(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ vật liệu nền đến độ cứng và độ bám dính của lớp phun phủ trong công nghệ phun phu nhiệt khí tốc độ cao (HVOF) ứng dụng trong lĩnh vực dầu khí

Tính cấp thiết của đề tài

Năm 2014, Xí nghiệp Cơ Điện (XNCĐ) – Liên doanh Việt – Nga Vietsovpetro đã đầu tư vào hệ thống phun phủ khí tốc độ cao (HVOF) tiên tiến, được hỗ trợ bởi Robot công nghiệp ABB Qua quá trình chuyển giao và vận hành, đội ngũ kỹ sư và công nhân đã thành công trong việc làm chủ công nghệ này, thực hiện nhiều dự án quan trọng Điều này không chỉ góp phần vào chính sách tăng cường nội địa hóa vật tư mà còn giúp Vietsovpetro tiết kiệm hàng trăm nghìn đô la nhờ ứng dụng công nghệ phun phủ để phục hồi các chi tiết quan trọng trong thiết bị dầu khí.

Trong quá trình vận hành hệ thống, quy trình kiểm soát chất lượng sản phẩm sau phun phủ vẫn còn thiếu hoàn thiện Hiện tại, chất lượng sản phẩm chỉ được đánh giá qua gia công cơ khí, và nếu phát hiện hiện tượng bong tróc hoặc nứt vỡ, sản phẩm sẽ cần được phun phủ lại.

Hình 1.1 Piston điều khiển của bơm sau khi được phun phủ và gia công bằng phương pháp mài tinh, xuất hiện bong tróc lớp phủ

Hầu hết các chi tiết được phun phủ tại XNCĐ là các chi tiết trục, chịu điều kiện làm việc khắc nghiệt và tháo lắp phức tạp Quá trình đại tu thiết bị và chạy thử chủ yếu diễn ra trên các công trình biển, dẫn đến chi phí phát sinh lớn do chất lượng phun phủ kém, bao gồm nhân công, vật tư, thiết bị và vận chuyển Thêm vào đó, việc cử máy bay cho cán bộ công nhân viên ra công trình biển xử lý sự cố và thời gian dừng thiết bị kéo dài ảnh hưởng đến sản lượng khai thác dầu khí Do đó, nghiên cứu công nghệ phun phủ và thiết bị là cần thiết để đề xuất các giải pháp cải thiện.

Nâng cao chất lượng các lớp phun phủ để đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và yêu cầu làm việc của các chi tiết máy là nhiệm vụ cấp thiết hiện nay Việc tối ưu hóa quy trình này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn đảm bảo độ bền cho sản phẩm.

Ý nghĩa khoa học của đề tài

Nghiên cứu quy luật ảnh hưởng của nhiệt độ vật liệu nền đến độ cứng và độ bám dính của lớp phủ trong công nghệ phun phủ nhiệt khí tốc độ cao (HVOF) sẽ góp phần nâng cao kiến thức lý thuyết về công nghệ này tại Việt Nam.

Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Nghiên cứu về công nghệ phun phủ HVOF tại XN Cơ điện – Liên doanh Việt – Nga Vietsovpetro mang lại ý nghĩa thiết thực, cung cấp tài liệu tham khảo quan trọng để nâng cao chất lượng sản phẩm Đề tài này cũng đề xuất các biện pháp hoàn thiện quy trình công nghệ và quy trình kiểm soát chất lượng trong việc phục hồi chi tiết máy, góp phần giải quyết những vấn đề cấp thiết trong ngành khai thác dầu khí cũng như phát triển công nghệ phun phủ nhiệt tốc độ cao (HVOF) tại Việt Nam.

Mục đích của đề tài

Nhiệt độ của vật liệu nền đóng vai trò quan trọng trong việc xác định độ cứng và độ bám dính của lớp phủ trong công nghệ phun phủ nhiệt khí tốc độ cao (HVOF) Khi nhiệt độ nền tăng, độ bám dính giữa lớp phủ và vật liệu nền thường cải thiện, dẫn đến khả năng chống mài mòn và độ bền của lớp phủ được nâng cao Ngược lại, nếu nhiệt độ quá cao có thể gây ra hiện tượng biến dạng hoặc giảm độ cứng của vật liệu nền, ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng lớp phủ Do đó, việc kiểm soát nhiệt độ vật liệu nền là yếu tố then chốt để tối ưu hóa tính năng của lớp phủ trong ứng dụng công nghiệp.

Hoàn thiện quy trình phun phủ và xây dựng quy trình kiểm soát chất lượng lớp phun trong công nghệ phun phủ khí tốc độ cao (HVOF) tại XNCĐ là mục tiêu chính của đề tài Để đạt được điều này, cần giải quyết một số vấn đề quan trọng liên quan đến quy trình phun phủ và các tiêu chí kiểm soát chất lượng.

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết hình thành lớp phủ bằng công nghệ HVOF, từ đó, xác định các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng phun phủ

- Khảo sát, nghiên cứu hệ thống, quy trình và các thiết bị phun phủ tại XNCĐ

- Đề xuất các giải pháp, quy trình để nâng cao chất lượng của các lớp phủ.

Đối tƣợng nghiên cứu

Cấu trúc và cơ chế hình thành lớp phủ trong công nghệ phun phủ khí tốc độ cao (HVOF) đóng vai trò quan trọng trong việc xác định chất lượng của lớp phun phủ Các yếu tố như nhiệt độ, áp suất, và tốc độ dòng khí đều ảnh hưởng đến quá trình hình thành lớp phủ, từ đó quyết định độ bền và tính năng của lớp phủ Hiểu rõ các yếu tố này giúp cải thiện quy trình phun phủ và nâng cao hiệu suất của sản phẩm cuối cùng.

Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn đề tài

Xây dựng mô hình thực nghiệm theo tiêu chuẩn ASTM C633-79 nhằm khảo sát độ bám dính của lớp phun phủ, từ đó tạo cơ sở để hoàn thiện quy trình và công nghệ phun phủ tại XNCĐ, phù hợp với thực tế.

Nghiên cứu của Thạc sỹ Phạm Văn Liệu và PGS TS Đinh Văn Chiến đã được công bố trong Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí, mang lại những kết quả quan trọng trong lĩnh vực này.

Nghiên cứu lần thứ IV về độ bám dính của lớp phủ bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B trên bề mặt chi tiết trục thép C45 bị mòn qua phương pháp phun phủ nhiệt khí cho thấy rằng khoảng cách phun (L), vận tốc súng (V) và lượng bột phun (m) đều có ảnh hưởng đáng kể đến độ bám dính của lớp phủ Cụ thể, khi các yếu tố này tăng lên, độ bám dính của lớp phủ trên nền trục thép C45 cũng tăng theo.

Nghiên cứu này tập trung vào ảnh hưởng của nhiệt độ bề mặt vật liệu nền trước khi phun đến sự thay đổi độ bám dính và độ cứng của lớp phun phủ, sử dụng công nghệ phun phủ HVOF tại XNCĐ, trong bối cảnh thiết bị kiểm tra đánh giá còn hạn chế.

Phương pháp nghiên cứu

Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết về công nghệ phun phủ HVOF, dựa theo tiêu chuẩn ASTM C633- 79 (Standard Test Method for Cohesive Strength of Flame

Nghiên cứu này tập trung vào việc xây dựng mô hình thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ vật liệu nền đến độ cứng và độ bám dính của lớp phủ Thông qua việc phân tích mối quan hệ giữa nhiệt độ và các đặc tính của lớp phủ, chúng tôi hy vọng sẽ cung cấp những thông tin quý giá cho việc cải thiện chất lượng và hiệu suất của lớp phủ trong ứng dụng thực tế.

