MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trong lĩnh vực phun phủ nhiệt, vai trò của công nghệ này ở thời kỳ đầu chỉ nhằm mục đích trang trí, đến sau chiến tranh thế giới thứ hai công nghệ này được sử dụng với quy mô rộng [2, 15, 16-18, 73-74]. Công nghệ phun phủ nhiệt với nhiều phương pháp phun khác nhau như phun nhiệt khí cháy, phun nổ, phun laser, phun plasma,… đã được sử dụng hầu hết ở các nước tiên tiến và ngày càng tỏ ra có nhiều tính ưu việt trong nhiều lĩnh vực: phục hồi các chi tiết bị mài mòn, bảo vệ chống ăn mòn, trang trí, tạo các lớp bề mặt có tính năng kỹ thuật đặc biệt …[8-9, 22]. Trong số các phương pháp phun phủ nhiệt nêu trên, phun phủ plasma có nhiều ưu việt do nguồn nhiệt với năng lượng cao dễ dàng tạo các lớp phủ với độ xốp thấp, độ bám dính trượt cao.
Việc đảm bảo và duy trì ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt trong sản xuất tại Việt Nam nhằm tạo ra các sản phẩm mới có tính cạnh tranh với các sản phẩm nhập khẩu là vấn đề được nhiều doanh nghiệp trong nước quan tâm [3-5]. Với xu hướng đẩy mạnh sự phát triển công nghiệp nước nhà, trong quá trình phát triển đó, việc phục hồi các chi tiết máy quan trọng nhằm giảm tải cho việc nhập khẩu hay mua mới mà giá thành phục hồi chi tiết thường thấp, thường không quá 50- 60% so với mua mới, có nhiều chi tiết phức tạp về chế tạo nhưng với công nghệ phục hồi chỉ cần 15-20% giá thành đã có thể đưa vào sử dụng trở lại với đầy đủ tính năng và chất lượng không thua kém sản phẩm mới, ngoài ra phun phủ nhiệt có thể được áp dụng hiệu quả trong việc chế tạo mới các chi tiết trong nước [27, 94, 95]. Tùy theo vật liệu và chế độ phủ, phun phủ nhiệt có thể mang lại cho các sản phẩm cơ khí có độ bền, các tính năng công nghệ cần thiết đáp ứng đòi hỏi ngày càng cao và ngặt nghèo của các quy trình công nghệ sản xuất. Rất nhiều loại chi tiết yêu cầu cần có độ dẻo ở bên trong và đồng thời có độ cứng, chịu mài mòn tốt ở lớp ngoài, đa số các trường hợp lớp phủ bề mặt có chiều dầy nhỏ hơn rất nhiều so với chiều dày của cả chi tiết nhưng có tầm quan trọng rất lớn quyết định đến độ bền, tuổi thọ làm việc của chi tiết.
Vì vậy, việc nâng cao độ bền chống mài mòn, chịu ăn mòn, làm việc trong các môi trường áp suất cao, nhiệt độ cao, dưới biển, trong lòng đất của từng chi tiết, bộ phận hay toàn bộ thiết bị bằng công nghệ phun phủ plasma trên bề mặt các chi tiết luôn là hết sức cần thiết đối với sự phát triển của ngành công nghiệp. Các vật liệu cũng như lớp phủ gốm trên cơ sở các oxit Al2O3 và TiO2 hiện đang được quan tâm nghiên cứu cả trong và ngoài nước không chỉ do có giá thành thấp (so với các hệ gốm cacbit hay ceramic khác) mà còn do chúng có các tính năng kỹ thuật tốt (độ cứng cao, bền mài mòn, bền hóa chất, bền nhiệt,. Các nghiên cứu phát triển công nghệ theo hướng vật liệu gốm này chủ yếu tập trung vào việc nghiên 1 cứu ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ chế tạo tới một chỉ tiêu cơ tính đầu ra của lớp phủ như độ xốp, độ cứng, độ bám dính trượt-hay khả năng chịu mòn của lớp phủ. Giá thành của nhóm vật liệu gốm ôxít khá phù hợp, vì vậy việc tập trung nghiên cứu có hệ thống về công nghệ phun plasma tạo lớp phủ hệ này cho các ứng dụng chuyên biệt là cần thiết.
