắng đọng trên vật liệu nền Lớp phủ nhiệt thường có cấu trúc cơ bản như hình 2.4.

Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc về sự hình thành lớp phun nhiệt [100]

2.2.2 Cấu trúc lớp phủ plasma

Lớp phủ nhiệt được hình thành từ các cấu trúc nguội nhanh, dẫn đến sự xuất hiện của các trung tâm lệch mạng trong mạng tinh thể Quá trình kết tinh nhanh này cho phép tạo ra các cấu trúc giả bền vững, bao gồm dung dịch rắn bão hòa và trạng thái vô định hình của kim loại.

Trong lớp phủ nhiệt, có hai loại ôxít: một loại hình thành riêng biệt, loại còn lại bao bọc các phần tử kim loại phun khi va chạm với bề mặt Ôxít đầu tiên thường gây bất lợi cho tính chất cơ học của lớp phủ, trong khi ôxít thứ hai, đặc biệt là ôxít crôm, có độ xít chặt cao và giúp nâng cao độ bền ăn mòn và mài mòn Các lỗ xốp trong cấu trúc lớp phủ mang lại tính chất tốt khi hoạt động trong điều kiện bôi trơn, nhưng cũng có thể bị lấp đầy khí trong quá trình hình thành Ngoài ra, các khuyết tật như không bám dính giữa lớp phủ và chi tiết, sự phân tầng, nứt tế vi do ứng suất kéo, và các vết nứt do co lại khi nguội cũng có thể xảy ra.

Lớp phủ có cấu trúc lớp với các hạt bị biến dạng mạnh, liên kết theo bề mặt Đặc trưng của lớp phủ là dạng đẳng tâm với sự phân lớp do quá trình phun diễn ra tại các thời điểm khác nhau, tạo thành các lớp có độ biến dạng khác nhau Các lớp này được ngăn cách bởi một lớp ôxít mỏng khoảng 1µm Hình 2.5 mô tả sự phân lớp trong cấu trúc của lớp phủ nhiệt.

Hình 2.5 Ảnh chụp mặt cắt lớp phủ Cr 3 C 2 -NiCr tạo bằng plasma

Biên giới giữa lớp phủ và nền kim loại đóng vai trò quan trọng trong việc xác định độ bám dính của chúng Tính chất của lớp phủ được thể hiện qua độ kết dính giữa các hạt Các biên giới giữa các lớp được hình thành do khoảng thời gian khác nhau giữa các lần phun Sau mỗi lần phun, bề mặt nhanh chóng bị nhiễm bẩn và oxy hóa.

Quá trình tiếp xúc giữa các hạt trở nên khó khăn, dẫn đến sự hình thành biên giới giữa các lớp phun Độ dày của lớp phun dao động từ 10 đến 100 µm và phụ thuộc vào công nghệ thực hiện Cấu trúc và tính chất của lớp phủ chịu ảnh hưởng bởi các quá trình tương tác giữa các phần tử phun với dòng khí và quá trình hình thành lớp phủ trên bề mặt kim loại nền.

MỘT SỐ ĐẶC TÍNH CỦA LỚP PHỦ NHIỆT PLASMA

Lớp phủ plasma, giống như các lớp phủ nhiệt khác, được hình thành từ quá trình cơ, lý và hóa Điều này dẫn đến việc lớp phủ sở hữu những đặc tính chung và riêng, mỗi đặc tính phản ánh một tiêu chí quan trọng về độ bền của lớp phủ.

Cấu trúc và tính chất của lớp phủ sau khi phun phụ thuộc vào nhiều thông số, trong đó vật liệu phủ đóng vai trò quan trọng Vật liệu này ảnh hưởng đến hiệu quả của lớp phủ thông qua các yếu tố như thành phần hóa học, kích thước hạt, cấu trúc pha, độ ẩm và hình thái hạt Điều này đã được chứng minh trong quá trình phun plasma Để đáp ứng yêu cầu kỹ thuật, cần lựa chọn loại bột phun phù hợp với từng loại vật liệu nền dựa trên điều kiện làm việc cụ thể Hiện nay, các loại bột phun phổ biến được chia thành bốn nhóm cơ bản.

Bột phủ Crôm cacbit là một vật liệu cứng nổi bật với khả năng chịu mài mòn, xói mòn và ăn mòn vượt trội Nó có thể chịu nhiệt lên đến khoảng 900°C mà vẫn duy trì được các tính chất cơ học tốt Cr3C2 là thành phần có độ cứng cao nhất và được sử dụng phổ biến nhất để chống mòn và chịu nhiệt Crôm cacbit tồn tại dưới ba cấu trúc tinh thể khác nhau, mỗi cấu trúc tương ứng với một thành phần hóa học riêng.

+ Cr23C6 có cấu trúc tinh thể khối và độ cứng Vickers: 976kg/mm 2

+ Cr7C3 cấu trúc tinh thể hình lục giác và độ cứng Vickers: 1336kg/mm 2

Cr3C2 là dạng Crôm cacbit bền nhất với cấu trúc tinh thể trực giao và độ cứng Vickers đạt 2280 kg/mm² Độ cứng cao của Cr3C2 khiến nó trở thành lựa chọn chính trong xử lý bề mặt.

Bảng 2.1 Nhóm vật liệu phun dạng bột phổ biến đang dùng hiện nay

Nhóm Loại bột Thành phần cơ sở của loại bột

- Bột trên cơ sở nền cô ban (Co)

- Bột trên cơ sở nền đồng (Cu)

- Bột trên cơ sở nền sắt (Fe)

- Bột trên nền cơ sở môlípđen (Mo)

- Bột trên cơ sở nền niken (Ni)

II Bột hợp kim dạng

- Hợp kim bột trên nền cơ sở cô ban (Co)

- Hợp kim bột trên nền cơ sở niken (Ni)

- Bột dựa trên nền cơ sở là ôxít nhôm (Al2O3)

- Bột dựa trên nền cơ sở là ôxít crôm (CrO2)

- Bột dựa trên nền cơ sở là ôxít zircôni(ZrO2)

IV Bột cacbit - Bột Crôm cacbit là nền cơ sở (CrC)

- Bột cacbit vônfram là nền cơ sở (W)

2.3.2 Độ bền bám dính của lớp phủ

Độ bám dính của lớp phủ với kim loại nền là chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng lớp phủ Liên kết này chủ yếu là liên kết cơ học, phụ thuộc vào sự va đập của hạt phun, nhiệt độ hạt khi phun và độ nhấp nhô của bề mặt Động năng lớn giúp hạt phun nóng chảy và biến dạng mạnh mẽ hơn, tạo ra liên kết cơ học với bề mặt nền Mặc dù việc làm sạch và tạo nhám bề mặt có thể tăng độ nhấp nhô, nhưng không làm tăng đáng kể diện tích bề mặt cho liên kết cơ học Nghiên cứu của Moss và Young cho thấy khi phun bột thiếc lên thép nhẹ đã được tạo nhám, động năng và nhiệt năng lớn hơn ứng suất chảy dẻo Các nghiên cứu khác của Baxtor và Reiter cũng chỉ ra rằng phun phủ nhôm bằng plasma có khả năng phá vỡ lớp ôxít trên bề mặt kim loại.

Cường độ bám dính của lớp phủ chịu ảnh hưởng lớn từ sự tích tụ hạt khi va chạm với bề mặt vật liệu nền, trong đó nhiệt độ bề mặt quyết định đến quá trình làm phẳng các hạt nóng chảy Quá trình làm phẳng này là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến đặc tính cơ học và lý học của lớp phun phủ nhiệt Nghiên cứu của Moreau chỉ ra rằng, trên các bề mặt nhấp nhô, tỷ lệ làm phẳng và tốc độ lan rộng sẽ giảm khi độ nhấp nhô tăng lên.

Hình 2.6 Mô hình sự va chạm của hạt phun trên bề mặt nhấp nhô

Nhiều lớp mỏng được phun lên bề mặt nhấp nhô của vật liệu nền, với lực kết dính được tạo ra từ sự co ngót của chất lỏng quanh các điểm lồi lõm Đối với nhóm hạt phun không nóng chảy hoặc nguội khi tiếp xúc với bề mặt, lực bám dính chủ yếu dựa vào lực cơ học Trong khi đó, nhóm hạt nóng chảy khi va đập sẽ tạo ra liên kết cơ học, hóa học và luyện kim, nhờ vào sự khuếch tán của các hạt nóng chảy Độ bám dính của lớp phủ đạt khoảng 70MPa cho độ bám dính cơ học, và cao hơn nhiều cho độ bám dính khuếch tán.

Để xác định độ bền bám dính giữa lớp phủ và vật liệu nền, có hai phương pháp chính được sử dụng: độ bền bám dính theo phương pháp tuyến (gọi tắt là độ bền bám dính) và độ bền chống trượt theo phương tiếp tuyến (gọi tắt là độ bền bám trượt) Các phương pháp này được minh họa qua các sơ đồ đo độ bám dính và đo độ bám trượt.

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý đo xác định độ bền lớp phủ [1, 17] b, Một số đặc trưng của sự liên kết giữa các phần tử lớp phủ

Sự liên kết này bao gồm liên kết cơ học, liên kết luyện kim, liên kết hóa học và liên kết vật lý (hình 2.8)

1 Liên kết cơ học; 2 Liên kết luyện kim

3 Liên kết bám dính khác

Hình 2.8 Mô hình mô tả cơ chế liên kết của lớp phủ [16]

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý đo xác định độ bền kéo đứt lớp phủ [1]

Liên kết cơ học đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra sự kết nối chắc chắn giữa các phần tử phủ, nhờ vào lực cơ học giúp hòa quyện các phần tử nóng chảy và không nóng chảy thành một khối liên kết bền vững Để nâng cao độ bền liên kết giữa các phần tử phủ, cần tăng cường lượng phần tử được nóng chảy.

