CHƯƠNG 1. 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.
Cùng thời điểm này các loại súng phun nhiệt đầu tiên ở Hoa Kỳ được sản xuất bởi Công ty Metallizing. Tuy nhiên, ở thời điểm đó công nghệ phun phủ nhiệt chưa được hoàn thiện dẫn tới các hoạt động thương mại vẫn còn hạn chế. Một trong những công ty mới của Mogul vào giữa những năm 1930 là Metallizing Engineering Company Inc, sau này được gọi là Metco và hiện nay thuộc tập đoàn Oerlikon [69]. Đầu những năm 1940 khi chiến tranh thế giới thứ hai xảy ra, quân đội Hoa Kỳ mở những cuộc hội thảo cho mục đích sửa chữa thiết bị quân sự hạng nặng bằng phun nhiệt ở Trung Quốc, Ấn Độ và Ý.
Những năm tiếp theo đó đến nay, phun phủ nhiệt đã trở thành một công nghệ xử lý bề mặt nổi bật trong số nhiều quy trình xử lý bề mặt khác nhau và phát triển rất mạnh mẽ. Các ứng dụng của phun phủ nhiệt những năm gần đây ngày càng phổ biến và thậm chí nhiều hơn tất cả quá trình sử dụng trước đây. Sự phát triển của phun phủ nhiệt gắn liền với sự phát triển của thiết bị, vật liệu và phương pháp phun phủ (Hình 1. Thiết bị phun đã được nghiên cứu chế tạo và đưa vào ứng dụng nhiều loại đầu 5 luan an phun khác nhau phục vụ cho các phương pháp phun phủ: súng phun dùng nhiên liệu khí cháy (dây, bột), súng phun hồ quang điện (loại hai dây, ba dây…), súng phun plasma (dây, bột), súng phun bằng dòng cao tần, súng phun nổ…Đặc biệt, phun phủ nhiệt đã được cải tiến đáng kể năng suất phun, thiết bị và dây chuyền phun tự động với độ ổn định và chất lượng ngày càng cao.
Yếu tố công nghệ cũng được giải quyết thành công nhờ các chế độ công nghệ phun cho các vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao (vật liệu gốm, các loại cacbit và oxit kim loại) đã được công bố [1, 15, 47, 73, 74]. Phun phủ nhiệt phù hợp với hầu hết các vật liệu, ngoại trừ các hợp chất phân hủy do nhiệt cũng như các chất không có trạng thái nóng chảy ổn định và bốc hơi mạnh trong quá trình phun. Lúc đầu, vật liệu phun phủ nhiệt chủ yếu là các kim loại nguyên chất hoặc hợp kim. Đến nay, vật liệu phun rất đa dạng, bao gồm nhiều chủng loại: kim loại tinh khiết, hợp kim, gốm kim loại, các oxit kim loại, composit, thậm chí là chất dẻo và dung dịch huyền phù.
Điều này giúp cho lớp phủ phun nhiệt có thể có các tính chất chịu nhiệt, dẫn điện, cách điện, chống oxy hóa, chống ăn mòn và mài mòn cho các chi tiết hay kết cấu hoặc tạo các lớp bề mặt để tiết kiệm kim loại quý và tăng giá trị thẩm mỹ trong trang trí. Hiệu suất lắng đọng lớp phủ của các phương pháp phun phủ nhiệt là khá cao so với nhiều công nghệ bề mặt khác, chiều dày lớp phủ phun nhiệt có thể từ vài chục µm đến vài mm. Hơn nữa, với tính linh hoạt đối với các vật liệu khác nhau, quy trình phun phủ nhiệt, tính chất lớp phủ và đặc biệt là sự hiệu quả về chi phí cho lớp phủ phun nhiệt dẫn đến chúng ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp cũng như trong các ngành xây dựng cơ sở hạ tầng, y sinh học, điện tử. Công nghệ phun phủ nhiệt được ứng dụng rộng rãi như vậy là do những đặc điểm quan trọng như [15, 26, 34]: - Vật liệu phun đa dạng đáp ứng nhiều điều kiện làm việc của chi tiết.
- Tính chất luyện kim khi phun làm tăng độ bền mài mòn, độ cứng, độ bền bám dính của lớp phủ và phù hợp với nhiều ứng dụng công nghiệp. - Tốc độ sản xuất phun nhiệt rất cao và thích hợp cho các bề mặt rộng. - Nhiệt lượng đầu vào cho các thành phần được phủ bằng phun nhiệt thấp, tính chất kim loại ít thay đổi và ít làm biến dạng bề mặt chi tiết được phun. - Chi phí sản xuất cho lớp phủ ở mức độ trung bình và thấp.
- Phun phủ nhiệt được coi là công nghệ xanh, đặc biệt là so với mạ crôm cứng. Hiện nay phun phủ nhiệt đã và đang phát triển mạnh ở các nước tiên tiến như Mỹ, Nhật, Nga, Anh, Pháp, Đức, Thụy Sĩ,. Ở các nước này có những dây chuyền công nghệ cao, họ cũng đã thành công trong việc tạo ra các lớp phủ có tính chất đặc biệt từ các loại vật liệu phun như: gốm kim loại, các loại, hợp kim,… Các nước này cũng đã sử dụng phun phủ nhiệt cho mục đích phục hồi các chi tiết máy bị mòn, bảo vệ chống gỉ các kết cấu thép và nhiều mục đích khác. Năm 1987, ở Hoa Kỳ việc tạo lớp phun phủ gốm bằng công nghệ phun plasma đạt giá trị trên 2 tỷ USD [95].
