Phần mở đầu, bốn chƣơng chính, kết luận chung, tài liệu tham khảo và các phụ lục đính kèm. Phần tài liệu tham khảo gồm 158 tài liệu tham khảo, trong đó có 23 tài liệu tiếng việt và 135 tài liệu quốc tế gồm chủ yếu các bài báo khoa học quốc tế thuộc danh mục ISI uy tín. Các chƣơng chính của Luận án bao gồm: CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHUN PHỦ NHIỆT CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƢƠNG PHÁP PHUN HVOF CHƢƠNG 3: PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM VÀ KIỂM TRA ĐÁNH GIÁ CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN 5 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHUN PHỦ NHIỆT 1.1 Lịch sử phát triển phun phủ nhiệt Phun phủ nhiệt đƣợc phát minh bởi nhà khoa học M.
Schoop và đƣợc công bố đầu tiên vào năm 1910 [103]. Xuất phát từ vết của viên đạn chì bị phân tách, biến dạng và bám dính lên bề mặt bức tƣờng đá sau khi bị bắn cùng với một phƣơng pháp để chuẩn bị bột chì khi làm việc trong phòng thí nghiệm. Sau đó, Schoop đã phát triển một phƣơng pháp sản xuất bột chì mới dùng trong phun phủ. Nhờ đó Schoop đƣợc cấp bằng sáng chế độc quyền cho phƣơng pháp phun chì nóng chảy bằng súng phun cùng với khí nén ở áp suất cao.
Sau vài lần thử nghiệm, Schoop đã hoàn thành các loại súng phun thƣơng mại đầu tiên của mình [62], phƣơng pháp phun nhiệt đƣợc thực hiện trong những năm đầu tiên sau khi công bố đó là phun hồ quang điện. Trƣớc thềm chiến tranh thế giới thứ nhất, Schoop đã bán kỹ thuật phun cho công ty Metallizator (Đức), sau đó thiết bị này đã đƣợc bán và thuê tại Châu Âu và Hoa Kỳ. Đầu những năm 1920, một công ty ở Anh là Metallisation đƣợc thành lập, cùng thời điểm này các loại súng phun nhiệt đầu tiên ở Hoa Kỳ đƣợc sản xuất bởi Công ty Metallizing. Thời kỳ khủng hoảng bắt đầu từ năm 1929 công ty Metallizing vẫn tồn tại với tên Mogul.
Tuy nhiên, ở thời điểm đó phƣơng pháp phun nhiệt chƣa đủ thuyết phục dẫn tới các hoạt động thƣơng mại vẫn còn khó khăn. Một trong những công ty mới của Mogul vào giữa những năm 1930 là Metallizing Engineering Company Inc, sau này đƣợc gọi là Metco và hiện nay thuộc tập đoàn Oerlikon [62]. Đầu những năm 1940 khi chiến tranh thế giới thứ hai xảy ra, quân đội Hoa Kỳ bắt đầu mở những cuộc hội thảo cho mục đích sửa chữa thiết bị quân sự hạng nặng bằng phun nhiệt ở Trung Quốc, Miến Điện, Ấn Độ và Ý. Những năm tiếp theo đó đến nay, phun nhiệt đã trở thành một công nghệ xử lý bề mặt nổi bật trong số nhiều quy trình xử lý bề mặt khác 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 trƣớc đây. Sự phát triển của phun phủ nhiệt gắn liền với sự phát triển của thiết bị, vật liệu và phƣơng pháp phun phủ (hình 1. Đối với phƣơng pháp phun, các nhà nghiên cứu đã tìm ra các loại nguồn nhiệt để đƣa ra những phƣơng pháp phun mới nhƣ phun HVOF, phun nguội, phun laser, phun bể kim loại nóng chảy,. Các phƣơng pháp phun trên cơ sở ngày càng nâng cao tốc độ hạt và kiểm soát nhiệt độ hạt trong quá trình phun cũng nhƣ cải thiện điều kiện môi trƣờng phun để có chất lƣợng lớp phủ tốt nhất.
Thiết bị phun cũng đƣợc nghiên cứu chế tạo và đƣa vào ứng dụng nhiều loại đầu 6 phun khác nhau phục vụ cho các phƣơng 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 nhiệt đã đƣợc cải tiến đáng kể năng suất phun, thiết bị và dây chuyền phun tự động với độ ổn định và chất lƣợng ngày càng cao. Yếu tố công nghệ cũng đƣợc 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 các bít và oxit kim loại) đã đƣợc công bố [133].1 Lược đồ phát triển của thiết bị, quá trình và vật liệu phun nhiệt [133]. Phun phủ nhiệt phù hợp với hầu hết các vật liệu, ngoại trừ các hợp chất phân hủy do nhiệt cũng nhƣ 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. Điều này giúp cho lớp phủ phun nhiệt có thể tạo ra 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 tạo thành lớp phủ của các phƣơng pháp phun phủ nhiệt là khá cao so với nhiều công nghệ bề mặt khác, lớp phủ phun nhiệt có thể từ vài chục µm đến vài mm. Hơn nữa, 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 đƣợc ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp cũng nhƣ trong các ngành xây dựng cơ sở hạ tầng, y sinh học, điện tử.