Kế hoạch thực hiện

Kế hoạch thực hiện đề tài nghiên cứu được thực hiện qua hai giai đoạn chính:

- Giai đoạn 1 Thực hiện Chuyên đề

+ Xác định mục đích, đối tượng và phương pháp nghiên cứu

+ Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của đề tài

+ Nghiên cứu thông số kỹ thuật của các thiết bị phun phủ, thiết bị kiểm tra đánh giá hiện có nhằm đảm bảo tính khả thi của đề tài

- Giai đoạn 2 Hoàn thiện nội dung của Luận văn tốt nghiệp

The experiment was conducted on test samples, and the data was analyzed according to the ASTM C633-97 standard, which outlines the method for evaluating the cohesive strength of flame-sprayed coatings.

+ Xem xét tính ứng dụng của đề tài trong công nghệ phun phủ tại XNCĐ nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm

LÝ THUYẾT VỀ CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ NHIỆT

KHÍ TỐC ĐỘ CAO HVOF

Khái quát chung về công nghệ phun phủ kim loại

Công nghệ phun phủ bề mặt kim loại hiện nay là một trong những giải pháp phục hồi bề mặt hiệu quả nhất, được áp dụng cho nhiều loại vật liệu phủ và vật liệu nền, chủ yếu là kim loại, hợp kim Các-bít và nhựa Công nghệ này giúp phục hồi bề mặt chi tiết trong môi trường có nguy cơ bào mòn và ăn mòn cao, đồng thời cho phép phun phủ bề mặt với nhiều chất liệu khác nhau như kim loại, phi kim loại và gốm sứ, nhằm đảm bảo hoạt động hiệu quả trong các điều kiện khác nhau.

Công nghệ phun phủ nhiệt khí tốc độ cao (HVOF) là một trong những phương pháp phun phủ nhiệt phổ biến trong nhiều ngành công nghệ hiện đại nhờ vào tính linh hoạt và chất lượng bề mặt vượt trội so với các công nghệ trước đây HVOF tạo ra lớp phủ với độ bám dính và độ cứng cao, đồng thời có độ xốp thấp hơn so với công nghệ phun phủ Plasma.

Các công nghệ trước đây thường gặp phải vấn đề nứt, biến dạng và bám dính kém ở các lớp phủ do ứng suất dư trên bề mặt Sự khác biệt về vật liệu và hệ số giản nở nhiệt giữa lớp phủ và vật liệu nền là nguyên nhân chính Phân chia lớp phủ là một giải pháp tối ưu giúp giảm ứng suất dư bằng cách điều chỉnh độ dày của lớp phủ.

Hiện nay, nhiều cơ sở tại Việt Nam đã áp dụng công nghệ mới vào quy trình sản xuất, đồng thời có nhiều đề tài nghiên cứu khác nhau trong lĩnh vực này.

Việc kiểm soát chất lượng bề mặt sau phun là một thách thức lớn đối với các cơ sở sản xuất, và đây là một nhiệm vụ quan trọng vì nhiều lý do.

- Chi phí thực hiện tốn kém: Chi phí khấu hao thiết bị, chi phí vật tư, nhân lực…

Việc phục hồi các chi tiết quan trọng như trục bơm, trục khuỷu và chân vị tàu thủy là rất cần thiết Nếu chất lượng phun phủ không đạt yêu cầu, chi phí phát sinh từ việc dừng công nghệ và tháo lắp bảo dưỡng sẽ rất lớn.

Sự hư hỏng của các chi tiết trong thiết bị có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến các bộ phận khác Ví dụ, khi phục hồi các cổ trục không thành công, lớp phủ bong tróc có thể làm hỏng ổ bạc và gây ô nhiễm hệ thống bôi trơn, dẫn đến hiệu suất hoạt động kém của thiết bị.

- Ngoài ra, uy tín của các đơn vị sản xuất cũng sẽ bị ảnh hưởng lớn nếu chất lượng sản phẩm không đảm bảo

Quá trình phun phủ kim loại tạo ra lớp phủ bám chắc bằng cách sử dụng luồng kim loại nóng chảy, bao gồm cả hợp kim, dưới áp suất khí phun Công nghệ này được áp dụng chủ yếu cho các mục đích như bảo vệ bề mặt, cải thiện tính chất cơ học và tăng cường độ bền cho các sản phẩm kim loại.

- Phục hồi các bề mặt của các chi tiết máy bị mòn

- Tạo lớp bề mặt có cơ tính cao của các chi tiết chế tạo mới

- Sửa chữa các khuyết tật xuất hiện khi gia công cơ khí

- Bảo vệ chống ăn m n ở môi trường khí quyển và ở các môi trường đặc biệt như: Nhiệt độ, áp suất cao, hóa chất vv…

- Thay thế kim loại quý giảm giá thành sản phẩm

Việc lựa chọn công nghệ phun phủ phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau:

- Hóa học, công nghệ và khả năng tương thích cơ học của lớp phủ với vật liệu nền

- Tỷ lệ phun phủ cần thiết

- Khả năng vật liệu nền chịu được điều kiện của công nghệ xử lý trước khi thực hiện

- Hạn chế của vật liệu nền: nhiệt độ, va đập…

- Độ bám dính của vật liệu phun phủ và vật liệu nền

- Công nghệ tạo năng lượng cho quá trình phun phủ

- Độ sạch của bề mặt phun phủ

- Một số yêu cầu có sẳn

- Sự tác động đến môi trường

Có nhiều công nghệ phun phủ, thường được phân chia thành hai nhóm chính: phun phủ kim loại và phi kim loại Trong đó, công nghệ phun phủ kim loại được chia thành ba kiểu, với công nghệ biến cứng bề mặt được nghiên cứu và ứng dụng nhiều nhất do ảnh hưởng lớn đến khả năng chịu mài mòn của chi tiết Phương pháp này lại được chia thành ba nhóm nhỏ: hàn, mạ và phun phủ nhiệt Công nghệ phun phủ nhiệt bao gồm nhiều công nghệ khác nhau.

- Công nghệ phun kích nổ

- Công nghệ Hồ quang điện

- Công nghệ Hồ quang Plasma

- Công nghệ phun phủ khí tốc độ cao (HVOF)

Công nghệ phun phủ nhiệt khí tốc độ cao (HVOF)

Nhƣợc điểm

- Nhiệt độ đầu phun cao nên cần hệ thống làm mát phức tạp

- Vấn đề che chắn khó, đặc biệt với các chi tiết có hình dạng phức tạp thì che chắn càng khó khăn

- Tiếng ồn và bụi lớn gây ô nhiễm môi trường

Những quan điểm về sự hình thành lớp phun

Lý thuyết về sự hình thành lớp phun [7]

Trong quá trình phát triển công nghệ phun phủ kim loại, đã xuất hiện nhiều quan điểm về cách hình thành các lớp phun trên bề mặt kim loại nền Một số lý thuyết nổi bật trong lĩnh vực này đã được đề cập và nghiên cứu.

Lý thuyết của Pospisil-Sehyl cho rằng lớp phun kim loại hình thành khi các giọt kim loại lỏng được phun ra bằng dòng khí nén với tốc độ cao, trung bình khoảng 20m/s Hình dạng của các hạt này phụ thuộc vào tính chất oxit kim loại: nếu oxit của kim loại ở trạng thái lỏng khi phun, các hạt sẽ có hình cầu, trong khi nếu oxit ở trạng thái rắn, các hạt sẽ có hình dạng không đồng đều.

Quá trình oxy hóa kim loại bắt đầu khi bột phun được làm chảy, với sự hình thành các hạt nhỏ, trong đó một lượng lớn oxit được sinh ra trong quá trình bay của các hạt Khi các giọt kim loại lỏng tách ra thành các hạt nhỏ, bề mặt của chúng cũng bắt đầu hình thành lớp oxit Số lượng oxit có ảnh hưởng quyết định đến chất lượng lớp phun, và thực nghiệm cho thấy các phần tử kim loại va đập trên bề mặt phun vẫn ở trạng thái lỏng.

Lý thuyết của Shoop đề xuất rằng động năng của các hạt kim loại khi bay được cung cấp bởi khí nén, dẫn đến sự thay đổi nhiệt khi chúng va chạm với bề mặt vật liệu Thực nghiệm cho thấy các hạt kim loại rời khỏi vòi phun sẽ nhanh chóng nguội và đông đặc do tác động của dòng khí nén Khi va đập, chúng sẽ bị biến dạng dẻo, từ đó liên kết với nhau tạo thành các lớp trung gian.