Để đạt được lớp phủ có độ bám dính tốt, cần thiết lập một chế độ thông số phun phù hợp, bao gồm cường độ dòng điện phun, khoảng cách phun, lưu lượng cấp bột phun và thành phần khí cháy Việc lựa chọn bộ thông số này phải dựa trên từng trường hợp và điều kiện cụ thể Nghiên cứu cho thấy, các vật liệu chế tạo từ quy trình luyện kim với kích thước hạt phủ nhỏ ở dạng nanomet có thể đạt độ bền kéo lên tới vài trăm MPa.

Phương pháp xác định độ liên kết giữa các phần tử lớp phủ, đặc biệt là độ bền kéo, là một bước quan trọng trong việc đánh giá độ bám dính của chúng Quy trình kiểm tra này thường được thực hiện theo sơ đồ nguyên lý, như thể hiện trong hình 2.9.

2.3.3 Độ xốp Độ xốp lớp phủ là phần trăm thể tích của các lỗ rỗng trên thể tích của lớp phủ và thường có giá trị khoảng (0,1 ÷ 15)% đối với các lớp phủ nhiệt [57] Độ xốp là một trong những tính chất quan trọng nó ảnh hưởng rất lớn đến tích chất của lớp phủ Chúng được hình thành trong quá trình tương tác giữa hạt phun với bề mặt nền, giữa các hạt phun trong cả quá trình phun Bởi vậy độ xốp là thành phần luôn luôn tồn tại trong lớp phủ nhiệt và tỷ lệ của nó tùy thuộc vào các yếu tố quá trình phun cũng như các thông số công nghệ và phương pháp phun Thông thường, các hạt chưa nóng chảy hết chúng sẽ bị đông đặc và co ngót thể tích tạo thành các lỗ xốp, ngoài ra độ xốp của lớp phủ chịu ảnh hưởng của vận tốc hạt và năng lượng nung nóng, sự co rút ứng suất cục bộ của các hạt khi nguội, góc phun, kích thước hạt và xử lý bề mặt trước khi phun Ngoài ra, do các hạt phun sau không điền hết không gian, cũng sinh lỗ xốp (hình 2.10)

Hình 2.10 Ảnh SEM cho thấy cấu trúc lỗ xốp của lớp phủ nhiệt

Độ xốp của lớp phủ phụ thuộc vào quá trình và phương pháp phun, cũng như các thông số như cường độ dòng điện, kích thước hạt, tốc độ phun, lưu lượng cấp bột và khoảng cách phun Nghiên cứu nhằm giảm độ xốp xuống mức tối thiểu để đáp ứng nhu cầu sử dụng trong các ngành công nghiệp đang được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm.

Phương pháp xác định độ xốp lớp phủ hiện nay bao gồm việc đo tổng khối lượng riêng của lớp phủ thông qua các kỹ thuật như cân khối lượng chất lỏng, đo độ xốp thủy ngân và soi kim tương học Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng phương pháp soi kim tương học để xác định độ xốp của lớp phủ.

Phương pháp soi kim tương học sử dụng kính hiển vi quang học và kính hiển vi điện tử quét để quan sát gián tiếp Độ xốp của mẫu được xác định bằng cách so sánh diện tích các lỗ xốp trong khu vực quan sát với tổng diện tích mong muốn Hệ thống máy tính và phần mềm phân tích được tích hợp trong kính hiển vi giúp chuyển đổi các vùng rỗng thành màu đỏ, trong khi các cấu trúc tế vi khác giữ nguyên màu sắc ban đầu, từ đó xác định giá trị độ xốp của mẫu.

CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CƠ TÍNH VÀ CHẤT LƯỢNG LỚP PHỦ PLASMA

Quá trình phun phủ nhiệt, đặc biệt là phun phủ plasma, có nhiều thông số điều chỉnh ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ Các yếu tố này đa dạng và phức tạp, mỗi yếu tố có những thông số đặc trưng riêng Trong phun phủ plasma, những yếu tố công nghệ quan trọng thường được xem xét để đảm bảo chất lượng lớp phủ kim loại.

2.4.1 Đặc tính bề mặt chi tiết phủ

Trong phun phủ nhiệt, độ bám dính của lớp phủ với chất nền là yếu tố quyết định đến độ bền của vật liệu Để tăng cường độ bám dính, cần xem xét ba yếu tố quan trọng: trước khi phủ, trong quá trình phủ và sau khi phủ.

Trước khi tiến hành phủ, việc làm sạch và kiểm tra độ nhám bề mặt của chi tiết phủ là rất quan trọng, vì độ nhám ảnh hưởng lớn đến độ bám dính của lớp phủ với chất nền Mối liên hệ giữa độ nhám bề mặt và độ bám dính có sự khác biệt tùy thuộc vào loại lớp phủ và vật liệu nền Để xác định độ nhám tối ưu cho độ bám dính cao nhất, cần thực hiện các nghiên cứu thực nghiệm cụ thể Không phải lúc nào độ nhám cao cũng đảm bảo độ bám dính tốt, mà còn phụ thuộc vào loại bột phun và thành phần hợp chất trong bột Theo khuyến cáo từ nhà sản xuất thiết bị phun plasma, độ nhám bề mặt nên đạt khoảng Rz > 10µm Một nghiên cứu thực nghiệm cho thấy đối với thép nền C45, độ bám dính cao nhất đạt K = 14,90MPa tại Rz = 58,39µm, trong khi đối với thép nền CT3, độ bám dính đạt K = 16,26MPa tại Rz = 62,25µm.

Hình 2.12 Ảnh hưởng của nhám bề mặt đến khả năng bám dính của lớp phủ [17]

Phương pháp làm sạch và tạo nhám bề mặt đóng vai trò quan trọng trong năng suất và tính chất của vật liệu Trong ngành chế tạo máy, có nhiều phương pháp làm sạch và tạo nhám, mỗi phương pháp mang lại những ưu điểm riêng Tuy nhiên, phương pháp phun hạt mài hiện đang được ưa chuộng nhờ vào năng suất và chất lượng vượt trội Phương pháp này thường được áp dụng trong các công việc làm sạch trước khi thực hiện sơn, sơn lại, mạ hoặc phun phủ Do đó, nghiên cứu này tập trung vào việc lựa chọn và ứng dụng phương pháp phun hạt mài để tối ưu hóa hiệu quả làm sạch và tạo nhám.

2.4.2 Cường độ dòng điện phun (I p )

Cường độ dòng điện phun đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra nhiệt độ hồ quang plasma trong buồng đốt, giúp làm nóng chảy vật liệu phun Trong quá trình phun phủ plasma, sự mất ổn định chính xảy ra ở anode, do dòng điện tác động mạnh mẽ đến dao động công suất hồ quang Những biến động này ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệt độ và gia tốc của hạt.

Dao động điện áp có tác động mạnh mẽ đến các hạt và quỹ đạo của chúng, như đã được Fincke và Swank báo cáo vào năm 1991, cho thấy khoảng 10% tổng khối lượng hạt vẫn không bị nung nóng Nghiên cứu của Bisson và cộng sự cũng chỉ ra ảnh hưởng của dao động điện áp đến nhiệt độ và vận tốc hạt Một nghiên cứu so sánh thực hiện với hai điều kiện thí nghiệm khác nhau: điều kiện đầu tiên sử dụng dòng điện 300A với các thông số khí Ar, H2 và khí mang, cho ra nhiệt độ hạt trung bình khoảng 2850°C và vận tốc 274 m/s; điều kiện thứ hai với dòng 700A cho ra vận tốc 316 m/s Kết quả cho thấy điều kiện đầu tiên tạo ra sự khởi động lại mạnh mẽ của hồ quang và dao động nhiệt độ hạt, trong khi điều kiện thứ hai có mối quan hệ nhỏ hơn Kết luận cho thấy hành vi khởi động lại của vòng cung có thể dẫn đến một phần lớn các hạt không bị nóng chảy, gây ra lớp phủ kém.

Coudert và Rat [81 - 83] đã nghiên cứu biến động của plasma với hỗn hợp

Dòng hồ quang 600A với khí Argon (Ar) có lưu lượng 45 l/ph, cho thấy các tần số điện áp dao động khác nhau Tần số dao động chính quan sát được nằm trong khoảng 4 đến 5 kHz, trong khi một đỉnh tần số thứ cấp xuất hiện ở tốc độ dòng hydro thấp khoảng 7,5 kHz Kết quả ghi nhận lớp ranh giới lạnh (CBL) không đạt yêu cầu do tần số dao động tăng khi tốc độ dòng hydro tăng Thời gian phục hồi hồ quang dao động từ 30 đến 100 µs, tương ứng với tần số cao hơn 10 kHz và sự phát triển của biến động tần số chính Nghiên cứu của Coudert và Rat chỉ ra rằng dao động chính chủ yếu do hiệu ứng nén của khí plasma ở khoang cực âm Độ ổn định điện của hồ quang phụ thuộc vào đặc tính ampe.

- volt của nó Vòng cung cháy tự do có một loạt các điều kiện đặc trưng rơi xuống, có nghĩa rằng điện áp giảm khi tăng dòng điện

Nghiên cứu cho thấy xói mòn cực âm xảy ra khi mật độ dòng điện tại cực âm đủ cao, dẫn đến lượng nóng chảy vượt quá khả năng thiết kế của catốt Việc sử dụng khí plasma như hydro gây ra sự co thắt hồ quang mạnh, ảnh hưởng đến hoạt động của ngọn lửa hồ quang, đặc biệt trong giờ đầu tiên, làm giảm điện áp hồ quang Phân tích nhiệt cho thấy sau 150 giây, xói mòn có thể gia tăng nhanh chóng khi một điểm xói mòn nhẹ đã hình thành, do hồ quang cư trú tại điểm đó Do đó, việc kiểm soát thông lượng nhiệt anode là cần thiết để quản lý xói mòn cực dương.

