Tổng quan luận án

Trong ngành công nghiệp hóa chất và sản xuất phân bón, hiện tượng mài mòn cơ học kết hợp ăn mòn hóa học (mòn cơ - hóa) phá hủy nghiêm trọng các chi tiết máy làm việc trong môi trường động học chứa axit flohydric (HF) và nhiệt độ cao. Khảo sát thực tế tại Công ty Cổ phần Supe Phốt phát và Hóa chất Lâm Thao cho thấy các thiết bị vận hành trong môi trường chứa tới 10% HF, 4% $\text{H}_2\text{SiF}_6$, nhiệt độ 70°C cùng các hạt rắn quặng kích thước $\le 0{,}2\text{ mm}$ có tuổi thọ rất ngắn. Điển hình, cánh quạt hút khí flo chế tạo từ thép không gỉ SUS304 hoặc SUS316L chỉ hoạt động được từ 1 đến 2 tháng, trong khi bơm bùn quặng apatit làm bằng gang hợp kim chỉ đạt tuổi thọ khoảng 3 tháng trước khi bị xâm thực, mất cân bằng động và phá hủy.

Cacbit silic (SiC) là vật liệu gốm có độ cứng cao (xấp xỉ 69 HRC), nhiệt độ nóng chảy $2730^\circ\text{C}$ và có khả năng chống chịu hóa chất, không phản ứng với các axit mạnh kể cả hỗn hợp axit $\text{HF} + \text{HNO}_3$. Tuy nhiên, việc tạo lớp phủ SiC nguyên chất bằng công nghệ phun phủ nhiệt gặp phải rào cản kỹ thuật lớn: SiC bị phân hủy nhiệt thành Si và C ở dải nhiệt độ $900^\circ\text{C} - 1100^\circ\text{C}$ trong môi trường không khí trước khi nóng chảy hoàn toàn. Khoảng trống nghiên cứu đặt ra là chưa có công trình nào tại Việt Nam chế tạo thành công lớp phủ plasma SiC trên nền thép nhằm ứng dụng chống ăn mòn hóa học kết hợp mài mòn cơ học trong môi trường axit chứa flo. Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp phủ cacbit si líc lên bề mặt thép để bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường axít chứa flo" (Chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Mã số: 9520103) của Viện Nghiên cứu Cơ khí được thực hiện nhằm giải quyết bài toán này.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án gồm:

  1. Tạo ra được lớp phủ plasma SiC-Cu lên bề mặt thép nền.
  2. Nghiên cứu các tính chất quan trọng của công nghệ tạo lớp phủ plasma SiC-Cu lên bề mặt thép nhằm ứng dụng bảo vệ chống ăn mòn cho các chi tiết máy làm việc trong môi trường chứa flo.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Khảo sát ảnh hưởng của ba thông số công nghệ phun plasma chính gồm cường độ dòng điện hồ quang ($I$), khoảng cách phun ($L$) và lưu lượng cấp bột ($M$) đến chất lượng lớp phủ plasma trên cơ sở SiC trên bề mặt thép.
  • Phạm vi nghiên cứu: Chế tạo và khảo sát lớp phủ compozit SiC-Cu trên nền thép C45 và thép không gỉ SUS304; đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật chính gồm chiều dày lớp phủ, độ bền bám dính, độ cứng tế vi, độ xốp, thành phần pha và khả năng chống mòn - ăn mòn trong dung dịch $\text{NaCl } 3{,}5%$ cũng như trong môi trường thực tế mô phỏng chứa axit $\text{HF} + \text{H}_2\text{SO}_4$ và hạt rắn mài mòn ở $70^\circ\text{C}$.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tài liệu trong luận án được phân tích theo hai nhóm nghiên cứu trong nước và quốc tế về công nghệ phun phủ nhiệt và vật liệu SiC:

