CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP PHUN PHỦ NHIỆT Trong chương này, luận án tìm hiểu một số phương pháp phun phủ nhiệt, các công trình nghiên cứu ứng dụng trong và ngoài nước nhằm lựa chọn được phương pháp phủ, vật liệu phủ phù hợp để ứng dụng tạo lớp phủ chịu mài mòn cho chi tiết máy trong công nghiệp; đồng thời xác định ra các thông số công nghệ có ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ để có định hướng nghiên cứu cho các chương tiếp theo. LÝ THUYẾT VỀ SỰ HÌNH THÀNH LỚP PHỦ Phun phủ nhiệt được một kỹ sư người Thụy Sỹ tên là Max Ulrich Schoop phát minh từ đầu những năm của thế kỷ 20. Tính năng ưu việt của công nghệ cho phép tạo các loại lớp phủ khác nhau trên bề mặt chi tiết làm việc trong các điều kiện khắc nghiệt như chịu mài mòn, ăn mòn và nhiệt độ cao. nhằm nâng cao tuổi thọ và mang lại hiệu quả kinh tế.
Trong quá trình phát triển công nghệ phun phủ nhiệt, nhiều nhà khoa học đã xây dựng các lý thuyết về sự hình thành lớp phủ, trong đó các lý thuyết đóng vai trò quan trọng gồm: Quan điểm của Pospisil- Sehyl, Schoop, Karg, Katsch và Reininger và Schenk đã được tác giả trích dẫn [1]. Quan điểm Pospisil - Sehyl cho rằng: Lớp phủ phun bằng kim loại xuất hiện các giọt kim loại lỏng bị phun bằng một dòng khí nén với một tốc độ rất cao (trung bình khoảng 200m/s). Các giọt này bị phá vỡ thành nhiều hạt rất nhỏ. Dạng của các hạt này được đặc trưng bằng kim loại của nó.
Theo thuyết này các phần tử kim loại trong thời điểm va đập trên bề mặt phun là ở thể lỏng. Quan điểm của M. Schoop cho rằng động năng của các hạt kim loại khi bay được cung cấp bởi dòng khí nén, nên khi va đập lên bề mặt phun thực tế có sự thay đổi nhiệt. Thực nghiệm đã xác định rằng những hạt kim loại khi rời khỏi miệng vòi phun bắt đầu bị nguội và đông đặc rất nhanh do tác dụng của dòng khí nén.
Trong thời điểm va đập chúng sẽ bị biến dạng dẻo, do vậy chúng liên kết với nhau thành những lớp liên kết. Tác giả cũng cho rằng các phần tử kim loại chảy lỏng khi phun luôn luôn nguội dần. Trong một khoảng cách rất ngắn 7 từ đầu vòi phun, sự giữ nhiệt trong các dòng tia kim loại là tương đối thấp còn khoảng 50°C ÷ 100°C. Do vậy tác giả đã kết luận cho lý thuyết của mình rằng, có thể phủ được những vật liệu dễ cháy mà không xảy ra sự cháy [1].
Quan điểm Karg, Katsch và Reininger lại đưa ra quan điểm: Những hạt kim loại bị nguội và đông đặc là do tác dụng của nguồn năng lượng động năng và khí nén. Mặt khác trong quá trình bay từ vòi phun các hạt đã ở trạng thái nguội nên không xảy ra sự biến dạng dẻo khi va đập [1]. Quan điểm Schenk lại đưa ra nhìn nhận khác: Tác giả cho rằng nhiệt độ của các hạt phun phải lớn hơn nhiệt độ chảy lỏng để xảy ra sự hàn chặt giữa chúng với nhau. Nhưng điều này không thực tế vì thời điểm va đập trên bề mặt bị phun, kim loại lớp bề mặt nền có khả năng bị nóng đến nhiệt độ chảy để có thể xảy ra sự hàn gắn giữa các phần tử phun với kim loại nền cơ sở [1].
Khái niệm mở rộng: Sự hình thành lớp phun là cơ chế rất phức tạp, nhưng có thể khái quát khi các hạt vật liệu phun với vận tốc rất cao chúng va đập với bề mặt kim loại nền (có nhiệt độ 140°C ÷ 150°C), đã hình thành lớp phun, các phần tử pha nóng chảy và pha kim loại nguội của nền liên kết với nhau và các phần tử kim loại nóng liên kết chồng lên nhau. Nhờ quá trình liên kết cơ học, hóa học, vật lý học các phần tử kim loại đã được bám dính vào nhau. Sự bám dính được hiểu là các phần tử kim loại của pha nóng chảy liên kết với nhau. Từ đây đã phát sinh ra hai khái niệm độ bám dính khác nhau là, độ bám dính giữa kim loại phun với kim loại nền và độ bám dính giữa các phần tử phủ với nhau.
MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP PHUN PHỦ NHIỆT Phun phủ nhiệt ra đời từ đầu thế kỷ 20 cho đến nay, đã có hàng chục các phương pháp phun phủ và biến thể của chúng được ra đời và phát triển. Việc ứng dụng các nguồn năng lượng vào trong các phương pháp phun là cơ sở của các quá trình phun khác nhau. Do đó, các quá trình phun nhiệt thường được phân loại theo nguồn năng lượng sử dụng để làm nóng chảy nguyên liệu phun (hình 1. Các phương pháp trong quá trình phun có thể sử dụng vật liệu phủ ở dạng bột, dạng dây hoặc dạng thanh.
