Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành kỹ thuật cơ khí, các chi tiết máy và kết cấu thường phải làm việc trong nhiều môi trường và điều kiện khắc nghiệt, dẫn đến các dạng hư hỏng như gỉ sét, ăn mòn, xói mòn xâm thực và mài mòn cơ học. Theo ước tính, các hư hỏng này gây ra tổn thất lớn về chi phí bảo trì và thay thế thiết bị. Các giải pháp truyền thống như bôi trơn và làm mát chỉ có thể hạn chế mài mòn trong giai đoạn vận hành, không thể ngăn chặn hoàn toàn quá trình hư hỏng. Do đó, việc phục hồi và tạo lớp phủ bề mặt có tính năng chống mài mòn cao được xem là giải pháp triệt để và có ý nghĩa thực tiễn lớn.

Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần WC-10Ni đến cấu trúc và đặc tính cơ học của lớp phủ hỗn hợp NiCrBSi/WC-10Ni sử dụng công nghệ phun phủ oxy nhiên liệu tốc độ cao (HVOF). Phạm vi nghiên cứu bao gồm các lớp phủ với tỉ lệ phối trộn WC-10Ni từ 0% đến 30% khối lượng, thực hiện trên mẫu thép C45 trong điều kiện phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Bách Khoa, TP. Hồ Chí Minh, trong năm 2023. Mục tiêu chính là đánh giá sự thay đổi về cấu trúc vi mô, độ cứng, độ xốp, khả năng chống xói mòn xâm thực và ma sát mài mòn của các lớp phủ nhằm đề xuất tỉ lệ phối trộn tối ưu cho ứng dụng công nghiệp.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao tuổi thọ và hiệu suất làm việc của chi tiết máy trong các môi trường làm việc khắc nghiệt, góp phần giảm chi phí bảo trì và tăng hiệu quả sản xuất. Các chỉ số đánh giá như độ cứng tế vi đạt tới 1900 HV, độ xốp dưới 5%, và khả năng chống mài mòn được cải thiện rõ rệt cho thấy tiềm năng ứng dụng rộng rãi của lớp phủ NiCrBSi/WC-10Ni trong công nghiệp cơ khí chế tạo và phục hồi chi tiết.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết phun phủ HVOF và lý thuyết về vật liệu composite kim loại - gốm. Phun phủ HVOF là công nghệ phun oxy nhiên liệu tốc độ cao, cho phép tạo lớp phủ có mật độ cao, độ bám dính tốt và độ xốp thấp nhờ vận tốc hạt phun đạt trên 1000 m/s. Lớp phủ NiCrBSi là hợp kim tự chảy có độ cứng và khả năng chống mài mòn tốt, trong khi WC-10Ni là vật liệu gia cường gồm 90% cacbua vonfram (WC) và 10% niken (Ni), giúp tăng độ cứng và độ dai va đập của lớp phủ.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Độ cứng tế vi (microhardness): chỉ số đo khả năng chống biến dạng của lớp phủ.
  • Độ xốp lớp phủ: tỷ lệ phần trăm thể tích lỗ rỗng trong lớp phủ ảnh hưởng đến độ bền cơ học và khả năng chống mài mòn.
  • Xói mòn xâm thực: quá trình hư hỏng bề mặt do tác động kết hợp của ăn mòn hóa học và mài mòn cơ học.
  • Ma sát mài mòn: chỉ số đánh giá khả năng chịu mài mòn khi có lực ma sát tác động.
  • Phân tích SEM/EDS và XRD: kỹ thuật phân tích cấu trúc vi mô và thành phần pha của lớp phủ.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu lớp phủ NiCrBSi, WC-10Ni và hỗn hợp NiCrBSi/WC-10Ni với tỉ lệ phối trộn 10%, 20%, 30% khối lượng WC-10Ni, được phun phủ trên mẫu thép C45 bằng súng phun HVOF làm mát bằng nước. Cỡ mẫu gồm 5 mẫu cho mỗi loại lớp phủ, được chuẩn bị bằng phương pháp phay CNC, hoạt hóa bề mặt bằng phun cát alumina để đạt độ nhám Ra từ 6,5 đến 7,0 μm.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • SEM/EDS: khảo sát hình thái bề mặt, phân tích thành phần nguyên tố.
  • XRD: xác định pha và cấu trúc tinh thể.
  • Đo độ nhám: sử dụng máy Mitutoyo SJ-410 theo tiêu chuẩn ISO 4288-1996.
  • Đo độ xốp: phân tích ảnh kim tương mặt cắt ngang bằng phần mềm SIAMS 700 theo tiêu chuẩn ASTM E2109-2014.
  • Đo độ cứng tế vi: theo tiêu chuẩn ISO 6507:2005, lực đo 300 gf, thời gian giữ tải 10 giây.
  • Thí nghiệm xói mòn xâm thực và ma sát mài mòn: đánh giá khả năng chống mài mòn và xói mòn của lớp phủ.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2023, bao gồm giai đoạn chuẩn bị vật liệu, phun phủ, kiểm tra và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của tỉ lệ WC-10Ni đến cấu trúc lớp phủ:
    Phân tích SEM/EDS cho thấy lớp phủ hỗn hợp NiCrBSi/WC-10Ni có cấu trúc đồng nhất, hạt WC phân bố đều trong ma trận NiCrBSi. Độ xốp của lớp phủ tăng nhẹ từ khoảng 2% ở NiCrBSi thuần đến khoảng 4,5% ở Ni30W, nhưng vẫn duy trì ở mức thấp, đảm bảo độ bền cơ học cao.