  1. Tình hình nghiên cứu trong nước:

    • Các nghiên cứu ban đầu tập trung vào phun hồ quang điện để tạo lớp phủ kẽm, nhôm chống ăn mòn khí quyển (Viện Nghiên cứu Cơ khí, Liên doanh Dầu khí Vietsovpetro, Viện Năng lượng - Mỏ, Viện Công nghệ Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng).
    • Nghiên cứu phục hồi chi tiết chịu mài mòn cơ học: Uông Sỹ Áp (2006, Đề tài KC 05.2006) phun bột $\text{ZrO}_2\text{-182}$ trên nền hợp kim Nimonic 263 với lớp đệm NiCrAlY đạt độ bám dính $378\text{ kG/cm}^2$; Nguyễn Quốc Vũ (Đề tài 256-08 RD/HĐ-KHCN) phun plasma bột $75\text{Cr}_3\text{C}_2\text{-25NiCr}$ phục hồi lô sấy; Đinh Văn Chiến (2009, Đề tài 01C-01/04-2009-2) nghiên cứu phun nổ bột hợp kim NiCr phục hồi trục khuỷu xe tải CAT 773E; Lục Vân Thương và Hoàng Văn Châu nghiên cứu phun plasma bột WC, $\text{ZrO}_2\text{-182}$ trên nền trục CNC; các luận án của Trần Văn Dũng, Phạm Văn Liệu, Nguyễn Mạnh Tuế, Hoàng Thành Long, Nguyễn Thế Luân, Nguyễn Mạnh Khương ứng dụng phun phủ phục hồi các chi tiết trục mỏ và thiết bị dầu khí.
    • Đánh giá vị trí: Hầu hết các công trình trong nước mới chỉ dừng lại ở bài toán chịu mòn cơ học thuần túy hoặc chống gỉ khí quyển, chưa có công trình nào nghiên cứu chế tạo lớp phủ plasma trên cơ sở SiC để chống ăn mòn hóa học khắc nghiệt trong môi trường chứa axit flo.

  2. Tình hình nghiên cứu quốc tế:

    • Về công nghệ phun nhiệt và vật liệu compozit gốm - kim loại: Nilsson và cộng sự phát triển bột hợp kim C-Si-B-Fe-Cr-W-Co-Ni; Warren Nelson nghiên cứu lớp phủ hai lớp MCrAlY/polyester; Marcus Kennedy và Picas khảo sát lớp phủ CrNi20 và Fe-Cr-V bằng HVOF thay thế mạ crom cứng; La Barbera-Sosa phân tích cấu trúc dị hướng của lớp phủ nền Ni; Min-su Han nghiên cứu điện hóa lớp phủ WC-27NiCr và WC-10Co4Cr trong nước biển; Jie Chen nghiên cứu áp suất buồng đốt HVOF khi phun thép 316L.
    • Về lớp phủ SiC: Bartuli, Alosime, Baoxia Ma và Jinyou Li nghiên cứu lớp phủ plasma hệ $\text{ZrB}_2\text{-SiC}$; Fahmi Mubarok (2014, Đại học Oslo) khảo sát phun plasma huyền phù hạt vi mô SiC; Samarin Peter (Đại học Bauman) sử dụng laser xử lý lớp phủ compozit SiC-Al; Kang và cộng sự nghiên cứu compozit nền kim loại Cu/SiC tạo pha $\text{Cu}_3\text{Si}$ và cacbon tự do; Lee và cộng sự xác định sự tạo thành $\text{Cu}_7\text{Si}$ tại biên giới Cu/SiC ở $1100^\circ\text{C}$; Hahnel công bố cơ chế 4 giai đoạn oxy hóa SiC thành $\text{SiO}_2$, $\text{SiO}$ và CO khi tiếp xúc với oxy ở nhiệt độ cao.
    • Ba hướng tiếp cận chính trên thế giới gồm: phun dòng rất cao để làm chảy SiC, phun hỗn hợp SiC với gốm khác để tạo pha eutectic nhiệt độ thấp, và phun plasma dòng thấp tạo lớp cermet SiC/kim loại liên kết.

