Chương 1 TỔNG QUAN 1. Tính cấp thiết của đề tài Phun phủ là một trong những phương pháp xử lý bề mặt vật liệu được sử dụng trong hơn nửa thế kỷ nay. Công dụng chủ yếu của phun phủ là bảo vệ các kết cấu và các chi tiết làm việc trong môi trường khác nhau, phục hồi các chi tiết máy bị mòn, ăn mòn và xâm thực. Sự phát triển mạnh mẽ về thiết bị, vật liệu công nghệ phun trong vài chục năm gần đây đã đưa phun phủ thành một lĩnh vực khoa học công nghệ riêng, góp phần đáng kể vào tiến bộ khoa học của loài người, mang lại hiệu quả kinh tế to lớn trong lĩnh vực chế tạo và phục hồi.
Ở Việt Nam, nhiều ngành công nghệ lớn đang phát triển với tốc độ nhanh, như: đóng tàu, hàng không, dầu khí, xây dựng, hoá học, chế tạo máy. Sự “hụt hẫng” trong công nghệ phun phủ đã dẫn đến sự bị động và trì trệ trong lĩnh vực chế tạo và phục hồi, gây tổn hại to lớn cho nền kinh tế quốc dân. Hàng năm, nhà nước phải nhập ngoại hàng ngàn tỉ đồng vật liệu và phụ tùng thay thế; phải chi hàng trăm tỉ đồng cho việc thuê các nước phun phủ phục hồi các chi tiết và kết cấu bị hư hỏng dưới dạng ăn mòn và mài mòn. Hơn nữa, ngành trong việc sản xuất điện của ngành Điện lực việc phục hồi các chi tiết cũng đòi hỏi phải nghiên cứu về công nghệ phun phủ… 1.
Tổng quan về công nghệ phun phủ [1] Các chi tiết máy và kết cấu làm việc trong nhiều môi trường khác nhau với những chế độ công tác rất khác nhau. Chúng bị phá huỷ và hư hỏng dưới nhiều dạng. Có nhiều nguyên nhân, những nguyên nhân chính là: gỉ (do làm việc trong môi trường không khí – các kết cấu xây dựng, và nước – các phương tiện thuỷ; các môi trường tĩnh và động - thiết bị hoá học…); ăn mòn 6 (dưới tác dụng của các chất lỏng và khí cháy); mài mòn cơ học và các hư hỏng khác (tại các mặt tiếp xúc của các chi tiết làm việc dưới áp suất và nhiệt độ cao). Để nâng cao độ bền và tuổi thọ của chi tiết và kết cấu, nhiều giải pháp đã được đưa ra: gia công nhiệt để cải thiện các tính chất của vật liệu; sản xuất vật liệu mới và hợp kim.
Trong nhiều trường hợp, bề mặt vật liệu được phủ một lớp bảo vệ chống ăn mòn và mài mòn. Có nhiều phương pháp phủ trên mặt chi tiết và kết cấu tuỳ theo mục đích sử dụng và điều kiện làm việc của chúng. Có những lớp phủ bảo vệ hoặc trang trí; có những lớp phủ đặc biệt với những tính chất đặc biệt như: chống cháy, chịu mài mòn, chịu nhiệt và cách nhiệt… Việc chọn vật liệu và phương pháp phủ nói chung phụ thuộc vào điều kiện làm việc của các chi tiết và kết cấu. Ngoài ra sự cải thiện chất lượng bề mặt của vật liệu cũng cho phép thiết kế và chế tạo máy móc và thiết bị năng suất hơn.
Nhóm phương pháp phủ bề mặt vật liệu: a) Các phương pháp hoá học và điện ly: Photphat hoá, sunfit hoá (phương pháp hoá học); mạ niken, mạ crom, oxit hoá (phương pháp điện ly). Lớp phủ photphat hoá (còn gọi tẩm photphat) dùng để trang trí và bảo vệ chống gỉ. Lớp phủ sunfit hoá có tác dụng nâng cao độ bền mòn. Các lớp phủ bằng mạ niken, mạ crom hay oxit hoá đều có tác dụng trang trí, bảo vệ và chống mài mòn.
b) Các phương pháp vật lý: Các phương pháp phủ vật lý bao gồm tráng nhôm, nhúng kẽm khuếch tán (khuếch tán bột nhôm, bột crôm, tẩm các bon, tẩm nitơ hoặc tẩm hỗn hợp cac bon – nitơ). Sự tôi bề mặt, sự phủ chân không và sự thiêu kết thủy tinh với mặt kim loại cũng thuộc nhóm phương pháp phủ vật lý. Hầu hết các phương 7 pháp thuộc nhóm này đều cho các lớp phủ có độ bền mòn, bền nhiệt cao, và tính chống gỉ tốt. c) Các phương pháp cơ học.
Phủ bề mặt kim loại bởi một tấm kim loại khác bằng công nghệ cán, đúc, hàn nổ…; tăng bề mặt bằng xảm; tăng các tính chất đặc biệt khác bằng phun phủ. Nóm phương pháp cơ học. Các tấm kim loại phủ bằng phương pháp đúc, cán hoặc hàn nổ có thể là thép không gỉ, niken, momen, đồng titan… Chúng được dùng để bảo vệ kim loại khỏi bị gỉ. Lớp xảm tăng cường có chiều dày 0,3 ÷ 0,5mm có tác dụng tăng độ bền mỏi mà không làm thay đổi cấu trúc của kim loại Lớp phun phủ được hình thành trên bề mặt chi tiết là nhờ nguồn nhiệt từ ngọn lửa khi đốt hoặc nhờ hồ quang điện.
Nguồn nhiệt đốt nóng các phần tử kim loại phun tới trạng thái nóng chảy hoặc gần nóng chảy; dưới áp lực của không khí hoặc hỗn hợp khí cháy các phần tử kim loại chuyển động với tốc độ rất cao tới bề mặt vật phun tạo thành lớp phun. Ưu điểm của công nghệ phun phủ [2] Công nghệ phun phủ có những ưu điểm nổi trội so với các công nghệ khác. - Bằng phun phủ có thể phủ các vật liệu rất khác nhau trên bề mặt chi tiết. Chẳng hạn, có thể phủ kim loại trên kính, vải, gỗ, giấy.
- Có thể phun trên các bề mặt có diện tích lớn hoặc các vùng nhỏ của chi tiết lớn, trong khi đó, bằng các phương pháp khác như: nhúng, mạ khuếch tán. không thể thực hiện được mục đích này do không có các thiết bị phụ trợ thích hợp (như bể chứa hoặc thiết bị nung nóng). Phun phủ là phương pháp tiện lợi nhất và kinh tế nhất đối với các chi tiết có yêu cầu mặt phủ lớn. - Cũng như hàn đắp, phun phủ cho phép tạo lớp đắp với chiều dày tương đối lớn (để phục hồi các chi tiết bị mài mòn) 8 - Thiết bị phun phủ khá đơn giản và gọn nhẹ, có thể di chuyển dễ dàng và nhanh chóng.
Chẳng hạn, khi phun bằng ngọn lửa khí chỉ cần máy nén khí, mỏ đốt và bình khí. Khi có nguồn điện có thể ứng dụng phương pháp phun điện với những súng phun cầm tay rất tiện lợi. - Có thể sử dụng các kim loại và hợp kim khác nhau, hoặc hỗn hợp của chúng. Có thể phun nhiều lớp với những vật liệu khác nhau để tạo các lớp phủ có các tính chất đặc biệt.
- Chi tiết phun ít bị biến dạng, trong khi đó, sự đốt nóng toàn phần hoặc cục bộ các chi tiết phủ bằng các phương pháp khác có thể gây biến dạng lớn. - Bằng phương pháp phun có sản xuất các chi tiết có hình dạng phức tạp. Trong trường hợp này, phun phủ được tiến hành trên mặt khuôn mẫu. Sau khi phun khuôn mẫu được tháo ra để lại lớp vỏ tạo thành từ lớp phun.
- Quá trình công nghệ phun phủ đảm bảo năng suất cao và khối lượng công việc không lớn. Nhược điểm của công nghệ phun phủ. - Khi chi tiết phun nhỏ, phun phủ ít hiệu quả do tổn hao vật liệu phun lớn. Trong trường hợp này, kinh tế lớp hơn là sử dụng phương pháp khác.
- Quá trình chuẩn bị bề mặt trước khi phun gây ô nhiễm môi trường làm việc do phải sử dụng các thiết bị tẩy rửa và làm sạch như máy phun cát, phun bi, phun bột kim loại và các dung dịch tẩy rửa khác. - Trong quá trình phun, các hạt phun có thể bắn tung toé, đồng thời có thể tạo các hợp chất có hại cho sức khoẻ của người công nhân. Mục tiêu nghiên cứu trong đề tài: Hiện nay, công nghệ phun phủ được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị và chi tiết máy làm việc trong môi trường khắc nghiệt về nhiệt độ, ăn mòn. Những chi tiết sau khi phun phủ luôn phải xử lý để giảm bớt khuyết tật và ứng suất dư sinh ra trong đó.
Tuy nhiên, ứng suất dư vẫn luôn tồn tại trong điều kiện chi tiết máy làm việc trong môi trường có nhiệt độ thay đổi. Trong đề tài này, tiến hành mô phỏng trường ứng suất dư xuất hiện trong các lớp phủ ceramic theo nhiệt độ và theo chiều sâu các lớp phủ bằng phương pháp phần tử hữu hạn. • Mục đích của đề tài: Đưa ra trường ứng suất dư trong các lớp phủ • Nội dung: - Tổng quan về phun phủ - Cơ sở lý thuyết - Mô hình hoá cho bài toán cụ thể. - Kết quả và thảo luận 10 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TRONG PHÂN TÍCH NHIỆT 2.
Các khái niệm cơ bản trong bài toán phân tích nhiệt - ứng suất [6] Dẫn nhiệt. Là quá trình trao đổi nhiệt giữa các thành phần của vật thể hay giữa các vật có nhiệt độ khác nhau. Khi tiếp xúc với nhau ngoài dẫn nhiệt trong vật rắn còn có trao đổi nhiệt đối lưu hay bức xạ cho chất lỏng và chất khí. Trường nhiệt độ.
Là tập hợp các giá trị nhiệt độ của các điểm khác nhau trong không gian khảo sát tại một thời điểm nào đó và các điểm khác nhau sẽ có nhiệt độ khác nhau. Tại thời điểm khác có nhiệt độ khác do đó ta có trường nhiệt độ được biểu diễn: T = f( x ,y ,z ,t ) 3 chiều T = f ( x ,y ,t ) 2 chiều (2. Mặt đẳng nhiệt. Là bề mặt chứa tất cả các điểm có cùng nhiệt độ tại một thời điểm.
Mặt đẳng nhiệt không cắt nhau chỉ có thể là mặt khép kín hay kết thúc trên biên của vật thể. 11 Là đại lượng vector có phương vuông góc với các mặt đẳng nhiệt có giá trị bằng đạo hàm riêng của nhiệt độ theo phương pháp tuyến của mặt đẳng nhiệt.2) ∆n → 0 ∆n ∂n Mật độ dòng nhiệt, dòng nhiệt. Mật độ dòng nhiệt q = [W/m 2 ] là nhiệt lượng truyền qua một đơn vị diện tích bề mặt đẳng nhiệt vuông góc với hướng truyền nhiệt trong một đơn vị thời gian. Q[W] Dòng nhiệt là nhiệt lượng truyền qua toàn bộ diện tích mặt đẳng nhiệt trong một dơn vị thời gian.3) Khi q = const thì Q = q.F Định luật Fourier.
Mật độ dòng nhiệt tỉ lệ với grad(T) ∂T q = − λ grad (T ) = − λ ∂n [W/m ]2 (2.4) Trong đó λ là hệ số dẫn nhiệt đặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của vật thể 2. Phương trình vi phân dẫn nhiệt [2] Thiết lập trên cơ sở phương trình cân bằng năng lượng, định luật Fourier về dẫn nhiệt bên trong khi xem các đại lượng vật lí λ, c, ρ là không đổi và nguồn nhiệt bên trong là phân bố đều.