Lý thuyết của Shenk cho rằng nhiệt độ của các hạt phun phải ở trên nhiệt độ chảy lỏng để xảy ra sự hàn chặt chúng lại với nhau

Theo lý thuyết của Karg, Katsch và Reininger, các hạt kim loại nguội và đông đặc là kết quả của tác động từ các nguồn động năng của khí nén Trong quá trình di chuyển từ vòi phun, các hạt này ở trạng thái nguội, do đó không xảy ra hiện tượng biến dạng dẻo.

Quá trình chảy và sự phân tán kim loại phun

Kim loại được nung nóng vượt quá nhiệt độ chảy, dẫn đến hiện tượng nòng chảy Dưới áp lực của khí nén, dòng kim loại tách thành nhiều hạt nhỏ, tạo ra tia phun kim loại tại đầu súng phun với vận tốc rất lớn.

Quá trình bay của các hạt

Quá trình bay của các hạt kim loại từ khi hình thành đến khi va đập trên bề mặt vật phun diễn ra trong khoảng thời gian rất ngắn, chỉ từ 0,002 đến 0,008 giây Trong thời gian này, chủ yếu xảy ra hiện tượng oxy hóa, dẫn đến việc các phần tử kim loại bị bao bọc bởi một lớp oxit mỏng, lớp này sẽ dày hơn nếu khoảng cách bay của hạt lớn Các hạt kim loại chảy lỏng di chuyển với tốc độ rất lớn trong luồng không khí nén Khi tiến hành phun kim loại, cần lưu ý một số vấn đề quan trọng.

- Các hạt kim loại bay ra ở trạng thái lỏng hoặc trạng thái dẻo tùy theo công nghệ áp dụng

- Các phần tử phun luôn bị thay đổi tốc độ bay trong điều kiện tự nhiên

Các hạt luôn tương tác với môi trường xung quanh, bao gồm oxy, nitơ, hyđro, hơi nước và các thành phần hóa học khác, dẫn đến việc chúng bám vào bề mặt của hạt.

Khả năng oxy hóa của các hạt chịu ảnh hưởng lớn từ nhiệt độ của chúng và áp lực của dòng khí bao quanh trong quá trình di chuyển.

Hình 2.1 Quá trình bay của hạt phun

Sự hình thành lớp phun

Quá trình hình thành lớp phun kim loại trên bề mặt kim loại nền được coi là phức tạp, với các phần tử kim loại va chạm ở trạng thái lỏng và trải qua biến dạng lớn Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng hai vấn đề chính ảnh hưởng đến quá trình này cần được xem xét kỹ lưỡng.

Động năng của các hạt phun lên bề mặt kim loại nền gây ra sự biến dạng nhanh chóng và mạnh mẽ Các hạt phun có khối lượng khác nhau sẽ có động năng khác nhau khi chúng di chuyển với cùng một tốc độ Tốc độ bay của các hạt phun là yếu tố quyết định chính trong việc xác định mức độ biến dạng của các phần tử.

Khả năng biến dạng của các hạt phun phụ thuộc lớn vào lớp oxit trên bề mặt của chúng, đặc biệt khi các hạt ở trạng thái lỏng Lớp vỏ bọc bị oxy hóa ảnh hưởng mạnh mẽ đến khả năng này, dẫn đến sự biến dạng diễn ra rất nhanh Khi các hạt phun va đập vào nhau, nếu chúng vẫn ở trạng thái lỏng hoặc sệt, sẽ dễ dàng xảy ra sự liên kết giữa chúng.

Các tính chất của lớp phun

Chất lượng và tính chất của các lớp phun được xác định bởi kích thước, nhiệt độ và tốc độ di chuyển của các hạt phun khi va chạm với vật liệu nền, cũng như mức độ oxy hóa của chúng Những yếu tố này thay đổi tùy theo phương pháp và quy trình phun Đặc biệt, các lớp phun kim loại và hợp kim từ quá trình phun nhiệt không giữ nguyên thành phần hóa học ban đầu, trừ khi áp dụng kỹ thuật cách ly hạt phun trong môi trường không có oxy.

Cấu trúc của lớp phun

Lớp phun kim loại có cấu trúc đặc trưng với các phiến kim loại kích thước từ 0,1 đến 0,2 mm và độ dày từ 0,005 đến 0,01 mm Các hạt phun này có độ biến dạng khác nhau, được phân cách bởi một lớp oxit mỏng dày 0,001 mm Bên cạnh các phần tử nền, lớp phun còn chứa các phần tử nhỏ không biến dạng, chúng va đập vào vật liệu nền đã ở trạng thái rắn Cấu trúc của lớp phun được mô tả như hình 2.2.

Hình 2.2 Cấu trúc lớp phun [2]

Độ bám của lớp phun

Trong lĩnh vực khoa học công nghệ phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF, độ bám dính của lớp phun là yếu tố quan trọng được nhiều nhà khoa học nghiên cứu Họ đã đưa ra các luận điểm liên quan đến lực bám dính của kim loại lỏng lên bề mặt các chất rắn, nhấn mạnh tầm quan trọng của việc cải thiện độ bám dính để nâng cao hiệu quả và chất lượng của lớp phun.

Khi hạt phun va chạm với bề mặt vật liệu nền đang ở trạng thái lỏng, hiện tượng dính bám của giọt lỏng lên bề mặt rắn xảy ra, dẫn đến sự tương tác của lực căng bề mặt giọt lỏng với môi trường xung quanh Bên cạnh đó, lực Van der Waals cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.

Khi một phân tử hoặc nguyên tử va chạm với bề mặt kim loại, lực liên kết phân tử Van der Waals xuất hiện do tương tác giữa hai moment lưỡng cực Giá trị và hướng của moment này thay đổi theo thời gian, nhưng giá trị trung bình theo thời gian thường bằng không Nếu một nguyên tử hoặc phân tử có moment lưỡng cực rơi vào trường của một phân tử hoặc nguyên tử khác cũng có momen lưỡng cực, thì giữa chúng sẽ xảy ra lực tác dụng Điều này tạo ra lực bám dính giữa kim loại với kim loại.

Khi hai kim loại tiếp xúc, các nguyên tử của chúng khuếch tán vào nhau dưới ảnh hưởng của nhiệt độ, tạo thành dung dịch rắn và vùng chuyển tiếp Mối liên kết kim loại hình thành giữa chúng phụ thuộc vào nhiệt độ và trạng thái bề mặt Độ bám cơ học, biểu thị sự giữ chặt các phần tử kim loại vào vị trí nhấp nhô của bề mặt kim loại nền, là yếu tố quan trọng cho sự liên kết này.

Khi bề mặt không được làm sạch bụi kim loại, oxit và các tạp chất khác, độ bám của lớp phun sẽ bị ảnh hưởng Sự liên kết hóa học và cơ học sẽ khác nhau tùy thuộc vào điều kiện phun và hình thái không gian của bề mặt Trong một số kim loại, nếu điều kiện phun được tối ưu hóa, có thể đạt được sự hàn tại từng điểm giữa kim loại nền và các phần tử phun Ảnh hưởng của ứng suất cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.

Một trong những vấn đề quan trọng trong việc hình thành lớp phủ nhiệt phun là ứng suất dư, đặc biệt trong lớp phủ dày Trong quá trình phun nhiệt HVOF, các hạt nóng chảy tác động đến bề mặt vật liệu nền với tốc độ cao, tạo ra lực va đập lớn và gây biến dạng cho vật liệu Mỗi hạt khi va chạm tạo ra ứng suất dư trên bề mặt lớp phủ, điều này còn phụ thuộc vào trạng thái rắn của vật liệu nền Ngoài tác động cơ học, hiệu ứng nhiệt độ cũng góp phần làm tăng ứng suất dư Khi các hạt va chạm với bề mặt, chúng chuyển thành lớp mỏng và nguội đến nhiệt độ bắt đầu biến cứng, dẫn đến sự hình thành ứng suất dư trong từng lớp Nhiệt độ là yếu tố chủ yếu quyết định sự phát triển ứng suất dư trong chu trình phun.