Có nhiều nghiên cứu được thực hiện nhằm mục đích tạo ra lớp phủ có các chỉ tiêu cơ tính tốt, trong đó tối ưu hóa là công việc cần thiết nhằm đáp ứng mục tiêu đặt ra. Phương pháp thiết kế thực nghiệm theo Taguchi là công cụ hữu ích giúp các nhà nghiên cứu giải quyết được vấn đề đặt ra với nhiều ưu điểm nổi trội như: có cơ sở khoa học, nhanh chóng xác định được bộ thông số phù hợp, số lượng thí nghiệm thực hiện ít, giảm chi phí thực nghiệm. Bên cạnh những ưu điểm trên thì phương pháp này còn tồn tại nhược điểm là chưa xây dựng được hàm toán học biểu thị mối quan hệ giữa các thông số đầu vào và các chỉ tiêu cơ tính đầu ra, phương pháp này cũng chỉ cho phép dự đoán cho một chất lượng đầu ra tốt nhất. Từ những luận điểm trên, tác giả lựa chọn đề tài ”Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ công nghệ phun phủ plasma đến tính chất của lớp phủ gốm hệ Al2O3-TiO2 trên nền thép”.
Lớp phun phủ plasma hệ gốm oxit Al2O3-TiO2 (tỷ lệ 60-40% theo khối lượng) được nghiên cứu chế tạo trên nền thép C45. Phương pháp thiết kế thực nghiệm Taguchi được lựa chọn kết hợp với tối ưu hoá đa mục tiêu, chỉ tiêu đánh giá tổng thể OEC được sử dụng trong luận án này là hướng nghiên cứu khá mới. Mục đích nghiên cứu của Luận án Chế tạo và kiểm soát được chất lượng của lớp phủ plasma hệ gốm Al2O3-40TiO2: nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ chính trong phương pháp phun phủ plasma đến chất lượng lớp phủ làm việc trong điều kiện chịu mài mòn; nghiên cứu tối ưu đơn mục tiêu và đa mục tiêu đáp ứng các yêu cầu đa dạng về chất lượng lớp phủ. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Lớp phủ hệ gốm oxit Al2O3-40TiO2, chế tạo bằng phương pháp phun phủ plasma khí trên nền thép cacbon C45.
Phạm vi nghiên cứu: Luận án tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của 3 thông số chế độ phun phủ chính bao gồm: cường độ dòng điện phun, khoảng cách phun và lưu lượng cấp bột phun. Các đặc trưng tính chất của lớp phủ gốm được đánh giá bao gồm tổ chức vật liệu, thành phần pha và các chỉ tiêu cơ tính (độ cứng tế vi, độ bền bám dính, độ xốp và hệ số ma sát khô). Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm. 2 Về lý thuyết: - Nghiên cứu tổng quan về sự hình thành và tính chất lớp phủ gốm hệ Al2O2- 40TiO2 trên nền thép bằng phương pháp phun plasma khí.
- Nghiên cứu các phương pháp quy hoạch thực nghiệm: phương pháp Taguchi; phương pháp bình phương tối thiểu; sử dụng chỉ số đánh giá tổng thể OEC để tìm mức phù hợp của các thông số công nghệ phun phủ đáp ứng đồng thời các chỉ tiêu cơ tính lớp phủ. Về thực nghiệm: - Thiết kế mô hình thực nghiệm trên cơ sở phân tích các thông số công nghệ phun plasma đến các tính chất lớp phủ dựa trên các nghiên cứu của các công bố trước và các thí nghiệm thăm dò. - Chế tạo đồ gá phun, khuôn kiểm tra độ bền bám dính cho các mẫu thực nghiệm. - Phun mẫu thực nghiệm - Đánh giá tính chất, cơ tính lớp phủ gồm: + Độ cứng tế vi lớp phủ được đánh giá theo tiêu chuẩn ASTM E384-17; + Đo hệ số ma sát của lớp phủ bằng máy TRIBO-Tester + Độ bám dính trượt lớp phủ đánh giá theo tiêu chuẩn JIS H 8666-1980; + Độ xốp lớp phủ được đánh giá theo tiêu chuẩn ASTM B276-21; - Dựa trên kết quả thực nghiệm và phân tích phương sai, kết hợp hồi quy đa mục tiêu để đánh giá kết quả nghiên cứu theo các mục tiêu đặt ra.
- Phân tích tổ chức mặt cắt ngang lớp phủ bằng kính hiển vi điện tử quét, phân tích thành phần pha bằng phương pháp nhiễu xạ tia X. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học: - Đã cung cấp hướng tiếp cận hiệu quả trong việc xác định khoảng giá trị phù hợp của các thông số phun phủ plasma ảnh hưởng đến các tính chất của lớp phủ gốm hệ Al2O2-40TiO2. - Xác định được ảnh hưởng của 3 thông số phun chính (dòng điện phun, khoảng cách phun và lưu lượng cấp bột) đến 4 chỉ tiêu chất lượng lớp phủ (độ cứng tế vi, hệ số ma sát, độ bền bám dính, độ xốp); Xây dựng được các hàm toán học mô tả mối quan hệ giữa các chỉ tiêu chất lượng lớp phủ Al2O2-40TiO2 với 3 thông số chế độ phun. - Xác định được các bộ thông số phun phủ tối ưu đơn mục tiêu và đa mục tiêu cho chất lượng lớp phủ hệ Al2O2-40TiO2.
Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu có thể làm tài liệu tham khảo để lựa chọn công nghệ, thiết bị và chế độ phun phủ áp dụng cho việc phục hồi hoặc chế tạo mới các chi tiết máy bị mòn nhằm đáp ứng kịp thời sản xuất, hạn chế nhập ngoại, đồng thời có thể làm tài liệu dùng 3 trong giảng dạy, nghiên cứu khoa học ở lĩnh vực chuyên ngành. Các đóng góp mới của luận án - Xây dựng được các hàm hồi quy thể hiện mối quan hệ ảnh hưởng đồng thời của 3 yếu tố công nghệ phun (I, L, M) tới hàm mục tiêu là 4 chỉ tiêu cơ tính quan trọng của lớp phủ. - Đã sử dụng chỉ tiêu đánh giá tổng thể OEC để tìm ra mức phù hợp của các thông số công nghệ phun phủ đáp ứng đồng thời nhiều mục tiêu cơ tính đầu ra của lớp phủ Al2O3-40TiO2. - Chế tạo được đồ gá phun, khuôn kiểm tra độ bền bám dính cho lớp phủ gốm trên nền thép dạng tấm phẳng.
TỔNG QUAN VỀ PHUN PHỦ NHIỆT 1.1 Lịch sử phát triển phun phủ nhiệt Công nghệ phun phủ nhiệt được phát minh từ đầu thế kỷ 20 do một kỹ sư người Thụy Sỹ tên là Max Ulrich Schoop. Đến nay, phun phủ nhiệt được phát triển và bao gồm 5 phương pháp công nghệ phun chính như được mô tả trong Hình 1.1 Lịch sử phát triển công nghệ phun phủ nhiệt [74] Khởi đầu của hành trình nghiên cứu và phát triển công nghệ phun phủ nhiệt của Schoop là từ việc quan sát vết của viên đạn chì bị phân tách, bám dính trên bề mặt của bức tường đá sau khi bị bắn. Từ đó tác giả đã nghiên cứu và thử nghiệm bột chì trong phòng thí nghiệm, sau đó đã sản xuất bột chì dùng trong phun phủ. Nhờ đó Schoop được cấp bằng sáng chế cho phương pháp phun chì.
Sau nhiều lần thử nghiệm, tác giả đã chế tạo được loại súng phun thương mại đầu tiên của mình đó cũng là thiết bị phun hồ quang điện đầu tiên [69, 94, 95]. Trước thềm chiến tranh thế giới thứ nhất, Schoop đã chuyển giao kỹ thuật phun cho công ty Metallizator (Đức), sau đó thiết bị này đã được bán tại Châu Âu. Đầu những năm 1920, một công ty ở Anh là Metallisation được thành lập.