Khoảng trống nghiên cứu được lựa chọn: Luận án lựa chọn hướng tiếp cận tạo lớp phủ compozit SiC-Cu bằng công nghệ phun plasma khí quyển (APS), kết hợp giải pháp cải tiến súng phun có chụp khí trơ Argon bảo vệ để ngăn chặn quá trình oxy hóa/phân hủy SiC, đồng thời sử dụng giải pháp thẩm thấu polytetrafluoroethylene (PTFE) để triệt tiêu độ xốp mao dẫn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

Luận án dựa trên các lý thuyết hình thành lớp phủ nhiệt:

  • Lý thuyết động lực học và nhiệt học hạt phun: Tổng hợp từ các mô hình của Pospisil - Sehyl, Schoop, Karg, Katsch, Reininger và Schenk. Quá trình hình thành lớp phủ trải qua 4 giai đoạn: nung nóng nóng chảy vật liệu bột trong dòng plasma; phân tán thành giọt lỏng; chuyển động bay trong môi trường; va đập, biến dạng dẻo thành dạng đĩa mảnh ($h/d \approx 1/10 - 1/20$) và kết tinh trên bề mặt nền.
  • Áp suất va đập: Phân tích thành áp suất xung $P_2 = \frac{1}{2}\xi \rho_1 C V$ (tác dụng làm sạch bề mặt và biến dạng hạt trong thời gian $10^{-9}\text{ s}$) và áp suất thế năng $P_1 = \frac{1}{2}\rho_1 V^2$ (duy trì tương tác liên kết trong suốt quá trình nguội).
  • Hiện tượng phân hủy và phản ứng hóa học: $$\text{SiC} + 3\text{Cu} \rightarrow \text{C} + \text{Cu}_3\text{Si} \quad (\text{ở } T < 900^\circ\text{C})$$ $$\text{SiC} + 3\text{O}_2 \rightarrow 2\text{SiO}_2 + 2\text{CO}$$ $$\text{SiC} + \text{O}_2 \rightarrow \text{SiO} + \text{CO}$$

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm định lượng kết hợp phân tích cấu trúc vật liệu:

  • Hệ thống phun phủ: Hệ thống phun plasma Praxair Model 3170 (công suất nguồn 40 kW) với súng phun SG-100 được lắp thêm chụp khí bảo vệ Argon (áp suất cấp khí Ar $0{,}04\text{ MPa}$ tương đương 5 Psi, khe hở vòng khí $0{,}1\text{ mm}$, diện tích khe hở $\approx 9\text{ mm}^2$).
  • Vật liệu chế tạo:
    • Bột gốm SiC: Hãng Ermakchim (Nga), độ sạch $\text{SiC} > 80%$, kích thước hạt $40 - 50,\mu\text{m}$, khối lượng riêng $3{,}2\text{ g/cm}^3$, cấu trúc tinh thể lục giác.
    • Bột kim loại Cu: Hãng Guangzhou Hongwu Material Technology (Trung Quốc), độ sạch $> 95%$, dạng vảy kích thước $\approx 30,\mu\text{m}$, khối lượng riêng $8{,}96\text{ g/cm}^3$.
    • Kim loại nền: Thép C45 kích thước $50 \times 50 \times 4\text{ mm}$ và thép không gỉ SUS304; được xử lý bề mặt bằng phun cát $\text{Al}_2\text{O}_3$ dưới áp lực $0{,}4\text{ MPa}$, đạt độ sạch và độ nhám Sa 3 theo tiêu chuẩn EN ISO 8501-1.
    • Vật liệu điền đầy: Dung dịch PTFE thẩm thấu mao dẫn và sấy gia nhiệt.
  • Phương pháp và thiết bị kiểm tra:
    • Độ dày lớp phủ: Thiết bị đo cảm ứng từ cầm tay.
    • Độ bền bám dính: Thiết bị kéo đứt pháp tuyến Positest-AT-M (Defelsko - Mỹ).
    • Độ cứng tế vi: Thiết bị đo độ cứng HH-401 (Mitutoyo - Nhật Bản).
    • Độ xốp: Kính hiển vi quang học Axiokop 2 MAT MOT (Đức) kết hợp phần mềm phân tích ảnh AxioVision.
    • Hình thái và vi cấu trúc: Kính hiển vi điện tử quét (SEM).
    • Thành phần nguyên tố và pha: Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS/EDX) và phổ nhiễu xạ tia X (XRD).
    • Đánh giá điện hóa: Phương pháp đo điện thế hở mạch (OCP), đường cong phân cực thế động và phổ tổng trở điện hóa (EIS) trên hệ 3 điện cực trong dung dịch $\text{NaCl } 3{,}5%$.
    • Đánh giá mòn tổng hợp: Thiết bị thử nghiệm mòn hỗn hợp chuyên dụng mô phỏng môi trường chứa dung dịch axit $10% \text{ HF} + 20% \text{ H}_2\text{SO}_4$ cùng hạt rắn mài mòn kích thước $0{,}2\text{ mm}$ ở nhiệt độ $70^\circ\text{C}$ với tốc độ quay $1000\text{ vòng/phút}$ trong thời gian 136 giờ.
  • Phương pháp quy hoạch thực nghiệm: Quy hoạch trực giao toàn phần $3^3$ và phân tích phương sai ANOVA để xác định mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ ($I, L, M$) và tối ưu hóa đa mục tiêu.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về lớp phủ nhiệt chống ăn mòn