Hình 2.3 Ứng suất dư khi gia nhiêt

Các hạt có thể nóng chảy hoàn toàn hoặc một phần khi bị tác động, phụ thuộc vào sự khác biệt giữa nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ ngọn lửa Khi đó, các hạt rắn có thể cứng lại nhanh chóng và có độ bám dính kém với lớp phủ còn lại Do đó, việc tính toán tối ưu các thông số phun là rất cần thiết để khắc phục vấn đề này.

Trong một lần phun, có thể có từ 5 đến 15 lá mỏng xuất hiện Khi các lá mỏng này trở nên cứng hơn và tạo liên kết, độ cứng của vật liệu nền sẽ ảnh hưởng đến chúng, dẫn đến việc tạo ra ứng suất kéo lớn trong các lá mỏng Ứng suất kéo này là điều không thể tránh khỏi và có thể được ước tính theo công thức 2.1.

- σq: Ứng suất do gia nhiệt (Pa)

- E c : Module đàn hồi trên lớp phủ (Pa)

- α c : Hệ số giản nở nhiệt (/ o C)

- T m : Nhiệt độ nóng chảy của các lớp phủ ( o C)

Khi lớp phủ giảm nhiệt độ, ứng suất nén bên trong lớp phủ tăng lên Nếu hệ số giản nở nhiệt của lớp phủ (α c) lớn hơn của kim loại nền (α s), lực bám dính giữa lớp phủ và kim loại sẽ giảm, dẫn đến khả năng xuất hiện vết nứt trên bề mặt lớp phủ, được xác định theo công thức 2.2.

- σ c : Ứng suất làm nguội (Pa)

- E c : Module đàn hồi trên lớp phủ (Pa)

- E s : Module đàn hồi của vật liệu nền (Pa)

- α c : Hệ số giản nở nhiệt của lớp phủ (/ o C)

- α s : Hệ số giản nở nhiệt của vật liệu nền (/ o C)

- t s : Chiều dày vật liệu nền (m)

Hình 2.4 Ứng suất dư khi làm nguội

Ứng suất dư của lớp phủ có thể là ứng suất kéo hoặc nén, tùy thuộc vào công nghệ được sử dụng trong quá trình phun phủ, khi kết hợp cả ứng suất kéo và ứng suất nén bên trong lớp phủ.

Khi phun với lớp dày và kim loại phun có độ co rút lớn, hiện tượng nứt dọc trên lớp phun có thể xảy ra Để khắc phục tình trạng này, có thể áp dụng nhiều biện pháp như nung nóng sơ bộ vật phun, làm nguội lớp phun từ từ, hoặc phun với lớp mỏng từ 0,05 đến 0,1 mm, đồng thời cần làm nguội từng lớp một cách từ từ.

Trong quá trình phun, các hạt được gia nhiệt nhanh chóng và phun với vận tốc cao lên bề mặt vật liệu nền Lớp phủ nhiệt phun có đặc điểm chung là cấu trúc hạt xếp tầng Ban đầu, các hạt được nấu chảy và phát ra từ súng phun dưới dạng hình cầu, sau đó chúng tiếp xúc với bề mặt tác động, tạo ra sóng xung kích trong cấu trúc xếp tầng và vật liệu nền.

Hình dạng và cấu trúc của các ảnh hưởng phụ thuộc vào các thông số phun, bao gồm khoảng cách và góc phun Bên cạnh đó, chất lượng bề mặt của vật liệu nền, đặc biệt là độ nhám bề mặt, cũng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định độ bám dính Trạng thái bề mặt vật phun có ảnh hưởng lớn đến kết quả cuối cùng.

Hoạt tính của bề mặt nền ảnh hưởng đáng kể đến độ bám dính của lớp phun kim loại Điều này được xác định bởi trạng thái vật lý và năng lượng của bề mặt Trong điều kiện lý tưởng, các nguyên tử trong kim loại được sắp xếp theo mạng tinh thể và dao động quanh vị trí của chúng Việc chuẩn bị bề mặt vật phun là yếu tố quan trọng quyết định đến chất lượng và hiệu suất của lớp phủ kim loại.

Chuẩn bị bề mặt là yếu tố quyết định đến chất lượng lớp phun kim loại, bao gồm việc làm sạch dầu mỡ và tạo nhấp nhô bề mặt Nghiên cứu cho thấy độ bám dính của lớp phun phụ thuộc nhiều vào hình dáng và cấu trúc vi mô của bề mặt Độ nhấp nhô này giúp giữ chặt các phần tử kim loại, từ đó tăng cường độ bám dính giữa vật liệu phun và bề mặt nền Ngoài ra, độ bám dính còn bị ảnh hưởng bởi khoảng cách phun, độ biến cứng của bề mặt cơ bản và mật độ lệch mạng.

Phương pháp thử các tính chất lớp phun

Các phương pháp thử độ cứng Brinell và Rockwell là những kỹ thuật hiệu quả để xác định độ cứng của lớp phun kim loại có độ dày tương đối lớn Trong khi đó, phương pháp Rockwell thường được áp dụng cho các lớp phun kim loại mỏng Tiêu chuẩn ASTM cung cấp các yêu cầu cụ thể cho việc thử độ cứng của lớp phun bằng những phương pháp này.

Các phương pháp kiểm tra độ cứng bằng mũi kim cương không hoàn toàn chính xác cho việc xác định độ cứng của các lớp phun không đồng nhất, nhưng vẫn có thể được sử dụng để thực hiện kiểm tra sơ bộ.

Phương pháp thử độ cứng tế vi dùng để xác định độ cứng của từng hạt riêng lẻ

Vì các hạt phun khá mỏng nên việc thử độ cứng phải được tiến hành trên mặt cắt của lớp phun

2.4.2 Thử độ bám Độ bám lớp phun thử theo phương pháp ASTM C633-79 (Standard Test Method for Cohesive Strength of Flame Sprayed Coating) như hình 2.5 được quy định như sau [13]:

- Áp dụng cho việc thử lực bám dính của lớp phun phủ kim loại

- Chiều dày lớp phủ tối đa là 0,38 mm (0,015 inch)

- Điều kiện nhiệt độ khi thực hiện bằng nhiệt độ môi trường

- Số lượng mẫu cần thực hiện không dưới 5 mẫu cho một lần thí nghiệm

- Đường kính của mẫu phun là 25,4 mm (1 inch)

- Kết quả đo lực bám dính của lớp phủ tương đương với 4.000 PSI (28MPa) cho mẫu có đường kính 25,4 mm tuỳ thuộc vào vật liệu

Trong nghiên cứu này, các mẫu thử có đường kính 20 mm được chọn do điều kiện thực tế Theo tiêu chuẩn ASTM C633-79, áp dụng cho mẫu thử có đường kính 25,4 mm, lực bám dính tối thiểu cho mẫu thử 20 mm là 17,1 MPa (2480 PSI).

Hình 2.5 Mô tả phương pháp thử độ bám theo tiêu chuẩn ASTM C633-79

Các lớp phun nhiệt có tỉ trọng nhỏ hơn tỉ trọng vật liệu phun bởi chúng có độ xốp và chứa các oxit

Lớp phun có cấu trúc chứa các lỗ xốp, nhưng việc xác định chính xác số lượng lỗ này khá khó khăn Để đánh giá độ xốp của lớp phun, có nhiều phương pháp khác nhau Phương pháp đơn giản nhất là quan sát cấu trúc vi mô và đếm số lượng rỗ trên các mẫu ảnh Ngoài ra, các phương pháp khác như nhúng nước hoặc sử dụng toluin để hấp thụ paraphin cũng được áp dụng.

