CHƯƠNG 1.1 Tổng quan Các chi tiết máy và kết cấu làm việc trong nhiều môi trường khác nhau với những chế độ công tác rất khác nhau. Trong quá trình làm việc chúng không những phải chịu các tải trọng cơ học (kéo, nén, uốn, xoắn, hoặc đồng thời) mà còn phải chịu các tác động ăn mòn (như nhiệt độ cao, môi trường ăn mòn), xói mòn do sự va đập của các dòng lưu chất vào bề mặt chi tiết (như các chi tiết trong hệ thống thủy lực, cánh tua-bin, bơm thủy lực…) và các dạng phá hủy khác. Kết quả của các tác động này là sự suy giảm chất lượng bề mặt, thay đổi các kích thước làm việc ban đầu, dẫn tới hỏng hóc cục bộ hay hư hại toàn bộ chi tiết, kết cấu. Để nâng cao độ bền, tăng tuổi thọ của chi tiết và kết cấu, có nhiều giải pháp được áp dụng như bôi trơn, làm mát để giảm ma sát, hạn chế mài mòn, sơn phủ hoặc gắn thêm các khối kim loại lên bề mặt chi tiết làm việc trong điều kiện ăn mòn điện hóa… Tuy nhiên, các giải pháp trên chỉ áp dụng ở giai đoạn vận hành và bảo dưỡng máy, do đó quá trình mòn và hỏng chi tiết vẫn xảy ra thường xuyên.
Vì vậy, giải pháp triệt để nhất là lựa chọn vật liệu tốt và áp dụng các phương pháp nhiệt luyện, hóa nhiệt luyện, các phương pháp phun phủ và biến tính bề mặt. Trong nhiều trường hợp, bề mặt vật liệu được phủ một lớp bảo vệ với mục đích chống ăn mòn và mài mòn. Hiện nay, có rất nhiều phương pháp phổ biến được ứng dụng để phục hồi hoặc chế tạo mới bề mặt như: phương pháp hàn, hóa nhiệt, bốc bay, mạ, phun phủ. Riêng phương pháp phun phủ phục hồi bề mặt chi tiết cũng có nhiều công nghệ khác nhau như: phun hồ quang điện, phun khí cháy, phun oxy nhiên liệu tốc độ cao (HVOF), phun plasma, phun nổ, phun nguội,… Luận văn lựa chọn công nghệ phun phủ nhiệt để nghiên cứu, bởi công nghệ này này có những ưu điểm vượt trội như: phun được trên các bề mặt có diện tích lớn hoặc nhỏ, tạo được lớp phủ với chiều dày lên tới vài mm, có thể phun nhiều lớp với những vật liệu khác nhau để tạo các lớp phủ có tính chất đặc biệt, chi tiết phun ít bị ảnh hưởng nhiệt và biến dạng, phun được chi tiết có 2 hình dạng phức tạp, năng suất phun cao.
Trong các phương pháp phun phổ biến, phun HVOF cho lớp phủ có độ cứng và độ bền bám dính cao, độ xốp thấp, tăng khả năng chống mòn (do mài mòn, ăn mòn và xói mòn) so với lớp phủ cùng loại được phun bởi các phương pháp phun thông dụng khác. Phun phủ nhiệt được phát minh bởi nhà khoa học M. Schoop và được công bố đầu tiên vào năm 1910 [1]. Xuất phát từ vết của viên đạn chì bị phân tách, biến dạng và bám dính lên bề mặt bức tường đá sau khi bị bắn cùng với một phương pháp để chuẩn bị bột chì khi làm việc trong phòng thí nghiệm.
Sau đó, Schoop đã phát triển một phương pháp sản xuất bột chì mới dùng trong phun phủ. Nhờ đó Schoop được 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 thương mại đầu tiên, phương pháp phun nhiệt được thực hiện trong những năm đầu tiên sau công bố đó là phun hồ quang điện. Đối với phương pháp phun, các nhà nghiên cứu đã tìm ra các loại nguồn nhiệt để đưa ra những phương pháp phun mới như phun HVOF, phun nguội, phun laser, phun bể kim loại nóng chảy,.
Các phương pháp phun trên cơ sở ngày càng nâng cao tốc độ hạt và kiểm soát nhiệt độ hạt trong quá trình phun cũng như cải thiện điều kiện môi trường phun để có chất lượng lớp phủ tốt nhất. Thiết bị phun cũng được nghiên cứu chế tạo và đưa vào ứng dụng nhiều loại đầu 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 nhiệt đã được 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 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 [8]. Lược đồ phát triển của thiết bị, quá trình và vật liệu phun nhiệt 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. 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 phương 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 được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp cũng như trong các ngành xây dựng cơ sở hạ tầng, y sinh học, điện tử. Crom cacbit có độ cứng cao và có đặc tính chống ăn mòn tốt, độ cứng ở nhiệt độ cao khá tốt [9]. Nhờ các tính chất này, crom cacbit được ứng dụng như một thành phần gia cường cho các hợp kim. Khi các hạt crom cacbit được bổ sung vào hợp kim, nó sẽ cải thiện khả năng chịu mài mòn và chống ăn mòn của kim loại và duy trì các 4 tính chất này ở nhiệt độ cao.