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở dữ liệu về công nghệ phun phủ nhiệt trên thế giới và tại Việt Nam. Tác giả phân tích tính năng chống ăn mòn của các loại vật liệu gốm trong các môi trường hóa chất khác nhau:

Loại vật liệu $\text{H}_2\text{SO}_4\text{ 98}%$ ($100^\circ\text{C}$) $\text{HNO}_3\text{ 70}%$ ($100^\circ\text{C}$) $\text{HCl 25}%$ ($70^\circ\text{C}$) $\text{HF 10}% + \text{HNO}_3\text{ 57}%$ ($25^\circ\text{C}$)
Si / SiC compozit (12% Si) $55{,}0\text{ mg/cm}^2\text{.năm}$ $0{,}5\text{ mg/cm}^2\text{.năm}$ $0{,}0\text{ mg/cm}^2\text{.năm}$ $> 1000\text{ mg/cm}^2\text{.năm}$
Cacbit Vonfram (6% Co) $> 1000\text{ mg/cm}^2\text{.năm}$ $> 1000\text{ mg/cm}^2\text{.năm}$ $72{,}0\text{ mg/cm}^2\text{.năm}$ $> 1000\text{ mg/cm}^2\text{.năm}$
Oxit Nhôm (99%) $65{,}0\text{ mg/cm}^2\text{.năm}$ $7{,}0\text{ mg/cm}^2\text{.năm}$ - $16{,}0\text{ mg/cm}^2\text{.năm}$
Cacbit Silic (0% Si) $1{,}8\text{ mg/cm}^2\text{.năm}$ $< 0{,}2\text{ mg/cm}^2\text{.năm}$ $< 0{,}2\text{ mg/cm}^2\text{.năm}$ $< 0{,}2\text{ mg/cm}^2\text{.năm}$

Dữ liệu thực nghiệm chứng minh SiC nguyên chất có độ trơ hóa học cao nhất trong môi trường axit flohydric ($< 0{,}2\text{ mg/cm}^2\text{.năm}$). Phân tích các nghiên cứu quốc tế chỉ ra SiC không thể tạo màng đơn pha bằng phun nhiệt thông thường do phân hủy trước khi nóng chảy; giải pháp khả thi là phối trộn với pha liên kết đồng (Cu) và bổ sung chụp khí bảo vệ trơ.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết về công nghệ phun phủ plasma

Chương này phân tích sâu cơ chế tương tác nhiệt động học của dòng plasma với các phần tử bột bay. Sự phân bố nhiệt lượng phụ thuộc vào công suất hiệu dụng $N = q / I\cdot U$ và hàm mật độ phân bố nhiệt Gauss $q_2(r) = q_{2m}\exp(-kr^2)$. Tác giả làm rõ ảnh hưởng của các yếu tố:

  1. Kích thước hạt ($W$): Hạt SiC kích thước $40 - 50,\mu\text{m}$ kết hợp hạt Cu dạng vảy $30,\mu\text{m}$ cho phép các hạt Cu nóng chảy bao bọc lấy hạt SiC chưa nóng chảy.
  2. Cường độ dòng điện ($I$): Quyết định entanpi dòng plasma; dòng điện quá cao làm tăng phân hủy SiC, dòng quá thấp không đủ làm chảy pha Cu.
  3. Khoảng cách phun ($L$): Ảnh hưởng đến vận tốc va đập và thời gian bay; khoảng cách quá ngắn gây quá nhiệt nền, quá dài làm nguội hạt và giảm tốc độ.
  4. Lưu lượng cấp bột ($M$): Ảnh hưởng đến mật độ hạt trong ngọn lửa; lưu lượng quá lớn làm giảm nhiệt độ nung hạt, lưu lượng quá nhỏ gây cháy hạt và giảm năng suất.

