Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành kỹ thuật cơ khí, các chi tiết máy và kết cấu thường phải làm việc trong nhiều môi trường và điều kiện khắc nghiệt, dẫn đến hiện tượng phá hủy và hư hỏng dưới nhiều dạng như gỉ sét, ăn mòn, xói mòn xâm thực và mài mòn cơ học. Theo ước tính, các giải pháp truyền thống như bôi trơn và làm mát chỉ có thể hạn chế mài mòn trong giai đoạn vận hành, không thể ngăn chặn hoàn toàn quá trình hư hỏng, khiến việc thay thế chi tiết trở nên cần thiết định kỳ. Do đó, việc phục hồi và tạo lớp phủ bề mặt có tính năng chống mài mòn cao được xem là giải pháp triệt để và có ý nghĩa thực tiễn lớn.

Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần WC-10Ni đến cấu trúc và đặc tính cơ học của lớp phủ hỗn hợp NiCrBSi/WC-10Ni sử dụng công nghệ phun phủ oxy nhiên liệu tốc độ cao (HVOF). Phương pháp này có ưu điểm vượt trội như khả năng phun trên bề mặt lớn hoặc nhỏ, tạo lớp phủ dày tới vài mm, phun nhiều lớp vật liệu khác nhau, ít gây biến dạng chi tiết và năng suất cao. Mục tiêu cụ thể là khảo sát các tỉ lệ phối trộn WC-10Ni khác nhau (10%, 20%, 30% khối lượng) trong lớp phủ NiCrBSi, đánh giá ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô, độ cứng, độ nhám, độ xốp, khả năng chống xói mòn xâm thực và ma sát mài mòn.

Nghiên cứu được thực hiện trên mẫu thép C45 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh trong năm 2023. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao tuổi thọ và hiệu suất làm việc của chi tiết máy trong các điều kiện mài mòn khắc nghiệt, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học để lựa chọn và ứng dụng lớp phủ trong công nghiệp phục hồi và chế tạo chi tiết mới.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết phun phủ HVOF và lý thuyết về vật liệu composite lớp phủ NiCrBSi/WC-10Ni. Phun oxy nhiên liệu tốc độ cao (HVOF) là công nghệ phun bột kim loại với vận tốc hạt phun lên đến hơn 1000 m/s, giúp tạo lớp phủ có mật độ cao, độ bám dính tốt và độ xốp thấp. Thiết kế súng phun HVOF dạng ống Laval với hệ thống làm mát bằng nước và khí nén được sử dụng để tối ưu hóa vận tốc và nhiệt độ hạt phun, hạn chế biến dạng chi tiết.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • NiCrBSi: hợp kim tự chảy có độ cứng cao, khả năng chống mài mòn và ăn mòn tốt.
  • WC-10Ni: bột hợp kim gồm 90% cacbit vonfram (WC) và 10% niken (Ni), có độ cứng cao và độ dai tốt, dùng làm hạt gia cường trong lớp phủ.
  • Độ xốp lớp phủ: tỷ lệ phần trăm thể tích các lỗ rỗng trong lớp phủ, ảnh hưởng đến độ bền và khả năng chống mài mòn.
  • Độ cứng tế vi: đo độ cứng tại các điểm nhỏ trên lớp phủ để đánh giá tính đồng nhất và khả năng chịu lực.
  • Xói mòn xâm thực và ma sát mài mòn: các đặc tính cơ học quan trọng phản ánh khả năng chống mài mòn của lớp phủ trong điều kiện làm việc thực tế.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu lớp phủ NiCrBSi, WC-10Ni và các lớp phủ phối trộn NiCrBSi với WC-10Ni theo tỉ lệ 10%, 20%, 30% khối lượng. Mẫu được phun phủ trên thép C45 bằng súng HVOF với các thông số kỹ thuật chuẩn: lưu lượng oxy 130 lít/phút, lưu lượng LPG 40 lít/phút, khoảng cách phun 280 mm, tốc độ cấp bột 35-45 g/phút, tốc độ quay mẫu 200 vòng/phút, chiều dày lớp phủ khoảng 300 µm.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • SEM/EDS: khảo sát cấu trúc vi mô, thành phần nguyên tố và phân bố pha trong lớp phủ.
  • XRD: xác định các pha tinh thể có trong lớp phủ.
  • Đo độ nhám: sử dụng máy Mitutoyo SJ-410 theo tiêu chuẩn ISO 4288-1996, đo giá trị Ra trung bình trên 5 vị trí.
  • Đo độ xốp: phân tích ảnh mặt cắt ngang lớp phủ bằng kính hiển vi Leica DMi8M và phần mềm SIAMS 700 theo tiêu chuẩn ASTM E2109-2014.
  • Đo độ cứng tế vi: sử dụng máy HV-1000ZDT theo tiêu chuẩn ISO 6507:2005, lực đo 300 gf, thời gian giữ tải 10 giây, trung bình 5 lần đo.
  • Thí nghiệm xói mòn xâm thực và ma sát mài mòn: đánh giá khả năng chống mài mòn của lớp phủ trong điều kiện thực tế.

Quá trình nghiên cứu kéo dài từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2023, với cỡ mẫu đủ lớn để đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của tỉ lệ WC-10Ni đến cấu trúc lớp phủ: Kết quả SEM/EDS cho thấy sự phân bố đồng đều của các hạt WC trong ma trận NiCrBSi, với tỉ lệ WC-10Ni tăng từ 10% đến 30%, độ xốp lớp phủ giảm từ khoảng 5% xuống còn dưới 2%, cho thấy lớp phủ trở nên sít chặt hơn. XRD xác nhận sự xuất hiện các pha WC, Ni3B, Cr7C3 và các pha hợp kim NiCrW, phù hợp với cấu trúc composite mong đợi.

  2. Độ cứng tế vi tăng theo tỉ lệ WC-10Ni: Độ cứng tế vi của lớp phủ NiCrBSi thuần là khoảng 390 HV, khi bổ sung 10% WC-10Ni tăng lên 850 HV, 20% WC-10Ni đạt 1200 HV và 30% WC-10Ni lên đến 1600 HV, tăng gần 4 lần so với lớp phủ không có WC-10Ni.

  3. Khả năng chống xói mòn xâm thực và ma sát mài mòn cải thiện rõ rệt: Thí nghiệm xói mòn cho thấy khối lượng mòn giảm từ 0,15 g ở lớp phủ NiCrBSi xuống còn 0,05 g ở lớp phủ Ni30W (30% WC-10Ni), tương ứng giảm 66%. Hệ số ma sát cũng giảm từ 0,74 xuống còn 0,59 khi tăng tỉ lệ WC-10Ni, cho thấy lớp phủ có khả năng chống mài mòn trượt khô tốt hơn.

  4. Độ nhám bề mặt và độ bền liên kết: Độ nhám Ra của lớp phủ giảm nhẹ khi tăng tỉ lệ WC-10Ni, từ 3,2 µm xuống còn 2,1 µm, giúp cải thiện tính chất bề mặt. Độ bền liên kết lớp phủ với vật liệu nền thép C45 được duy trì ở mức cao, đảm bảo tính ổn định trong quá trình sử dụng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện đặc tính cơ học và chống mài mòn là do sự gia tăng hàm lượng hạt cứng WC trong ma trận NiCrBSi, tạo ra cấu trúc composite có độ cứng cao và độ bền cơ học tốt hơn. Độ xốp giảm giúp tăng mật độ lớp phủ, hạn chế sự xâm nhập của môi trường ăn mòn và giảm thiểu các điểm yếu cơ học.

So sánh với các nghiên cứu trước đây về lớp phủ NiCrBSi/WC-Co, kết quả cho thấy WC-10Ni cũng là một lựa chọn hiệu quả với ưu điểm về độ dai và khả năng chống mài mòn trong môi trường khắc nghiệt. Việc sử dụng công nghệ phun HVOF giúp kiểm soát tốt nhiệt độ và vận tốc hạt, tạo ra lớp phủ chất lượng cao, ít biến dạng và oxi hóa.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh độ cứng tế vi, khối lượng mòn và hệ số ma sát theo tỉ lệ WC-10Ni, cũng như bảng tổng hợp độ xốp và độ nhám của các lớp phủ. Những biểu đồ này minh họa rõ ràng xu hướng cải thiện tính chất cơ học và chống mài mòn khi tăng hàm lượng WC-10Ni.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu tỉ lệ phối trộn WC-10Ni: Khuyến nghị sử dụng tỉ lệ WC-10Ni khoảng 20-30% khối lượng để đạt được sự cân bằng tối ưu giữa độ cứng, độ bền và khả năng chống mài mòn. Thời gian áp dụng trong vòng 6 tháng cho các dự án phục hồi chi tiết máy.

  2. Ứng dụng công nghệ phun HVOF trong sản xuất và phục hồi: Đề xuất các doanh nghiệp cơ khí đầu tư hệ thống phun HVOF hiện đại, đồng thời đào tạo kỹ thuật viên vận hành để đảm bảo chất lượng lớp phủ ổn định và hiệu quả kinh tế.

  3. Kiểm soát chất lượng lớp phủ: Áp dụng các phương pháp đánh giá SEM/EDS, XRD, đo độ cứng và độ xốp định kỳ trong quy trình sản xuất để đảm bảo lớp phủ đạt tiêu chuẩn kỹ thuật, giảm thiểu sai sót và tăng tuổi thọ chi tiết.

  4. Nghiên cứu mở rộng về tính năng chống ăn mòn và va đập: Khuyến khích các nghiên cứu tiếp theo tập trung vào đánh giá khả năng chống ăn mòn điện hóa và va đập của lớp phủ NiCrBSi/WC-10Ni trong các môi trường làm việc thực tế, nhằm hoàn thiện hồ sơ kỹ thuật và mở rộng ứng dụng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí: Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển các lớp phủ chống mài mòn hiệu quả, nâng cao tuổi thọ chi tiết máy trong các ngành công nghiệp nặng.

  2. Doanh nghiệp sản xuất và phục hồi chi tiết máy: Sử dụng công nghệ phun HVOF và phối trộn WC-10Ni để cải thiện chất lượng sản phẩm, giảm chi phí bảo trì và tăng hiệu suất vận hành.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật vật liệu và cơ khí: Tham khảo để hiểu rõ hơn về công nghệ phun phủ, vật liệu composite và các phương pháp đánh giá chất lượng lớp phủ.

  4. Các nhà quản lý dự án và kỹ thuật trong ngành công nghiệp chế tạo: Dựa trên kết quả nghiên cứu để lập kế hoạch đầu tư thiết bị, lựa chọn vật liệu phù hợp và xây dựng quy trình sản xuất hiệu quả.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phun phủ HVOF có ưu điểm gì so với các phương pháp phun khác?
    Phun HVOF tạo ra lớp phủ có mật độ cao, độ bám dính tốt, độ xốp thấp và ít biến dạng chi tiết do vận tốc hạt phun rất cao (hơn 1000 m/s) và nhiệt độ thấp hơn so với phun plasma.

  2. Tại sao chọn WC-10Ni làm hạt gia cường trong lớp phủ?
    WC-10Ni có độ cứng cao nhờ thành phần WC và độ dai tốt nhờ nền Ni, giúp lớp phủ chống mài mòn hiệu quả trong môi trường ma sát khô và chịu va đập tốt hơn so với WC-Co truyền thống.

  3. Ảnh hưởng của tỉ lệ WC-10Ni đến đặc tính lớp phủ như thế nào?
    Tỉ lệ WC-10Ni tăng làm tăng độ cứng tế vi, giảm độ xốp và cải thiện khả năng chống xói mòn, ma sát mài mòn, tuy nhiên cần kiểm soát để tránh làm giảm độ dai và độ bám dính.

  4. Làm thế nào để kiểm soát nhiệt độ mẫu trong quá trình phun?
    Sử dụng thiết bị đo nhiệt độ hồng ngoại để theo dõi, giữ nhiệt độ mẫu không vượt quá 200ºC, nếu quá nhiệt cần tạm dừng phun để tránh ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ.

  5. Lớp phủ NiCrBSi/WC-10Ni có thể ứng dụng trong những ngành nào?
    Phù hợp với các ngành công nghiệp khai thác dầu khí, đóng tàu, ô tô, hàng không vũ trụ và các thiết bị làm việc trong môi trường mài mòn khắc nghiệt, cần lớp phủ chống mài mòn và ăn mòn cao.

Kết luận

  • Luận văn đã nghiên cứu thành công ảnh hưởng của tỉ lệ WC-10Ni đến cấu trúc và đặc tính cơ học của lớp phủ NiCrBSi/WC-10Ni sử dụng công nghệ phun HVOF.
  • Tỉ lệ phối trộn WC-10Ni từ 20-30% khối lượng cho lớp phủ có độ cứng tế vi cao nhất (khoảng 1600 HV), độ xốp thấp (<2%) và khả năng chống mài mòn vượt trội.
  • Kết quả SEM/EDS và XRD xác nhận cấu trúc composite đồng nhất với các pha cứng WC và hợp kim NiCrBSi ổn định.
  • Lớp phủ có hệ số ma sát và khối lượng mòn giảm đáng kể, phù hợp cho ứng dụng phục hồi và chế tạo chi tiết máy trong điều kiện làm việc khắc nghiệt.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng về tính năng chống ăn mòn và va đập, đồng thời ứng dụng kết quả trong công nghiệp phục hồi chi tiết máy.

Next steps: Triển khai thử nghiệm ứng dụng thực tế tại các doanh nghiệp, đồng thời phát triển quy trình sản xuất tự động hóa lớp phủ NiCrBSi/WC-10Ni.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí nên phối hợp để ứng dụng công nghệ phun HVOF và vật liệu composite này nhằm nâng cao hiệu quả và tuổi thọ chi tiết máy.