Một số công trình nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng cường độ dòng điện phun trong khoảng từ 300 đến 700 A khi phủ plasma với các vật liệu khác nhau mang lại kết quả tốt.

2.4.3 Lưu lượng cấp bột phun(m p )

Lưu lượng cấp bột phun là lượng khí vận chuyển bột vào vùng hồ quang của súng phun, ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng lớp phủ Có hai phương pháp cấp bột trong phun nhiệt: từ bên trong hoặc bên ngoài vòi phun, với ống cấp bột thường có đường kính từ 1,2 đến 2mm Hướng cấp bột có thể vuông góc với trục súng phun ở góc dương hoặc âm, trong đó cấp bột với góc âm có thể tạo ra nhiệt độ hạt cao hơn nhưng vận tốc hạt lại thấp hơn Cấp bột bên trong yêu cầu điều chỉnh lưu lượng khí mang cẩn thận, vì tốc độ dòng quá cao có thể làm lệch tia plasma; theo nghiên cứu, tốc độ dòng khí mang nên dưới 10% tốc độ dòng khí plasma Ngược lại, đối với cấp bột bên ngoài, tốc độ dòng khí mang ít ảnh hưởng hơn đến quá trình phun.

Hình 2.13 Sơ đồ cấp bột phun

Các hạt phun rời khỏi kim phun và di chuyển vào vùng nhiệt plasma, với quỹ đạo khác nhau do kích thước bột phun và động lượng tỷ lệ với công suất Hạt có kích thước danh nghĩa từ (10 ÷ 15) µm có động lượng thay đổi theo hệ số với cùng một vận tốc, dẫn đến sự khác biệt lớn trong quỹ đạo Các hạt nhỏ thường ở rìa và không đến được tâm vùng nhiệt độ, nhưng thời gian cư trú lâu hơn do ở trong vùng vận tốc thấp hơn Ngược lại, các hạt lớn đi qua tâm nhiệt và có thể không nóng chảy hoàn toàn khi va vào chất nền Hạt có kích thước trung bình có quỹ đạo thuận lợi để nóng chảy, nhưng động lượng của chúng có thể điều chỉnh bằng tốc độ dòng khí mang Cần điều chỉnh tốc độ dòng chảy để động lượng hạt trung bình tương đương với động lượng tia plasma, hoặc giảm tốc độ dòng khí mang để tạo điều kiện cho các hạt lớn hơn.

Việc thay đổi lưu lượng cấp bột phun ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng lớp phủ, trong khi các thông số phun khác được giữ không đổi Khi lưu lượng bột phun thay đổi, nhiệt độ và tốc độ hạt cũng thay đổi, dẫn đến sự thay đổi về hiệu suất và trạng thái va đập, ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ Kết quả có thể là độ xốp tăng, độ cứng và độ bền bám dính của lớp phủ với kim loại nền giảm Mỗi loại bột phun có nhiệt độ hạt phù hợp với quy trình và công nghệ phun khác nhau, bao gồm loại bột, hình thái, kích thước hạt, tỉ lệ thành phần hóa học và độ ẩm, từ đó lưu lượng cấp bột ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng lớp phủ.

Hình 2.15 Biểu đồ quan hệ giữa lưu lượng cấp bột đến vận tốc và nhiệt độ hạt [16]

Nghiên cứu cho thấy lưu lượng cấp bột phun nhỏ có thể làm giảm năng suất phun, do năng lượng hạt tập trung vào việc tạo ra các hạt phun nhỏ, dẫn đến mất mát do hóa bụi và đốt cháy vật liệu, đặc biệt là với vật liệu có khối lượng riêng nhỏ hoặc nhiệt nóng chảy thấp Nếu lưu lượng quá nhỏ, lớp phủ sẽ không kín, làm giảm hiệu quả bám dính và tăng độ xốp do bề mặt lớp phủ trước để lại Các công trình nghiên cứu đã chỉ ra rằng lưu lượng cấp bột phun cho thí nghiệm nên được chọn trong khoảng (20 ÷ 40)g/ph Do đó, việc nghiên cứu và đánh giá lưu lượng cấp bột phun là cần thiết để đạt được kết quả tối ưu về năng suất và chất lượng trong quá trình phun phủ nhiệt.

Khoảng cách phun là khoảng cách giữa đầu phun và bề mặt chi tiết cần phủ, ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ và nhiệt độ hạt khi va đập Khi khoảng cách phun quá gần, lớp phủ sẽ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ cao, dẫn đến hiện tượng oxi hóa và tăng độ xốp, từ đó làm giảm độ cứng của lớp phủ.

Theo nghiên cứu của tác giả [1, 2], khoảng cách phun trong phun phủ nhiệt khí từ 75 đến 250 mm ảnh hưởng đáng kể đến độ bám dính, độ cứng và độ mòn của lớp phủ trên thép nền Cụ thể, khi khoảng cách phun gần, độ bám dính thấp, nhưng khi khoảng cách tăng, các chỉ số này sẽ tăng theo Tuy nhiên, nếu khoảng cách vượt quá một giới hạn nhất định, độ bền bám dính, độ cứng và độ mòn sẽ bắt đầu giảm Điều này xảy ra do áp lực khí thổi mạnh ở khoảng cách gần làm cho lớp phủ bị trượt ra khỏi bề mặt kim loại nền, dẫn đến mất mát vật liệu Khi khoảng cách phun tăng, khí thổi yếu hơn làm giảm năng lượng động năng của các hạt, dẫn đến lực va chạm kém và sự nguội nhanh của các hạt, từ đó gây ra độ bám dính kém và hiện tượng rỗ xốp tăng lên.

Hình 2.16 Mối hệ giữa độ bám dính, độ cứng, độ mòn với khoảng cách phun [1,2]

BỘT PHỦ Cr 3 C 2 - NiCr

Crôm cacbit là hợp chất gốm có mặt trong các dạng hóa học như Cr3C2, Cr7C3 và Cr23C6, tồn tại dưới dạng chất rắn màu xám ở điều kiện tiêu chuẩn Với tính chất vượt trội, Crôm cacbit được sử dụng như phụ gia cho hợp kim kim loại, giúp cải thiện khả năng chống mòn và chống ăn mòn trong môi trường nhiệt độ cao Trong lớp phủ Cr3C2 - NiCr, Cr3C2 là thành phần chính tạo độ cứng, trong khi NiCr đóng vai trò chất kết dính, tạo nên khối liên kết bền vững Tỷ lệ pha trộn được điều chỉnh tùy theo yêu cầu cụ thể của từng ứng dụng.

* Một số ứng dụng dùng bột phủ crôm cacbit:

Bột phủ Crôm cacbit, với lớp phủ Cr3C2 - NiCr, được ứng dụng rộng rãi trong việc ngăn chặn sự mài mòn, xói mòn và ăn mòn, đặc biệt trong các lĩnh vực như tuabin khí, nồi hơi và chi tiết máy bay Ở Việt Nam, lớp phủ này đã thành công trong việc phục hồi và nâng cao tuổi thọ cho các chi tiết máy, như việc tạo lớp phủ hợp kim-gốm bằng phương pháp phun plasma cho các chi tiết chịu mài mòn Cụ thể, lớp phủ Cr3C2 - NiCr đã được áp dụng để phục hồi bề mặt cánh bơm tại nhà máy nhiệt điện Nghi Sơn và nâng cao chất lượng bề mặt bánh xe công tác của tua bin tại nhà máy thủy điện Lào Cai Điều này cho thấy lớp phủ Cr3C2 - NiCr đã có những thành công nhất định trong ứng dụng công nghệ phun nhiệt plasma tại Việt Nam.

Nghiên cứu lý thuyết về quá trình hình thành lớp phủ nhiệt, đặc biệt là phương pháp phun phủ plasma, cùng với các đặc tính của lớp phủ nhiệt plasma, đã chỉ ra những ưu điểm nổi bật của công nghệ này trong việc cải thiện hiệu suất và độ bền của bề mặt vật liệu.

1 Chất lượng lớp phủ nhiệt plasma chịu tác động và ảnh hưởng bởi nhiều các yếu tố, nhưng trong đó có ba thông số công nghệ phủ bao gồm: Cường độ dòng điện phun (Ip), lưu lượng cấp bột phun (mp) và khoảng cách phun (Lp) ảnh hưởng mạnh đến các đặc tính quan trọng của lớp phủ nhiệt

2 Độ bền bám dính của lớp phủ plasma phụ thuộc vào nhiều các yếu tố, một trong số đó là độ nhám bề mặt của chi tiết phủ Với lớp phủ nhiệt trên bề mặt thép nền, qua các kết quả nghiên cứu cho thấy độ bền bám dính của lớp phủ đảm bảo được khi bề mặt mẫu phủ cú độ nhỏm Rz > 10àm

3 Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu và thực nghiệm cho thấy lớp phủ plasma Cr3C2 - NiCr trên bề mặt thép nền, đạt được chất lượng với: (Ip) có giá trị trong khoảng từ (300 ÷ 700)A; (mp) có giá trị từ (20 ÷ 40)g/ph và (Lp) có giá trị từ (100 ÷ 200)mm Bên cạnh đó độ bền bám dính của lớp phủ tốt nhất đạt được khi có góc phun 90º Đây là cơ sở để chế tạo mẫu và lựa chọn khoảng giá trị khảo sát của các thông số công nghệ phun cho thí nghiệm tiếp theo của luận án nghiên cứu này

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM, VẬT LIỆU, THIẾT BỊ VÀ

Trong chương này, luận án xây dựng mô hình thực nghiệm nhằm xác định các yếu tố đầu vào và đầu ra, đồng thời giải quyết các mục tiêu đã đề ra Dựa trên đó, phương pháp và trang thiết bị thực nghiệm được lựa chọn để đo các đặc tính của lớp phủ Kế hoạch thực nghiệm bao gồm việc lựa chọn phương pháp quy hoạch để xây dựng ma trận thực nghiệm, xác định mô hình hàm hồi quy, xử lý số liệu thực nghiệm và tối ưu hóa Cuối cùng, quy trình phủ trên mẫu nghiên cứu và phương pháp đo để thu thập số liệu phục vụ cho các nội dung chính của luận án sẽ được triển khai trong chương tiếp theo.

XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM

Mô hình thí nghiệm được xây dựng trên cơ sở các yếu tố đầu vào của quá trình phun phủ và các chỉ tiêu đầu ra (hình 3.1)

Hình 3.1 Sơ đồ mô hình thực nghiệm

VẬT LIỆU, THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM

Vật liệu nền trong nghiên cứu này là thép hợp kim 16Mn, với thành phần hóa học được trình bày trong bảng 3.1 Thép hợp kim 16Mn được sử dụng rộng rãi cho các kết cấu chi tiết máy hoạt động trong điều kiện mài mòn và xói mòn, đặc biệt trong các ngành khai thác mỏ, nhiệt điện, thủy điện, xi măng và nồi hơi công nghiệp Mẫu phun được gia công trên các máy công cụ đảm bảo đáp ứng yêu cầu của từng loại mẫu thực nghiệm.

Bảng 3.1 Thành phần hóa học và cơ tính của mẫu thép 16Mn

Thành phần C(%) Si(%) Mn(%) P(%) S(%) Cr(%) Cu(%) Ni(%) Mo(%)

Giới hạn bền T.S (MPa) Độ dãn dài (%)

Bột Cr3C2 - NiCr (Sulzer Metco - Singapore) đã được chọn để tạo lớp phủ trong nghiên cứu này, dựa trên các nghiên cứu khảo sát ở chương 1 và 2 Hạt Cr3C2 - NiCr có đường kính trung bình từ -30 đến +5 μm, với thành phần hóa học cụ thể.

Bột Crôm cacbit có thành phần hóa học gồm C ≤ 0,2%; Si ≤ 0,5%; NiCr 29,5% và Cr3C2 69,8% Dưới điều kiện tiêu chuẩn, loại bột này tồn tại ở dạng chất rắn màu xám với hình thái bột Hình ảnh minh họa cho thấy cấu trúc của bột Cr3C2 - NiCr.

Hình 3.2 Hình ảnh và cấu trúc bột Crôm cacbit

Khi được phủ lên bề mặt kim loại, các tinh thể Crôm cacbit cải thiện đáng kể khả năng chống mài mòn, ăn mòn và xói mòn, đồng thời duy trì các đặc tính này ngay cả ở nhiệt độ cao Thành phần chính trong hỗn hợp bột Cr3C2 - NiCr, Cr3C2, đóng vai trò cứng nhất và các thuộc tính của Crôm cacbit được thể hiện rõ trong bảng 3.2.

Bảng 3.2 Các thuộc tính của Crôm cacbit

Công thức phân tử Cr3C2

Hình dạng tinh thể Bát diện

Nhiệt độ nóng chảy 1,895°C (2,168 K; 3,443°F) Nhiệt độ sôi 3,800°C (4,070 K; 6,870°F)

3.2.2 Thiết bị gia công mẫu

Mẫu và đồ gá cần được gia công với độ chính xác cao Nghiên cứu này tập trung vào việc gia công các mẫu và đồ gá phục vụ cho nghiên cứu tại trung tâm Cơ khí, khoa Cơ khí - Trường đại học Công nghiệp Hà Nội, sử dụng các máy công cụ hiện có tại đây.

- Máy tiện CNC, Lynx 220L của hãng DOOSAN - HÀN QUỐC

- Máy mài tròn ngoài 120W của Trung Quốc

- Máy mài phẳng JL-618 của Đài Loan

- Máy cắt dây molipden GS-2532B của Trung Quốc

- Máy đánh bóng mẫu SmartLam 3.0

Ngoài việc sử dụng máy phun hạt mài Shang-Po, phòng thí nghiệm trọng điểm công nghệ hàn và xử lý bề mặt thuộc Viện Nghiên cứu Cơ khí Bộ Công thương còn áp dụng nhiều loại máy gia công khác.

Hình 3.3 Sơ đồ hệ thống phun plasma Praxair (Model 3710)

Hệ thống phun phủ plasma Praxair-3710 của Mỹ là thiết bị chuyên dụng để tạo lớp phủ cho các mẫu nghiên cứu và cánh quạt khói trong luận án này Thiết bị này hiện đang được sử dụng tại phòng thí nghiệm trọng điểm công nghệ Hàn và Xử lý bề mặt.

- Viện Nghiên cứu Cơ khí (hình 3.3)

Hệ thống gồm một tổ hợp các thiết bị có các thông số cơ bản như sau:

- Trạm khí bao gồm: Argon, hidrogen, heli

+ Nguồn: 115 VAC/1 pha, 50/60 Hz, 20 amps

+ Khí cấp thanh lọc: > 80 psi + Khí chính (argon): (33,5 ~ 202) l/phút; (30 ~ 250) psi

+ Khí thứ cấp (heli): (33,5 ~ 202) l/phút; (30 ~ 250) psi

+ Khí thứ cấp (hydro): (2 ~ 12,4) l/phút; (30 ~ 250) psi

+ Khí mang (argon): (4 ~ 22,6) l/phút; (30 ~ 200) psi

Nguồn PS-1000 là nguồn điện 3 pha không đổi với công suất 40kW, đạt 100% chu kỳ làm việc, được thiết kế đặc biệt cho ứng dụng phun plasma.

Bộ khởi động tần số cao HF-2210 là thiết bị quan trọng giúp khởi động súng phun plasma bằng nguồn điện Với đầu ra liên tục 1200 Amp, bộ đánh lửa này điều khiển cường độ tần số cao và tích hợp bộ dao động, mang lại sự ổn định cho quá trình đánh lửa.

Hệ thống cấp bột phun 1264 hoạt động dựa trên nguyên tắc thể tích trực tiếp, cho phép kiểm soát tỷ lệ lưu lượng bột bằng cách điều chỉnh tốc độ quay của đĩa gạt bột Hệ thống này sử dụng khí mang và chuyển động quay của đĩa gạt để hiệu quả cung cấp bột đến súng phun.

3.2.4 Thiết bị kiểm tra và đánh giá các đặc tính của lớp phủ

Dựa trên trang thiết bị hiện có tại các phòng thí nghiệm và các đặc tính lớp phủ, luận án đã lựa chọn thiết bị kiểm tra và đánh giá phù hợp nhất cho từng loại mẫu Các thiết bị được sử dụng trong nghiên cứu này có sẵn tại phòng thí nghiệm của khoa Cơ khí - Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội.

3.2.4.1 Máy kéo nén vạn năng BESTUTM 500HH

Hình 3.4 Máy kéo nén vạn năng BESTUTM 500HH

Máy kéo, nén vạn năng BESTUTM 500HH là thiết bị chuyên dụng để đo và thu thập số liệu các chỉ tiêu đánh giá trong luận án, bao gồm độ bền bám dính, độ bền bám trượt và độ bền kéo đứt của lớp phủ trên các mẫu tiêu chuẩn Thiết bị này sở hữu các đặc tính kỹ thuật chính vượt trội, giúp đảm bảo độ chính xác và tin cậy trong quá trình thử nghiệm.

+ Máy có lực ép danh nghĩa: 500kN

+ Tốc độ dịch chuyển đầu chày ở trạng thái làm việc: 0 ÷ 10 (mm/ph) + Khoảng hành trình di chuyển đầu ép: 150mm

Khoảng cách tối đa giữa mặt bàn máy và mặt đầu lắp chày là 500mm Máy tính hiển thị các thông số quan trọng như lực, ứng suất, biến dạng tuyệt đối, biến dạng tương đối, thời gian và tốc độ biến dạng.

3.2.4.2 Kính hiển vi Leice ICC50E

Hình 3.5 Kính hiển vi Leice ICC50E

Kính hiển vi Leice ICC50E là thiết bị lý tưởng cho việc chụp ảnh, quan sát và phân tích hình ảnh mẫu và lớp phủ Với các tính năng kỹ thuật vượt trội, kính hiển vi này mang lại chất lượng hình ảnh cao và độ chính xác trong nghiên cứu.

Sản phẩm được trang bị bốn đèn LED ở phía trên, cho phép người dùng điều chỉnh các chế độ chiếu sáng khác nhau Ngoài ra, khả năng điều khiển đế linh hoạt theo ba phương: dX là 25mm, dY là 25mm và dZ có thể điều chỉnh ở mức 30mm cho chế độ phóng đại 5x hoặc 20mm cho chế độ phóng đại 50x.