QUÁ TRÌNH THỰC NGHIỆM TẠI XÍ NGHIỆP CƠ ĐIỆN LIÊN DOANH VIỆT NGA VIETSOVPETRO

Công nghệ phun phủ HVOF tại XNCĐ

a Thông số kỹ thuật hệ thống HVOF

Hệ thống HVOF của XNCĐ bao gồm ba thành phần chính: hệ thống điều khiển, hệ thống làm mát và súng phun, cùng với hệ thống nhiên liệu Trong quá trình hoạt động, súng phun được làm mát liên tục, duy trì nhiệt độ khoảng 17°C nhờ vào hệ thống cung cấp nước làm mát với lưu lượng tối đa 28 lít/phút và áp suất 6 bar, kèm theo một phần khí Oxy Buồng đốt bên trong hệ thống HVOF sử dụng hỗn hợp nhiên liệu, bao gồm dầu KO với lưu lượng tối đa 500 ml/phút và khí Oxy với lưu lượng tối đa 1000 lít/phút.

Quá trình phun sử dụng khí Nitơ với lưu lượng 25 lít/phút tại áp suất 4 bar và khí Hydro với lưu lượng 5 lít/phút tại 4 bar, tạo ra ngọn lửa có nhiệt độ lên đến 2500 °C với áp suất buồng đốt khoảng 7 bar Sản phẩm cháy được giãn nở và đạt vận tốc siêu âm trên 700 m/s tại đầu ra vòi phun Bột hợp kim được đưa vào dòng khí nóng, nơi chúng được nung nóng, gia tốc và phun vào bề mặt chi tiết cần xử lý Độ bền liên kết của lớp phủ có thể đạt đến 90 MPa, độ cứng 70 HRC và chiều dày lớp phủ có thể lên đến 10 mm, tùy thuộc vào từng loại vật liệu.

Sử dụng các quy trình của XNCĐ trong trong quá trình phun phủ: Quy trình phun phủ phục hồi các chi tiết cơ khí (P9-GC-CT-107) [14]

Hình 3.1 Lưu đồ phun phủ theo quy trình P9-GC-CT-107

Xây dựng quy trình thực nghiệm

STT Quy trình Yêu cầu Thiết bị Ghi chú

1 Lựa chọn phương pháp thực nghiệm và tiêu chuẩn đánh giá

Thực nghiệm theo tiêu chuẩn ASTM C633-79

2 Thiết kế, chế tạo mẫu thử

Vật liệu: thép C45, tiết diện

3 Gia công đầu kiểm tra

4 Chế tạo đồ gá Số lượng: 1 bộ

Cố định đầu các đầu đo, chịu lực kéo, lắp đặt trên máy đo lực bám

- Thiết bị cơ khí cầm tay: máy cắt, clê,…

5 Chế tạo bệ phun Số lượng: 1 bộ

Cứng vững, tháo lắp trên máy tiện

- Thiết bị cơ khí cầm tay: máy cắt, clê,…

6 Chọn keo dán Độ bám dính cao hơn độ bám của lớp phủ

7 Làm sạch và tạo nhám bề mặt phun Đảm bảo bề mặt chi tiết sạch và có độ nhám đạt yêu cầu

- Thiết bị đo độ nhám Mitutoyo

STT Quy trình Yêu cầu Thiết bị Ghi chú

9 Chọn chương trình phun Đảm bảo chương trình phun giống nhau cho 6 nhóm mẫu với các thông số phun tối ưu

- Hệ thống phun phủ HVOF

10 Gia nhiệt các chi tiết trước khi bắt đầu phun Đảm bảo nhiệt độ của các nhóm chi tiết trước khi phun phải đạt yêu cầu của thực nghiệm

- Súng gia nhiệt cầm tay

- Thiết bị đo nhiệt độ cầm tay

11 Tiến hành phun phủ theo chương trình

Chế độ phun cho các nhóm mẫu giống nhau

- Quy trình phun phủ P9- GC-CT-107

- Hệ thống phun phủ HVOF

- Thiết bị đo nhiệt độ cầm tay

12 Xử lý mẫu và dán các đầu kiểm tra độ bám

Bề mặt mẫu thử được làm sạch và dán keo với các đầu kiểm tra

13 Đo độ bám của lớp phủ Đo độ bám lớp phủ, tổng hợp kết quả

- Thiết bị đo lực kéo Zwick/ Rosll: BT1- FB100TN

STT Quy trình Yêu cầu Thiết bị Ghi chú

14 Đo độ cứng của lớp phủ Đo độ cứng của lớp phủ, tổng hợp kết quả

- Thiết bị đo độ cứng Indentec 4051 LK

- Thước Panme đo độ dày

15 Tổng hợp, xử lý số liệu

Tổng hợp, xử lý các số liệu thực nghiệm

- Máy vi tính Tại nhà

Chế tạo mẫu thử theo tiêu chuẩn ASTM C633-79

Theo tiêu chuẩn ASTM C633-79 và điều kiện sản xuất thực tế, các mẫu thử có kích thước đường kính 20mm và cao 20mm được hàn lên tấm kim loại 100mm x 100mm x 5mm, đảm bảo rằng nhiệt độ thử nghiệm cho các mẫu trong cùng một nhóm là đồng nhất Tất cả các mẫu đều được phay phẳng bề mặt để đảm bảo góc và khoảng cách phun đồng đều trước khi làm sạch Tổng số mẫu thử là 30, được chia thành 6 nhóm tương ứng với các nhiệt độ bề mặt khác nhau: 150 oC, 125 oC, 100 oC, 75 oC, 50 oC, và nhiệt độ môi trường 34,4 oC.

Hình 3.2 Các mẫu thử được bố trí trong một nhóm trước khi gia công

Khi chọn vật liệu mẫu thử cho các chi tiết cơ khí như trục và piston, thép C45 là lựa chọn phổ biến tại XNCĐ Thép C45 không chỉ tương đương với các mác thép khác mà còn dễ dàng tìm thấy và sử dụng làm vật liệu nền cho các ứng dụng phun phủ.

Mã hoá các mẫu thử theo các nhóm:

- Nhóm II: II.1, II.2, II.3, II.4, II.5

- Nhóm III: III.1, III.2, III.3, III.4, III.5

- Nhóm IV: IV.1, IV.2, IV.3, IV.4, IV.5

- Nhóm VI: VI.1, VI.2, VI.3, VI.4, VI.5

Sơ đồ mã hóa hiển thị rõ ràng mã của nhóm mẫu ở phía trên, với các mẫu được đánh dấu theo quy ước hình chữ "Z" như trong hình 3.3.

Hình 3.3 Sơ đồ mã hoá các mẫu trên cùng một nhóm

Để đảm bảo chương trình phun phủ được lập trình đơn giản và đồng nhất giữa các mẫu thử, bệ phun được thiết kế chắc chắn như hình 3.4, giúp lắp đặt mẫu thử nhanh chóng và chính xác Bệ phun được cố định trên mâm k p của máy tiện, duy trì góc phun cố định 90 độ trong suốt quá trình thực nghiệm.

Lựa chọn bột phun phủ

Bột phun SS316 (thép không gỉ 316) là loại bột phun được ưa chuộng nhất tại XNCĐ nhờ hiệu suất phun cao, đạt từ 30% đến 40% Đây là bột đơn chất tương đương với thép không gỉ, mang lại khả năng sử dụng đa dạng và hiệu quả cho nhiều ứng dụng.

Khi gia nhiệt trong điều kiện của buồng đốt, bột 316 sẽ chảy dẻo đồng loạt và được đẩy đi theo ngọn lửa súng phun, giúp giảm thiểu tạp chất Đây là loại bột có giá thành thấp nhất nhưng vẫn đáp ứng đầy đủ các tính năng cần thiết.

Bột phun SS316 tạo ra lớp phủ chịu mài mòn hiệu quả trong môi trường có nhiệt độ lên đến 540°C (1000°F), thường được sử dụng để phục hồi các chi tiết như bệ van, các bộ phận chịu mòn, và các chi tiết bằng thép không gỉ cũng như thép cacbon Lớp phủ này có độ dày nhỏ hơn 1,5 mm và độ xốp dưới 1%, mang lại độ cứng cao cho bề mặt.