Chương 3: Vật liệu và phương pháp nghiên cứu

Chương 3 trình bày chi tiết quy trình chuẩn bị mẫu, đặc tính nguyên liệu và giải pháp cải tiến thiết bị:

  • Chế tạo và thử nghiệm chụp khí bảo vệ Argon lắp trên súng phun SG-100: với khoảng cách phun $45\text{ mm}$, khe hở vòng khí $0{,}1\text{ mm}$, áp suất cấp khí Ar $\ge 4{,}5\text{ Psi}$ ($0{,}04\text{ MPa}$) cho phép ngăn cách không khí ngoài, giảm tỷ lệ oxy trong lớp phủ xuống mức $2%$.
  • Thiết lập quy trình thẩm thấu PTFE: dung dịch monomer lỏng thâm nhập sâu vào các mao quản và lỗ rỗ xốp của lớp phủ compozit SiC-Cu, sau đó được sấy và trùng hợp tạo màng kín trơ hóa học.
  • Xây dựng mô hình thiết bị thử nghiệm mòn hỗn hợp có cánh khuấy với dung dịch $10% \text{ HF} + 20% \text{ H}_2\text{SO}_4$ và bùn quặng mài mòn để kiểm tra tổn hao khối lượng theo thời gian thực.

Chương 4: Chế tạo và phân tích, đánh giá các lớp phủ plasma SiC trên nền thép

Chương 4 thực hiện các khảo sát thực nghiệm đối chứng:

  • Phun lớp phủ đơn SiC: Khi phun trong không khí không có chất kết dính, SiC bị oxy hóa tạo $\text{SiO}_2$, lớp phủ có độ xốp cao, liên kết cơ học yếu và dễ bong tróc.
  • Phun lớp phủ compozit SiC-Cu: Thử nghiệm hai tỷ lệ phối trộn SiC-30%Cu (SiC-30Cu) và SiC-50%Cu (SiC-50Cu).
    • Khi phun không có khí bảo vệ: Lớp phủ xuất hiện pha $\text{Cu}_3\text{Si}$ và oxit.
    • Khi phun có chụp khí bảo vệ Ar: Phổ XRD và EDS cho thấy giữ nguyên được các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng của SiC và Cu, hạn chế tối đa pha phân hủy.
  • Tính chất điện hóa và tổn hao mòn:
    • Trong dung dịch $\text{NaCl } 3{,}5%$, mẫu thép C45 không phủ có dòng ăn mòn $i_{\text{corr}}$ cao và điện thế $E_{\text{corr}}$ âm hơn. Mẫu phủ SiC-50Cu có khí Ar và thẩm thấu PTFE làm tăng điện trở truyền điện tích ($R_{ct}$) và điện trở lớp màng ($R_{seal}$), làm giảm mật độ dòng ăn mòn đi nhiều bậc độ lớn.
    • Trong môi trường mòn hỗn hợp axit chứa HF sau 136 giờ: mẫu thép C45 và thép SUS304 bị ăn mòn rỗ và tổn thất khối lượng lớn; mẫu phủ SiC-50Cu kết hợp thẩm thấu PTFE duy trì được bề mặt ổn định, lượng tổn hao khối lượng giảm rõ rệt.

Chương 5: Xác định bộ thông số công nghệ phun plasma SiC-50Cu trên nền thép C45

Chương 5 tiến hành quy hoạch thực nghiệm trực giao $3^3$ với 3 yếu tố khảo sát ở 3 mức:

  • Cường độ dòng điện $I$: 450 A, 500 A, 550 A.
  • Khoảng cách phun $L$: 90 mm, 100 mm, 110 mm.
  • Tốc độ cấp bột $M$: 25 g/phút, 30 g/phút, 35 g/phút.

Các chỉ tiêu đầu ra được đo đạc và phân tích phương sai (ANOVA):

  • Độ bền bám dính ($\sigma$, MPa).
  • Độ xốp khả kiến ($P$, %).
  • Độ cứng tế vi ($D$, HV).
  • Hàm lượng SiC giữ lại trong lớp phủ ($H$, %).

Kết quả giải bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu đồng thời cho 4 chỉ tiêu ($\sigma, P, D, H$) đã xác định được bộ thông số công nghệ hợp lý để chế tạo lớp phủ compozit SiC-50Cu trên nền thép C45.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  1. Làm rõ cơ chế hình thành lớp phủ compozit SiC-Cu: Xác định được bản chất tương tác giữa hạt SiC và pha kết dính Cu trong ngọn lửa plasma; chứng minh việc sử dụng bột Cu bao bọc đóng vai trò là chất truyền nhiệt, kết dính và che chắn ngăn SiC tiếp xúc với nhiệt độ quá cao gây phân hủy.
  2. Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm và ANOVA: Xác lập mô hình định lượng mô tả mối quan hệ giữa các thông số công nghệ ($I, L, M$) với các chỉ tiêu cơ - lý - hóa của lớp phủ plasma SiC-Cu trên nền thép C45.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp công nghệ

  1. Cải tiến thiết bị phun plasma: Thiết kế, chế tạo thành công chụp khí bảo vệ Argon lắp tích hợp trên đầu súng phun SG-100 với áp suất làm việc $\ge 0{,}04\text{ MPa}$, giải quyết triệt để hiện tượng oxy hóa vật liệu trong quá trình phun plasma khí quyển.
  2. Quy trình công nghệ hoàn thiện: Đưa ra giải pháp thẩm thấu nhiệt PTFE vào lớp phủ SiC-Cu để bịt kín lỗ rỗ mao dẫn, nâng cao khả năng chống ăn mòn hóa học trong môi trường axit chứa flo.
  3. Chế tạo thiết bị thử nghiệm chuyên dụng: Thiết kế bộ thiết bị thử mòn hỗn hợp mô phỏng đúng điều kiện làm việc thực tế tại nhà máy hóa chất (axit $\text{HF} + \text{H}_2\text{SO}_4$, bùn quặng, nhiệt độ $70^\circ\text{C}$, khuấy động học).
  4. Ứng dụng thực tế: Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở công nghệ để tạo lớp phủ bảo vệ nâng cao tuổi thọ cho cánh quạt hút khí flo và cánh bơm bùn axit tại Công ty Cổ phần Supe Phốt phát và Hóa chất Lâm Thao.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Nghiên cứu tập trung vào tỷ lệ bột SiC-50%Cu trên nền thép C45 và SUS304; chưa mở rộng khảo sát các tỷ lệ hạt mịn nano-SiC hoặc các hệ kim loại liên kết đa thành phần khác.
    • Thử nghiệm mòn hỗn hợp được thực hiện trong thời gian 136 giờ ở quy mô phòng thí nghiệm mô phỏng, cần thêm các dữ liệu theo dõi dài hạn khi vận hành liên tục trong dây chuyền sản xuất công nghiệp nhiều tháng.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Khảo sát ảnh hưởng của việc xử lý nhiệt sau khi phun phủ đến sự phân bố ứng suất dư và tổ chức pha của lớp phủ compozit SiC-Cu.
    • Nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun plasma có khí bảo vệ để tạo lớp phủ gốm SiC trên các chi tiết có hình học phức tạp khác trong ngành hóa chất và khai thác mỏ.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao cho:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Công nghệ Vật liệu, Công nghệ Hàn và Xử lý bề mặt; đặc biệt là phương pháp tiếp cận công nghệ phun plasma khí quyển cải tiến và giải pháp xử lý lỗ xốp bằng polyme.
  • Kỹ sư và cán bộ kỹ thuật tại các nhà máy hóa chất, luyện kim, tuyển khoáng: Tham khảo quy trình công nghệ tạo lớp phủ bảo vệ chi tiết cánh bơm, cánh quạt làm việc trong môi trường xâm thực chứa axit flohydric, axit sunfuric và bùn quặng hạt rắn.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao không thể tạo lớp phủ bảo vệ bằng 100% bột SiC nguyên chất bằng phương pháp phun plasma thông thường?

Do SiC có đặc tính tự nhiên là bị phân hủy nhiệt ở nhiệt độ cao ($900^\circ\text{C} - 1100^\circ\text{C}$) trong môi trường không khí trước khi đạt tới điểm nóng chảy ($2730^\circ\text{C}$). Khi phun SiC đơn pha, vật liệu bị oxy hóa mạnh thành $\text{SiO}_2$, $\text{SiO}$ và giải phóng khí CO, làm lớp phủ thu được bị xốp, độ bám dính kém và mất đi tính năng chống mài mòn - ăn mòn của SiC.

2. Vai trò của bột đồng (Cu) trong lớp phủ compozit SiC-Cu là gì?

Đồng có nhiệt độ nóng chảy thấp ($1085^\circ\text{C}$), trong quá trình phun sẽ nóng chảy trước tạo thành pha lỏng bao bọc các hạt SiC cứng ($40 - 50,\mu\text{m}$). Đồng đóng vai trò chất kết dính cơ học gắn các hạt SiC với nhau và liên kết chặt chẽ với nền thép C45, đồng thời che chắn cho hạt SiC không bị phân hủy bởi nhiệt độ cao của hồ quang plasma. Ngoài ra, Cu là kim loại trơ trong các môi trường axit không có tính oxy hóa như HF.

3. Súng phun plasma SG-100 được cải tiến như thế nào để bảo vệ luồng bột phun?

Tác giả đã thiết kế và chế tạo một chụp khí trơ gắn trên đầu súng phun SG-100. Khí Argon được cấp vào chụp khí với áp suất $\ge 4{,}5\text{ Psi}$ ($0{,}04\text{ MPa}$) qua khe hở vòng khí $0{,}1\text{ mm}$ (tổng diện tích $\approx 9\text{ mm}^2$), tạo thành một màng khí hình nón bao quanh luồng plasma và bề mặt nền, ngăn cách hoàn toàn vùng phun với oxy không khí, giảm hàm lượng oxy trong lớp phủ xuống chỉ còn $2%$.

4. Tại sao cần sử dụng giải pháp thẩm thấu PTFE sau khi phun phủ?

Mọi lớp phủ phun nhiệt đều tồn tại độ xốp mao dẫn tự nhiên. Các lỗ xốp này cho phép dung dịch axit flo thẩm thấu xuyên qua lớp phủ tiếp xúc với kim loại nền, gây ăn mòn phá hủy từ bên trong. Polytetrafluoroethylene (PTFE) là polyme có tính trơ hóa học tuyệt đối với mọi axit kể cả HF và chịu nhiệt đến $300^\circ\text{C}$. Việc thẩm thấu dung dịch PTFE lỏng vào các mao quản và gia nhiệt trùng hợp giúp lấp đầy toàn bộ lỗ xốp, làm kín bề mặt và tăng đáng kể điện trở phân cực của hệ lớp phủ.

5. Ba thông số công nghệ nào được khảo sát để tối ưu hóa chất lượng lớp phủ trong luận án?

Ba thông số công nghệ chính được khảo sát trong thực nghiệm trực giao $3^3$ gồm: Cường độ dòng điện hồ quang plasma $I$ ($450 - 550\text{ A}$), Khoảng cách phun $L$ ($90 - 110\text{ mm}$) và Tốc độ cấp bột $M$ ($25 - 35\text{ g/phút}$).

Kết luận

Luận án đã giải quyết thành công bài toán công nghệ chế tạo lớp phủ compozit SiC-Cu trên nền thép C45 bằng phương pháp phun plasma khí quyển kết hợp chụp khí bảo vệ Argon và thẩm thấu làm kín bằng PTFE. Công trình đã làm sáng tỏ cơ chế nhiệt động học và tương tác pha trong quá trình phun, đồng thời xác lập được bộ thông số công nghệ tối ưu thỏa mãn đồng thời các chỉ tiêu về độ bền bám dính, độ xốp, độ cứng và hàm lượng SiC. Kết quả nghiên cứu có giá trị ứng dụng thực tiễn trực tiếp trong việc chế tạo lớp phủ bảo vệ nâng cao tuổi thọ cho các chi tiết máy làm việc trong môi trường mài mòn và ăn mòn hóa chất chứa axit flo tại các cơ sở sản xuất công nghiệp.