I. Tổng quan về công nghệ phun phủ HVOF
Công nghệ HVOF coating (phun nhiệt khí tốc độ cao) là một phương pháp tiên tiến trong xử lý bề mặt, được phát triển từ những năm 1980. So với các phương pháp phun nhiệt khác như phun plasma hoặc phun hồ quang, HVOF nổi bật với khả năng tạo ra lớp phủ có độ bám dính cao, độ cứng tốt và độ xốp thấp. Phương pháp này sử dụng dòng khí tốc độ cao để đẩy các hạt vật liệu phun vào bề mặt chi tiết, tạo thành lớp phủ đồng nhất. HVOF được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như hàng không, ô tô và khai thác mỏ nhờ khả năng cải thiện độ bền và tuổi thọ của chi tiết máy.
1.1. Lịch sử phát triển
Công nghệ phun phủ kim loại bắt đầu từ đầu thế kỷ 20, được phát minh bởi Max Ulrich Schoop. Ban đầu, phương pháp này chủ yếu dùng để trang trí, nhưng sau Thế chiến thứ hai, nó được ứng dụng rộng rãi trong bảo vệ bề mặt và phục hồi chi tiết máy. Đến những năm 1980, HVOF ra đời, đánh dấu bước tiến lớn trong công nghệ phun phủ với khả năng tạo lớp phủ chất lượng cao.
1.2. Ứng dụng của HVOF
HVOF được sử dụng để phủ các lớp kim loại và hợp kim lên bề mặt chi tiết, giúp tăng cường khả năng chống mài mòn, ăn mòn và chịu nhiệt. Các ứng dụng phổ biến bao gồm phục hồi trục máy, bảo vệ bề mặt trong môi trường khắc nghiệt và tạo lớp dẫn điện trên vật liệu không dẫn điện.
II. Cơ sở khoa học của quá trình phun HVOF
Quá trình HVOF dựa trên nguyên lý động lực học dòng khí và sự va đập của các hạt vật liệu phun lên bề mặt chi tiết. Các yếu tố như flow rate (lưu lượng cấp bột), velocity impact (tốc độ va đập) và thermal spray (phun nhiệt) đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành lớp phủ. Khi các hạt vật liệu được đẩy với tốc độ cao, chúng va đập vào bề mặt, tạo thành lớp phủ có cấu trúc chặt chẽ và độ bám dính cao. Nhiệt độ và tốc độ của dòng khí cũng ảnh hưởng đến coating thickness (độ dày lớp phủ) và adhesion strength (độ bám dính).
2.1. Động lực học dòng khí
Dòng khí trong HVOF được tạo ra từ quá trình đốt cháy nhiên liệu, tạo ra áp suất và tốc độ cao. Điều này giúp các hạt vật liệu đạt được vận tốc lớn, đảm bảo sự va đập mạnh lên bề mặt chi tiết, tạo thành lớp phủ đồng nhất.
2.2. Sự hình thành lớp phủ
Các hạt vật liệu khi va đập vào bề mặt sẽ biến dạng và kết dính với nhau, tạo thành lớp phủ. Quá trình này phụ thuộc vào material properties (tính chất vật liệu) và thermal conductivity (độ dẫn nhiệt) của vật liệu phun.
III. Ảnh hưởng của lưu lượng và tốc độ đến chất lượng bề mặt
Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của flow rate (lưu lượng cấp bột) và velocity impact (tốc độ chuyển động tương đối) đến surface quality (chất lượng bề mặt) của lớp phủ HVOF. Kết quả cho thấy, lưu lượng cấp bột và tốc độ chuyển động có tác động đáng kể đến coating thickness, adhesion strength và wear resistance (khả năng chống mài mòn). Cụ thể, lưu lượng cấp bột cao hơn dẫn đến độ dày lớp phủ tăng, nhưng có thể làm giảm độ bám dính nếu không kiểm soát tốt tốc độ chuyển động.
3.1. Ảnh hưởng của lưu lượng cấp bột
Lưu lượng cấp bột (flow rate) ảnh hưởng trực tiếp đến độ dày và độ đồng đều của lớp phủ. Khi lưu lượng tăng, lớp phủ dày hơn nhưng có thể xuất hiện hiện tượng xốp nếu tốc độ chuyển động không phù hợp.
3.2. Ảnh hưởng của tốc độ chuyển động
Tốc độ chuyển động tương đối giữa đầu phun và chi tiết (velocity impact) quyết định độ bám dính của lớp phủ. Tốc độ quá cao có thể làm giảm độ bám dính, trong khi tốc độ thấp hơn giúp cải thiện chất lượng bề mặt.
IV. Phân tích vi cấu trúc và tính chất cơ học
Phân tích microstructure analysis (vi cấu trúc) và mechanical properties (tính chất cơ học) của lớp phủ HVOF cho thấy, lớp phủ có cấu trúc đồng nhất với độ xốp thấp và độ bám dính cao. Các thử nghiệm về wear resistance và thermal conductivity cũng khẳng định khả năng ứng dụng của lớp phủ trong các điều kiện làm việc khắc nghiệt. Kết quả này làm cơ sở để tối ưu hóa các thông số công nghệ phun, đảm bảo chất lượng lớp phủ đạt yêu cầu.
4.1. Phân tích vi cấu trúc
Sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM), nghiên cứu đã phân tích cấu trúc vi mô của lớp phủ, cho thấy sự đồng nhất và liên kết chặt chẽ giữa các hạt vật liệu.
4.2. Đánh giá tính chất cơ học
Các thử nghiệm về độ cứng, độ bám dính và khả năng chống mài mòn đã chứng minh hiệu quả của lớp phủ HVOF trong việc cải thiện độ bền và tuổi thọ của chi tiết máy.