Rb 90 Nhiệt độ nóng chảy 1370 o C (2500 o F) Thành phần cụ thể của bột SS316 như bảng 3.1

Bảng 3.1 Thành phần của các chất trong bột phun theo tỉ lệ %

STT Thành phần Tỉ lệ theo Tác dụng chính

1 Chrome 17,0 Khả năng chống ăn m n

2 Nickel 12,0 Tạo ra và ổn định pha Austenitic

3 Molybdenum 2,5 Chống mài mòn và ăn mòn hoá học

4 Silic 1,0 Tăng khả năng đánh bóng, khả năng hàn và khả năng chống ăn m n

Lực chọn keo dán Araldite® Standard

Keo dán Araldite® Standard là loại keo hai thành phần gốc epoxy với tỉ lệ pha trộn gần như bằng nhau, có thời gian sử dụng sau khi pha trộn trong vòng một giờ Sản phẩm này phù hợp cho môi trường ấm và nóng, với thời gian dán là 24 giờ ở nhiệt độ 25°C (77°F) và chỉ cần 3 giờ ở 60°C (140°F) Tuy nhiên, nếu nhiệt độ môi trường thấp hơn, thời gian dán có thể kéo dài lên đến 3 ngày hoặc hơn.

Chọn thông số cho chương trình phun

Thiết bị phun phủ HVOF tại XNCĐ, kết hợp với Robot ABB và bệ phun cố định, sử dụng bột SS316 với kích thước mẫu 100 mm x 100 mm Chương trình phun được lập trình một lần cho cả 6 nhóm mẫu thử Bột phun SS316 có hiệu suất cao, đáp ứng tiêu chuẩn ASTM C633-79, cho phép đạt lớp phun dày khoảng 0,25 mm chỉ sau 4 lần phun cho mỗi nhóm mẫu Để đảm bảo lực góc tiếp xúc của bột khi va chạm với bề mặt vật liệu nền, góc phun được cài đặt ở giá trị 90 độ ± 5 Theo đặc tính kỹ thuật của súng phun, vận tốc hạt phun ra đạt 700 m/s.

Khoảng cách từ súng phun đến bề mặt vật liệu nền được quy định là 350 mm để đảm bảo các hạt phun phủ ở trạng thái chảy dẻo, tăng tính bám dính Để Robot ABB thực hiện chương trình phun chính xác, khoảng cách và góc phun sẽ được tính toán và lập trình Cần ngăn ngừa ngọn lửa của súng HVOF tập trung tại một điểm lâu để tránh quá nhiệt bề mặt Tốc độ di chuyển của súng khi phun trên mặt phẳng là 50 m/phút, tương đương 833 mm/s, cho phép súng phun trên toàn bộ diện tích mẫu 100 mm x 100 mm trong 8,3 giây Sau mỗi hành trình, súng sẽ dịch chuyển 5 mm, thực hiện tổng cộng 20 bước cho nhóm mẫu thử Các thông số di chuyển này được lập trình vào chương trình điều khiển của Robot ABB, đảm bảo tính ổn định trong suốt quá trình thực nghiệm.

Để đảm bảo chất lượng bề mặt và độ cứng của chi tiết, việc chọn loại bột phun phù hợp là rất quan trọng Sau khi lựa chọn bột phun, cần tham khảo bảng thông số kỹ thuật để lập trình thiết bị phun Đối với bột SS316, khí Nitơ được sử dụng với lưu lượng ổn định 24 lít/phút và áp suất 5 bar Tốc độ đĩa chia bột được thiết lập ở mức 10 vòng/phút, nhằm đảm bảo lượng bột phun ra đạt 700 gram/phút.

Để đảm bảo bột phun đạt trạng thái chảy dẻo khi tiếp xúc với bề mặt vật liệu, cần tính toán kỹ lưỡng nhiệt lượng từ nhiên liệu cháy trong súng phun Đối với loại bột SS316, cần cấp vào súng 500 ml/phút dầu đốt KO và 800 l/phút oxy với áp suất 21 Bar, bao gồm cả lượng oxy làm mát súng Áp suất buồng đốt khoảng 7,5 Bar và tốc độ bột phun ra khỏi nòng súng đạt 700 m/s.

Tiến hành phun phủ theo chương trình trên hệ thống HVOF

Theo lý thuyết phun phủ kim loại HVOF, chất lượng lớp phun bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau, được chia thành ba giai đoạn chính.

- Xử lý bề mặt: độ sạch của bề mặt, độ nhấp nhô và chọn bột phun

- Quá trình phun: góc phun, khoảng cách, tốc độ di chuyển của súng… ảnh hưởng đến độ bám, độ cứng và chiều dày của lớp phun rất lớn

- Quá trình làm nguội: phương pháp làm nguội, nhiệt độ bề mặt vật liệu nền, đặc tính nhiệt của vật liệu nền…

+ Địa điểm thực hiện: Phòng phun phủ HVOF của XNCĐ, 13 Lê Quang Định, Phường Thắng Nhất, Thành phố Vũng Tàu

+ Nhiệt độ môi trường: 31 o C, buổi sáng

3.7.2 Chuẩn bị bề mặt phun:

Vệ sinh và tạo độ nhám cho bề mặt phun bằng máy tạo nhám Growell, kết hợp với thiết bị đo độ nhám cầm tay Mitutoyo Sau đó, ghi lại kết quả đo độ nhám vào bảng khảo sát kết quả để theo dõi và đánh giá hiệu quả.

- Thời gian từ khi phun tạo nhám đến khi phun phủ HVOF không được lớn hơn 2 giờ để đảm bảo chi tiết không bị Oxy hóa bề mặt

- Chú ý: Sau khi tạo nhám tuyệt đối không cầm nắm trực tiếp vào bề mặt của chi tiết hoặc làm dính dầu mỡ lên các bề mặt này

Hình 4.1 Kiểm tra độ nhám bề mặt phun sau khi xử lý bề mặt

3.7.3 Thực hiện phun nhóm mẫu I

Gia nhiệt mẫu I bằng súng gia nhiệt cầm tay đạt nhiệt độ bề mặt khoảng 150 o C, tuy nhiên việc kiểm soát nhiệt độ đồng đều tại 5 vị trí là khó khăn Do đó, chấp nhận giá trị nhiệt độ tương đương 150 o C cho các mẫu trong cùng nhóm Sau đó, mẫu I được đặt lên giá phun và súng phun hoạt động theo chương trình đã lập trình cho Robot ABB cho đến khi hoàn tất Nhiệt độ các mẫu được đo sau khi phun (T1) Mẫu I được lấy ra và đặt lên bàn theo dõi quá trình nguội cho đến khi đạt khoảng 150 o C (T2) trước khi đặt lên giá phun lần 2 Tiếp tục đo nhiệt độ các mẫu trước khi phun (T3) Tổng cộng có 04 lần phun và 07 lần đo nhiệt độ Sau lần phun thứ 4, nhiệt độ các mẫu (T7) được đo và mẫu được để nguội tự nhiên, lập bảng 4.1.