Công nghệ phun phủ nhiệt đƣợc ứng dụng rộng rãi nhƣ vậy là do những đặc điểm quan trọng nhƣ [123]: 7 + Vật liệu phun đa dạng đáp ứng cho hầu hết các điều kiện làm việc của chi tiết + Tính chất luyện kim khi phun làm tăng độ bền mài mòn, độ cứng, và độ bền bám dính của lớp phủ và phù hợp với nhiều ứng dụng trong công nghiệp. + Tốc độ sản xuất phun nhiệt rất cao và thích hợp cho các bề mặt rộng. + Nhiệt lƣợng đầu vào cho các thành phần đƣợc phủ bằng phun nhiệt thấp, tính chất kim loại ít thay đổi và ít làm biến dạng bề mặt chi tiết đƣợc phun. + Chi phí sản xuất cho lớp phủ ở mức độ trung bình và thấp.
+ Phun phủ nhiệt đƣợc coi là công nghệ xanh, đặc biệt là so với mạ crôm cứng. Hiện nay phun kim loại đã và đang phát triển mạnh ở các nƣớc tiên tiến nhƣ Mỹ, Nhật, LB Nga, Anh, Pháp, Đức, Thụy Sĩ,. Ở các nƣớc 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 nhƣ: gốm kim loại, các loại, hợp kim,… Các nƣớc này cũng đã sử dụng phun kim loại cho mục đích phục hồi các chi tiết máy bị mòn và bảo vệ chống gỉ các kết cấu thép; sau đó cho nhiều mục đích khác. Năm 1987, ở Mỹ tạo lớp phun phủ keramic bằng công nghệ phun plasma đạt giá trị trên 2 tỷ USD [123].
Các công trình liên quan đến phun phủ nhiệt đƣợc công bố trong các tạp chí nhƣ: Lounutl của Công nghệ phun phủ (ASM International); Công nghệ phun phủ bề mặt (Elsevier); Kỹ thuật bề mặt (Maney) và một số tạp chí khác. Hằng năm đều có các hội nghị quốc tế về chuyên ngành này nhƣ: Hội nghị công nghệ xử lý nhiệt nhiệt quốc tế (IISC); Hội nghị RIPI; Hội nghị quốc tế về luyện kim và phun phủ. Các hiệp hội nhƣ: Hiệp hội phun phủ nhiệt Mỹ (ASM/TSS); Hiệp hội phun nhiệt châu Âu (FISA); Hiệp hội phun phủ nhiệt Nhật Bản (JTSS) các hiệp hội đều hoạt động trong việc thúc đẩy khoa học và công nghệ phun phủ nhiệt trên toàn thế giới. Ở các nƣớc tiên tiến đều có các viện nghiên cứu; các hiệp hội (ATSS); các tạp chí riêng và tiêu chuẩn cho chuyên ngành này nhƣ VDE, VDMA,… Một số hãng nổi tiếng về thiết bị, vật liệu phun phủ nhƣ: Plasma Technique; Castolin (Thụy sĩ); Metco Plasmaday; Dressez, Avko (Mỹ); 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 ngành công nghệ xử lý bề mặt [150].2 Các phƣơng pháp phun phủ nhiệt Ra đời từ đầu thế kỷ hai mƣơi với phƣơng pháp đầu tiên là phun hồ quang điện, cho đến nay đã có hàng chục phƣơng pháp phun nhiệt ra đời và phát triển. Việc ứng dụng các nguồn năng lƣợng vào trong các phƣơng pháp phun là cơ sở của các quá 8 trình phun khác nhau. Do đó, các quá trình phun nhiệt thƣờng đƣợc phân loại theo loại nguồn năng lƣợng đƣợc sử dụng để làm nóng nguyên liệu phun đƣợc trình bày trong hình 1.
Phun phủ nhiệt có nhiều phƣơng pháp khác nhau nhƣng tất cả đều có những đặc điểm chung và chỉ có sự khác nhau nhỏ về nguyên lý, hiệu suất, mức đầu tƣ, chi phí vận hành, khả năng sử dụng vật liệu lớp phủ, các tính chất của lớp phủ tạo thành. Do đó một số phƣơng pháp với hiệu suất và chất lƣợng lớp phủ tốt đƣợc ứng dụng phổ biến hơn [103].2 Sơ đồ phân loại các quá trình phun phủ nhiệt theo nguồn năng lượng [109] 1.1 Phun hồ quang điện (AS – Arc spray) Phƣơng pháp phun hồ quang điện do tiến sĩ Schoop phát minh vào năm 1910. Tuy nhiên, phải đến những năm 1960 quá trình phun này mới đƣợc chấp nhận và phát triển rộng rãi [151]. Quá trình phun hồ quang điện sử dụng nguồn năng lƣợng điện năng để tạo thành nhiệt nung chảy vật liệu phun thông qua hồ quang điện.
Hồ quang đƣợc hình thành giữa hai điện cực là hai dây phun đƣợc đẩy vào liên tục với tốc độ nhƣ nhau (hình 1. Tốc độ cấp dây đƣợc điều chỉnh tùy thuộc vào năng suất phun, độ dẫn điện của vật liệu phun thông qua dòng điện. Vật liệu nóng chảy đƣợc đẩy về phía bề mặt cần phun bằng một luồng không khí nén với áp suất cao. Ƣu điểm chính của quá trình phun hồ quang điện là đặc tính lắng đọng lớp phủ ở nhiệt độ thấp của vật liệu phun làm giảm thiểu sự gia nhiệt lên bề mặt nền phun so với các kỹ thuật phun phủ nhiệt khác.
Ngƣợc lại, một trong những nhƣợc điểm của phƣơng phƣơng pháp phun này là sự tạo thành độ xốp của lớp phủ cao và có thể làm giảm hiệu suất chống ăn mòn, xói mòn cũng nhƣ mài mòn của lớp phủ [149].3 Nguyên lý làm việc của súng phun hồ quang điện với dây phun [109] 1.