Sơ đồ các phương pháp phun phủ nhiệt [26] Điều đáng chú ý là, dù có nhiều phương pháp phun phủ khác nhau nhưng tất cả đều có những đặc điểm chung và chỉ có sự khác nhau về nguyên lý, hiệu suất, khả năng ứng dụng vật liệu lớp phủ, các tính chất lớp phủ tạo thành. Do đó một số phương pháp với hiệu suất và chất lượng lớp phủ tốt được ứng dụng phổ biến sau đây: 1. Phương pháp phun phủ bằng hồ quang điện Phương pháp phun hồ quang điện do kỹ sư Schoop phát minh vào năm 1910. Tuy nhiên phải đến 1960 quá trình phun này mới được chấp nhận và phát triển [1].
Quá trình phun hồ quang điện sử dụng nguồn năng lượng điện năng để tạo thành nguồn nhiệt 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 được xác định trước và không đổi (hình 1. Nguyên lý của phương pháp phun phủ bằng hồ quang điện [95] 9 Tốc độ cấp dây được điều chỉnh phụ thuộc vào năng suất phun, độ dẫn điện của vật liệu phun thông qua dòng điện. Vật liệu phun nóng chảy được đẩy về phía bề mặt chi tiết được chuẩn bị sẵn bằng một luồng khí nén với áp suất cao, các hạt nóng chảy va đập vào bề mặt của chi tiết phun và hình thành lớp phủ.
* Ưu điểm: Năng suất cao, đặc tính lắng đọng lớp phủ ở nhiệt độ thấp điều đó làm giảm thiểu sự gia nhiệt lên bề mặt nền phun so với các phương pháp khác. Đồng thời phương pháp cũng cho chất lượng lớp phủ tốt. * Nhược điểm: Chỉ ứng dụng được vật liệu dạng dây, nhạy cảm với khí hoạt tính. Cho độ xốp của lớp phủ cao như vậy có thể làm giảm hiệu suất chống ăn mòn, xói mòn cũng như mài mòn của lớp phủ [27] 1.
Phương pháp phun phủ bằng ngọn lửa khí cháy Nguyên lý của phương pháp phun khí cháy dựa trên nhiệt độ của phản ứng cháy giữa khí nhiên liệu với oxy [26]. So với các nguồn nhiệt phun từ điện năng thì phương pháp phun bằng ngọn lửa khí cháy có nhiệt độ thấp hơn. Phun khí cháy ít tạo ra các ảnh hưởng biến dạng do nhiệt trong quá trình phun, bởi nhiệt độ của ngọn lửa được tạo ra ở đầu súng phun chỉ đạt tối đa khoảng 3000°C. Phun khí cháy có thể tạo được lớp phủ dày tuy nhiên lại chứa nhiều oxit và cho độ xốp lớp phủ cao hơn so với quá trình phun nhiệt khác [28].
Quá trình phun phụ thuộc vào việc kiểm soát nhiệt của phản ứng cháy giữa oxy và nhiên liệu để nung chảy nguyên liệu phun. Phương pháp phun ngọn lửa khí cháy có hai phương pháp phun đó là phương pháp phun dạng dây (WFS-Wire flame spray) và phương pháp phun dạng bột (FPS- Powder flame spray). Với vật liệu phun dạng dây hoặc thanh được cấp qua lỗ tâm của đầu phun, dưới tác dụng của nguồn nhiệt làm nóng chảy vật liệu phun (hình 1. Luồng khí cháy áp suất cao thổi làm phân tán vật liệu nóng chảy tạo thành các hạt nhỏ, các hạt này bay đến phủ lên bề mặt vật phun.
Dây được cấp với tốc độ đã được xác định nhờ các con lăn được dẫn động của tuabin khí nén hoặc động cơ điện. Nguyên lý của phương pháp phun phủ bằng ngọn lửa khí cháy sử dụng dây [96] Vật liệu phun dạng bột được cấp vào đầu phun từ một phễu chứa qua một lỗ nhỏ, bột phun được hòa trộn với khí và nhờ luồng hỗn hợp ôxy - khí cháy hút vào buồng đốt, ở đây bột được nung nóng đến trạng thái chảy. Cũng nhờ luồng khí cháy mà các hạt bột bay tới va đập với kim loại nền và tạo thành lớp phủ trên bề mặt nền lớp phủ (hình 1. 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. Phương pháp phun phủ nhiệt khí tốc độ cao (HVOF) HVOF là chữ viết tắt của từ tiếng anh “High velocity oxy – fuel coating spraying” nghĩa là “Phun phủ hỗn hợp vật chất ở vận tốc cao”. Phương pháp này khi phun là sự pha trộn hỗn hợp nhiên liệu cháy ở thể khí như khí hydro, mêtan, propylen, axetylen hoặc propan cùng với nhiên liệu chất lỏng có thể được sử dụng [19]. Các nhiên liệu này được đưa vào buồng đốt, chúng được đốt cháy liên tục tạo thành khí nóng với áp suất cao khoảng 10bar qua vòi phun hội tụ - phân kì và đi qua một đoạn ống thẳng với vận tốc vượt quá tốc độ của âm thanh, bột phun được hòa trộn vào trong dòng khí đạt tốc độ lên đến trên 800m/s.
Hỗn hợp dòng khí nóng và bột kim loại tan chảy trong dòng khí nóng và được phun lên bề mặt kim loại nền. Kết quả là hình thành các lớp phủ có độ xốp thấp và lực liên kết cao (hình 1. Nguyên lý của phương pháp phun phủ HVOF [98] Sự lựa chọn khí cháy được xác định bởi nhiệt độ ngọn lửa đạt được tối đa và đặc tính của vật liệu phun bằng cách điều chỉnh tỷ lệ khí cháy 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.