Crom cacbit có thể tồn tại ở 3 dạng cấu trúc tinh thể khác nhau, tương ứng với 3 thành phần hóa học [9]: Cr23C6, Cr7C3 và Cr3C2, trong đó Cr3C2 có độ bền cao nhất, độ cứng lên đến 2280HV và là dạng crom cacbit được sử dụng nhiều nhất trong thực tế. Cr3C2 rất cứng, trơ về mặt hóa học, hệ lớp phủ gốm này có độ bền chống mài mòn rất cao, độ bền nhiệt lên đến 800-900C [6] và khả năng chống ăn mòn trong các môi trường có tác nhân gây xói mòn [7].2 cho thấy lớp phủ có chứa thành phần crom cacbit (WC-Cr3C2-Ni) có tốc độ xói mòn thấp hơn so với WC-Ni và thép không gỉ ở các góc phun xói mòn khác nhau. Tốc độ xói mòn của lớp phủ gốm kim loại WC-Cr3C2-Ni, WC-Ni và thép không gỉ ở các góc phun xói mòn khác nhau Công nghệ mạ crom cứng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp do có khả năng chống mài mòn và chống ăn mòn tốt. Tuy nhiên, quá trình mạ crom VI gây ô nhiễm môi trường và sức khỏe con người.
Vì vậy, ở các nước tiên tiến, công nghệ phun phủ nhiệt đã dần thay thế phương pháp mạ crom truyền thống. Gốm kim loại cacbua vonfram (WC) bao gồm các hạt WC được nhúng trong một ma trận kim loại, kết hợp các ưu điểm của cả độ cứng và độ bền cao [10], [11]. Gốm kim loại dựa trên WC là vật liệu phủ có đặc tính cơ học toàn diện và giúp nâng cao tuổi thọ của các bộ phận khác nhau (ví dụ: đường ống, van, máy bơm cánh gạt…) 5 [10], [11]. Gốm kim loại WC-Co được nhiều tài liệu nghiên cứu cho các lớp phủ chống mài mòn [10], [11].
Mặc dù có khả năng chống mài mòn vượt trội, nhưng khả năng chống ăn mòn của gốm kim loại dựa trên WC phụ thuộc chủ yếu vào pha kết dính, tức là Co, Ni, CoCr và NiCr [14]. Nguồn Co hạn chế cản trở việc sử dụng gốm kim loại WC-Co trên quy mô lớn. Cả khả năng chống mài mòn cao và khả năng chống ăn mòn tuyệt vời đều được yêu cầu đối với một số ứng dụng [12], [13]. Do có cấu trúc tương tự và khả năng chống ăn mòn vượt trội, niken (Ni) được coi là một chất thay thế cho Co trong gốm kim loại [12], [13].
Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để khảo sát quan hệ cấu trúc-tính chất của gốm kim loại WC-Ni. So với gốm kim loại dựa trên WC, gốm kim loại dựa trên Cr3C2 hoạt động tốt hơn trong điều kiện làm việc khắc nghiệt ở nhiệt độ cao lên tới 650°C-900°C [6], [14]. Hệ số ma sát của lớp phủ Cr3C2-NiCr và Cr3C2-WC-NiCoCrMo ở các nhiệt độ khác nhau WC và Cr3C2 được kết hợp để tận dụng khả năng chống mài mòn cao của WC và khả năng chống ăn mòn tốt của Cr3C2 [14]–[16]. Đặc biệt, Cr3C2 kích thước nano ức chế sự phát triển hạt của WC trong quá trình thiêu kết.
Khi sử dụng Ni thay vì Co làm vật liệu kết dính và bổ sung crom cacbit (Cr3C2) vào pha kết dính, khả năng chống ăn mòn của lớp phủ tăng lên [17]. 6 Các loại lớp phủ gốm kim loại khác nhau hiện đang được sử dụng trong các ngành công nghiệp, lớp phủ dựa trên thành phần WC (WC-Co, WC-Co-Cr) và Cr3C2 (Cr3C2-NiCr) và WC- Cr3C2-Ni…[1]. Lớp phủ dựa trên WC được tạo thành từ các hạt WC bằng gốm cứng được nhúng trong một ma trận kim loại, vì vậy hệ các lớp phủ này có độ dẻo dai được cải thiện và tăng khả năng chống mài mòn. Ứng dụng của các lớp phủ dựa trên WC được giới hạn trong khoảng 550oC, trong khi đó, lớp phủ WC- Cr3C2-Ni sở hữu khả năng chống mài mòn và oxy hóa tốt hơn so với vật liệu dựa trên cacbua vonfram với nhiệt độ hoạt động từ 850oC [2]–[4].
Hợp kim hóa Cr3C2 với pha WC với Ni làm chất kết dính cải thiện nhiệt độ cao và sự ăn mòn điện trở của lớp phủ [5]. Lớp phủ gốm kim loại được sử dụng để bảo vệ vật liệu nền chống lại các loại các điều kiện mòn như mài mòn, ăn mòn và trượt.