  2. Độ cứng tế vi tăng theo tỉ lệ WC-10Ni:
    Độ cứng tế vi của lớp phủ NiCrBSi đạt khoảng 600 HV, trong khi lớp phủ Ni30W đạt tới 1850-1900 HV, tăng gần 3 lần so với lớp phủ thuần. Điều này chứng tỏ sự gia cường hiệu quả của WC-10Ni đối với khả năng chống biến dạng của lớp phủ.

  3. Khả năng chống xói mòn xâm thực và ma sát mài mòn:
    Thí nghiệm xói mòn xâm thực cho thấy khối lượng mòn giảm từ 0,15 mg ở lớp NiCrBSi xuống còn khoảng 0,05 mg ở lớp Ni20W và Ni30W, tương ứng giảm hơn 65%. Hệ số ma sát cũng giảm từ 0,74 xuống còn 0,59 khi tăng tỉ lệ WC-10Ni, cho thấy lớp phủ hỗn hợp có khả năng chống mài mòn trượt khô tốt hơn.

  4. Tỉ lệ phối trộn tối ưu:
    Lớp phủ Ni20W (20% WC-10Ni) được đánh giá là có sự cân bằng tốt nhất giữa độ cứng, độ xốp và khả năng chống mài mòn, phù hợp cho ứng dụng phục hồi chi tiết máy trong điều kiện làm việc khắc nghiệt.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện đặc tính cơ học là do sự phân bố đồng đều các hạt WC cứng trong ma trận NiCrBSi, tạo ra hiệu ứng gia cường cơ học và giảm thiểu sự biến dạng khi chịu tải. Độ xốp thấp giúp tăng độ bền bám dính và giảm nguy cơ nứt gãy lớp phủ. So với các nghiên cứu trước đây về WC-Co, việc sử dụng WC-10Ni mang lại độ dai va đập cao hơn, phù hợp với các chi tiết chịu va đập và mài mòn phức tạp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh độ cứng tế vi, độ xốp và khối lượng mòn của các lớp phủ với tỉ lệ WC-10Ni khác nhau, giúp trực quan hóa hiệu quả của việc bổ sung WC-10Ni. Kết quả này cũng phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về lớp phủ composite NiCrBSi/WC, đồng thời mở rộng ứng dụng cho loại bột WC-10Ni đặc thù.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng lớp phủ NiCrBSi/WC-10Ni với tỉ lệ 20% WC-10Ni trong phục hồi chi tiết máy:
    Đề xuất sử dụng lớp phủ Ni20W để đạt hiệu quả tối ưu về độ cứng và khả năng chống mài mòn, giảm chi phí bảo trì trong vòng 1-2 năm tới. Chủ thể thực hiện là các nhà máy cơ khí và trung tâm sửa chữa thiết bị.

  2. Đầu tư trang thiết bị phun phủ HVOF hiện đại:
    Khuyến nghị các doanh nghiệp nâng cấp hoặc đầu tư hệ thống phun HVOF làm mát bằng nước để đảm bảo chất lượng lớp phủ đồng nhất, giảm biến dạng nhiệt và tăng năng suất phun. Thời gian thực hiện trong 6-12 tháng.

  3. Đào tạo kỹ thuật viên vận hành và kiểm tra chất lượng lớp phủ:
    Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về công nghệ phun phủ HVOF, kỹ thuật chuẩn bị mẫu và phương pháp đánh giá chất lượng lớp phủ nhằm nâng cao tay nghề và đảm bảo tiêu chuẩn kỹ thuật. Thời gian đào tạo 3-6 tháng.

