Tổng quan luận án
Tình trạng mài mòn và ăn mòn kim loại trong các ngành công nghiệp hóa chất là nguyên nhân chính dẫn đến sự hư hỏng của thiết bị, gây thiệt hại lớn về kinh tế và an toàn vận hành. Khảo sát thực tế tại Công ty Cổ phần Supe Phốt phát và Hóa chất Lâm Thao cho thấy các chi tiết chuyển động như cánh quạt hút khí flo và buồng cánh bơm bùn apatit phải hoạt động trong môi trường axít chứa flo rất khắc nghiệt (nồng độ thực tế chứa tới 10% HF, 4% $\text{H}_2\text{SiF}_6$, 20% $\text{H}_2\text{SO}_4$, nhiệt độ khoảng 70ºC, kèm theo các hạt rắn quặng có kích thước $\le 0,2\text{ mm}$ với vận tốc quay 1000 vòng/phút). Dưới tác động đồng thời của mài mòn cơ học và ăn mòn hóa học, các chi tiết chế tạo từ thép không gỉ SUS304, SUS316L chỉ đạt tuổi thọ 1 đến 2 tháng, và bơm bùn làm từ gang hợp kim chỉ hoạt động được khoảng 3 tháng.
Nhằm giải quyết bài toán bảo vệ bề mặt kim loại trong môi trường xâm thực mạnh, công nghệ phun phủ nhiệt đã được lựa chọn. Trong đó, vật liệu gốm cacbit silic (SiC) sở hữu độ cứng cao, trơ về mặt hóa học và không tác dụng với các dung dịch axít mạnh. Tuy nhiên, việc tạo lớp phủ SiC đơn thành phần bằng công nghệ phun plasma gặp khó khăn lớn do SiC bị phân hủy ở nhiệt độ cao trước khi nóng chảy (tạo thành $\text{SiO}_2$, $\text{SiO}$, $\text{C}$, $\text{Si}$). Tại Việt Nam, các nghiên cứu phun phủ nhiệt chủ yếu tập trung vào lớp phủ chống mài mòn cơ học hoặc phun phủ hồ quang kẽm, nhôm chống rỉ; chưa có công trình nào nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp phủ compozit SiC trên nền thép làm việc trong môi trường axít chứa flo. Luận án "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" được thực hiện tại Viện Nghiên cứu Cơ khí nhằm giải quyết khoảng trống kỹ thuật này.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm 2 nội dung:
- Tạo ra được lớp phủ plasma SiC-Cu lên bề mặt thép.
- Nghiên cứu một số tính chất quan trọng của công nghệ tạo lớp phủ plasma SiC-Cu lên bề mặt thép để 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: Sự ảnh hưởng của 3 thông số công nghệ chính gồm cường độ dòng điện ($I$), khoảng cách phun ($L$), và lưu lượng cấp bột ($M$) đến chất lượng lớp phủ plasma trên cơ sở SiC tạo trên bề mặt thép.
- Phạm vi nghiên cứu: Công nghệ tạo lớp phủ plasma SiC-Cu trên nền thép C45 (và đối chứng thép không gỉ SUS304); đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật chính (chiều dày, độ xốp, độ bền bám dính, độ cứng tế vi, hàm lượng SiC, tính chất điện hóa trong dung dịch 3,5% NaCl và khả năng chống mòn - ăn mòn trong môi trường axít chứa 10% HF, 20% $\text{H}_2\text{SO}_4$ có hạt mài ở 70ºC).
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Tại Việt Nam, các nghiên cứu về phun phủ nhiệt đã được triển khai tại nhiều đơn vị như Viện Nghiên cứu Cơ khí, Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Công nghệ Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng, Viện Năng lượng Mỏ. Điển hình gồm:
- Uông Sỹ Áp (2006, Đề tài KC 05.2006): Nghiên cứu độ chịu mài mòn của lớp phủ bột hợp kim $\text{ZrO-182}$ trên nền nimonic 263 có lớp trung gian NiCrAlY, đạt độ bám dính $378\text{ kG/cm}^2$, độ xốp 2%.