Bảng 4.1 Giá trị nhiệt độ tại các mẫu của Nhóm I – nhiệt độ bắt đầu phun 150 o C

- Nhiệt độ trung bình mẫu thử trước các lần phun (T0, T2, T4, T6): 152,8 o C

- Nhiệt độ trung bình mẫu thử sau của các lần: (T1, T3, T5, T7) là 172,8 o C

- Độ gia nhiệt trung bình trong quá trình phun là: 20 o C

Hình 4.2 Robot ABB đang điều khiển súng phun bột SS316 lên bề mặt các mẫu

3.7.4 Thực hiện phun nhóm II, III, IV, V, VI

Quy trình thực hiện tương tự, giá trị nhiệt độ các nhóm mẫu lần lược như bảng bảng 4.2, bảng 4.3, bảng 4.4, bảng 4.5, bảng 4.6 là:

Bảng 4.2 Giá trị nhiệt độ tại các mẫu của Nhóm II – nhiệt độ bắt đầu phun 125 o C

- Nhiệt độ trung bình mẫu thử trước các lần phun (T0, T2, T4, T6): 126,0 o C

- Nhiệt độ trung bình mẫu thử sau của các lần: (T1, T3, T5, T7) là 168,7 o C Độ gia nhiệt trung bình trong quá trình phun là: 42,7 o C

Bảng 4.3 Giá trị nhiệt độ tại các mẫu của Nhóm III – nhiệt độ bắt đầu phun 100 o C

- Nhiệt độ trung bình mẫu thử trước các lần phun (T0, T2, T4, T6): 102,5 o C

- Nhiệt độ trung bình mẫu thử sau của các lần: (T1, T3, T5, T7) là 162,0 o C

- Độ gia nhiệt trung bình trong quá trình phun là: 59,5 o C

Bảng 4.4 Giá trị nhiệt độ tại các mẫu của Nhóm IV – nhiệt độ bắt đầu phun 75 o C

- Nhiệt độ trung bình mẫu thử trước các lần phun (T0, T2, T4, T6): 76,2 o C

- Nhiệt độ trung bình mẫu thử sau của các lần: (T1, T3, T5, T7) là 150,3 o C

- Độ gia nhiệt trung bình trong quá trình phun là: 74,1 o C

Bảng 4.5 Giá trị nhiệt độ tại các mẫu của Nhóm V – nhiệt độ bắt đầu phun 50 o C

- Nhiệt độ trung bình mẫu thử trước các lần phun (T0, T2, T4, T6): 52,2 o C

- Nhiệt độ trung bình mẫu thử sau của các lần: (T1, T3, T5, T7) là 130,1 o C

- Độ gia nhiệt trung bình trong quá trình phun là:77,9 o C

Bảng 4.6 Giá trị nhiệt độ tại các mẫu của Nhóm VI – nhiệt độ bắt đầu phun 34,3 o C

- Nhiệt độ trung bình mẫu thử trước các lần phun (T0, T2, T4, T6): 35,7 o C

- Nhiệt độ trung bình mẫu thử sau của các lần: (T1, T3, T5, T7) là 122,2 o C

- Độ gia nhiệt trung bình trong quá trình phun là: 86,5 o C

Kiểm tra độ bám dính của lớp phun phủ

- Các bề mặt đầu kiểm tra cần tạo độ nhám và làm sạch trước khi dán keo như hình 4.3

Hình 4.3 Các nhóm mẫu đã được phun phủ theo chương trình

- Pha trộn hai tuýp keo dán hai thành phần Araldite® Standard theo tỉ lệ 1:1

Dán các đầu kiểm tra độ bám lên các vị trí đã được phun phủ keo, đảm bảo lớp keo dán bám đều trên toàn bộ bề mặt Thời gian chờ để keo dán cứng là 24 giờ.

Hình 4.4 Các mẫu đã được dán keo với các đầu kiểm tra

- Do thiết bị đo lực kéo của công ty Posco VTS có đầu k p phẳng với khe hở

Để đảm bảo không ảnh hưởng đến cơ tính của lớp phủ và keo dán, việc chế tạo đồ gá và cắt các mẫu thử từ nhóm mẫu là cần thiết với độ dày 5 mm.

Để thực hiện 40 phương pháp cắt bằng mỏ khí hàn Oxy – axetylen hoặc máy cắt tay, cần sử dụng máy cưa chuyên dụng Trước khi tiến hành cưa mẫu, việc đánh dấu ký hiệu cho các mẫu thử là cần thiết để tránh nhầm lẫn, như được minh họa trong hình 4.5.

Hình 4.5 Các mẫu thử được cắt ra khỏi nhóm

Tại phòng thí nghiệm của công ty Posco VTS, việc lắp đặt các mẫu thử lên thiết bị đo lực kéo BT1-FB100TN được thực hiện bằng các đồ gá chuyên dụng, như mô tả trong hình 4.6.

Hình 4.6 Các mẫu được kéo đúng tâm để đo lực kéo bằng thiết bị đo lực kéo

Đo độ cứng lớp phủ

- Sau khi hoàn thành công việc kiểm tra lực bám dính, tách lớp phủ khỏi các đầu kiểm tra, loại bỏ lớp keo bám trên các lớp phủ

Sử dụng thước Pan-me để đo chiều dày lớp phủ, kết quả cho thấy chiều dày trung bình là 0,25 mm, điều này phù hợp với tính toán và cài đặt chương trình phun.

Sử dụng máy mài chuyên dụng để mài nhẵn bề mặt lớp phủ là bước quan trọng nhằm loại bỏ độ nhấp nhô, giúp đảm bảo độ chính xác khi đo độ cứng của các lớp phủ bằng thiết bị đo độ cứng Indentec.

4051 LK tại phòng thí nghiệm của công ty Posco VTS như hình 4.7 với kết quả đo được trình bày tại bảng 4.7 tại mục 4.2.6

Hình 4.7 Thiết bị đo độ cứng Indentec 4051 LK

Kết quả thực nghiệm

Bảng 4.7 Kết quả của quá trình thực nghiệm

Vị Trí đo ĐỘ NHÁM

LỰC BÁM (MPa) ĐỘ CỨNG

(*): Độ bám dính tăng đột ngột không r nguyên nhân

Trung bình 26,49 172,8 54,14 40.7 Trung bình cộng 4 điểm

(*) Lớp phủ vỡ thành 2 phần gần bằng nhau

Trung bình 29,97 172,8 35,41 39.9 Trung bình cộng 4 điểm

Hình 4.8 Kết quả sau khi đo lực bám dính

Hình 4.9 Mẫu VI.4 - Lớp phủ vỡ thành 2 phần gần bằng nhau

Phân tích kết quả thực nghiệm

Quy trình phun phủ

4.2.1.1 Công tác chuẩn bị a Kiểm tra thiết bị:

Trước khi sử dụng thiết bị phun phủ, robot và thiết bị phun cát, cần tiến hành bảo dưỡng và kiểm tra để đảm bảo các thiết bị hoạt động an toàn và ở tình trạng tốt.

Kiểm tra hệ thống cung cấp nhiên liệu, oxy, nitơ và dầu là rất quan trọng để đảm bảo an toàn và đầy đủ Nếu phát hiện bất kỳ sự rò rỉ nào, cần khắc phục ngay lập tức trước khi bắt đầu công việc.

- Hệ thống làm mát súng phun và hệ thống hút bụi phải ở trạng thái làm việc tốt

- Kiểm tra sự làm việc hoàn hảo của Robot ABB

Khí nén sử dụng cho thiết bị làm sạch và sơn cần phải đảm bảo sạch và khô, theo hướng dẫn P5/CO/08 Áp suất làm việc của vòi phun nên duy trì trong khoảng 6 đến 6.5 bar Ngoài ra, cần kiểm tra chất lượng bột phun và vật liệu làm sạch để đảm bảo hiệu quả tối ưu trong quá trình làm việc.

Bột sử dụng cho hệ thống HVOF cần phải đảm bảo đúng chủng loại và thành phần, đồng thời thông tin như ngày sản xuất và mã số phần (part number) phải được in rõ ràng trên từng hộp để dễ dàng truy tìm và xác định thời hạn sử dụng (shelf life) Ngoài ra, mỗi loại bột cũng phải kèm theo bảng tài liệu kỹ thuật chi tiết.

- Bảo quản bột ở nơi khô ráo, nếu bột nhiễm ẩm có thể sấy bột trong lò sấy ở nhiệt độ 100 o C (±10 o C)

Vật liệu tạo nhám (blasting abrasives) cần được bảo quản ở nơi khô ráo và được đặt trên giá cao hơn nền ít nhất 100 mm, đồng thời phải sử dụng đúng thành phần độ hạt để đảm bảo hiệu quả trong quá trình làm việc.