Các 6 luan an công trình liên quan đến phun phủ nhiệt được công bố trong các tạp chí như: Tạp chí công nghệ phun phủ nhiệt (JTST) của ASM; Công nghệ phun phủ bề mặt của Nhà xuất bản Elsevier; Kỹ thuật bề mặt của Nhà xuất bản Maney và một số tạp chí khác. Hằng năm đều có các hội nghị quốc tế về chuyên ngành này như Hội nghị phun phủ nhiệt quốc tế; Hội nghị quốc tế về luyện kim và phun phủ. Nhiều hiệp hôi chuyên ngành như Hiệp hội phun phủ nhiệt Mỹ (ASM/TSS); Hiệp hội phun nhiệt châu Âu (ETSA); Hiệp hội phun phủ nhiệt Nhật Bản (JTSS) hoạt động mạnh trong việc thúc đẩy khoa học và công nghệ phun phủ nhiệt trên toàn thế giới. Ở các nước tiên tiến đều có các viện nghiên cứu; các tạp chí riêng và tiêu chuẩn cho chuyên ngành,… Một số hãng nổi tiếng về thiết bị, vật liệu phun phủ như: Plasma Technique; Castolin (Thụy sĩ); Metco Plasmaday; Dressez; Nobel-Brocl (Pháp); Ecia Ghiken (Nhật); Arcosse (Bỉ); Volvoflemotor (Thụy điển).
với các dây chuyền công suất cao. Có thể nói rằng, công nghệ phun phủ nhiệt đang ngày một phát triển mạnh mẽ và đi đầu trong lĩnh vực xử lý bề mặt [95].2 Các phương pháp phun phủ nhiệt Theo định nghĩa, phun phủ nhiệt là một quá trình mà trong đó các hạt nóng chảy, bán nóng chảy hoặc trạng thái rắn được lắng đọng trên một chất nền. Do đó, kỹ thuật phun là một cách tạo ra một "dòng" các hạt như vậy. Lớp phủ được tạo ra khi các hạt va chạm với chất nền, điều này có thể xảy ra các trường hợp vật liệu phun đạt trạng thái nóng chảy hoặc rắn khi va chạm với bề mặt nền.
Sự gia nhiệt và gia tốc của các phân tử phun xảy ra trong một dòng khí. Ngoài những nguồn được liệt kê trong Hình 1.1 còn một số nguồn năng lượng khác đưa vào khí để tạo ra nguồn năng lượng cho dòng phun. Kỹ thuật phun cũng có thể được phân loại theo nhu cầu kỹ thuật và kinh tế liên quan đến lớp phủ [95, 99]. Ra đời từ đầu thế kỷ XX, phương pháp đầu tiên là phun hồ quang điện, cho đến nay đã có hàng chục phương pháp phun nhiệt khác nhau 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. Từ đó, các quá trình phun nhiệt được phân loại theo nguồn năng lượng được sử dụng để làm nóng nguyên liệu phun được trình bày trong Hình 1. Công nghệ phun phủ nhiệt chia ra thành nhiều phương pháp khác nhau nhưng tất cả đều có những đặc điểm chung và chỉ có sự khác nhau nhỏ về nguyên lý, hiệu suất, mức đầu tư, chi phí vận hành, khả năng sử dụng vật liệu lớp phủ, các tính chất của lớp phủ tạo thành. Do đó, một số phương pháp phun với hiệu suất và chất lượng lớp phủ tốt được ứng dụng phổ biến hơn [95, 99].
Khí quyển được kiểm soát xung quanh ngọn lửa phun. Bản chất các loại khí thay đổi thành phần hóa học của ngọn lửa khí phun hoặc các đặc tính vật lý của nó, chẳng hạn như mức độ hỗn loạn hoặc đường đi tự do trung bình của các hạt vật liệu phun. Ví dụ phun plasma chân không (VPS) (đôi khi được gọi là LPPS), phun plasma trong khí 7 luan an quyển có kiểm soát (CAPS), phun plasma trơ (IPS), phun plasma bao phủ (SPS), phun HVOF [94]. Động năng của hạt phun ra cao, tiếp xúc với tia lửa hoặc ngọn lửa có vận tốc lớn nhưng có nhiệt độ tương đối thấp.
‘Thời gian bay’ ngắn và chúng tác động vào chất nền mà không bị nóng chảy. Phun nhiên liệu oxy tốc độ cao (HVOF), phun nhiên liệu không khí tốc độ cao (HVAF), D-gun ™, Super D-gun ™, Sonarc ™ (Steffens và Nassenstein, 1996) là một số ví dụ điển hình cho nhóm kỹ thuật này.2 Sơ đồ phân loại các phương pháp phun phủ nhiệt [74] 1.1 Phun hồ quang điện Phun hồ quang (Arc spray - AS) được phát minh bởi M. Schoop vào khoảng năm 1910, quá trình này đã không phát triển rộng rãi về mặt thương mại cho đến đầu những năm 1960. Không giống như các quy trình phun nhiệt khác, làm nóng gián tiếp các hạt bằng cách sử dụng ngọn lửa đốt nóng, quy trình phun hồ quang điện sử dụng trực tiếp dòng điện (một chiều) hồ quang điện, đánh vào giữa hai dây có vai trò như các điện cực để có tác dụng làm nóng chảy trực tiếp.
Hồ quang điện được hình thành trong khoảng trống giữa các đầu dây khi hai dây liên tục được đưa vào cột hồ quang. Quá trình này được thể hiện dưới dạng sơ đồ trong Hình 1.