- Nguyễn Quốc Vũ (Đề tài 256-08 RD/HĐ-KHCN): Nghiên cứu độ cứng và độ chịu mài mòn của lớp phủ plasma bột $75\text{Cr}_3\text{C}_2\text{-}25\text{NiCr}$, cho thấy khả năng chống mài mòn cao gấp 2,5 lần so với mạ crom cứng.
- Đinh Văn Chiến (Đề tài 01C-01/04-2009-2): Khảo sát ảnh hưởng của vận tốc, khoảng cách và lưu lượng phun nổ bột hợp kim NiCr lên nền thép 40Cr phục hồi trục khuỷu xe tải CAT 773E, giúp tăng tuổi thọ gấp 4 lần.
- Các nghiên cứu phục hồi chi tiết máy của Lục Vân Thương và Hoàng Văn Châu (2006), Trần Văn Dũng, Phạm Văn Liệu, Nguyễn Mạnh Tuế, Hoàng Thành Long, Nguyễn Thế Luân, Nguyễn Mạnh Khương. Hầu hết các công trình này đều tập trung vào lớp phủ chịu mài mòn cơ học.
Trên thế giới, các phương pháp phun phủ nhiệt (HVOF, APS) phát triển mạnh mẽ với nhiều công trình:
- Alton và cộng sự nghiên cứu chất trám epoxy pha loãng để tăng khả năng chống ăn mòn cho lớp phủ HVOF.
- Warren Nelson và cộng sự nghiên cứu giảm độ xốp cho hệ lớp phủ hai lớp MCrAlY/polyester.
- Picas và cộng sự nghiên cứu lớp phủ $\text{CrNi20}$ thay thế mạ crom cứng; La Barbera-Sosa nghiên cứu tính không đẳng hướng của mô đun đàn hồi trên lớp phủ gốc Ni; Taha-al và cộng sự khảo sát ảnh hưởng của hạt WC đến ứng suất dư khi phun laser/HVOF; Min-su Han và cộng sự đánh giá tính chất điện hóa của lớp phủ $\text{WC-27NiCr}$ và $\text{WC-10Co4Cr}$ trong nước biển.
- Về lớp phủ SiC: Bartuli và cộng sự, Alosime và cộng sự, Baoxia Ma và Jinyou Li nghiên cứu lớp phủ plasma $\text{ZrB}_2\text{-SiC}$; Fahmi Mubarok (2014, Luận án Tiến sĩ tại Đại học Oslo) nghiên cứu phun plasma huyền phù hạt micro-SiC và lớp phủ compozit SiC/Cu với màng nano kim loại bọc ngoài hạt SiC; Tului và cộng sự chế tạo lớp phủ 66% thể tích SiC bằng hệ eutectic $\text{SiC-ZrB}_2$; Kang và cộng sự chế tạo compozit Cu-SiC (Cu-27SiC, Cu-50SiC, Cu-60SiC) qua nghiền bi; Hahnel và cộng sự xác lập mô hình oxy hóa 4 giai đoạn của SiC; Liu và cộng sự chỉ ra phản ứng tạo thành $\text{Cu}_3\text{Si}$ ở nhiệt độ dưới 900ºC ($\text{SiC} + 3\text{Cu} = \text{C} + \text{Cu}_3\text{Si}$).
Khoảng trống nghiên cứu được luận án lựa chọn là: Sử dụng kim loại đồng (Cu) làm pha nền liên kết dẻo bao bọc hạt SiC nhằm ngăn chặn sự phân hủy nhiệt của SiC trong luồng plasma; kết hợp cải tiến súng phun có chụp khí bảo vệ Argon (Ar) để chống oxy hóa luồng bột và thẩm thấu Polytetrafluoroethylene (PTFE) để bít kín độ xốp tế vi, tạo nên hệ lớp phủ compozit $\text{SiC-Cu/PTFE}$ trên nền thép C45 có khả năng làm việc trong dung dịch axít chứa flo.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Luận án dựa trên cơ sở lý thuyết nhiệt động học và động lực học của quá trình phun phủ nhiệt, bao gồm các lý thuyết hình thành lớp phủ của Pospisil-Sehyl, Schoop, Karg, Katsch, Reininger và Schenk. Quá trình hình thành lớp phủ plasma được chia thành 4 giai đoạn liên tục:
- Giai đoạn nung nóng và làm nóng chảy vật liệu bột trong luồng hồ quang plasma.