Không được tiến hành phun chi tiết trong những điều kiện sau:

- Độ sạch bề mặt chưa đạt yêu cầu

- Chưa tẩy hết dầu mỡ trên bề mặt cũng như chi tiết cần phun

- Bề mặt chi tiết cần phun ẩm ướt

- Tạo nhám bề mặt chưa đạt

- Phát hiện rò rỉ dầu nhiên liệu, Oxy, nước làm mát… tại súng phun và các vị trí kết nối

4.2.1.2 Chuẩn bị bề mặt chi tiết trước khi phun a Gia công bề mặt chi tiết

- Kiểm tra vết nứt và lượng dư bề mặt chi tiết

- Kiểm tra độ cứng, vật liệu gốc của chi tiết

Tùy thuộc vào từng trường hợp, có thể sử dụng tiện hoặc mài để đảm bảo độ đồng tâm Kích thước chi tiết sau khi loại bỏ lớp bề mặt cần phải nhỏ hơn thiết kế tối thiểu 0.3 mm theo đường kính Cuối cùng, cần thực hiện làm sạch bề mặt để đạt được chất lượng tốt nhất.

Kết quả của quá trình phun phủ chủ yếu phụ thuộc vào việc chuẩn bị và làm sạch bề mặt chi tiết trước khi thực hiện phun Do đó, cần tuân thủ nghiêm ngặt các bước quy định để đảm bảo chất lượng.

Trước khi tiến hành phun phủ trong môi trường có dầu mỡ, việc làm sạch dầu mỡ, bụi và gỉ sét là rất quan trọng, vì chúng có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ bám dính của lớp phủ.

- Tẩy sạch dầu mỡ bằng nước xà phòng hoặc hơi nước nóng chứa xà phòng

Đối với các chi tiết có lỗ nứt rỗ, cần gia nhiệt bằng ngọn lửa đèn kh hoặc trong lò sấy để loại bỏ dầu mỡ từ các lỗ xốp Nhiệt độ nên được duy trì từ 250 °C đến 300 °C cho đến khi không còn khói bốc ra từ các lỗ rỗ.

Rửa sạch các chi tiết bằng nước có chứa xà phòng và nước sạch, hoặc ngâm chi tiết trong dung môi Chlorhexalen trong thời gian từ 1 đến 2 giờ Sau đó, tiếp tục rửa sạch bằng nước xà phòng và nước sạch, thổi khô bằng khí khô, và gia nhiệt để loại bỏ ẩm bằng khí nóng hoặc đèn hồng ngoại với nhiệt độ tối đa không vượt quá 150 °C.

- Sau khi làm sạch không cầm nắm trực tiếp vào bề mặt của chi tiết hoặc làm dính dầu mỡ lên các bề mặt này

Khi làm việc với hóa chất và các chi tiết có nhiệt độ cao, cần tuân thủ yêu cầu an toàn bằng cách mặc đầy đủ quần áo bảo hộ lao động, kính bảo hộ, khẩu trang và sử dụng găng tay cao su hoặc găng tay cách nhiệt để đảm bảo an toàn cho bản thân.

- Che chắn bảo vệ các vị trí không phun phủ

Các vị trí tiếp giáp với bề mặt phun phủ cần được bảo vệ bằng tấm đồng mềm dày 0.3 mm hoặc ống lót chuyên dụng, nhằm đảm bảo an toàn trong quá trình tạo nhám và phun phủ.

- Để tạo nhám cho bề mặt chi tiết trước khi phun phủ ta sử dụng sử dụng máy phun cát 200L – AB hoặc máy phun hạt cỡ nhỏ

- Vật liệu tạo nhám được sử dụng để chuẩn bị bề mặt cho phun phủ HVOF là cát oxít nhôm trắng (White Aluminium Oxide Sand)

- Độ hạt của oxit nhôm áp dụng cho từng loại độ dày cần phun:

+ < 36 mesh (850 - 710 microns) khi độ dày lớp phủ nhỏ hơn 0,250 mm (ký hiệu bột nhôm #24)

+ 36 mesh (600 - 500 microns) khi độ dày lớp phủ dưới 0.750 mm ( Ký hiệu bột nhôm #36)

+ >36 mesh ( < 500 microns) khi độ dày lớp phủ trên 0.750 mm ( Ký hiệu bột > #36)

- Áp suất phun 6 ÷ 6.5 bar, khoảng cách từ v i phun đến chi tiết 150 mm

Bề mặt chi tiết cần được phun tạo nhám đồng đều, và thời gian từ khi phun tạo nhám đến khi phun phủ HVOF không được vượt quá 2 giờ để tránh hiện tượng oxy hóa bề mặt chi tiết.

- Sau khi tạo nhám tuyệt đối không cầm nắm trực tiếp vào bề mặt của chi tiết hoặc làm dính dầu mỡ lên các bề mặt này

- Yêu cầu về an toàn:

+ Mang đầy đủ quần áo BHLĐ, mặt nạ khí thở chuyên dụng, gang tay cao su khi làm việc thiết bị tạo nhám áp suất cao

+ Tuyệt đối trong khi phun tạo nhám không được hướng súng phun vào người hoặc thiết bị khác

+ Bật thiết bị thông gió trước khi vào phòng phun cát

4.2.1.3 Lập trình Robot ABB và máy tiện a Tốc độ quay của chi tiết hình trụ (tốc độ máy tiện) Để ngăn chặn quá nhiệt bề mặt là cần thiết để ngọn lửa HVOF không tập trung tại một điểm duy nhất trong một khoảng thời gian dài Do công suất súng Met.jet4L rất cao nên cần thiết phải duy trì một tốc độ bề mặt cao khi phun Điều này thường đạt được bằng cách quay chi tiết hình trụ

Khi tốc độ bề mặt tăng, nhiệt độ tập trung sẽ giảm, dẫn đến độ dày mỗi lần dịch chuyển cũng giảm theo Tốc độ bề mặt là yếu tố quan trọng trong quá trình phun HVOF.

56 là 50 ÷ 300 m/phút, d ng phun HVOF thường khoảng 16 mm đường kính và do đó bước dịch chuyển súng là 4 ÷ 5 mm trên mỗi vòng quay

Quy trình kiểm tra chất lƣợng phun

- Chọn chi tiết phun, thực hiện các bước phun phủ theo quy trình phun như mục 5.2.1

- Khoét lớp phủ có đường kính bằng đường kính đầu đo để tách lớp phủ được đo ra khỏi lớp phủ trên chi tiết

- Sau khi để nguội chi tiết, dùng keo Araldite® Standard dán các đầu dán vào chi tiết tại các vị trí đã được phun

Sau 24 giờ dán keo, hãy sử dụng thiết bị đo độ bám cầm tay Elcometer 510 để kiểm tra lực bám và tình trạng bề mặt bằng cách kéo các lớp phun ra khỏi chi tiết Kết quả đánh giá sẽ cung cấp thông tin cần thiết về hiệu quả của keo dán.

Đánh giá tiết diện lớp phủ sau khi bóc ra khỏi chi tiết cần đạt từ 80% đến 100% so với tiết diện đầu dán để đảm bảo chất lượng Nếu lớp phủ không bám dính trên đầu đo mà lại dính trên chi tiết, cần kiểm tra và xử lý lại quy trình làm sạch cũng như dán đầu đo.

Để đảm bảo chất lượng lớp phủ, độ bám của nó cần đạt tối thiểu 28 MPa khi sử dụng đầu đo loại 1 inch Nếu sử dụng đầu đo có kích thước khác, cần quy đổi lực theo tiết diện của đầu đo đó.

Nếu các thông số kết quả đáp ứng yêu cầu kỹ thuật, tiến hành loại bỏ lớp phun cũ và thực hiện phun chính thức theo quy trình với nhiệt độ bề mặt đã xác định Ngược lại, nếu các thông số không đạt, cần thực hiện lại theo giá trị nhiệt độ nền và áp dụng chương trình phun khác theo quy trình tại mục 5.2.1.