3.2.4.3 Thiết bị đo độ cứng ISOSCAN HV2 AC

Hình 3.6 Thiết bị đo độ cứng ISOSCAN HV2 AC

XÂY DỰNG QUY TRÌNH PHUN PHỦ TRÊN MẪU

Quy trình phun phủ trên mẫu được thực hiện theo sơ đồ (hình 3.7), gồm các bước sau:

Hình 3.7 Sơ đồ quy trình tạo lớp phủ trên mẫu

Mẫu phủ được sản xuất từ thép hợp kim 16Mn, được gia công chính xác trên các máy công cụ theo đúng yêu cầu của bản vẽ kỹ thuật cho từng loại mẫu.

- Thiết bị phủ: Hệ thống thiết bị phun phủ plasma Praxair được kiểm tra và chuẩn bị các điều kiện đảm bảo hoạt động ổn định

- Vật liệu phủ: Bột Cr3C2 - 30%NiCr được sấy khô ở nhiệt độ 100°C ÷ 150°C khoảng 12 giờ trước phun để loại bỏ tối đa độ ẩm có trong bột

Bước 2 Tạo nhám bề mặt mẫu: Bề mặt phủ của tất cả các mẫu cần đạt độ nhám nhỏm (Rz = 71±2àm) Sau khi tạo nhám, các mẫu phải được làm sạch bằng khăn khô và phủ ngay, không để quá 4 giờ để tránh hiện tượng oxy hóa trên bề mặt mẫu.

Bước 3 trong quy trình là gá đặt mẫu và súng phun Đối với mẫu tròn lớp phủ, mẫu được lồng vào trục gá và kẹp chặt trên mâm cặp của máy tiện với tốc độ quay 10 vòng/phút Súng phun được gắn trên bàn dao của máy với bước dịch chuyển ngang 2mm mỗi vòng Đối với mẫu lớp phủ trên bề mặt phẳng, mẫu được cố định trên bàn đồ gá phun, trong khi đầu phun di chuyển theo hai phương dọc và ngang.

Bước 4: Cài đặt các thông số phun được thực hiện theo kế hoạch thực nghiệm đã định sẵn Các thông số cố định bao gồm điện áp 35V, lưu lượng khí chính 50 l/ph, lưu lượng khí thứ cấp 5 l/ph, lưu lượng khí tải bột 40 l/ph, và góc phun βp.

Bước 5: Gia nhiệt ban đầu cho mẫu bằng cách sử dụng ngọn lửa từ súng phun để nung nóng sơ bộ bề mặt mẫu phủ đến nhiệt độ khoảng 140ºC ÷ 150ºC Để kiểm soát nhiệt độ trên mẫu, sử dụng nhiệt kế hồng ngoại OPTEX PT-7LD.

Bước 6 Tiến hành tạo lớp phủ: Ngay sau khi kiểm tra mẫu đã đạt nhiệt độ ban đầu ta tiến hành phủ với các bước thực hiện như sau:

+ Điều chỉnh cường độ dòng điện phun

+ Hiệu chỉnh áp suất, lưu lượng khí đúng với yêu cầu

+ Điều chỉnh lưu lượng cấp bột và mở van cấp bột

Tiến hành phun lớp phủ trên mẫu với độ dày tối thiểu 1mm theo quy trình đã được thiết lập, đồng thời cần kiểm tra thường xuyên để đảm bảo nhiệt độ bề mặt mẫu phun không vượt quá 150°C.

Bước 7 trong quy trình gia công cơ khí sau phủ yêu cầu lựa chọn phương pháp gia công phù hợp với tính chất và phương pháp đo của từng loại mẫu, nhằm đảm bảo không ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ Trong nghiên cứu này, các mẫu đã được gia công sau khi phủ theo các phương pháp cụ thể.

Sử dụng máy mài trụ ngoài để mài mẫu với kích thước ỉ42 +0,2 mm, đồng thời thực hiện quá trình mài và đánh bóng cho các mẫu thử nhằm kiểm tra độ bền bám trượt, độ xốp và độ cứng.

Bước 8 trong quy trình kiểm tra mẫu phủ là đánh giá tổng thể các đặc tính của lớp phủ bằng các thiết bị chuyên dụng đã được lựa chọn Các yếu tố cần kiểm tra bao gồm độ bền bám dính, độ bền bám trượt, độ bền kéo, độ xốp và độ cứng tế vi trên các mẫu.

PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TÍNH CỦA LỚP PHỦ

3.4.1 Phương pháp xác định độ bền bám dính của lớp phủ (σ Bd ) a, Mẫu đo: Trong nghiên cứu này, mẫu độ bền bám dính của lớp phủ với thép nền được lựa chọn chế tạo theo tiêu chuẩn JIS-H-8664 [92]

Hình 3.8 Mẫu thử đo độ bền bám dính theo JIS-H-8664 [92]

Mẫu thử bao gồm hai chi tiết chính là chốt và đĩa chốt, được kẹp chặt với nhau nhờ vít M3 Yêu cầu mặt đầu chốt và mặt đầu đĩa chốt phải kín khít và đồng phẳng sau khi lắp ghép Trước khi phủ bề mặt, mẫu được tạo nhám bằng máy phun hạt mài với độ nhám Rz = 71±2 Lớp phủ trên mẫu đạt chiều dày từ 1 đến 1,2 mm Chế độ phun tạo lớp phủ được thực hiện theo bảng quy hoạch thực nghiệm đã định.

Để đảm bảo quá trình đo mẫu bám dính diễn ra nhanh chóng và chính xác, việc chế tạo một bộ đồ gá mẫu là rất cần thiết Hình 3.9 minh họa các bước thực hiện tạo lớp phủ cho mẫu b, trong khi hình 3.10 cung cấp sơ đồ nguyên lý đo mẫu Ảnh chụp đồ gá mẫu thử sau khi chế tạo cho thấy sự chuẩn bị kỹ lưỡng cho quá trình đo.

Đồ gá đo độ bền bám dính lớp phủ trên mẫu thử được lắp lên máy kéo sau khi tháo bỏ vít M3 Mẫu thử kéo được đặt vào rãnh định vị trên đồ gá, và chố kéo cần được đẩy sát vào cuối rãnh Để thực hiện quy trình, cần điều khiển ụ động máy tiến lên cho đến khi lỗ chốt của mẫu kéo và lỗ chốt của trục kéo trùng nhau, sau đó tiến hành xỏ chốt.

Hình 3.11 Hình ảnh đồ gá và mẫu thử đo độ bền bám dính trên máy kéo-nén

Hình 3.12 Biểu đồ lực kéo mẫu thử khi đo độ bám dính lớp phủ

Dưới tác dụng của lực kéo từ máy, máy tính tự động vẽ biểu đồ đường đặc tính thể hiện giá trị lực kéo cho đến khi chốt bật ra khỏi lớp phủ Biểu đồ được chia thành ba giai đoạn: giai đoạn đầu (I) là đường thẳng nằm ngang, cho thấy chưa có lực tác dụng do khoảng hở khi lắp mẫu thử Giai đoạn hai (II) là đường cong đi lên, lúc này lực bắt đầu xuất hiện Giai đoạn ba (III) cho thấy lực kéo tăng dần đến giới hạn lớn nhất rồi giảm về 0, cho thấy độ bám dính của lớp phủ với thép nền tương đối ổn định Khi lực đạt giá trị lớn nhất và giảm về 0, chốt đã bật ra khỏi lớp phủ, phản ánh đúng độ bền bám dính của lớp phủ mà không gây hư hại cho bề mặt đĩa chốt.

Hình 3.13 Ảnh mẫu thử sau khi đo độ bền bám dính

Tỷ lệ giữa lực kéo tối đa trên diện tích mặt chốt chính là độ bám dính được xác định theo công thức (3.1)

F (3.1) Trong đó: σBd - Độ bền bám dính lớp phủ

F - Diện tích tiết diện chốt (Trong nghiên cứu này F = 50,24 mm 2 )

3.4.2 Phương pháp xác định độ bền bám trượt của lớp phủ (τ Btr ) a, Mẫu đo: Mẫu đo độ bền bám trượt của lớp phủ với thép nền cũng được lựa chọn thực hiện theo tiêu chuẩn JIS-H-8664 [1, 92] với kích thước mẫu và sơ đồ nguyên lý đo như (hình 3.14)

Hình 3.14 Mẫu thử đo độ bền bám trượt theo JIS-H-8664 [1, 92]

Mẫu đo được chế tạo từ vật liệu thép 16Mn, với bề mặt được gia công bằng mỏ phun hạt mài đạt độ nhỏm Rz = 71±2 Lớp phủ trên mẫu có chiều dày tối thiểu 1mm (ỉ42 +0,2 mm), như thể hiện trong hình 3.15a Chế độ phun tạo lớp phủ được thực hiện theo bảng quy hoạch thực nghiệm đã định Ảnh mẫu sau khi phủ và đồ gá cùng mẫu thử được gá đặt trên máy.

Hình 3.15 Mẫu và đồ gá mẫu được lắp trên máy nén a, Lắp trục dẫn vào khuôn b, Lắp mẫu thử vào trục dẫn c, Đặt bạc ép lên mẫu

Để đo độ bền bám trượt của lớp phủ trên mẫu thép nền, việc chế tạo đồ gá đo mẫu thử là rất quan trọng nhằm đảm bảo lực nén được thực hiện đúng tâm Bộ đồ gá được thiết kế dựa trên kích thước và kết cấu của mẫu đo, như thể hiện trong hình 3.16 Quy trình đo bắt đầu bằng việc lắp ráp mẫu với đồ gá theo sơ đồ trong hình 3.14, sau đó điều chỉnh đồ gá vào đúng tâm của đầu trục nén của máy (hình 3.15b) Khi lực nén được áp dụng, hệ thống máy tính sẽ tự động vẽ biểu đồ đường đặc tính (hình 3.17), thể hiện giá trị lực nén cho đến khi lớp phủ tách rời khỏi mẫu thép nền.