- Giai đoạn phân tán tạo thành các giọt kim loại lỏng do chênh lệch áp suất tại miệng súng.
- Giai đoạn bay của các giọt kim loại lỏng trong môi trường khí quyển.
- Giai đoạn va đập, biến dạng dẹt, truyền nhiệt làm nguội nhanh và kết tinh bám dính lên bề mặt nền.
Các mô hình và công thức tính toán động lực học được tác giả áp dụng:
- Áp suất xung va đập cực đại: $P_2 = \frac{1}{2} \xi \rho_1 C V$ (với $\xi$ là hệ số cứng vững của hạt, $C$ là tốc độ âm thanh trong chất lỏng, $\rho_1$ là tỷ trọng chất lỏng, $V$ là vận tốc hạt).
- Áp suất thế năng: $P_1 = \frac{1}{2} \rho_1 V^2$, tác dụng trong khoảng thời gian $\tau = \frac{d - h}{V}$.
- Phân bố dòng nhiệt riêng của luồng plasma theo quy luật Gauss: $q_2(r) = q_{2m} \exp(-k r^2)$, với hiệu suất nung nóng $\eta = \frac{q}{I \cdot U}$.
- Phương trình động học phản ứng pha tại bề mặt tiếp xúc: $\frac{dx}{d\tau} = (N_0 - x) \nu \exp\left(-\frac{E_a}{k T_K}\right) \exp\left(\frac{\Delta S}{k}\right)$.
Vật liệu và thiết bị nghiên cứu thực nghiệm:
- Bột SiC (hãng Ermakchim - Nga): hàm lượng $\text{SiC} > 80%$, kích thước hạt trung bình $40 - 50\ \mu\text{m}$, khối lượng riêng $\rho = 3,2\text{ g/cm}^3$.
- Bột Cu (hãng Guangzhou Hongwu Material Technology - Trung Quốc): độ tinh khiết $> 95%$, dạng vảy, kích thước hạt khoảng $20 - 30\ \mu\text{m}$, khối lượng riêng $\rho = 8,96\text{ g/cm}^3$.
- Vật liệu nền: Thép kết cấu cacbon C45 (kích thước mẫu $50 \times 50 \times 4\text{ mm}$), làm sạch và tạo nhám bề mặt bằng phun hạt $\text{Al}_2\text{O}_3$ đạt độ nhám Sa 3 theo tiêu chuẩn EN ISO 8501-1; thép SUS304 dùng làm mẫu đối chứng.
- Hệ thống thiết bị phun: Thiết bị phun plasma Praxair Model 3170 (công suất 40 kW) sử dụng súng phun SG-100, được cải tiến lắp thêm chụp khí bảo vệ Argon với áp suất cấp $\ge 4,5\text{ psi}$ (0,04 MPa), khe hở vòng khí $0,1\text{ mm}$.
- Kỹ thuật phân tích: Kính hiển vi điện tử quét SEM và phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX/EDS) để phân tích hình thái bề mặt và thành phần nguyên tố; Nhiễu xạ tia X (XRD) xác định thành phần pha; Kính hiển vi quang học AXIOKOP 2 MAT MOT và phần mềm AxioVision đo độ xốp; Máy PosiTest AT-M đo độ bền bám dính bằng phương pháp kéo đứt pháp tuyến; Máy đo độ cứng Mitutoyo HH-401; Đo điện hóa 3 điện cực (phổ tổng trở EIS, đường cong phân cực Tafel xác định $E_{corr}, i_{corr}, R_p$) trong dung dịch 3,5% NaCl; Thiết bị thử nghiệm mòn hỗn hợp trong môi trường dung dịch axít chứa flo (10% HF, 20% $\text{H}_2\text{SO}_4$, nhiệt độ 70ºC, hạt quặng $\le 0,2\text{ mm}$) trong 136 giờ liên tục.
- Phương pháp tối ưu hóa: Quy hoạch thực nghiệm trực giao toàn phần $3^3$ (27 thí nghiệm), phân tích phương sai ANOVA và giải bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu bằng phần mềm thống kê.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan về lớp phủ nhiệt chống ăn mòn
Chương 1 tổng hợp các nghiên cứu trong nước và quốc tế về công nghệ phun phủ nhiệt, vật liệu gốm, kim loại và compozit. Tác giả phân tích tính chất của vật liệu cacbit silic (SiC) với độ cứng cao (khoảng 69 HRC, chỉ đứng sau kim cương), năng lượng liên kết mạng tinh thể $\beta\text{-SiC}$ đạt 6,34 eV/nguyên tử, nhiệt độ nóng chảy $2730^\circ\text{C}$ và độ bền hóa học đối với hầu hết các dung dịch axít vô cơ.
| Môi trường hóa chất thử nghiệm |
Nhiệt độ (ºC) |
Tổn hao ăn mòn của SiC ($0%\text{ Si}$) ($\text{mg/cm}^2\cdot\text{năm}$) |
Tổn hao ăn mòn của $\text{Al}_2\text{O}_3$ ($99%$) ($\text{mg/cm}^2\cdot\text{năm}$) |
Tổn hao ăn mòn của $\text{WC-6Co}$ ($\text{mg/cm}^2\cdot\text{năm}$) |
| $\text{H}_2\text{SO}_4\ 98%$ |
100 |
1,8 |
65,0 |
$> 1000$ |
| $\text{HNO}_3\ 70%$ |
100 |
$< 0,2$ |
7,0 |
$> 1000$ |
| $\text{HCl}\ 25%$ |
70 |
$< 0,2$ |
72,0 |
0,0 |
| $\text{HF}\ 10% + \text{HNO}_3\ 57%$ |
25 |
$< 0,2$ |
16,0 |
$> 1000$ |
Tác giả chỉ rõ rào cản nhiệt động học khi phun phủ SiC nguyên chất: dưới nhiệt độ cao của hồ quang plasma trong môi trường không khí, SiC bị oxy hóa phân hủy theo các phản ứng:
$$\text{SiC} + 3\text{O}_2 \rightarrow 2\text{SiO}_2 + 2\text{CO}$$
$$\text{SiC} + \text{O}_2 \rightarrow \text{SiO} + \text{CO}$$
$$2\text{SiC} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{SiO} + 2\text{C}$$
Từ đó, tác giả đưa ra định hướng sử dụng đồng (Cu) làm pha kim loại chất kết dính tạo màng bao bọc hạt SiC và cải tiến súng phun có khí trơ Argon bảo vệ để chế tạo thành công lớp phủ compozit SiC-Cu.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết về công nghệ phun phủ plasma
Chương này đi sâu vào bản chất vật lý và nhiệt động học của luồng plasma sinh ra từ hồ quang giữa điện cực catôt Vonfram và anôt đồng làm mát bằng nước. Nhiệt độ luồng plasma đạt từ $10.000^\circ\text{C}$ đến $30.000^\circ\text{C}$ tại tâm ngọn lửa, cho phép làm nóng chảy các vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao.
Tác giả phân tích chi tiết các yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến chất lượng hình thành lớp phủ:
- Cơ chế va đập biến dạng: Hạt nóng chảy va đập vào bề mặt nền nguội với vận tốc hàng trăm m/s, trải qua quá trình dàn mỏng và kết tinh nhanh tạo thành các phiến dẹt có tỷ lệ chiều cao/đường kính $h/d \approx 1/10 - 1/20$.
- Ứng suất co rút kim loại: Đối với bề mặt phẳng, ứng suất dư co ngót có xu hướng kéo tách gây bong tróc lớp phủ; trên bề mặt trụ tròn, ứng suất co rút tạo lực xiết hướng tâm có lợi cho độ bám dính.
- Ảnh hưởng của thông số công nghệ: Cường độ dòng điện hồ quang ($I$) quyết định nhiệt lượng và mức độ ion hóa; khoảng cách phun ($L$) điều chỉnh thời gian bay, nhiệt độ và động năng va đập của hạt; tốc độ cấp bột ($M$) quyết định mật độ hạt hấp thụ năng lượng trong ngọn lửa plasma.
Chương 3: Vật liệu và phương pháp nghiên cứu
Nội dung chương trình bày đặc tính nguyên liệu bột và quy trình thí nghiệm:
- Bột SiC có kích thước $40 - 50\ \mu\text{m}$, cấu trúc tinh thể đơn pha lục giác, chứa $58 - 60%\text{ Si}$, $35 - 37%\text{ C}$, tạp chất $\text{SiO}_2$. Bột Cu dạng vảy $20 - 30\ \mu\text{m}$, độ tinh khiết $97%$. Sự kết hợp kích thước hạt $\text{Cu}\ (30\ \mu\text{m})$ nhỏ hơn $\text{SiC}\ (50\ \mu\text{m})$ tạo điều kiện cho các hạt Cu nóng chảy bao bọc xung quanh hạt SiC.
- Thiết kế chụp khí bảo vệ Argon lắp trên đầu súng phun SG-100: Kết quả thực nghiệm xác định áp suất khí Argon cấp vào chụp $\ge 4,5\text{ psi}$ (0,04 MPa) tạo màng chắn hình nón cách ly hoàn toàn không khí, làm giảm mạnh lượng oxy thâm nhập vào lớp phủ.
- Giải pháp thẩm thấu Polytetrafluoroethylene (PTFE): Nhằm khắc phục độ xốp cố hữu của lớp phun phủ nhiệt, dung dịch monomer PTFE lỏng được cho thẩm thấu mao dẫn sâu vào các lỗ xốp hở và xử lý nhiệt để polyme hóa, tạo lớp màng bít kín trơ tuyệt đối với axít HF.
- Xây dựng sơ đồ đo điện hóa và thiết kế mô hình thiết bị thử mòn hỗn hợp theo điều kiện thực tế của nhà máy hóa chất.
Chương 4: Chế tạo và phân tích, đánh giá các lớp phủ plasma SiC trên nền thép
Chương 4 tập trung phân tích thực nghiệm so sánh các hệ lớp phủ đơn SiC, compozit $\text{SiC-30Cu}$, $\text{SiC-50Cu}$ (tương ứng tỷ lệ 30% và 50% khối lượng bột Cu) trên nền thép C45 khi phun có và không có khí bảo vệ Ar:
- Phun SiC đơn thành phần: Lớp phủ có độ xốp rất cao, liên kết cơ học yếu, SiC bị phân hủy tạo ra các pha $\text{SiO}_2$ và cacbon tự do, không đạt yêu cầu bảo vệ.
- Hiệu quả của chụp khí bảo vệ Ar: Khi phun $\text{SiC-30Cu}$ không có khí bảo vệ, phổ EDS ghi nhận hàm lượng oxy trong lớp phủ cao, xuất hiện pha $\text{Cu}_3\text{Si}$ do phản ứng phân hủy giữa SiC và Cu. Khi phun có chụp khí Ar, lượng oxy giảm rõ rệt, bảo toàn được pha tinh thể SiC trong nền kim loại đồng.
- Cấu trúc và cơ tính: Lớp phủ $\text{SiC-50Cu}$ thể hiện sự phân bố đồng đều của các hạt SiC trong nền liên kết đồng, bề mặt sít chặt và độ bám dính tốt hơn $\text{SiC-30Cu}$.
Đánh giá tính chất điện hóa và khả năng chống mòn:
- Kết quả đo phân cực điện hóa trong dung dịch 3,5% NaCl: Mẫu thép C45 không phủ có điện thế ăn mòn $E_{corr}$ âm và mật độ dòng ăn mòn $i_{corr}$ cao. Khi phủ lớp compozit SiC-Cu, điện thế ăn mòn chuyển dịch về phía dương và dòng ăn mòn giảm mạnh. Khi phủ hoàn thiện bằng thẩm thấu PTFE ($\text{PTFE/SiC-50Cu/thép}$), đường cong phân cực và phổ tổng trở Nyquist cho thấy điện trở phân cực $R_p$ tăng vượt bậc, ngăn chặn dòng điện ly tiếp xúc với nền thép.
- Thử nghiệm trong thiết bị mòn hỗn hợp (dung dịch 10% HF, 20% $\text{H}_2\text{SO}_4$, hạt rắn quặng, nhiệt độ 70ºC): Sau 136 giờ làm việc liên tục, tổn hao khối lượng của mẫu thép không gỉ SUS304 đối chứng bị mài mòn và hòa tan hóa học nghiêm trọng, trong khi mẫu thép C45 có lớp phủ $\text{PTFE/SiC-50Cu}$ duy trì độ bền bề mặt, mức độ tổn hao khối lượng rất thấp.
Chương 5: Xác định bộ thông số công nghệ phun plasma SiC-50Cu trên nền thép C45
Chương 5 tiến hành thực nghiệm quy hoạch trực giao $3^3$ với 3 thông số công nghệ đầu vào:
- Cường độ dòng điện ($I$): 350 A, 400 A, 450 A.
- Khoảng cách phun ($L$): 45 mm, 50 mm, 55 mm.
- Tốc độ cấp bột ($M$): 20 g/phút, 25 g/phút, 30 g/phút.
Các chỉ tiêu chất lượng đầu ra được phân tích phương sai (ANOVA) và xây dựng phương trình hồi quy biểu diễn mối quan hệ:
- Độ bền bám dính ($\sigma$, MPa): Chịu ảnh hưởng lớn nhất bởi khoảng cách phun $L$ và dòng điện $I$. Khi $I$ tăng và $L$ ở mức hợp lý (khoảng 45 - 50 mm), độ bám dính đạt giá trị cực đại do các hạt Cu nóng chảy hoàn toàn tạo liên kết bám chắc lên nền nhám.
- Độ xốp ($P$, %): Giảm khi tăng dòng điện $I$ và giảm khoảng cách $L$; dòng plasma năng lượng cao giúp tăng độ biến dạng dẹt của các hạt khi va đập, lấp đầy các khoảng trống tế vi.
- Độ cứng tế vi ($D$, HV): Phụ thuộc tỷ lệ thuận với hàm lượng hạt SiC lưu giữ trong lớp phủ và mức độ sít chặt của cấu trúc.
- Hàm lượng SiC trong lớp phủ ($H$, %): Phụ thuộc vào tốc độ cấp bột $M$ và năng lượng hồ quang, liên quan đến hiện tượng bay bốc hoặc phân hủy hạt SiC trong quá trình bay.
Tác giả tiến hành giải bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu đồng thời cho 4 chỉ tiêu chất lượng ($\sigma, P, D, H$), xác định được bộ thông số công nghệ tối ưu cho hệ phun plasma $\text{SiC-50Cu}$ trên nền thép C45:
- Cường độ dòng điện: $I = 400\text{ A}$ (hoặc nằm trong dải $400 - 450\text{ A}$ tùy trọng số ưu tiên).
- Khoảng cách phun: $L = 45 - 50\text{ mm}$.
- Tốc độ cấp bột: $M = 25\text{ g/phút}$.
Kết quả và những đóng góp mới
Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận
- Làm sáng tỏ cơ chế hình thành lớp phủ compozit SiC-Cu bằng công nghệ phun plasma khí quyển APS; chứng minh vai trò của pha nền kim loại Cu trong việc làm chất kết dính và che chắn nhiệt ngăn chặn sự phân hủy của hạt gốm SiC ở nhiệt độ cao.
- Thiết lập được mối quan hệ định lượng giữa các thông số công nghệ phun plasma ($I, L, M$) với các chỉ tiêu cơ - lý - hóa của lớp phủ ($\sigma, P, D, H$) thông qua phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi và phân tích phương sai ANOVA.
Đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp công nghệ
- Cải tiến thiết bị súng phun plasma SG-100 bằng chụp khí bảo vệ Argon với các thông số làm việc chuẩn hóa (áp suất $\ge 4,5\text{ psi}$, khe hở $0,1\text{ mm}$), giúp giảm thiểu sự oxy hóa của luồng bột phun và nền kim loại.
- Đề xuất và ứng dụng thành công quy trình xử lý bịt lỗ xốp bằng phương pháp thẩm thấu Polytetrafluoroethylene (PTFE), loại bỏ đường dẫn mao dẫn của dung dịch xâm thực qua độ xốp hở của lớp phủ nhiệt.
- Thiết kế và chế tạo thành công thiết bị thử nghiệm mòn hỗn hợp mô phỏng chính xác điều kiện làm việc thực tế tại nhà máy hóa chất (axít chứa flo, nhiệt độ 70ºC, hạt mài chuyển động liên tục), cung cấp phương pháp đánh giá định lượng độ bền ăn mòn - mài mòn cho vật liệu phủ.
- Xác lập bộ thông số công nghệ phun phủ plasma $\text{SiC-50Cu}$ trên nền thép C45 ứng dụng để bảo vệ các chi tiết cánh quạt hút khí flo và cánh bơm bùn axít tại Nhà máy Supe Phốt phát và Hóa chất Lâm Thao.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Nghiên cứu tập trung vào đối tượng nền thép C45 và SUS304 với hệ vật liệu bột $\text{SiC-Cu}$ ở hai tỷ lệ phối trộn chính ($\text{SiC-30Cu}$ và $\text{SiC-50Cu}$), chưa mở rộng khảo sát dải tỷ lệ phối trộn liên tục hoặc bổ sung các thành phần hợp kim phụ gia khác.
- Quá trình thẩm thấu chất bịt kín PTFE mới được khảo sát ở quy mô mẫu thử nghiệm phòng thí nghiệm; cần hoàn thiện quy trình công nghệ gia nhiệt và ngâm tẩm áp lực chân không để áp dụng ổn định cho các chi tiết công nghiệp có hình học phức tạp và diện tích bề mặt lớn.
- Hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm việc theo dõi độ bền thực tế của các chi tiết máy được phun phủ thử nghiệm trong dây chuyền sản xuất công nghiệp liên tục từ 6 đến 12 tháng, đồng thời nghiên cứu mở rộng ứng dụng lớp phủ compozit $\text{SiC-Cu/PTFE}$ cho các môi trường axít ăn mòn khắc nghiệt khác trong ngành công nghiệp hóa chất và luyện kim.
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:
- Cán bộ nghiên cứu, nghiên cứu sinh, học viên cao học ngành Kỹ thuật Cơ khí, Kỹ thuật Vật liệu và Công nghệ Xử lý Bề mặt: Tham khảo phương pháp luận kết hợp giữa mô phỏng nhiệt động học, quy hoạch thực nghiệm $3^3$, phân tích ANOVA và kỹ thuật phân tích cấu trúc vật liệu (SEM, EDS, XRD, EIS).
- Các kỹ sư công nghệ tại các viện nghiên cứu, nhà máy cơ khí, cơ sở phục hồi chi tiết máy: Ứng dụng giải pháp thiết kế chụp khí trơ bảo vệ cho súng phun plasma và quy trình thẩm thấu bít lỗ xốp bằng polymer PTFE.
- Các doanh nghiệp sản xuất hóa chất, phân bón vô cơ, khai thác mỏ: Cung cấp giải pháp kỹ thuật cụ thể nhằm nâng cao tuổi thọ làm việc của các thiết bị hoạt động trong môi trường chứa axít flo và hạt mài cơ học.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao không thể tạo lớp phủ bảo vệ bằng 100% bột SiC đơn thành phần bằng công nghệ phun plasma thông thường?
Cacbit silic (SiC) có nhiệt độ nóng chảy rất cao ($2730^\circ\text{C}$), tuy nhiên trong môi trường nhiệt độ cao của hồ quang plasma có sự hiện diện của không khí, SiC bị phân hủy nhiệt và oxy hóa mạnh ở nhiệt độ $900 - 1100^\circ\text{C}$ tạo thành $\text{SiO}_2$, $\text{SiO}$, $\text{C}$ và $\text{Si}$ trước khi kịp nóng chảy liên kết. Do đó, lớp phủ SiC đơn thành phần tạo ra có độ xốp lớn, độ bám dính rất kém và mất đi các đặc tính cơ hóa ban đầu của SiC.
2. Vai trò của kim loại đồng (Cu) trong hỗn hợp bột compozit SiC-Cu là gì?
Đồng có nhiệt độ nóng chảy thấp ($1085^\circ\text{C}$), tính dẻo cao và bền trong các môi trường axít không có tính oxy hóa (như HF, HCl). Trong quá trình phun, các hạt Cu nóng chảy nhanh chóng bao bọc lấy các hạt SiC có kích thước lớn hơn, đóng vai trò như chất kết dính liên kết các hạt SiC với nhau và với nền thép, đồng thời tạo màng bảo vệ ngăn ngừa hạt SiC tiếp xúc trực tiếp với nhiệt độ quá cao và oxy không khí.
3. Giải pháp chụp khí bảo vệ Argon trên súng phun SG-100 hoạt động theo nguyên lý nào?
Chụp khí được chế tạo lắp đồng trục tại đầu súng phun SG-100. Khí trơ Argon được cấp vào với áp suất $\ge 4,5\text{ psi}$ qua khe hở vòng khí $0,1\text{ mm}$ (diện tích khe hở xấp xỉ $9\text{ mm}^2$), tạo thành một màng khí hình nón bao trùm toàn bộ luồng hồ quang plasma và vùng bề mặt va đập của chi tiết nền, ngăn cách tuyệt đối vùng phản ứng với oxy trong khí quyển.
4. Vì sao cần thực hiện giải pháp thẩm thấu PTFE sau khi phun phủ plasma SiC-Cu?
Lớp phủ phun nhiệt luôn tồn tại các lỗ xốp tế vi liên thông (độ xốp cố hữu). Khi làm việc trong môi trường dung dịch axít chứa flo, dung dịch xâm thực sẽ thẩm thấu qua các lỗ xốp này tiếp xúc với bề mặt thép nền C45 gây ăn mòn phá hủy từ bên trong. Dung dịch monomer PTFE lỏng có khả năng thấm ướt mao dẫn sâu vào các lỗ xốp, sau khi xử lý nhiệt sẽ polyme hóa tạo thành pha trơ bít kín hoàn toàn các đường rỗ xốp, tăng cường khả năng cách ly hóa học.
5. Bộ thông số công nghệ phun plasma hợp lý cho lớp phủ SiC-50Cu trên thép C45 được xác định là bao nhiêu?
Dựa trên phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao $3^3$ và giải bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu đồng thời cho 4 chỉ tiêu ($\sigma, P, D, H$), bộ thông số công nghệ được xác định gồm: Cường độ dòng điện hồ quang $I = 400\text{ A}$, khoảng cách phun $L = 45 - 50\text{ mm}$, và lưu lượng cấp bột $M = 25\text{ g/phút}$.
Kết luận
Luận án đã giải quyết bài toán công nghệ chế tạo lớp phủ compozit SiC-Cu trên nền thép C45 bằng phương pháp phun phủ plasma khí quyển nhằm bảo vệ chống ăn mòn và mài mòn trong môi trường axít chứa flo. Bằng việc kết hợp sáng tạo các giải pháp kỹ thuật gồm bổ sung pha liên kết đồng, cải tiến súng phun có chụp khí bảo vệ Argon và thẩm thấu hoàn thiện bằng polymer PTFE, công trình đã tạo ra hệ lớp phủ có độ sít chặt cao, độ bám dính tốt và độ bền hóa học vượt trội. Kết quả nghiên cứu có giá trị thực tiễn cao trong việc kéo dài tuổi thọ cho các thiết bị cánh quạt và bơm dung dịch làm việc trong điều kiện khắc nghiệt tại các nhà máy hóa chất.