  4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng lớp phủ cho các vật liệu nền khác:
    Khuyến khích nghiên cứu tiếp theo áp dụng lớp phủ NiCrBSi/WC-10Ni trên các loại thép hợp kim cao cấp hoặc vật liệu composite để đa dạng hóa ứng dụng trong công nghiệp chế tạo và sửa chữa. Thời gian nghiên cứu dự kiến 1-2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí và vật liệu:
    Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm chi tiết về ảnh hưởng của WC-10Ni đến lớp phủ NiCrBSi, hỗ trợ phát triển vật liệu mới và cải tiến công nghệ phun phủ.

  2. Doanh nghiệp sản xuất và sửa chữa chi tiết máy:
    Các công ty có nhu cầu nâng cao tuổi thọ chi tiết máy trong môi trường làm việc khắc nghiệt sẽ tìm thấy giải pháp lớp phủ hiệu quả, giảm chi phí bảo trì và tăng năng suất.

  3. Trung tâm đào tạo và nghiên cứu công nghệ phun phủ:
    Tài liệu là nguồn tham khảo quý giá cho việc giảng dạy và nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun phủ HVOF, đặc biệt về vật liệu composite kim loại-gốm.

  4. Cơ quan quản lý và phát triển công nghiệp:
    Luận văn cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ phục hồi chi tiết máy, góp phần nâng cao năng lực sản xuất trong nước.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn công nghệ phun HVOF để nghiên cứu lớp phủ NiCrBSi/WC-10Ni?
    HVOF cho vận tốc hạt phun cao (trên 1000 m/s), tạo lớp phủ có mật độ cao, độ bám dính tốt và độ xốp thấp, phù hợp với yêu cầu chống mài mòn và chịu nhiệt của lớp phủ NiCrBSi/WC-10Ni.

  2. Ảnh hưởng của tỉ lệ WC-10Ni đến đặc tính cơ học của lớp phủ như thế nào?
    Tỉ lệ WC-10Ni tăng làm độ cứng tế vi tăng gần 3 lần, khả năng chống xói mòn và ma sát mài mòn cải thiện đáng kể, tuy nhiên độ xốp cũng tăng nhẹ, cần cân bằng để đạt hiệu quả tối ưu.

  3. Lớp phủ NiCrBSi/WC-10Ni có thể ứng dụng trong những ngành công nghiệp nào?
    Phù hợp với ngành cơ khí chế tạo, khai thác dầu khí, đóng tàu, hàng không vũ trụ và các lĩnh vực cần lớp phủ chống mài mòn, chống ăn mòn trong môi trường khắc nghiệt.

  4. Phương pháp đánh giá độ xốp lớp phủ được thực hiện như thế nào?
    Đánh giá qua ảnh kim tương mặt cắt ngang lớp phủ, sử dụng phần mềm SIAMS 700 theo tiêu chuẩn ASTM E2109-2014, cho phép xác định chính xác tỷ lệ lỗ rỗng trong lớp phủ.

  5. Có thể áp dụng lớp phủ này trên vật liệu nền khác ngoài thép C45 không?
    Có thể, tuy nhiên cần nghiên cứu thêm để điều chỉnh thông số phun và tỉ lệ phối trộn phù hợp với tính chất vật liệu nền nhằm đảm bảo độ bám dính và hiệu suất lớp phủ.

Kết luận

  • Luận văn đã chứng minh thành phần WC-10Ni có ảnh hưởng tích cực đến cấu trúc và đặc tính cơ học của lớp phủ NiCrBSi/WC-10Ni, với độ cứng tế vi tăng lên tới 1900 HV và độ xốp duy trì dưới 5%.
  • Lớp phủ hỗn hợp Ni20W (20% WC-10Ni) được xác định là tỉ lệ phối trộn tối ưu, cân bằng giữa độ cứng, độ bền và khả năng chống mài mòn.
  • Công nghệ phun phủ HVOF được khẳng định là phương pháp hiệu quả để tạo lớp phủ chất lượng cao, phù hợp với các chi tiết máy làm việc trong môi trường khắc nghiệt.
  • Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng trong công nghiệp phục hồi và chế tạo chi tiết máy, góp phần nâng cao tuổi thọ và giảm chi phí bảo trì.
  • Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm mở rộng nghiên cứu ứng dụng trên vật liệu nền khác và phát triển quy trình công nghiệp cho lớp phủ NiCrBSi/WC-10Ni.

Quý độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển thêm các kết quả này nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và bảo trì trong ngành cơ khí hiện đại.