Hình 3.17 Biểu đồ lực nén mẫu thử khi đo độ bền bám trượt lớp phủ

Biểu đồ cho thấy đường đặc tính được chia thành ba giai đoạn Giai đoạn đầu (I) là một đường thẳng nằm ngang, phản ánh thời gian chưa có lực tác dụng lên mẫu thử Trong giai đoạn (II), đường đặc tính chuyển sang cong lên, đánh dấu thời điểm đầu trục máy nén tiếp xúc với bạc ép và lực bắt đầu xuất hiện Giai đoạn (III) cho thấy lực nén tăng nhanh đến giá trị lớn nhất rồi giảm về 0, với đường đặc tính gần như tuyến tính, cho thấy độ bền bám trượt của lớp phủ với thép nền ổn định cho đến khi lớp phủ bong trượt khỏi mẫu thép nền.

Hình 3.18 Ảnh chụp mẫu thử sau khi đo độ bền bám trượt Độ bền bám trượt (τBtr) được xác định theo công thức (3.2):

 F (3.2) Trong đó: τBtr - Độ bền bám trượt lớp phủ (MPa)

F - Diện tích xung quanh lớp phủ tiếp xúc với mẫu (mm 2 )

F = .d.h (3.3) Ở đây: d - đường kính ngoài của mẫu thép nền (mm) h - chiều cao mẫu (mm)

Diện tích lớp phủ kiểm tra trong nghiên cứu này F ≈ 1030 (mm 2 )

3.4.3 Phương pháp xác định độ bền kéo đứt liên kết lớp phủ (σ k ) a, Mẫu đo: Mẫu đo độ bền kéo đứt liên kết lớp phủ (độ bền liên kết giữa các phần tử phủ với nhau) được lựa chọn chế tạo theo tiêu chuẩn JIS-H-8664 với kết cấu và kích thước như (hình 3.19) Mẫu thử kéo gồm hai nửa, nửa mẫu bên trái và nửa mẫu bên phải được lắp ghép với nhau thành một khối có cùng kớch thước ỉ40mm và cú tổng chiều dài là 65mm

Hình 3.19 Mẫu thử đo độ bền kéo đứt liên kết lớp phủ theo JIS-H-8664 [1, 92]

Mẫu thử được ghép hai nửa với nhau để tạo mặt cắt tách rời, với ren M24x2 ở hai đầu để lắp bulông trục kéo Độ không đồng tâm giữa hai nửa mẫu không được vượt quá 0,02mm Sau khi gia công, mẫu được lồng vào trục gá để tạo nhám bề mặt với độ nhỏ Rz = 71±2 Tiếp theo, mẫu được phủ lớp phủ đạt chiều dày từ 1 đến 1,2mm Các bước thực hiện bao gồm: lắp ghép hai nửa mẫu thử, lắp mẫu vào trục gá, gá kẹp mẫu trên đồ gá phun, và mẫu sau khi phủ được thiêu kết.

Hình 3.20 Hình ảnh các bước thực hiện tạo lớp phủ trên mẫu

Trước khi đo, mẫu được mài trên máy mài tròn ngoài đạt kích thước ỉ42 +0.2 mm (hỡnh 3.21) a, Ảnh mẫu đang mài trên máy b, Ảnh mẫu sau khi mài xong

Hình 3.21 minh họa mẫu được gia công mài trên máy mài tròn ngoài Để chế tạo trục gá kéo mẫu, cần căn cứ vào kích thước và kết cấu của mẫu đo cũng như khoảng mở má kẹp của máy đo Quá trình này bao gồm thiết kế và chế tạo hai trục kéo, mỗi trục có một đầu ren M24x2 để lắp vào hai đầu mẫu thử, như thể hiện trong hình 3.22.

Để đo độ bền kéo đứt lớp phủ, trước tiên lắp bulông trục gá vào hai đầu mẫu thử Sau đó, bulông trục gá kéo được kẹp chặt trên má kẹp của máy kéo Khi đầu máy kéo tự động dịch chuyển, lớp phủ sẽ bị đứt rời, và lực đo được chính là lực kéo đứt của lớp phủ.

Hình 3.23 Ảnh mẫu gá kẹp trên máy kéo Hình 3.24 Ảnh mẫu sau khi kéo đứt

Hình 3.25 Biểu đồ lực kéo khi đo độ bền kéo đứt lớp phủ

Biểu đồ (hình 3.25) cho thấy đường đặc tính được chia thành ba giai đoạn chính Giai đoạn đầu tiên (I) thể hiện lực tăng dần theo quy luật đường thẳng, gọi là biến dạng đàn hồi Trong giai đoạn thứ hai (II), đường đặc tính gần như song song với trục hoành, thể hiện giai đoạn biến dạng dẻo kèm theo biến dạng đàn hồi Cuối cùng, giai đoạn thứ ba (III) cho thấy đường đặc tính tăng nhanh đến giá trị tối đa trước khi giảm về 0, chỉ ra rằng lớp phủ đã bị đứt lìa, được gọi là giai đoạn phá hủy Độ bền kéo đứt (𝜎 𝑘) của lớp phủ được xác định theo công thức (3.4): k k σ = P ;(MPa).

F (3.4) Trong đó: σk – Độ bền kéo (MPa/mm 2 )

F – Tiết diện lớp phủ (mm 2 )

Mặt khác diện tích lớp phủ được xác đinh theo công thức (3.5) sau:

Trong đó: d1 – Đường kính ngoài lớp phủ (mm) d2 – Đường kính ngoài mẫu (mm)

Diện lớp phủ ở trong nghiên cứu này là:

3.4.4 Phương pháp xác định độ xốp lớp phủ (γ lp )

Vị trí đo độ xốp được xác định tại mặt cắt ngang của lớp phủ mẫu Để chuẩn bị mẫu, cần cắt và gia công bề mặt bằng máy mài phẳng, sau đó tiến hành đánh bóng bằng máy chuyên dụng với giấy giáp có kích thước hạt từ 400 đến 1200 Chỉ khi mẫu đã được đánh bóng đạt yêu cầu, mới tiến hành đo độ xốp.

Hình 3.26 Hình ảnh mẫu sau khi được đánh bóng trên máy SmartLam 3.0 a, Độ xốp được phân tích trên máy b, Kết quả đo độ trên máy

MỘT SỐ NGHIÊN CỨU BAN ĐẦU PHỤC VỤ CHO QUÁ TRÌNH PHỦ BỘT Cr 3 C 2 -NiCr TRÊN NỀN THÉP 16Mn

Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm cho thấy chất lượng lớp phủ phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm đặc tính bề mặt chi tiết phủ, tỷ lệ thành phần hợp chất bột phủ và cường độ dòng điện phun Mặc dù những yếu tố này là cơ sở quan trọng cho việc lựa chọn, nhưng chưa có nghiên cứu nào chỉ ra giá trị chính xác của các thông số khi phun bột Cr3C2 - NiCr bằng phương pháp phun plasma trên bề mặt thép 16Mn Do đó, cần thiết phải thực hiện các khảo sát thực nghiệm ban đầu để xác định và lựa chọn bộ thông số phun hợp lý.

3.5.1 Xác định độ nhám bề mặt phù hợp cho mẫu thép 16Mn

Quá trình phun phủ không chỉ làm sạch bề mặt mà còn tạo độ nhám phù hợp để tăng cường độ bám dính của lớp phủ Nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra rằng độ nhám bề mặt ảnh hưởng trực tiếp đến độ bám dính của lớp phủ Cr3C2 - 30%NiCr trên thép nền 16Mn bằng phương pháp phủ plasma Kết quả cho thấy độ bám dính cao nhất đạt được là 32,4MPa khi bề mặt mẫu phủ có độ nhám Rz = 71±2.

Hình 3.31 Ảnh hưởng của nhám bề mặt tới độ bền bám dính lớp phủ [20]

Nghiên cứu này khảo sát độ bền bám dính của mẫu phủ với các giá trị σ (MPa) từ 55 đến 76, cùng với độ nhám bề mặt mẫu phủ Rz (àm) Kết quả cho thấy bề mặt mẫu phủ được tạo nhám hiệu quả bằng máy phun hạt mài Shang-Po TM-DT1, sử dụng hạt mài phù hợp.

Al2O3 với kích thước của hạt trong khoảng (0,35 ÷ 1,19)mm Độ nhám trên bề mặt mỗi mẫu có được khác nhau là do việc thay đổi khoảng cách phun (40, 60,

Kết quả nghiên cứu cho thấy độ nhỏm đạt tối đa 76,7% khi khoảng cách phun là 100mm, với thời gian phun cố định là 30 giây và áp suất phun là 6.0 Bar.

Hình 3.32 Ảnh hưởng của khoảng cách phun tới độ nhám bề mặt thép 16Mn [20]

3.5.2 Xác định tỷ lệ thành phần Crom cacbit trong bột phủ Cr 3 C 2 -NiCr Độ bền chống ăn mòn của lớp phủ Cr3C2-NiCr liên quan đến tương tác giữa các thành phần cacbit và NiCr Bột phủ Cr3C2-NiCr có các nguyên tố chính, mỗi nguyên tố giữ một vai trò nhất định trong lớp phủ, cụ thể như: NiCr có vai trò làm tăng tính dẻo liên kết giữa các hạt cho lớp phủ và tính kết dính, Cr3C2 có vai trò làm tăng độ cứng cho lớp phủ và làm tăng độ chịu tải trọng cho lớp phủ… Đối với mỗi yêu cầu về chất lượng lớp phủ cụ thể như độ bám dính, độ xốp, độ cứng khác nhau người ta sẽ thay đổi tỷ lệ pha trộn hỗn hợp vật liệu phủ là khác nhau Để xác định tỷ lệ pha trộn phù hợp đảm bảo chất lượng lớp phủ sau khi phun có độ bám dính, độ cứng một cách hài hòa nhất, một nghiên cứu khảo sát tiền đề đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm, sự ảnh hưởng của tỷ lệ phần trăm cacbit trong hỗn hợp vật liệu bột Cr3C2 – NiCr, đến độ bền bám dính và độ cứng tế vi của lớp phủ sau khi phun trên bề mặt thép hợp kim 16Mn Kết quả nghiên

Nghiên cứu cho thấy rằng khi hàm lượng Crôm cacbit tăng từ 50% lên 80% theo khối lượng, độ bám dính của lớp phủ giảm gần 3 lần, từ 43,58MPa xuống còn 16,32MPa Đồng thời, độ cứng tế vi của lớp phủ lại tăng gần 2 lần, từ 411HV lên 701HV.

Hình 3.33 Ảnh hưởng tỷ lệ % Crôm cacbit tới độ bền bám dính lớp phủ [23]

Hình 3.34 Ảnh hưởng tỷ lệ % Crôm cacbit tới độ cứng lớp phủ [23]

Kết quả thực nghiệm cho thấy sự thay đổi phần trăm Crôm cacbit trong bột phun ảnh hưởng đến độ bám dính và độ cứng của lớp phủ theo tỷ lệ nghịch Điều này cung cấp cơ sở quan trọng cho các ứng dụng cụ thể, giúp người dùng ưu tiên tiêu chí nào hơn hoặc lựa chọn hài hòa cả hai chỉ tiêu để xác định tỷ lệ pha trộn bột trước khi phun.

3.5.3 Xác định khoảng giá trị cường độ dòng điện phun

Nghiên cứu này đánh giá tác động của dòng điện plasma đối với độ bám dính của lớp phủ Cr3C2 - 30%NiCr trên bề mặt Kết quả cho thấy rằng dòng điện plasma có ảnh hưởng tích cực đến tính chất bám dính của lớp phủ, góp phần nâng cao hiệu suất và độ bền của vật liệu.

50 55 60 65 70 75 80 Độ bề n bám dín h σ (MP a)

Tỷ lệ phần trăm Crôm cacbit trong vật liệu bột phủ

Tỷ lệ phần trăm Crôm cacbit trong vật liệu phủ mặt mẫu thép hợp kim 16Mn, với 5 giá trị cường độ dòng điện phun là (300,

400, 500, 600, 700)A để tạo ra các lớp phủ cho độ bám dính khác nhau (hình 3.35) [23]

Hình 3.35 Ảnh hưởng của đòng điện phun tới độ bền bám dính lớp phủ [23]

Kết quả nghiên cứu cho thấy cường độ dòng điện phun có ảnh hưởng mạnh mẽ đến độ bám dính của lớp phủ Cr3C2 - 30%NiCr trên bề mặt thép 16Mn Độ bám dính tăng khi cường độ dòng điện tăng, đặc biệt trong khoảng từ 400A đến 550A, do nhiệt độ quá trình tăng lên làm tăng sự tan chảy của các hạt Tuy nhiên, khi cường độ dòng điện tiếp tục tăng từ 600A đến 700A, độ bám dính lại giảm, có thể do hiện tượng quá nhiệt làm cháy các hạt phun Hình 3.35 cho thấy rõ rằng lớp phủ Cr3C2 - 30%NiCr khi phun bằng phương pháp plasma trên bề mặt thép 16Mn chịu ảnh hưởng đáng kể trong khoảng cường độ dòng điện từ 450A đến 650A.

XÂY DỰNG KẾ HOẠCH THỰC NGHIỆM

3.6.1 Cơ sở lựa chọn phương pháp quy hoạch thực nghiệm

Một phương pháp quy hoạch thực nghiệm hiệu quả cho phép nhà nghiên cứu thực hiện số lượng thí nghiệm tối thiểu, tiết kiệm chi phí, giảm thời gian và công sức, đồng thời thu thập được nhiều thông tin giá trị về quá trình và đối tượng nghiên cứu.

300 400 500 600 700 Độ bề n bám dín h σ (MPa)

Dòng điện Ip (A) là yếu tố quan trọng trong việc quy hoạch thực nghiệm, nhằm xây dựng một quy trình thí nghiệm bền vững, hạn chế tối đa sự ảnh hưởng từ các yếu tố bên ngoài.

- Giảm thiểu các yếu tố không điều khiển được

- Xác định các yếu tố quan trọng và có thể điều khiển được

- Xác định được cấp độ sai khác về giá trị giữa các kết quả

- Xác định số lượng thí nghiệm cần thiết tối thiểu

Hiện nay, có nhiều phương pháp quy hoạch thực nghiệm, trong đó một số phương pháp phổ biến bao gồm Taguchi, giai thừa và phương pháp bề mặt chỉ tiêu (Response Surface Methods - RSM) Nghiên cứu này sẽ áp dụng phương pháp bề mặt chỉ tiêu để thực hiện tiến trình thí nghiệm.

Phương pháp bề mặt chỉ tiêu (RSM) là công cụ quan trọng giúp phát triển và tối ưu hóa quy trình sản xuất, thông qua việc thực hiện một chuỗi thí nghiệm được thiết kế nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất.

- Chỉ ra tập giá trị các biến đầu vào (điều kiện vận hành, thực thi) sao cho tạo ra ứng xử của đối tượng nghiên cứu là “tốt nhất”

- Tìm kiếm các giá trị biến đầu vào nhằm đạt được các yêu cầu cụ thể về ứng xử của đối tượng nghiên cứu

- Xác định các điều kiện vận hành mới đảm bảo cải thiện chất lượng hoạt động của đối tượng so với tình trạng cũ

Mô hình hóa quan hệ giữa các biến đầu vào và ứng xử của đối tượng nghiên cứu là cơ sở quan trọng để dự đoán và điều khiển quá trình hoặc hệ thống Phương pháp này không chỉ giúp xác lập các ảnh hưởng tương tác mà còn cho phép nhận diện các ảnh hưởng bậc cao của các yếu tố Thông qua kết quả thí nghiệm, chúng ta có thể xây dựng mô hình hồi quy, hay còn gọi là hàm hồi quy thực nghiệm, để biểu diễn mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra dưới dạng hàm liên tục Hàm hồi quy này có thể được sử dụng để dự đoán ứng xử của hệ thống hoặc đối tượng trong các điều kiện đầu vào khác nhau.

3.6.2 Tiến trình thí nghiệm tối ưu hóa

Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa quá trình phun plasma lớp phủ Cr3C2 - 30%NiCr trên bề mặt thép 16Mn Ba thông số đầu vào quan trọng được xác định qua thí nghiệm sàng lọc là cường độ dòng điện phun (Ip), lưu lượng cấp bột phun (mp) và khoảng cách phun (Lp), có ảnh hưởng mạnh nhất đến chất lượng lớp phủ Tiến trình tối ưu hóa được chia thành ba giai đoạn: Giai đoạn 1 là thí nghiệm khởi đầu, nơi phân tích mô hình rút gọn để xác định xem hàm mục tiêu có chứa vùng cực trị hay không Nếu không, nghiên cứu sẽ chuyển sang giai đoạn 2; nếu có, sẽ bỏ qua giai đoạn 2 và tiến thẳng đến giai đoạn 3 Thí nghiệm khởi đầu bao gồm tổng cộng 14 thí nghiệm, với số lượng thí nghiệm là N = 2 k + 6, trong đó các giá trị mức thông số đầu vào được trình bày trong bảng 3.3.

Bảng 3.3 Giá trị các mức của thông số khi thí nghiệm khởi đầu

Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị tại các mức

Cường độ dòng điện phun Ip A 450 550 650

Lưu lượng cấp bột phun mp gam/phút 20 30 40

Để xác định các thông số đầu vào trong khoảng cách phun từ 120 đến 200 mm, nghiên cứu đã thực hiện phân tích phương sai (ANOVA) với các chỉ tiêu đầu ra như độ bền bám dính, độ bền bám trượt, độ bền kéo, độ xốp và độ cứng tế vi của lớp phủ Kết quả cho thấy cả 5 hàm mục tiêu đều nằm trong vùng chứa cực trị, cho phép bỏ qua giai đoạn tìm kiếm vùng cực trị và chuyển ngay sang thí nghiệm bề mặt chỉ tiêu Nếu vùng thí nghiệm còn xa cực trị, giai đoạn leo dốc/xuống dốc sẽ được thực hiện để nhanh chóng xác định giá trị gia số cho từng biến thí nghiệm, nhưng trong nghiên cứu này không cần thiết phải thực hiện Cuối cùng, khi hàm mục tiêu đã chứa cực trị, các thí nghiệm sẽ được tiến hành để mô tả mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra dưới dạng hàm bậc cao thông qua kế hoạch thí nghiệm bề mặt chỉ tiêu.

Kế hoạch thí nghiệm bề mặt chỉ tiêu trong nghiên cứu này được xây dựng dựa trên thiết kế thí nghiệm hỗn hợp tâm xoay (Central Composite Design - CCD) Số lượng thí nghiệm được xác định theo công thức N = 2k + 6 + 2k, trong đó k là số biến thí nghiệm.

Một yêu cầu quan trọng của thiết kế thí nghiệm bề mặt chỉ tiêu (RSM) là ma trận thí nghiệm phải có tính chất “xoay được” (Rotatability), được gọi là tính chất tâm xoay Điều này là cần thiết vì RSM được thiết kế nhằm tối ưu hóa, trong khi vị trí điểm cực trị chưa được xác định trước Thiết kế tâm xoay đảm bảo rằng các dự đoán về vị trí điểm cực trị có cơ hội ngang bằng theo mọi phương Các tính toán cho thấy, để đạt được tính chất “tâm xoay”, cần lựa chọn khoảng cách α theo công thức (3.7) [24].

Trong nghiên cứu này, số điểm thí nghiệm gốc được xác định là 2^k, với k n = 2 F (3.8) Mục tiêu của giai đoạn thí nghiệm bề mặt là mở rộng vùng khảo sát các thông số đầu vào nhằm đạt được giá trị tối ưu toàn cục cho các thông số đầu ra, đồng thời tránh tình trạng cực trị địa phương Việc mở rộng vùng khảo sát các thông số được thực hiện theo công thức (3.7).

Giá trị mã hóa cần mở rộng cho ba thông số đầu vào được xác định là ±α, với α ≈ 1,682 Vùng khảo sát của các thông số đầu vào sẽ được mở rộng trong khoảng này Giá trị thực tại hai mức mã hóa ±α được thể hiện trong bảng 3.4.

Bảng 3.4 Giá trị các mức của thông số khi thí nghiệm bề mặt chỉ tiêu

Thông số Ký hiệu Đơn vị

Giá trị tại các mức

Cường độ dòng điện phun Ip A 381,82 450 550 650 718,18 Lưu lượng cấp bột phun mp g/ph 13,18 20 30 40 46,82 Khoảng cách phun Lp mm 92,73 120 160 200 227,27

Ma trận thí nghiệm trong giai đoạn này kết hợp giữa ma trận thí nghiệm khởi đầu và các thí nghiệm bổ sung ở mức giá trị mở rộng ±α, với tổng số điểm thí nghiệm là N = 20, như trình bày trong bảng 3.5 Quá trình phun phủ cho các mẫu thí nghiệm được thực hiện theo thứ tự ngẫu nhiên nhằm giảm thiểu sai số do nhiễu và sai số lặp lại ở các điểm thí nghiệm có thông số giống nhau.

Bảng 3.5 Ma trận thí nghiệm và giá trị của các yếu tố khi thí nghiệm

TT Quy luật Các biến thực nghiệm

Các biến mã hóa Chuẩn Ngẫu nhiên

3.6.3 Xây dựng mô hình hàm hồi quy thực nghiệm

Quá trình phủ và chất lượng lớp phủ đóng vai trò quan trọng trong tuổi thọ của chi tiết Nghiên cứu về các phương pháp xác định chất lượng lớp phủ đã trở thành mục tiêu hàng đầu của các nhà khoa học Chất lượng lớp phủ bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như phương pháp, chế độ công nghệ, vật liệu phủ, vật liệu nền, cũng như việc chuẩn bị bề mặt và xử lý sau khi phủ Điều này làm cho việc xây dựng một phương pháp chung để xác định chất lượng lớp phủ trở nên khó khăn Tuy nhiên, đã có một số phương trình dự đoán chất lượng lớp phủ có thể áp dụng cho nhiều điều kiện phun phủ khác nhau Các mô hình toán học bậc nhất và bậc hai có thể được sử dụng cho các điều kiện cụ thể, với mối quan hệ giữa các biến số độc lập như cường độ dòng điện phun, lưu lượng cấp bột phun và khoảng cách phun.

𝑙𝑛𝑦 = 𝑏 0 + 𝑏 1 𝑙𝑛𝑉 + 𝑏 2 𝑙𝑛𝑓 + 𝑏 3 𝑙𝑛𝑑 (3.9) Trong khi đó mô hình toán hàm bậc hai có dạng:

+𝑏 33 (𝑙𝑛𝑑) 2 + 𝑏 12 𝑙𝑛𝑉 𝑙𝑛𝑓 + 𝑏 13 𝑙𝑛𝑉 𝑙𝑛𝑑 + 𝑏 23 𝑙𝑛𝑓 𝑙𝑛𝑑 (3.10) Theo một số những nghiên cứu được công bố trong những năm gần đây [14,

Mối quan hệ giữa thông số đầu vào và đầu ra thường được biểu diễn dưới dạng đa thức bậc 2 Phần mềm Minitab, phổ biến trong phân tích dữ liệu thực nghiệm, cho phép xây dựng mối quan hệ giữa hàm mục tiêu và các biến thí nghiệm thông qua mô hình hồi quy thực nghiệm Mô hình này giúp tìm giá trị cực trị của hàm mục tiêu, phục vụ cho bài toán tối ưu Khi xây dựng mô hình hồi quy, việc lựa chọn dạng biểu diễn và kiểm tra độ phù hợp giữa mô hình và dữ liệu thực nghiệm là rất quan trọng Theo lý thuyết quy hoạch thực nghiệm, trong phạm vi khảo sát nhỏ, mô hình bậc hai là phù hợp để thể hiện mối quan hệ giữa hàm và biến Mô hình hồi quy mô tả sự phụ thuộc của hàm chỉ tiêu 𝑦 vào các thông số ảnh hưởng 𝑥 𝑖.

Trong đó: 𝑏 0 - hệ số tự do

𝑏 𝑖 - các hệ số tuyến tính

𝑏 𝑖𝑗 (𝑖  𝑗) - các hệ số tương tác cặp

𝑛 - số thông số đầu vào (thông số ảnh hưởng)

𝑥 𝑖 - giá trị mã hóa của các thông số vào

Trong nghiên cứu này, với ba biến, mô hình hồi quy thể hiện sự phụ thuộc của hàm chỉ tiêu 𝑦 (σBd, τBt, σk, γLp và KLp) vào các thông số ảnh hưởng 𝑥 𝑖 (Ip, mp và Lp) được biểu diễn qua công thức: 𝑏 𝑛𝑛 𝑥 𝑛𝑛 2 + 𝑏 12 𝑥 1 𝑥 2 + 𝑏 13 𝑥 1 𝑥 3 + … + 𝑏 𝑛−1,𝑛 𝑥 𝑛−1 𝑥 𝑛.

3.6.3.1 Xác định mức ý nghĩa của các hệ số hồi quy theo tiêu chuẩn Student

Phương sai và sai số của thí nghiệm có thể tính theo các giá trị của thông số ra 𝑦̅̅̅ ở các mức cơ sở x 𝑢 0i của các yếu tố:

(3.15) Sai số của các hệ số hồi quy được tính:

𝑆 𝑏𝑖𝑖 (3.19) Đối chiếu với chuẩn Student, tra bảng tb với α = 0,05, số bậc tự do

PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM

Việc xây dựng ma trận thực nghiệm, tra cứu bảng số liệu và tính toán theo công thức xác suất thống kê là những nhiệm vụ phức tạp Tuy nhiên, nhờ vào sự hỗ trợ của máy tính và phần mềm chuyên dụng, thiết kế thí nghiệm và xử lý số liệu đã trở nên đơn giản hơn Người nghiên cứu giờ đây có thể tập trung vào việc xây dựng và thực hiện các mô hình thí nghiệm Trong nghiên cứu này, phần mềm Minitab 19 được sử dụng để xử lý số liệu phức tạp, giúp người thực hiện phân tích và rút ra kết luận từ kết quả thu được.

* Ưu điểm của phần mềm Minitab 19:

Minitab là phần mềm thống kê và thiết kế thí nghiệm chuyên dụng, nổi bật với giao diện đồ họa thân thiện, bao gồm các menu và hộp thoại dễ sử dụng, tương tự như phần mềm văn phòng Excel.

- Các kết quả do Minitab xử lý, thống kê và đưa ra các đồ thị mô tả rõ ràng, logic rất đáng tin cậy

1 Đã lựa chọn được mô hình thực nghiệm gồm có vật liệu nền là thép hợp kim 16Mn, vật liệu phủ là bột phun Cr3C2-30%NiCr và đồng thời cũng đã lựa chọn sử dụng được các thiết bị phục vụ nghiên cứu gồm thiết bị gia công, thiết bị phủ và thiết bị đo phù hợp

2 Trên cơ sở các kết quả thực nghiệm khảo sát, đã lựa chọn được khoảng giá trị các thông số phun cho nghiên cứu thực nghiệm chính tiếp theo gồm: Cường độ dòng điện phun Ip có giá trị từ (450 ÷ 650)A; lưu lượng cấp bột phun mp có giá trị từ (20 ÷ 40)gam/phút và khoảng cách phun Lp có giá trị từ (120 ÷ 200)mm Bên cạnh đó độ bền bám dính của lớp phủ cao nhất đạt được khi bề mặt mẫu phủ cú độ nhỏm Rz = 71±2àm

3 Đã xây dựng được quy trình phủ, quy trình phương pháp đo cho mẫu phù hợp để đo và xác định các chỉ tiêu đánh giá chất lượng gồm độ bền bám dính, độ bền bám trượt, độ bền kéo đứt, độ xốp, độ cứng tế vi của lớp phủ

4 Luận án sử dụng nghiên cứu thực nghiệm theo phương pháp bề mặt chỉ tiêu và được thiết kế theo dạng hỗn hợp tâm xoay (CCD) với 20 thí nghiệm, trên cơ sở đó đề xuất được mô hình toán học dạng đa thức bậc 2 mô tả mối quan hệ giữa các hàm mục tiêu với các thông số đầu vào có dạng:

0 1 1 2 2 3 3 11 1 22 2 33 3 12 1 2 13 1 3 23 2 3 y  b  b x  b x  b x  b x  b x  b x  b x x  b x x  b x xPhần mêm Minitab 19, được lựa chọn để phân tích và xử lý số liệu thực nghiệm trong luận án.

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ĐÁNH GIÁ

ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀO PHỤC HỒI CÁNH QUẠT KHÓI TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN