Báo cáo: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt khí để tạo bề mặt có độ chịu mài mìn và bá dính cao phục hồi các chi tiết máy có chế độ làm việc khắc nghiệt pdf

bộ công nghiệp
viện nghiên cứu cơ khí





báo cáo tổng kết đề tài KHCN cấp nhà nớc
m số kc 05.10

nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun phủ
nhiệt khí để tạo bề mặt có độ chịu mài mòn
và bám dính cao phục hồi các chi tiết máy
có chế độ làm việc khắc nghiệt



chủ nhiệm đề tài: KS uông sỹ áp

5848
31/5/2006


hà nội 2006

3

bài tóm tắt

Mục đích của đề tài là nghiên cứu ứng dụng những thành tựu tiên tiến nhất trên
thế giới về công nghệ phun nhiệt, để xác lập quy trình công nghệ tạo lớp bề mặt có độ
bám dính, độ chịu mài mòn và chịu nhiệt độ cao nhằm phục hồi các chi tiết làm việc
trong điều kiện khắc nghiệt, đặc biệt là các chi tiết tuabin khí.
Ph-ơng pháp nghiên cứu: kết hợp lý thuyết và thực nghiệm. Đối t-ợng nghiên
cứu là công nghệ phun plasma áp dụng vào việc phục hồi các chi tiết tuabin khí bị h-
hỏng d-ới dạng bong tróc lớp phủ, điển hình là cánh tuabin, ống vòi voi .v.v
Bản báo cáo gồm 6 ch-ơng, 39 hình vẽ, 21 bảng biểu và 4 phụ lục và một phụ
biểu kèm theo.
Trên cơ sở nghiên cứu tổng quan các thành tựu khoa học công nghệ phun trên
thế giới ( thông qua các tài liệu sách báo, tạp chí, patents ) và khảo sát tình hình thực tế
ở nhiều nhà máy nhiệt điện phía Nam, nhóm đề tài đã xác định nhiệm vụ chính của
công tác nghiên cứu là xác định chế độ phun tối -u trên máy phun hồ quang plasma để
phục hồi thí điểm 2 5 chi tiết ( cùng loại ) đảm bảo các tính chất của lớp phủ làm
việc trong điều kiện khắc nghiệt của tuabin khí.
Lý thuyết về quá trình tạo hạt và hình thành lớp phủ, ph-ơng pháp tính toán các
thông số kỹ thuật phun, các tính chất cơ, lý, hoá của lớp phun, sự chọn vật liệu phun
của các lớp ( trung gian, phủ ), công nghệ chuẩn bị bề mặt, kỹ thuật phun đã đ-ợc

nghiên cứu làm cơ sở cho công tác thực nghiệm.
Ba đợt thí nghiệm đã đ-ợc tiến hành để xác định chế độ phun tối -u. Mỗi đợt
gồm 5 7 lô, mỗi lô 6 mẫu tiêu chuẩn. Các chỉ tiêu để đánh giá là độ bám dính, độ
cứng và độ xốp lớp trung gian.
Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thí nghiệm, công nghệ phục hồi
ống vòi voi đã đựơc xác lập, và 02 ống vòi voi đã đ-ợc phục hồi thí điểm có kết quả
khả quan.
Kết luận:
1. Đề tài đã đi đúng h-ớng, chọn đ-ợc ph-ơng pháp phun hợp lý và đối t-ợng
nghiên cứu - các chi tiết cần phục hồi, vừa mang tính bức xúc, yêu cầu kỹ thuật cao vừa
phù hợp với xu thế nghiên cứu phát triển hiện nay của các n-ớc tiên tiến trên thế giới.
2. Quá trình nghiên cứu đã kết hợp chặt chẽ với các cơ sở sản xuất, tham quan
các công nghệ và thành tựu khoa học mới của n-ớc ngoài, thu thập đ-ợc nhiều tài liệu
khoa học kỹ thuật quý giá liên quan đến đề tài, kể cả những vật liệu cần thiết cho công
id3915828 pdfMachine by Broadgun Software - a great PDF writer! - a great PDF creator! -
4

tác thí nghiệm. Sự tổng hợp đầy đủ các tài liệu, các patents, lý thuyết các quá trình
phun giúp đ-a ra đ-ợc kế hoạch thí nghiệm bài bản, do đó các kết quả thí nghiệm là tin
cậy.
3. Tuy có chậm so với tiến độ đề ra, nh-ng đề tài đã thực hiện đầy đủ và kết
quả các nhiệm vụ quy định. Các sản phẩm thu đ-ợc của đề tài bao gồm hai quy trình
công nghệ, các thiết bị đồ gá và hai sản phẩm phục hồi đã đ-ợc nghiệm thu và đánh giá
đạt yêu cầu. Các chỉ tiêu cơ bản của lớp phun trên bề mặt chi tiết phục hồi ( ống vòi voi
) nh- sau:
- Độ bám dính với kim loại nền 378 kG/ cm
2

- Độ xốp Lớp trung gian2%
- Độ cứng lớp phủ RC15N 75

Sản phẩm sẽ đ-ợc lắp đặt thử nghiệm trong thời gian tới.
4. Quá trình công nghệ phun phục hồi ống vòi voi đ-ợc tiến hành theo ba công
đoạn: Chuẩn bị, phun phủ và kiểm tra.
Công đoạn chuẩn bị bao gồm việc làm sạch chi tiết bằng ph-ơng pháp cơ học,
kiểm tra và xử lý nền, tẩy rửa hoá học, tạo nhám bề mặt bằng ph-ơng pháp phun bột
oxit nhôm cỡ hạt G24.
Công đoạn phun phủ đ-ợc thực hiện trên máy phun plasma SG 100 và các đồ
gá tĩnh và động, chế độ phun nh- sau:
a. Phun lớp trung gian ( lớp liên kết ) với bột Ni-164-2:
+ Điện áp phun, U
p
40 V
+ C-ờng độ dòng điện, I
p
800A
+ Vận tốc di chuyển súng phun, V
p
10mm/ giây
+ Khoảng cách phun, l
p
76 ữ 102 mm
+ Năng suất cấp bột, m
b
23 ữ 30 g/ ph
+ áp suất khí argon, P
ar
50 Psi
+ áp suất khí heli, P
He
110 Psi

+ áp suất khí argon ( khí tải bột ), P
Ar
30 ữ 35 Psi
+ Góc phun, độ 75 ữ 90
0
+ Nhiệt độ đốt nóng sơ bộ,
0
C.120 ữ 160
0
C
b. Phun lớp phủ với bột ZRO -182:
+ Điện áp phun, U
P
40V
5

+ C-ờng độ dòng điện, I
P
450A
+ Vận tốc di chuyển súng phun, V
P
.10 mm/ giây
+ Khoảng cách phun, l
P
76 ữ 102 mm
+ Năng suất cấp bột, m
b
38 ữ 53 g/ phút
+ áp suất khí argon, P
Ar

40 Psi
+ áp suất khí hydro, P
H2
10/ 15 Psi
+ áp suất khí argon( khí tải bột ), P
Ar
30/ 35 Psi
+ Góc phun, độ75 ữ 90
+ Nhiệt độ đốt nóng sơ bộ,
0
C.120 ữ 160
0
C
Công đoạn kiểm tra đ-ợc tiến hành trong cả quá trình phục hồi bao gồm kiểm
tra chất l-ợng bề mặt tr-ớc, trong và sau khi phun, kiểm tra chiều dày lớp phun.
5. Các kết quả nghiên cứu tuy mới dừng lại trong phạm vi phòng thí nghiệm
nh-ng qua kiểm tra chất l-ợng của các cơ quan khoa học ( Viện Công Nghệ Bộ Công
nghiệp, Trung tâm kỹ thuật 1- Tổng cục Tiêu chuẩn Đo l-ờng Chất l-ợng, Tr-ờng Đại
học Bách Khoa Hà nội), lớp phun chịu nhiệt có thể đáp ứng đ-ợc các yêu cầu làm việc
của các chi tiết tuabin khí ( ống vòi voi, đế cánh và cánh tĩnh vv.).
Sự phục hồi các chi tiết nói trên sẽ mang lại hiệu quả kinh tế to lớn và chủ động
trong sản xuất của các nhà máy nhiệt điện hiện đang sử dụng các loại máy này.
6. Lần đầu tiên ở Việt Nam một công nghệ mới, hiện đại đã đ-ợc tiến hành
nghiên cứu, đó là công nghệ phun phủ nhiệt hồ quang plasma với thiết bị hiện đại và
vật liệu mới. Nó đã giúp nâng cao trình độ hiểu biết khoa học kỹ thuật và ph-ơng pháp
nghiên cứu khoa học kỹ thuật cho nhiều cán bộ, đặc biệt cán bộ trẻ.
7. Trong qúa trình hội nhập khu vực và thế giới, xu thế đ-a khoa học công nghệ
vào đời sống xã hội đang đ-ợc phát triển mạnh mẽ, nhiều đơn vị nghiên cứu, sản xuất
trong lĩnh vực cơ khí chế tạo máy và tự động hoá đặc biệt là một số trung tâm sửa chữa
của tổng Công ty Điện lực Việt Nam, Tổng cục hàng không - Bộ Quốc phòng v.v

đang đẩy mạnh việc tăng c-ờng trang thiết bị phun phủ hiện đại tiếp cận và nhập khẩu
công nghệ tiên tiến, thì kết quả nghiên cứu đề tài và 2 quy trình công nghệ đã xác lập
sẽ góp phần tích cực với tính thực tiễn cao đẩy nhanh lộ trình ứng dụng công nghệ
phun phủ nhiệt phục hồi các chi tiết máy có chế độ làm việc khắc nghiệt tạo nên b-ớc
phát triển mới trong lĩnh vực ứng dụng công nghệ tiên tiến nói riêng và trong ngành cơ
khí chế tạo máy nói chung.
6

Mục lục
Trang
Bài tóm tắt 3

Bảng chú giải 7

Lời mở đầu 8

Ch-ơng 1 Tổng quan 9

1.1. Tình trạng h- hỏng của tuabin nhiệt qua khảo sát 9
1.2. Tình hình nghiên cứu ngoài n-ớc 12
1.3. Các độc quyền sáng chế ( patents) 17
1.4. Tình hình nghiên cứu trong n-ớc 21
1.5. Về các lớp phun chịu nhiệt độ cao 23

Ch-ơng 2 Chọn ph-ơng pháp và đối t-ợng nghiên cứu 28
2.1. Chọn ph-ơng pháp phun để nghiên cứu 28
2.2. Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài 32

Ch-ơng 3 lý thuyết về các quá trình phun phủ nhiệt 33
3.1. Khái niệm chung 33

3.2. Cơ chế hình thành lớp phun 35
3.3. Các tính chất của lớp phủ 38
3.4. Ph-ơng pháp thử các tính chất lớp phun 48

Ch-ơng 4 thí nghiệm phun phủ nhiệt 52
4.1. Quy hoạch thí nghiệm 52
4.2. Những hiểu biết về ống vòi voi 52
4.3. Các lớp phủ chịu nhiệt trên ống vòi voi 53
4.4. Lập quy trình thí nghiệm 55
4.5. Mô tả thí nghiệm 58
4.6. Kết quả thí nghiệm 61
4.7. Phục hồi thử nghiệm ống vòi voi 78
4.8. Phân tích và đánh giá kết quả thí nghiệm 87

Ch-ơng 5 xác lập Quy trình công nghệ phục hồi các chi tiết
Máy có chế độ làm việc khắc nghiệt bằng
Công nghệ phun phủ nhiệt 91
5.1. Phân tích lựa chọn kết quả thí nghiệm 91
5.2. Quy trình công nghệ phun phủ phục hồi các chi tiết máycó chế
làm việc khắc nghiệt 91
5.3. Quy trình công nghệ phun plasma phục hồi ống vòi voi 94

Ch-ơng 6 tổng quát hoá và đánh giá kết quả thu đ-ợc 101
Kết luận và kiến nghị 106
Lời cảm ơn 109
Tài liệu tham khảo 110
7

Bảng chú giải



TBK

- Tuabin khí
PPN - Phun phủ nhiệt
m - Khối l-ợng của phần tử phun (4-1)
v - Tốc độ của phần tử khi va đập ( 4-2 )
C - Tỷ nhiệt ( 4-2 )
t
1
- Nhiệt độ của phần tử khi va đập ( 4-2 )
t
2
- Nhiệt độ chảy của phần tử ( 4-2 )
S
- ẩn nhiệt ( 4-2 )

t

- Hệ số dãn nở nhiệt của kim loại phủ ( 4-13 )
E - Modun đàn hồi ( 4-13 )
U
p
- Điện áp phun
I
P

- C-ờng độ dòng điện phun
V
P
- Tốc độ di chuyển súng phun
l
P
- Khoảng cách phun
m
b
- Năng suất cấp bột
P
Ar
- áp suất khí argon
P
He
- áp suất khí heli
P
H2

- áp suất khí hydro
P
Arb
- áp suất khí argon tải bột

bd
- Độ bám dính lớp phủ

8

Lời mở đầu


Những kết quả nghiên cứu về phun phủ bằng hồ quang và khí đốt trong mấy
thập niên cuối của thế kỷ tr-ớc, một vài cơ sở nghiên cứu và sản xuất ( nh- Viện Khoa
học Công nghệ GTVT, Viện nghiên cứu Cơ khí, Nhà máy Cơ khí Cẩm Phả ) chỉ đ-ợc
ứng dụng để phục hồi một số chi tiết máy mài mòn làm việc trong điều kiện đ-ợc bôi
trơn và va đập nh- trục cam, trục khuỷu, trục bơm thuỷ lợi Những kết quả này cũng
đ-ợc ứng dụng để bảo vệ các chi tiết làm việc trong môi tr-ờng xâm thực của n-ớc
mặn ( nh- giàn khoan ) và n-ớc lợ ( nh- cánh cửa đập n-ớc ).v.v .
Những chi tiết làm việc trong điều kiện khắc nghiệt phải có bề mặt đ-ợc bảo vệ
bởi một lớp phun phủ có độ bám cao, độ bền mòn cao. Những ph-ơng pháp phun
truyền thống ( phun hồ quang 2 dây, phun trong ngọn lửa oxy - acetylen ) không thể
tạo đ-ợc lớp phun có các tính chất đặc biệt nh- vậy. Phải có một ph-ơng pháp phun
phủ đặc biệt để tạo đ-ợc lớp phun có các tính chất đặc biệt . Đề tài KC.05.10
đ-ợc tiến hành nghiên cứu nhằm mục đích này.
Để đạt đ-ợc mục đích nêu trên nhiệm vụ của Đề tài đ-ợc khái quát nh- sau:
1. Nghiên cứu tổng quan để nắm đ-ợc nhu cầu thực tế của Việt Nam, chọn đối t-ợng
nghiên cứu và ph-ơng pháp nghiên cứu ( ph-ơng pháp phun phủ ).
2. Nghiên cứu lý thuyết quá trình phun phủ đ-ợc lựa chọn nhằm xác lập sơ bộ quy
trình công nghệ phun phủ.
3. Thí nghiệm chọn chế độ phun phủ và thí nghiệm xác định các tính chất của lớp
phun trên, đó là cơ sở chuẩn xác công nghệ phun phủ phục hồi chi tiết làm việc
trong điều kiện khắc nghiệt.
4. Phun phục hồi thử nghiệm 1- 2 chi tiết nhằm ứng dụng các kết quả nghiên cứu.
9

Ch-ơng 1 Tổng quan

1.1. Tình trạng h- hỏng của tuabin nhiệt qua khảo sát
1.1.1. Công việc khảo sát thực tế đã đ-ợc tiến hành tại 4 nhà máy nhiệt điện
(phụ lục 1). Kết quả khảo sát tuabin GT13E2 cho thấy:
Cánh động tầng 1 ( Hình 1-1)
- Toàn bộ các cánh động tầng 1 bị nứt, rạn tại phần thân và đuôi cánh, nơi áp
lực dòng môi chất tác dụng vào lớn nhất.
- Tại các lỗ dẫn khí làm mát, trên toàn bộ cánh động tầng 1 bị nứt rạn.
- Hầu hết các cánh động tầng 1 có hiện t-ợng bị quá nhiệt ( biến mầu ).
- Toàn bộ các cánh động tầng 1 bị bong tróc lớp phủ chịu nhiệt ( 60% 80%).
Cánh tĩnh tầng 1 ( hình 1-2 )
- Toàn bộ 63 cánh đều có hiện t-ợng bị quá nhiệt trên vùng thân cánh với kích
th-ớc 35 x 100 mm.
- Có 58 cánh bị bong tróc lớp phủ với kích th-ớc từ 5 x ( 30 50 ) mm.
Cánh động tầng 2
- Có hiện t-ợng quá nhiệt tại vùng đuôi cánh với kích th-ớc 20 x 40 mm, tại
vùng chân cánh khoảng 30 x 50 mm.
- Bong tróc lớp phủ tại thân cánh.
Cánh tĩnh tầng 2
- Hiện t-ợng bị ăn mòn hóa học và quá nhiệt tại đỉnh cánh ( 1015 mm ).
- Cánh số 16 bị tróc lớp phủ ( 50 mm ) tại thân cánh.
- Cánh số 27 bị bong tróc lớp phủ tại thân cánh ( khoảng 4 mm ).
- Cánh số 25 bị quá nhiệt tại vùng đỉnh cánh.
- Cánh số 24 bị quá nhiệt tại đuôi cánh.
Cánh động tầng 3
- Bị qúa nhiệt tại vùng đỉnh cánh.
- Bong tróc lớp phủ tại vùng thân cánh ( khoảng 50% ).
Cánh tĩnh tầng 3
-
Toàn bộ 63 cánh tĩnh tầng 3 bị quá nhiệt và tại đuôi cánh bị bong tróc lớp
phủ.

- Toàn bộ phần đỉnh cánh cũng bị bong tróc lớp phủ và quá nhiệt.
10
- Tại phần thân cánh bị nứt tế vi và bong tróc lớp phủ ( khoảng 40% đến 60%)
trên bề mặt.
Cánh động tầng 4
- Tại bề mặt chịu tác động trực tiếp của áp lực dòng môi chất bị quá nhiệt.
- Toàn bộ các bề mặt bị bong tróc lớp phủ ( khoảng 50% ).
- Có hiện t-ợng bị ăn mòn hóa học tại đuôi cánh.
Cánh tĩnh tầng 4
- Toàn bộ 63 cánh bị bong tróc lớp phủ tại bề mặt chịu tác động trực tiếp của
áp lực dòng môi chất với kích th-ớc 200 x 20 mm.
- Tại đỉnh cánh bị bong tróc lớp phủ và ăn mòn hóa học ( khoảng 40 đến 60
mm ).
- Tại phần đuôi cánh, nơi chịu tác động của áp lực dòng môi chất bị mòn lớp
phủ ( khoảng 50 mm
2
).
Cánh động tầng 5
- Tại vùng thân cánh và đuôi cánh bị bong tróc lớp phủ.
- Tại vùng đỉnh cánh bị ăn mòn hóa học trên suốt chiều rộng phần đỉnh.
Cánh tĩnh tầng 5
- Các cánh số 43, 60, 61 bị ăn mòn hóa học ( khoảng 8 x 4 mm ).
- Toàn bộ 63 cánh bị bong tróc lớp phủ tại vùng thân cánh và nửa trên phần
đuôi cánh.
- Toàn bộ cánh bị bám bẩn.
Các ống vòi voi ( transition pieces )
Các ống vòi voi có nhiệm vụ dẫn luồng khí nóng vào trong buồng tuabin, chịu
tác dụng rất lớn của nguồn nhiệt khí đốt. Sau một thời gian làm việc có hiện t-ợng
bong tróc lớp phủ chịu nhiệt và nứt thành ống.

11

H×nh 1.1: C¸n
h ®éng tuabin khÝ bÞ h- háng

H×nh 1-2: C¸nh tÜnh tuabin khÝ bÞ bong trãc líp phñ

12
1.1.2. Công việc khảo sát cũng đã tiến hành đối với các tổ máy tuabin khí F5, F6,
GT3, GT4, GT21, GT22 tại các nhà máy nhiệt điện Phú Mỹ, Cần Thơ, Thủ Đức, Bà
Rịa. Tình trạng h- hỏng của các chi tiết máy nén và tuabin khí cũng t-ơng tự nh- tổ
máy GT13E2 ( Phú Mỹ ).
1.1.3. Hầu hết các tổ máy tuabin khí sau 24000h công tác phải sửa chữa đại tu, nhằm
đảm bảo sự hoạt động của các tầng cánh ( động và tĩnh ) đạt 48000h.
Trong các kỳ sửa chữa những cánh tuabin và các chi tiết khác bị h- hỏng đ-ợc
thay mới hoặc phục hồi. Các chi tiết phục hồi đ-ợc thực hiện ở n-ớc ngoài ( Thuỵ Sỹ,
Singapo ). Thời gian phục hồi ( phun phủ ) từ khi tháo đến khi lắp đặt sau phục hồi
mất ít nhất 15 tuần. Ngoài ra, nhà chế tạo có toàn quyền quyết định việc phục hồi các
chi tiết sau khi nhận đ-ợc.

Chi phí cho mỗi kỳ đại tu máy là rất lớn. Vài ví dụ:
- Tổng chi phí đại tu máy GT21 là trên 72.629.000.000 đồng.
- Tổng chi phí đại tu máy GT22 là trên 47.996.000.000 đồng.
Trong đó chi phí cho việc thuê phục hồi ở n-ớc ngoài chiếm tỉ lệ đáng kể.
1.1.4. Qua công tác khảo sát điều kiện làm việc và tình trạng thiết bị tuabin khí tại các
nhà máy nhiệt điện phía Nam, nhóm thực hiện đề tài đã rút ra một số nhận xét chung
nh- sau:
- Hầu hết các nhà máy nhiệt điện sử dụng thiết bị tuabin khí, sau một chu kỳ
vận hành, nhu cầu về công tác đại tu, phục hồi các chi tiết tuabin là rất lớn.
điển hình là các chi tiết nh-: ống lửa, cánh tuabin ( động và tĩnh ), ống vòi
voi .v.v Các chi tiết này hiện nay đều phải thuê các công ty và tập đoàn
lớn, chuyên sản xuất cung cấp thiết bị tuabin khí với giá thành rất cao, vì đây
là các tập đoàn độc quyền do đó không tránh khỏi tình trạng bị ép giá và
chịu nhiều thiệt thòi do những yêu sách từ phía đối tác đặt ra.
- Đối với các chi tiết phục hồi lại lớp phủ chịu nhiệt nh-: ống dẫn lửa, ống vòi
voi, cánh tuabin có thể nghiên cứu, ứng dụng quy trình công nghệ phun phủ
nhiệt khí để phục hồi lại lớp phủ chịu nhiệt tại Việt Nam mà không cần phải
thuê các đối tác độc quyền n-ớc ngoài, vừa tốn kém ngoại tệ, vừa khó chủ
động trong sản xuất.
1.2. Tình hình nghiên cứu ngoài n-ớc
Phun phủ kim loại là lĩnh vực công nghệ còn mới mẻ so với các ph-ơng pháp
công nghệ khác nh- mạ, hàn ,v.v Mặc dù nó đ-ợc phát minh ra từ năm 1919 do một
13
kỹ s- ng-ời Thụy Sĩ ( M.Shoop ) nh-ng mãi đến năm 1923 ph-ơng pháp công nghệ
này mới đ-ợc ứng dụng vào sản xuất và cũng chỉ dừng lại ở mức độ trang trí. Đến
chiến tranh thế giới thứ II, phun kim loại bắt đầu đ-ợc sử dụng với quy mô rộng rãi
hơn, có tính vạn năng hơn, đặc biệt là trong lĩnh vực phục hồi chi tiết máy, chống gỉ
v.v.
Hiện nay, công nghệ phun phủ kim loại đã có tốc độ phát triển và ứng dụng
mạnh mẽ trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là trong cơ khí chế tạo máy, giao

thông vận tải, dầu khí .v.v. Nó dần dần trở thành một lĩnh vực chuyên môn riêng
biệt, biểu hiện một mặt nh- ph-ơng pháp xử lý bề mặt, mặt khác nh- một ph-ơng pháp
công nghệ trong sản xuất.
Thực chất của quá trình phun phủ kim loại là phủ lên bề mặt chi tiết một lớp
kim loại, hợp kim hoặc gốm kim loại nhằm nâng cao tính năng làm việc của chi tiết và
thiết bị trong các điều kiện khác nhau.
Quá trình công nghệ phun phủ gồm ba giai đoạn chủ yếu là:
- Chuẩn bị bề mặt tr-ớc khi phun;
- Phun phủ;
- Xử lý nhiệt lớp phun phủ sau khi phun.
Ba quá trình công nghệ này có quan hệ mật thiết, hỗ trợ lẫn nhau tạo nên chất
l-ợng của lớp phủ với các chỉ tiêu chủ yếu là:
- Độ bám của lớp phủ với kim loại nền;
- Cơ, lý tính của lớp phun ( độ cứng, độ dai va đập, khả năng chịu nhiệt, chịu
mòn .v.v).
Để đánh giá quá trình phát triển của công nghệ phun kim loại phải dựa trên cơ
sở của sự phát triển về thiết bị, các ph-ơng pháp công nghệ, vật liệu phun và phạm vi
ứng dụng. Với sự phát triển về công nghệ phun, ng-ời ta đã chế tạo ra các loại đầu
phun khác nhau nh-: đầu phun bột kim loại, đầu phun dùng nhiên liệu khí cháy, đầu
phun hồ quang điện, đầu phun bằng dòng cao tần, đầu phun plasma với dây chuyền
phun tự động. Đầu phun plasma đặc chủng có thể phun đ-ợc các bề mặt chi tiết có biên
dạng phức tạp, không gian thao tác và dịch chuyển đầu phun bị hạn chế ( ví dụ đầu
phun SG100-2086A của hãng Praxair- Tafa- Mỹ, súng phun plasma A9 của hãng
Flame-Corporation-USA, súng phun plasma PLA500 của hãng Metalisation-Anh
.v.v). Song song với các thiết bị và dây chuyền phun tự động đó, ng-ời ta đã nghiên
14
cứu thêm công nghệ phun những vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao ( vật liệu gốm-
ceramic, các loại cacbit, các loại oxit kim loại khác .v.v ).
Đầu phun plasma là thiết bị tiên tiến và đ-ợc dùng rộng rãi trên thế giới hiện
nay. Nhiều n-ớc tiến tiến đã sản xuất thiết bị này và ứng dụng rất có hiệu quả trong

công nghiệp nh- Anh, Pháp, Đức, Mỹ, Nhật, Nga, Thuỵ Sỹ, v.v
Ưu điểm nổi bật của đầu phun plasma là: có thể phun đ-ợc các loại vật liệu khó
nóng chảy nhờ dòng nhiệt cao của dòng plasma, có khả năng điều chỉnh nhiệt độ và tốc
độ của dòng plasma bằng cách lựa chọn hình dạng và đ-ờng kính của vòi phun và chế
độ phun, do đó phạm vi của vật liệu phun đ-ợc mở rộng và rất đa dạng ( kim loại, gốm,
vật liệu hữu cơ .v.v ). Việc sử dụng khí trơ làm khí công tác mở ra khả năng phun
trong buồng có môi tr-ờng khí trơ, lớp phun plasma có độ bám tốt với kim loại nền.
Nh-ợc điểm của ph-ơng pháp phun plasma là năng suất phun t-ơng đối thấp, có
tiếng ồn khi phun và quá trình phun có phát ra tia cực tím. Ngoài ra, thiết bị phun
plasma có giá thành cao, chi phí vận hành lớn.
Tính năng kỹ thuật của một số thiết bị phun plasma đ-ợc sử dụng trên thế giới
hiện nay đ-ợc thống kê theo bảng 1.1.
Bảng 1.1. Tính năng kỹ thuật của thiết bị phun plasma
Khí tạo plasma
Năng suất
tối đa, kg/h
Ký hiệu, hãng, n-ớc
sản xuât
Công
suất,

kW

Dòng
điện
I
max,

A
Thành

phần
L-u
l-ợng,
m
3
/h
Tuổi
thọ
điện
cực, h

Bột
kim
loại
Bột
gốm

PAL-160-2 Tiệp khắc
cũ
160 460 H
2
O -
35
mm/p

56 3,2
METCO 3MB- Mỹ
40 400
Ar, H
2

,
He
1,7 100 1,7 -
METCO 9MB- Mỹ 80 1000

Ar, N
2
1,7 4 - -
METCO 10MB Mỹ 80 1100

Ar, He - 12 - -
PLASMAGAN
SYSTEM 12-92B Mỹ
60 700 N
2
5 100 5,6 4,2
NOBEL-BOREL Pháp 35 900 Ar, H
2
3 75 1,3 -
PLA-9AED Anh 11 600 Ar 1,6 200 2 1
FPV-105 Nga 80 - khí đốt - - - -
19V-B (VISP) Nga 30 600 Ar, H
2
10 10 3,5 2
UPU-3 Plasma
Technique Thuỵ Sỹ
45 850
Ar, H
2
,

N
2
,He
3,5 150 4 3
15
Song song với quá trình nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng các loại đầu phun, các
loại vật liệu phun cũng đồng thời đ-ợc phát triển càng ngày càng mạnh với những tính
năng kỹ thuật, yêu cầu cao. Các loại vật liệu phun phổ biến hiện nay trên thế giới có 3
dạng chủ yếu sau: dạng dây, dạng thanh và dạng bột. Vật liệu dạng thanh và dạng dây
đ-ợc dùng trong phun khí cháy, phun hồ quang và xung điện, vật liệu bột chủ yếu dùng
trong công nghệ phun plasma, phun nổ và phun khí cháy.
Vật liệu phun dạng bột đ-ợc sử dụng khá phổ biến và rộng rãi trong những năm
gần đây vì công nghệ chế tạo chúng không đòi hỏi độ phức tạp cao và có thể chế tạo từ
bất kì một loại vật liệu nào với giá thành t-ơng đối thấp. Hơn nữa, công nghệ phun
plasma, phun nổ và phun khí cháy đối với một số vật liệu chỉ có thể đ-ợc thực hiện khi
vật liệu phun ở dạng bột. Hiện nay, vật liệu phun dạng bột rất phong phú và đa dạng.
D-ới đây là một số kim loại và hợp kim đ-ợc ứng dụng rộng rãi trên thế giới:
- Bột Al: có tác dụng chống gỉ và tạo lớp phun cho dây điện.
- Bột Zn: dùng để tạo lớp phun chống gỉ.
- Bột hợp kim Zn-Al: Dùng để tạo lớp phun chống ăn mòn hoá học và chịu
đ-ợc oxy hoá ở nhiệt độ cao.
- Bột Cu và hợp kim Cu: dùng để tạo lớp phun dẫn điện.
- Bột Mo: th-ờng dùng để phun tạo lớp vật liệu lót tr-ớc khi phun lớp vật liệu
mong muốn lên bề mặt chi tiết. Ngoài ra, đối với các chi tiết làm việc trong
môi tr-ờng axit HCl lớp phun Mo còn có tác dụng chống mài mòn và ăn
mòn hoá học.
- Bột vonfram ( W ): là loại vật liệu bột có nhiệt độ nóng chảy rất cao. Bột W
th-ờng đ-ợc chế tạo ở dạng tinh khiết chứa rất ít tạp chất, đặc biệt là Fe. Lớp
phun bột W có độ bám dính tốt với bề mặt gốm ( ceramic ). Loại bột này
th-ờng đ-ợc ứng dụng để phun tạo lớp vật liệu chịu nhiệt độ cao, ma sát lớn

trong các chi tiết máy có điều kiện làm việc t-ơng tự.
- Bột thép chịu ăn mòn và nicrom: Lớp phun bằng vật liệu này có tính chất
chống gỉ và chịu nhiệt, th-ờng đ-ợc dùng làm lớp trung gian cho lớp phủ
gốm.
-
Các loại bột hợp kim khác nh- thiếc chì ( babit) và đồng thau chì chịu ma sát
tốt, th-ờng đ-ợc dùng cho ổ tr-ợt.
Vật liệu phun dạng gốm ( ceramic ) đ-ợc chế tạo d-ới dạng hợp chất của oxit
kim loại, borua nitrit, silicat và cacbit. Đây là loại vật liệu có nhiệt độ nóng chảy rất
16
cao ( 3000
0
C ) nên chỉ dùng trong công nghệ phun plasma hoặc phun kích nổ. Vật liệu
phun dạng gốm đ-ợc sử dụng rộng rãi hiện nay là các oxit và cacbit.
- Gốm oxit có tính dẫn nhiệt, dẫn điện thấp và có độ bền nhiệt rất cao. Có hai
loại gốm oxit: gốm oxit đơn giản và gốm oxit phức tạp. Gốm oxit đơn giản
là hợp chất của một kim loại với oxy, gốm oxit phức tạp là hợp chất của các
oxit của hai hoặc nhiều hơn hai kim loại.
- Gốm cacbit kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao hơn nhiều so với chính kim
loại đó ( nhiệt độ làm mềm cacbit là hơn 3000
0
C ). Vật liệu gốm để phun
th-ờng dùng là cacbit vonfram, cacbit crôm, cacbit titan, cacbit ziriconi
.v.v . Các loại gốm này th-ờng đ-ợc dùng trong công nghệ phun để tạo lớp
bề mặt chịu nhiệt độ cao ( ví dụ nh- các chi tiết tuabin khí ).
Bên cạnh các loại vật liệu phun trên, ngày nay trên thế giới có các loại vật liệu
phun dạng tổng hợp và dạng hợp kim tự nóng chảy. Vật liệu phun dạng tổng hợp là
hỗn hợp cơ học của một số thành phần nh- Ni, Cr, Al, Mo, v.v để tạo ra lớp phun có
tính chất tốt hơn so với lớp phun đ-ợc phun từ mỗi thành phần riêng biệt. Nhìn chung
các lớp phun dạng vật liệu tổng hợp có độ bền mòn cao. Lớp phun dạng hợp kim tự

nóng chảy có đặc điểm là không có rỗ và có mật độ cao khi phun lên kim loại nền. Các
hợp kim tự nóng chảy th-ờng là các hợp kim nền Ni, hợp kim Cr-Ni hoặc hợp kim Cr-
Co. Lớp phun từ hợp kim tự nóng chảy có độ chịu mài mòn và ăn mòn cao, chống oxy
hoá trong môi tr-ờng không khí ở nhiệt độ cao.
Trên thực tế, công nghệ phun nhiệt khí đã đóng một vai trò quan trọng trong
nhiều lĩnh vực công nghiệp hàng đầu nh-: dầu khí, năng l-ợng, cơ khí v.v và góp
phần tạo ra nhiều loại sản phẩm có chất l-ợng cao, đáp ứng đ-ợc nhu cầu hiện đại hoá
và nâng cao hiệu quả kinh tế, xã hội. Một trong những ứng dụng rất quan trọng của
công nghệ phun phủ nhiệt khí là việc chế tạo, sửa chữa, phục hồi các loại cánh tuabin
khí làm việc trong điều kiện khắc nghiệt, chịu mài mòn lớn, nhiệt độ cao ( 850
1150
0
C ).
Trong thời gian gần đây, một số tập đoàn công nghiệp hàng đầu thế giới về lĩnh
vực thiết bị điện khí nh-: SULZER ( Thuỵ Sỹ ), MITSHUBISHI ( Nhật Bản ),
DONALDSON .v.v đã nghiên cứu thành công việc nâng cao tính năng của lớp phun,
trên cơ sở đó chế tạo những loại tuabin mới có khả năng làm việc tới nhiệt độ 1300
0
C
góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế, kỹ thuật cuả cả hệ thống.
Tuy nhiên, do tính chất độc quyền và th-ơng mại hoá cao độ của một số tập
đoàn công nghiệp và các n-ớc công nghiệp phát triển nên công nghệ phun chất l-ợng
17
cao còn bị bảo mật ch-a đ-ợc ứng dụng trong các n-ớc đang phát triển và chậm phát
triển.
1.3. Các độc quyền sáng chế ( patents )
Có tất cả 12 patents đã đ-ợc s-u tầm [21], trong đó có 3 patents của Nhật Bản
và 9 patents của Mỹ. Các patents giới thiệu nội dung các sáng chế về công nghệ, thiết
bị và vật liệu phun nhiệt. D-ới đây trình bày tóm tắt nội dung của một số patents có
liên quan nhất đến Đề tài.

1.3.1. Patent No JP2003034856 ( của Nhật Bản )- Ph-ơng pháp phun nhiệt (
Thermal Spraying Method )
* Vấn đề đặt ra: Phun nhiệt để tạo một lớp phun đồng đều về độ dày và có độ
bám dính cao trên bề mặt trong của vật hình trụ.
Giải pháp: Đặt chi tiết hình trụ đứng yên, gá thiết bị bên trong chi tiết trụ.
Thiết bị này đảm nhận vai trò phun hồ quang plasma làm nóng chảy vật liệu phun và
bắn các tia vật liệu nóng chảy lên mặt trong của chi tiết trụ theo h-ớng bán kính. Để
tạo đ-ợc lớp phun đồng đều cần di chuyển thiết bị dọc theo trục của chi tiết trụ.
1.3.2. Patent No US2002164430 ( của Mỹ )- Quá trình sản xuất lớp gốm chịu nhiệt
cho các chi tiết máy tuabin khí ( Process for producing a ceramic thermal barrier
layer for gas turbine engine component )
* Cơ sở của sáng chế
Sáng chế đề cập tới lớp phun bảo vệ các chi tiết làm việc trong môi tr-ờng xâm
thực khi nóng, đặc biệt là các chi tiết máy tuabin khí.
Các chất khí di chuyển qua máy tuabin với vận tốc và nhiệt độ cực cao, có thể
v-ợt quá 1000
0
C. Các yêu cầu đối với các cánh tuabin là đặc biệt nghiêm ngặt bởi
chúng phải làm việc trong điều kiện chất khí nhiệt độ cao và quay với tốc độ lớn ( tới
hàng ngàn vòng/phút).
Cánh tuabin đặc tr-ng bởi kết cấu lá mỏng điển hình, đ-ợc làm từ hợp kim
siêu cao có phủ một lớp bền nhiệt. Các hợp kim siêu cao này là những vật liệu nền
coban hoặc niken. Các lớp phun có nhiều chủng loại khác nhau. Một trong những
thành phần của lớp phun là hợp kim MCrAl, trong đó: Cr- crom, Al- nhôm, - ytri
hoặc nguyên tố đất hiếm với chất bảo trì M đ-ợc chọn từ nhóm sắt, coban, niken hoặc
hợp chất của chúng; lớp phun đó tạo nên màng oxit gốm liên kết bền nhiệt ( chịu đ-ợc
nhiệt độ cao ).
18
Hợp kim MCrAl đ-ợc ứng dụng để tạo các lớp phun bảo vệ, và patent giới
thiệu các lớp nh- vậy với 5 40 % crom, 8 35% nhôm, 0,1 2% nguyên tố hoạt tính

oxy từ nhóm III b của bảng tuần hoàn, gồm lantan và actinid hoặc hỗn hợp của chúng,
0,1 7% silic, 0,1 3% coban, chất bảo trì là niken hoặc coban. Các hợp kim MCrAl
đ-ợc phun phủ bằng ph-ơng pháp plasma.
Lớp hợp kim MCrAl đặc biệt chứa 18% crom, 23% coban, 12,5% nhôm và
0,3% ytri với chất bảo trì là niken đ-ợc ứng dụng để làm vật liệu nền. Lớp hợp kim này
có bề mặt nhẵn bóng và đ-ợc phun một lớp oxit nhôm và tiếp đến là lớp gốm cách
nhiệt. Trong cấu trúc vi mô hình trụ của lớp phun chịu nhiệt, các tinh thể hình trụ đ-ợc
sắp xếp vuông góc với mặt của kim loại cơ bản. Oxit ziriconi ổn định đ-ợc làm vật liệu
gốm.
* Tóm tắt patent
Mục đích của patent là khắc phục những nh-ợc điểm và tồn tại về cấu trúc của
các lớp phun tr-ớc đó bằng cách cung cấp cho các chi tiết máy tuabin khí nh- cánh
tuabin, một lớp nh- gốm chịu nhiệt bảo vệ. Mục đích khác nữa là tạo đ-ợc một sản
phẩm có nền kim loại với lớp phun bền nhiệt trên bề mặt hệ oxit kim loại hỗn hợp đ-ợc
chọn từ nhóm lantan, aluminat và canxi ziriconat, trong đó canxi có thể đ-ợc thay thế
từng phần bởi ít nhất một nguyên tố thay thế canxi.
Nguyên tố thay thế canxi đ-ợc nêu trong patent là stroti ( Sr ) hoặc bari ( Ba ).
Lantan trong lantan aluminat có thể đ-ợc thay thế từng phần bởi ít nhất một nguyên tố
trong thể lantan thuộc nhóm lantanit, đặc biệt là gadoli ( Gd).
Các quá trình tạo lớp phun nêu trên đ-ợc thực hiện bằng ph-ơng pháp phun
plasma hoặc phun bay hơi.
Patent đ-ợc áp dụng thích hợp nhất cho các chi tiết máy tuabin khí, nh- cánh
tuabin, van chủ hoặc các phần tử bảo vệ nhiệt làm từ hợp kim siêu cao nền niken,
coban hoặc crom.
1.3.3. Patent No US2003157363 ( của Mỹ ) - Hệ thống các lớp phun plasma bền
nhiệt ( Plasma Spraying Thermal Bond Coat System )
* Cơ sở của Patent
Ng-ời ta luôn tìm cách tăng nhiệt độ công tác của các máy tuabin khí để nâng
cao hiệu suất của chúng. Tuy nhiên, khi nhiệt độ công tác tăng thì độ bền nhiệt của các
chi tiết cũng phải tăng t-ơng ứng. Việc ứng dụng các hợp kim siêu cao nền niken và

coban đã mang lại những thành quả đáng kể về khả năng làm việc ở nhiệt độ cao của
19
các chi tiết máy tuabin khí, tuy nhiên bản thân các hợp kim nh- vậy thông th-ờng
không thích ứng với việc tạo các phần tử nằm trong một số kết cấu của máy tuabin khí,
nh- tuabin, buồng đốt và tăng áp. Giải pháp chung là làm cách nhiệt các phần tử nh-
vậy khỏi các khí nóng nhằm giảm thiểu nhiệt độ công tác của chúng và ngăn ngừa tác
dụng phá hoại của các khí oxy hoá hoạt tính nóng và ăn mòn. Nhằm mục đích này các
hệ thống phủ bền nhiệt ( thermal barrier coating - TBC systems ) trên bề mặt các chi
tiết làm việc ở nhiệt độ cao có ứng dụng rộng rãi.
Để có hiệu quả, các hệ thống tuabin khí phải đ-ợc phủ lớp có độ dẫn nhiệt thấp,
độ bám dính tốt với chi tiết và duy trì đ-ợc độ bám này qua các chu kỳ đốt nóng và làm
lạnh. Chúng cũng phải bảo vệ đ-ợc kim loại nền ở bên d-ới khỏi sự phá huỷ của môi
tr-ờng. Độ bám dính với chi tiết là một yêu cầu kỹ thuật đối với các hệ số dãn nở nhiệt
khác nhau giữa các vật liệu có độ dẫn nhiệt thấp nh- vật liệu gốm th-ờng dùng để tạo
ra các lớp phủ bền nhiệt, và các siêu hợp kim dùng để chế tạo các chi tiết máy
tuabin. Để đáp ứng yêu cầu trên các hệ thống TBC cần có một lớp trung gian kim loại
làm lớp trung gian với hệ số dãn nở nhiệt nằm giữa vật liệu cơ bản và vật liệu gốm
dùng cho các lớp phủ bền nhiệt. Chính lớp trung gian này tạo nên oxit bền nhiệt (
thermally grown oxide - TGO ) nhằm nâng cao độ bám của TBC phủ lên nó.
Có nhiều vật liệu gốm đ-ợc ứng dụng làm lớp gốm nh- oxit ziriconi (ZrO
2
) ổn
định bởi oxit ytri (
2
O
3
), oxit mage (MgO ), oxit xeri (CeO
2
), oxit scandi (Sc
2

O
3
)
.v.v Chúng đ-ợc dùng rộng rãi bởi thích hợp với công nghệ phun plasma, phun ngọn
lửa và kỹ thuật phủ bốc hơi vật lý.
Lớp trung gian đ-ợc tạo bởi hợp kim chứa nhôm chống oxy hoá nhằm tăng độ
bám dính của lớp gốm đối với vật liệu nền. Nó còn có tác dụng nâng cao tính chống
phân huỷ của TBC. Các ví dụ về lớp trung gian: MCrAl ( ở đây M là sắt, cacbon,
hoặc niken ), các lớp phủ khuếch tán nh- niken aluminit, platin aluminit và pha beta
NiAl là những kim loại trung gian nền nhôm chống oxy hoá. Khi đ-ợc dùng làm lớp
phun bảo vệ hoặc lớp trung gian cho TBC, nhôm bị hao hụt bởi sự khuếch tán trung
gian vào vật liệu siêu hợp kim. Có thể l-ợng nhôm trong lớp trung gian đ-ợc dùng
hết để ngăn chặn sự phát triển tiếp của lớp màng oxyt nhôm bảo vệ, ứng suất trong
TGO tăng đáng kể, đồng thời có thể xảy ra sự phá huỷ tại mặt trung gian giữa lớp trung
gian và lớp phun gốm.
20
Sự tăng hàm l-ợng các nguyên tố nh- niken, crom, titan, tantan và molipden
trong đó TGO có thể làm tăng tốc độ phát triển của các màng oxit và tạo nên các lớp
không bám dính trên mặt lớp trung gian làm mất khả năng dính bám của lớp gốm.
Các ph-ơng pháp đ-ợc chọn để thực hiện hiệu quả quá trình phun tạo một lớp
trung gian mỏng hơn, giá thành thấp hơn là ph-ơng pháp phun plasma không khí ( Air
Plasma Spray- APS ) và ph-ơng pháp phun plasma áp suất thấp ( Low Pressure plasma
Spray- LPPS). Quá trình nh- vậy chắc hẳn sẽ cải thiện đ-ợc độ bền và tuổi thọ của lớp
phun bền nhiệt.
* Tóm tắt patent
Patent trình bày một ph-ơng pháp tạo hệ thống phun chịu nhiệt trên các chi tiết
làm việc trong môi tr-ờng nhiệt độ cao của máy tuabin khí. Hệ thống phun gồm một
lớp gốm và một lớp trung gian kim loại trung gian niken- nhôm pha beta ( -NiAl) làm
tăng độ bám dính của lớp gốm đối với kim loại nền. Màng mỏng oxit nhôm hình thành
trên bề mặt pha -NiAl trong quá trình xử lý nhiệt.

Một lớp bổ sung của oxit nhôm có thể đ-ợc hình thành trên mặt chi tiết tr-ớc
khi phun lớp trung gian -NiAl hoặc hình thành ngay sau khi phun lớp này, trong cả
hai tr-ờng hợp nói trên oxit nhôm khuếch tán làm dính kết lớp gốm với bề mặt chi tiết.
Có nhiều ph-ơng pháp phun phủ có thể thực hiện lớp phun -NiAl trên mặt chi tiết,
chẳng hạn phun khí đốt oxy tốc độ cao ( High Velocity Oxyfuel - HVOF ), phun
plasma không khí ( APS- Air Plasma Spraying ).v.v Ph-ơng pháp HVOF cho lớp
phun ( lớp trung gian ) mịn và chặt bởi nó làm nóng chảy bột mịn và không oxy hoá
chúng. Ph-ơng pháp APS sử dụng bột thô hơn nên cho lớp phun có mặt ngoài ráp hơn,
có lợi cho việc nâng cao độ bám dính của TBC.
Theo patent, -NiAl có thể chứa các các nguyên tố hợp kim hoá độn vào niken
và nhôm để tăng độ bền trong môi tr-ờng của -NiAl. Các nguyên tố hợp kim hoá đó
là crom và ziriconi.Có thể dùng coban để thay thế một phần niken. Hàm l-ợng crom và
ziriconi trong -NiAl có thể thay đổi t-ơng ứng 0 20% và 0,1 2,4% trọng l-ợng.
Hàm l-ợng hafini trong -NiAl có thể chứa khoảng 0,1 1,7% trọng l-ợng. Ziriconi
và hafini cải thiện độ bám của lớp oxit trung gian.
Việc sử dụng ph-ơng pháp phun plasma không khí ( APS ) để tạo lớp trung gian
-NiAl có tính -u việt cao hơn so với ph-ơng pháp phun plasma áp suất thấp ( LPPS )
bởi thiết bị APS rẻ hơn và công nghệ đơn giản hơn rất nhiều so với LPPS.
21
Lớp bột -NiAl dùng cho APS có chiều dày từ 20 80 micron. Sau khi phun,
lớp trung gian có thể đ-ợc xử lý nhiệt ở nhiệt độ 1800 - 2100
0
F trong 14h để tạo sự
liên kết hợp kim chắc hơn giữa vật liệu nền- hợp kim siêu cao nền niken và lớp phủ
-NiAl. Nếu oxit nhôm khuếch tán đ-ợc ứng dụng thì sự xử lý nhiệt cũng đ-ợc tiến
hành đồng thời với sự xử lý nhiệt đối với -NiAl.
1.4. Tình hình nghiên cứu trong n-ớc
Từ giữa những năm 1970 công nghệ phun kim loại là một trong ba đề tài trọng
điểm Nhà n-ớc ( Hàn, Phun, Mạ ) do Viện kỹ thuật Giao thông chủ trì. Công nghệ
phun đ-ợc tiến hành trên máy phun hồ quang hai dây của Tiệp Khắc và của Liên Xô.

Vật liệu phun là dây thép lò xo cấp II ( 0,6% C ), dây đồng, dây nhôm và dây thép hợp
kim crom- niken. Kết quả nghiên cứu đã đ-ợc ứng dụng để phục hồi các chi tiết mài
mòn nh- trục khuỷu bằng gang, thép, các loại trục thẳng, các quả lô, trục máy bơm
thuỷ lợi. Cho đến nay công nghệ này vẫn đ-ợc ứng dụng có kết quả ổn định trong việc
phục hồi các chi tiết nói trên và các chi tiết khác.
Công nghệ phun hồ quang hai dây đồng, kẽm, nhôm cũng đ-ợc tiến hành
nghiên cứu tại Viện kỹ thuật Giao thông ( nay là Viện khoa học công nghệ GTVT ) và
đ-ợc ứng dụng để phun bảo vệ các chi tiết làm việc trong môi tr-ờng xâm thực.
Sau khi đất n-ớc thống nhất ( 1975 ) ng-ời ta cũng nhìn thấy một số đầu phun
khí của hãng METCO tại một số nhà máy xí nghiệp Miền Nam ( nhà máy Carip, xí
nghiệp Toa Xe Sài Gòn .v.v ), nh-ng không thấy có các dấu hiệu phun ở đây.
Sau năm 1975 đ-ợc sự giúp đỡ của cộng hoà liên bang Nga, Binh chủng Phòng
không - Không quân đã tiến hành một số hoạt động trong lĩnh vực phun phủ nhiệt khí
để phục hồi các chi tiết có chế độ làm việc khắc nghiệt mà mục tiêu chủ yếu là một số
chi tiết thuộc động cơ máy bay.
Công x-ởng A42 ( thuộc Binh chủng Phòng không Không quân ) đ-ợc trang bị
3 hệ thống thiết bị phun phủ nhiệt:
- Phun phủ nhiệt khí dùng bột
- Phun phủ nhiệt khí dùng dây
- Phun phủ plasma (do Mỹ sản xuất) với:
o Thiết bị xử lý bề mặt tr-ớc khi phun;
o Thiết bị xử lý bột phun ;
o Thiết bị phun phủ.
22
Công x-ởng A42 đ-ợc Nga hỗ trợ kỹ thuật, trang thiết bị. Vì vậy, quá trình
nghiên cứu ứng dụng từ khâu kiểm tra đánh giá phân loại sản phẩm sau một số chu kỳ
làm việc, đến việc xác lập quy trình công nghệ phun phủ phục hồi đều do chuyên gia
Nga chỉ đạo, giám sát thực hiện. Công x-ởng A42 chủ yếu tập trung khai thác hệ thống
phun phủ plasma để từng b-ớc phục hồi một số cánh tuabin động cơ máy bay sau một
số chu kỳ làm việc bị bong tróc lớp phủ do làm việc trong các điều kiện áp suất lớn và

nhiệt độ cao ( tới 800
0
C đối với cánh tuabin tầng 1 và 1200 1300
0
C đối với cánh tầng
2 và 3 ).
Song song với việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt phục hồi các
chi tiết có chế độ làm việc khắc nghiệt, việc nghiên cứu chế tạo vật liệu phun phủ nh-
bột, dây cũng đ-ợc chú trọng.
ở một số đơn vị nh- Trung tâm kỹ thuật - Tổng cục công nghiệp Quốc phòng,
Viện Viện nghiên cứu cơ khí - Bộ công nghiệp đã chế tạo một số loại bột phun nh- sau
: NiCrAl, NiCr, NiCrBSo, Al
2
O
3
, ZRO2. Tuy nhiên chỉ mới dừng ở giai đoạn thử
nghiệm.
Song song với việc nghiên cứu công nghệ phun tiến hành trên các máy phun
nhập ngoại, trong những năm 80 của thế kỷ tr-ớc một vài cơ sở nghiên cứu ( Viện
nghiên cứu máy - Bộ Công nghiệp, Viện công nghệ - Bộ Quốc phòng ) cũng đã tiến
hành nghiên cứu thiết kế chế tạo đầu phun plasma nh-ng kết quả hạn chế và không có
ứng dụng thực tế.
Trong khoảng thời gian 10 năm gần đây, khi công nghệ phun nhiệt phục hồi chi
tiết máy vẫn giữ đ-ợc ở mức độ sản xuất đơn chiếc, lẻ tẻ ở một vài cơ sở nghiên cứu thì
công nghệ phun bảo vệ phát triển khá mạnh mẽ. Hàng vạn mét vuông giàn khoan dầu
khí đ-ợc phun bảo vệ bằng máy phun cầm tay íM-14 của Nga; Viện Nghiên cứu Cơ
khí đã thực hiện công việc này.
Tóm lại, các công nghệ phục hồi chi tiết máy nói chung và công nghệ phun
phục hồi nói riêng, tuy đã hình thành gần nửa thế kỷ nay, nh-ng ch-a phát triển đáng
kể. Hơn thế nữa, công nghệ phun đã đ-ợc nghiên cứu trong mấy chục năm qua là công

nghệ truyền thống, chỉ phục hồi đ-ợc một số chi tiết máy làm việc trong điều kiện có
bôi trơn. Các chi tiết máy làm việc trong điều kiện khắc nghiệt ở nhiệt độ cao trong
môi tr-ờng xâm thực và ăn mòn ch-a đ-ợc nghiên cứu phục hồi bằng ph-ơng pháp
này.
23
Tuy vậy, tiền đề cho việc nghiên cứu phục hồi các chi tiết máy nói trên đã đ-ợc
xác lập. Đó là các máy phun hiện đại để tiến hành nghiên cứu công nghệ phun đã đ-ợc
xây lắp tại Phòng thí nghiệm Hàn - Viện nghiên cứu Cơ khí ( Bộ Công nghiệp ).
1.5. Các lớp phun chịu nhiệt độ cao
Các kết quả khảo sát thực tế ( mục 1.1 và phụ lục 1 ) cũng nh- các tài liệu đẫ
dẫn ( mục 1.2 ) cho thấy tầm quan trọng của các lớp phun trên bề mặt các chi tiết làm
việc trong các điều kiện khắc nghiệt ( nhiệt độ cao, ăn mòn và mài mòn ). Nhiều tài
liệu n-ớc ngoài đã giới thiệu về tác dụng của các lớp phun chịu nhiệt ( Thermal Barrier
Coatings - TBC ) và ph-ơng pháp hình thành chúng [9], [10], [12]
Chỉ cần lấy một loại máy tuabin khí tải trọng năng MS6001 làm ví dụ so sánh
cũng dễ thấy xu thế ngày càng phát triển mạnh của các máy tuabin khí làm việc ở nhiệt
độ cao ( hình 1-4 và bảng 1- 2 ). Nhiệt độ cháy càng cao thì công suất ra của máy càng
lớn và hiệu suất của nó càng cao. Hiện nay hiệu suất công tác của các máy tuabin đã
đạt tới 60% và dự báo trong t-ơng lai gần sẽ tiếp tục xuất hiện những máy tuabin khí
với nhiệt độ cháy cao hơn, áp suất công tác lớn hơn và do đó công suất ra cao hơn [3].
Để đáp ứng đ-ợc các yêu cầu ngày càng cao của các máy tuabin khí làm việc ở
nhiệt độ cao và tải trọng nặng ng-ời ta đã nghiên cứu sản xuất các vật liệu mới - vật
liệu siêu hợp kim hay hợp kim siêu cao với những đặc tính nổi trội: độ bền chống
gỉ, chống ăn mòn, chống nhiệt. Tuy nhiên, không thể có đ-ợc một thứ vật liệu lý
t-ởng nào lại có thể đáp ứng đ-ợc đầy đủ các yêu cầu của các máy tuabin khí hiện đại
với công suất lớn nh- hiện nay, và cả trong t-ơng lai gần. Hình 1- 4 chỉ khuynh h-ớng
tăng nhiệt độ của máy tuabin khí và khả năng đáp ứng của hợp kim. Thành phần của
các hợp kim siêu cao đ-ợc giới thiệu trong bảng 1-3. Khả năng chịu đ-ợc nhiệt độ
cao nhất của vật liệu cũng chỉ đạt 1600
o

F/870
o
C cho dù đ-ợc làm mát bằng mọi cách.
Vì vậy không thể thiếu đ-ợc các lớp phun phủ để bảo vệ chúng.







24
Nhiệt độ,
0
C












Hình 1-4 : Khuynh h-ớng nhiệt độ cao và khả năng đáp ứng của vật liệu: AC - làm
lạnh bằng không khí bình th-ờng; DS - làm lạnh bằng không khí gia tăng; SC- làm
lạnh bằng hơi n-ớc [14].

Bảng 1-2: Xu h-ớng phát triển của tuabin khí tải trọng nặng [2]
Kiểu
tuabin
Năm
SX
Nhiệt độ
cháy
o
F/
o
C

Công suất
ra KW
Tốc độ nhiệt
BTU/kwh
Công suất
dòng ra
10
3
lb/h
Nhiệt độ
ra,
o
F/
o
C

MS6431A
MS6441A

MS6521B
PG6531B
PG6541B
PG6551B
PG6561B
PG6571B
PG6581B
1978
1979
1981
1983
1987
1995
1997
1997
2000
1850/1010

1850/1010

2020/1104

2020/1104

2020/1104

2020/1104

2020/1104

2077/1136

2084/1140

31,050

31,800

36,730

37,300

38,140

39,120

39,620

40,590

41,460

11,220

11,250

11,120

10,870

10,900

10,740

10,740

10,600

10,724

1,077

1,112

1,117

1,115

1,117

1,137

1,145

1,160

1,166

891/477

901/483

1017/547

1005/541

999/537

1003/539

989/532

1005/541

1016/546

Bảng 1- 3 : Thành phần hoá học (%) của các hợp kim nhiệt độ cao dùng cho đế
cánh tuabin [12]
Mác Cr Ni Co Fe W Mo

Ti Al Cb

C B Ta
U500
U700
IN738
GID111

18,5
15

16
14
Nền
Nền
Nền
Nền

18,5
17
8,3
9,5
-
-
0,2
-
-
-
2,6
3,8
4
5,3
1,75
1,5
3
3,35
3,4
4,9
3
4,2
3,4

3,0
-
-
0,9
-
0,07
0,07
0,10
0,10

0,006
0,02
0,001
0,01
-
-
1,75
2,8
25
Mục đích đầu tiên của các lớp phun là bảo vệ các chi tiết và kết cấu trong máy
tuabin khí tải trọng nặng khỏi gỉ, oxy hoá và sự giảm các tính chất cơ học. Rất khó có
thể đáp ứng đ-ợc cả hai yêu cầu về chống gỉ, chống oxy hoá và duy trì đ-ợc độ bền cao
nếu chỉ sử dụng siêu hợp kim mà không sử dụng các lớp phủ.
Vì vậy xu h-ớng tăng nhiệt độ cháy đòi hỏi sự ứng dụng các lớp phủ bảo vệ. Vai
trò của tất cả các lớp phun là cung cấp cho bề mặt vật liệu dự trữ các nguyên tố tạo nên
các lớp phun oxit dính bám tốt để bảo vệ vật liệu nền khỏi bị oxy hoá, gỉ và sự giảm độ
bền. Các lớp phun đầu tiên áp dụng trong tuabin khí máy bay đ-ợc sử dụng từ oxit
nhôm khuếch tán (đầu những năm 1960). Nó đ-ợc ứng dụng trong tuabin khí tải trọng
nặng nh-ng không thích ứng đ-ợc bởi các chất tạp với l-ợng lớn và l-u lại lâu trong
máy, làm tăng tốc hiện t-ợng gỉ nóng. L-ợng chất tạp của dầu và không khí càng lớn

thì thời gian công tác của vật liệu tuabin càng giảm [3] (hình 1 - 5). Ngoài gỉ nóng, khi
nhiệt độ cháy của tuabin khí càng cao, thì sự oxi hoá ở nhiệt độ cao càng mạnh.
Gỉ nóng là dạng tấn
công nhanh có liên quan tới
các chất tạp kiềm nh- natri
và kali phản ứng với l-u
huỳnh trong dầu tạo thành
các sunfit lỏng. Sự có mặt
chỉ vài phần triệu các chất
tạp nh- vậy trong dầu hoặc
trong không khí là đủ để
gây nên sự gỉ. Ngoài các
kim loại kiềm nh- Na và K
còn có các nguyên tố hoá học khác ảnh h-ởng hoặc gây gỉ nh- vanadi và chì.
Có hai dạng gỉ công nghiệp: dạng I - gỉ nóng nhiệt độ cao và dạng II - gỉ nóng
nhiệt độ thấp. Gỉ nóng nhiệt độ cao là dạng oxy hoá mãnh liệt xảy ra ở nhiệt độ 816
đến 927
o
C khi có mặt của sunphat natri (Na
2
SO
4
). Sunphat natri phát sinh trong quá
trình cháy bởi phản ứng giữa natri, l-u huỳnh và oxy. L-u huỳnh là chất tạp tự nhiên
trong dầu.
Gỉ nóng nhiệt độ thấp là một cơ chế riêng biệt của tấn công gỉ. Sự tấn công đó
có thể gia tăng khi có điều kiện. Nó xảy ra ở khoảng nhiệt độ 593 760
o
C d-ới áp suất
Hình 1.5. ảnh h-ởng của chất tạp

dầu - không khí - n-ớc đối với độ bền
chống gỉ của chi tiết [2]

% tạp chấ
t

26
cục bộ t-ơng đối lớn của SO
2
. Nó gây bởi các hợp chất eutectic nóng chảy khi đốt cháy
sunphat natri và một số thành phần hợp kim nh- niken và coban.
Sự oxy hoá kim loại xuất hiện khi các nguyên tử oxy kết hợp với các nguyên tử
kim loại tạo thành các màng oxit. Nhiệt độ càng cao thì quá trình đó xảy ra càng nhanh
tạo nên tiềm lực phá huỷ kết cấu nếu vật liệu nền bị tiêu hao quá nhiều bởi các oxit đó.
ở những nhiệt độ cao hơn 899
o
C có thể xảy ra sự oxy hoá t-ơng đối mạnh trừ
khi có vật cản sự khuếch tán của oxy trên mặt kim loại. Oxit nhôm sẽ hình thành trên
bề mặt siêu hợp kim ở nhiệt độ cao nếu l-ợng nhôm của siêu hợp kim đó đủ lớn. Tuy
nhiên, nhiều siêu hợp kim độ bền cao đ-ợc sử dụng hiện nay không thể tạo đ-ợc đủ các
màng bảo vệ bởi vì các yêu cầu về thành phần để nhận đ-ợc các tính chất khác, nh- độ
bền cao và tính ổn định về luyện kim, không cho phép tối -u hoá độ bền chống gỉ và
oxy hoá của các siêu hợp kim.
Tóm lại, cả hai hiện t-ợng gỉ và oxy hoá đều xảy ra ở nhiệt độ cao và đặc biệt
nghiêm trọng khi môi tr-ờng công tác của chi tiết máy bị nhiễm bẩn nh- tuabin khí.
Điều đó, một lần nữa, nói lên vai trò cực kỳ quan trọng của các lớp phun nhiệt độ cao
(hay các lớp phủ bền nhiệt - Thermal Barier Coatings - TBCs).
Các lớp phun bền nhiệt TBCs đ-ợc áp dụng cho các chi tiết và kết cấu để cung
cấp một lớp cách ly làm giảm nhiệt độ vật liệu nền và giảm bớt ảnh h-ởng của sự phân
bố không đồng đều của nhiệt độ khí nóng. TBCs đ-ợc cấu thành từ hai lớp - lớp trung

gian(lớp d-ới) và lớp phủ (lớp trên). Tuỳ thuộc vào yêu cầu về chiều dày bảo vệ của
các chi tiết máy các lớp phủ đ-ợc chia thành hai loại: loại A với chiều dày lớp trung
gian 0,3556mm + chiều dày lớp phủ 0,1016mm và loại B - lớp trung gian 0,508mm +
lớp phủ 0,0508mm.
TBCs có những đặc tính sau:
- Chiều dày lớp phun 0,379 0,633 mm
- Cách ly - xốp
-
Phun Plasma trong không khí
-
Hai lớp: lớp trung gianbột NiCrAlY và lớp phủ ziriconi ổn định hoá
bằng ytri.
Tính -u việt của TBCs: