Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt đến cấu trúc, tính chất của hệ lớp phủ kép nhôm và hợp kim ni 20rc trên nền thép

1
MỞ ĐẦU
Theo một số tài liệu thống kê trên thế giới thì mỗi năm có từ 10 – 15% khối
lượng kim loại bị phá hủy do ăn mòn trong các điều kiện khác nhau [1].
Trong các ngành công nghiệp nặng, các chi tiết máy thường phải làm việc trong
các điều kiện hết sức khắc nghiệt (độ ẩm cao, nhiệt độ cao, môi trường bụi, hóa
chất…) dẫn đến các hiện tượng mài mòn, ăn mòn và cuối cùng là phá hủy [2, 3]. Mỗi
khi các chi tiết bị mài mòn hoặc ăn mòn thì chi phí để thay thế là rất lớn, ngoài chi phí
về vật liệu vốn đã rất cao thì còn kèm theo chi phí cho công tháo, lắp, sửa chữa và các
thiệt hại khác do dây chuyền sản xuất phải ngừng hoạt động.
Những năm gần đây, song song với việc phát triển khoa học công nghệ và các
ngành kỹ thuật công nghiệp thì việc đòi hỏi nâng cao chất lượng sản phẩm và kéo dài
tuổi thọ của các chi tiết máy luôn được quan tâm. Đặc biệt đối với các chi tiết máy làm
việc trong môi trường khắc nghiệt như chịu ăn mòn, mài mòn thì tính chất vật liệu bề
mặt chi tiết máy đó được đặt lên hàng đầu. Hiện nay có rất nhiều phương pháp xử lý bề
mặt được ứng dụng nhằm đáp ứng các yêu cầu của chi tiết trong các điều kiện làm việc
khác nhau. Công nghệ phun phủ và xử lý nhiệt là một trong những phương pháp có thể
đáp ứng được yêu cầu làm việc của chi tiết trong điều kiện nói trên [4, 5].
Trong các công nghệ xử lý bề mặt được sử dụng, công nghệ phun phủ nhiệt ngày
càng được phát triển mở rộng về quy mô, cải thiện về chất lượng, thể hiện được những
tính ưu việt so với các phương pháp xử lý bề mặt khác cả về kỹ thuật và kinh tế [5, 6].
Như chúng ta đã biết, các kim loại Cr, Ni, Al có khả năng chịu nhiệt, chống ăn mòn,
chịu mài mòn và có độ bền khá cao trong nhiều môi trường hóa chất. Lớp phủ Al
thường được biết đến là lớp phủ chống ăn mòn khí quyển tốt, khả năng chịu nhiệt khá
tốt, ngoài ra, khi được xử lý nhiệt lớp phủ Al trên thép, Al còn có khả năng khuếch tán
vào nền thép tạo thành các pha liên kim giữa Al và Fe như: Fe3Al, FeAl2, Fe2Al5,
Fe3Al, FeAl. Các pha liên kim này có độ cứng cao, chịu mài mòn, chịu nhiệt tốt [7 –
13]. Ngoài khả năng khuếch tán vào thép, nếu có mặt các nguyên tố Ni và Cr đủ lớn Al
còn có thể tương tác với các nguyên tố Ni và Cr tạo thành các liên kim giữa Al – Ni
như: AlNi3, Al3Ni5, AlNi, Al3Ni2, Al3Ni; giữa Al – Cr như: AlCr2, Al8Cr5, Al9Cr4,
Al11Cr2, Al7Cr là các pha có độ cứng khá cao.

2
Ni và Cr là các nguyên tố thường dùng để hợp kim hóa trong thép tạo thành thép
hợp kim, với hàm lượng cao cùng với Fe và C tạo ra các loại thép không gỉ, các hợp
kim bền nóng. Ni kết hợp với Cr theo tỷ lệ gần 80% Ni và gần 20% Cr tạo thành hợp
kim Ni-20Cr, hợp kim này thường được dùng làm dây sợi đốt cho các loại lò buồng,
nhiệt độ làm việc lên đến 900 – 1100oC [14, 15, 16]. Ngoài khả năng chịu nhiệt, hợp
kim Ni-20Cr còn được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp dầu khí, khai
thác khoáng sản, hóa chất dưới dạng lớp phun phủ nhiệt [17].
Để đáp ứng được các yêu cầu vừa chịu mài mòn, chống ăn mòn và chịu nhiệt cần
tìm giải pháp phối hợp các lớp phủ với nhau. Việc đưa lớp phủ nhôm vào bên trong
(tiếp giáp với nền thép) và lớp phủ Ni-20Cr bên ngoài, kết hợp với xử lý nhiệt khuếch
tán giữa các lớp phủ và lớp phủ với nền có thể làm tăng liên kết, đồng thời có một số
các tính chất đáp ứng với yêu cầu mong muốn là một hướng có triển vọng, tuy nhiên
các nghiên cứu này lại chưa nhiều.
Với mục tiêu nghiên cứu chế tạo ra một hệ lớp phủ mới có khả năng làm việc
trong các môi trường khắc nghiệt như vừa chống được mài mòn, ăn mòn và chịu nhiệt,
tác giả đã lựa chọn hệ lớp phủ kép Al kết hợp với lớp phủ Ni-20Cr, lớp phủ Al ở giữa
tiếp giáp nền thép, lớp phủ Ni-20Cr ở trên, kết hợp xử lý ủ nhiệt.
Thép C45 và CT3 là nhóm vật liệu thông dụng trong công nghiệp, ưu điểm là rẻ
tiền, tính hàn tốt, dễ gia công cắt gọt, thường được dùng để chế tạo các chi tiết máy,
kết cấu không đòi hỏi các tính chất đặc biệt. Thép C45 thường được dùng để chế tạo
các chi tiết dưới dạng trục, thép CT3 thường được dùng dưới dạng tấm, thanh, để chế
tạo các kết cấu, cánh quạt, cánh khuấy, vỏ, thân lò.
Vì vậy đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt đến cấu trúc,
tính chất của hệ lớp phủ kép nhôm và hợp kim Ni-20Cr trên nền thép” chọn thép
C45 và CT3 làm vật liệu nền nhằm khai thác những ưu điểm của nhóm vật liệu này,
đồng thời nhờ lớp phủ để nâng cao khả năng làm việc của chúng trong một số môi
trường đặc biệt như chống ăn mòn, mài mòn, ví dụ: cánh quạt trong lò đốt rác thải,

cánh tuabin, cánh bơm…


3
Chương 1
TỔNG QUAN
1.1. Tình hình nghiên cứu ứng dụng phun phủ nhiệt trên thế giới
Phun phủ nhiệt là một trong những phương pháp công nghệ của khoa học và
công nghệ bề mặt nói chung và công nghệ xử lý bề mặt nói riêng. Nói về công nghệ bề
mặt là chúng ta nói đến một công nghệ truyền thống cổ điển đã tồn tại hàng trăm năm
lịch sử của nền văn minh nhân loại; đặc biệt đến đầu thập kỷ 80 của thế kỷ 20 đã tích
lũy được nhiều kinh nghiệm phong phú và trở thành một lĩnh vực đặc thù đáp ứng
được nhu cầu ngày càng tăng của xã hội loài người.
Phun phủ nhiệt là lĩnh vực khoa học và công nghệ còn rất trẻ so với các phương
pháp bề mặt cổ điển khác như: sơn, mạ....Năm 1910, ý tưởng phun phủ nhiệt được một
kỹ sư cơ khí người Thụy Sĩ là M.U. Shoop đưa ra nhưng cho đến năm 1923, phương
pháp công nghệ này mới được đưa vào sản xuất, ban đầu chỉ dùng cho mục đích trang
trí. Đến chiến tranh Thế Giới thứ 2, phun phủ nhiệt mới được ứng dụng trong quy mô
công nghiệp ở hầu hết các nước Châu Âu.
Phương pháp công nghệ này đã trở thành một công nghệ vạn năng, có nhiều ưu
việt trong các lĩnh vực chống gỉ, phục hồi, trang trí, với ưu điểm là tiết kiệm kim loại
quý, tạo các lớp bề mặt có tính chất đặc biệt. Đến những năm 70, 80 của thế kỷ 20,
phun phủ nhiệt đã trở thành một lĩnh vực khoa học và công nghệ riêng biệt, biểu hiện
giống như một khoa học và công nghệ bề mặt (Công nghệ xử lý bề mặt); mặt khác nó
cũng giống như một phương pháp công nghệ chế tạo mới trong sản xuất. Đến những
năm 90 của thế kỷ 20, khoa học và công nghệ phun phủ đã có tốc độ phát triển và ứng
dụng rất mạnh mẽ trong công nghiệp, đặc biệt là trong lĩnh vực cơ khí (cơ khí chế tạo
máy, cơ khí hàng không, cơ khí giao thông vận tải, cơ khí hóa chất...).
Để đánh giá sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ phun phủ nhiệt,
có thể dựa trên cơ sở sự phát triển thiết bị, các phương pháp công nghệ, phạm vi ứng

dụng, hiệu quả kinh tế trong các lĩnh vực công nghiệp và đời sống xã hội.
Hiện nay trên thế giới, nhiều nước tiên tiến, các nước có truyền thống về công
nghiệp phun phủ nhiệt đều có các hãng chuyên nghiên cứu, thiết kế thiết bị, vật liệu và
ứng dụng công nghệ này như: Hãng Plasma Technique, Castolin (Thụy Sĩ);


4
Plasmaday, Dressef, Avko (Mỹ); OSU Hessler; UTP (CHLB Đức), Nobel-Brocl
(Pháp); Dnipro (Nga); Arcosse (Bỉ); Volvo Flemotor (Thụy Điển)....
Các hãng này đã thiết kế, chế tạo hàng loạt các thiết bị phun phủ nhiệt với các
loại nguồn nhiệt hồ quang, khí cháy, cao tần, plasma ... dùng với vật liệu phun dạng
dây, dạng bột như: EM9; ME14; EMC-1; MTΠ-1; YΠY-3; DNIPRO-3M...(Nga); ∆D1; SUMMTT; EMP-2-57; PAL-160-2 (Séc); GPM-L2; (Ba Lan); METCO-10MB;
METCO-11B; FONTAR-ZIET (UTP); OSU-HESSLER 300A (CHLB Đức); PAL9AED (Anh)....
Phun phủ nhiệt đã và đang phát triển mạnh mẽ ở các nước như: Mỹ, Anh, Pháp,
Đức, Nga, Nhật... Ở các nước tiên tiến đã có những dây chuyền phun phủ công suất
cao khoảng 1 tấn vật liệu phun trong một ngày. Song song với phát triển ứng dụng, họ
còn tiếp tục nghiên cứu cơ sở lý thuyết để hoàn chỉnh dần. Các nước này đã có các
viện nghiên cứu, thành lập các hiệp hội và cả tạp chí riêng; họ xây dựng tiêu chuẩn
quốc gia, tiêu chuẩn quốc tế về phun phủ nhiệt; hàng năm đều có các công bố phát
minh sáng chế khoa học về công nghệ này [6, 17, 18].
1.2. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt ở Việt Nam
Công nghệ phun phủ nhiệt đã du nhập vào nước ta cách đây khoảng 50 năm.
Thời gian đầu, công nghệ này được sử dụng chủ yếu cho mục đích phục hồi các chi
tiết máy bị mài mòn, sử dụng vật liệu phủ là các loại thép. Cho đến những năm 1990,
xuất phát từ nhu cầu thực tế, một số cơ sở nghiên cứu và sản xuất bắt đầu tập trung
phát triển và ứng dụng công nghệ này với mục đích tạo các lớp phủ có khả năng chịu
ăn mòn tốt khi phải làm việc trong các môi trường khắc nghiệt.
Năm 1975, Viện Kỹ thuật giao thông vận tải thuộc Bộ giao thông vận tải cho một
nhóm cán bộ kỹ sư sang Liên Xô (cũ) thực tập về công nghệ phục hồi và bảo vệ kết
cấu máy bằng công nghệ hàn đắp, phun phủ và mạ. Sau đó bộ giao thông đã xây dựng

được đề tài cấp nhà nước giai đoạn 1970 – 1979 với đề tài “Phục hồi các chi tiết máy
trong ngành giao thông vận tải bằng Công nghệ hàn đắp, phun phủ và mạ”. Đề tài do
Viện Kỹ thuật giao thông vận tải chủ trì và được Ủy ban Khoa học Nhà nước trước
đây (bây giờ là Bộ Khoa học và Công nghệ) cấp kinh phí nghiên cứu.
Do có sự phát triển cả về phương diện nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu ứng
dụng cũng như sự phát triển rộng hơn trên nhiều nhà máy, nên công nghệ phun phủ ở


5
Việt Nam phát triển với tốc độ càng cao. Năm 1980 – 1985, nhà máy cơ khí sửa chữa
ôtô thủy lợi đã thiết kế chế tạo mẫu đầu phun M-6 và toàn bộ trang thiết bị khác để
thực hiện việc phục hồi các trục bơm của các trạm bơm nước thuộc tỉnh Hà Nam, các
lớp phủ chống mài mòn và chống ăn mòn hóa học từ thép không gỉ 12Cr18Ni9 trên
trục thép cacbon kết cấu.
Giai đoạn đất nước đổi mới, các lĩnh vực công nghiệp, xã hội có sự đổi mới và
phát triển; đặc biệt lĩnh vực khai thác dầu khí, khai thác than... đạt được nhiều thành
tích; đồng thời kế hoạch xây dựng đường dây điện cao thế 500 kV Bắc Nam. Vấn đề
bảo vệ chống ăn mòn kết cấu như dàn khoan, cầu đường, tàu biển... được đặt ra. Công
nghệ phun phủ nhiệt được quan tâm đáng kể. Nhiều đơn vị như Viện Công nghệ – Bộ
quốc phòng, Viện nghiên cứu máy – Bộ công nghiệp nặng, Trường đại học bách khoa
Hà Nội... sử dụng thiết bị phun phủ hồ quang dây M9; M14-M; Y-1 của Liên Xô
để phun phủ lớp bảo vệ nhôm, kẽm với chiều dày phun 160 – 200 m cho các chân
cột, thanh giằng, các thanh trụ của dàn khoan (Vũng Tàu); của các cột điện, các thanh
trụ của cột bê tông (đảo Trường Sa).
Song song với các kết quả ứng dụng, các đề tài nghiên cứu khoa học các cấp bộ
và nhà nước cũng được hình thành; được nhà nước quan tâm hỗ trợ.
Trước những thành tựu đổi mới, sự tăng trưởng của nền kinh tế đất nước liên tục
hàng năm, do vậy Đảng và chính phủ đã có sự quan tâm đáng kể đến nhiều vấn đề
kinh tế - xã hội; đặc biệt đến sự phát triển của Khoa học và Công nghệ. Chương trình
xây dựng 16 phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia đã được chính phủ phê duyệt.

Trong năm 2001 đã chính thức triển khai xây dựng 6 phòng thí nghiệm đầu tiên trong
đó có Phòng thí nghiệm về công nghệ hàn và xử lý bề mặt do Viện nghiên cứu cơ khí
thuộc Bộ Công nghiệp nặng chủ trì.
Với khoảng kinh phí đáng kể (50 tỷ đồng), Viện nghiên cứu cơ khí đã xây dựng
phương án đầu tư các phương pháp công nghệ hàn và phun phủ tiên tiến nhằm thúc
đẩy khả năng nghiên cứu khoa học và phục vụ sự nghiệp công nghiệp hóa - hiện đại
hóa đất nước. Về lĩnh vực phun phủ nhiệt, phòng thí nghiệm này đã trang bị mới các
thiết bị phun phủ khí cháy, phun phủ plasma, phun phủ nổ. Song song với thiết bị công
nghệ, phòng thí nghiệm đo lường, kiểm tra cũng trang bị đầy đủ và khá hiện đại (kính
hiển vi điện tử, thiết bị đo 3 chiều, đo ứng suất dư...). Với điều kiện tốt về trang thiết bị


6
nghiên cứu như vậy, đồng thời Viện cũng được giao các đề tài nghiên cứu cấp nhà
nước theo chương trình khoa học giai đoạn 2001-2005, trong đó có đề tài KC05-10
“Nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun nhiệt khí và ép nóng để tạo bề mặt có độ chịu
mòn và bám dính cao phục hồi các chi tiết máy có chế độ làm việc khắc nghiệt”. Đề
tài này có ý nghĩa khoa học công nghệ cũng như kinh tế lớn. Môi trường làm việc khắc
nghiệt được nhắm tới trong đề tài này chủ yếu là môi trường mài mòn trượt dưới tải
trọng ở 2 điều kiện là mài mòn khô (trục cán, búa nghiền, khuôn ép …) hoặc mài mòn
có bôi trơn trong dầu (cổ trục đỡ ổ bi, má nghiền…). Đề tài khảo sát khá nhiều loại vật
liệu, chủ yếu là một số mác thép hợp kim (65Mn, 20NiCr3…). Độ bền của vật liệu
trong các môi trường ăn mòn đã không được nghiên cứu.
Các kết quả nghiên cứu, ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt ở Việt Nam trong
những năm qua đã có nhiều kết quả và ngày càng phát triển. Vì vậy hiện nay cũng như
các năm tiếp theo, các bộ ngành có quan tâm và hỗ trợ tích cực.
Viện cơ khí năng lượng và mỏ thuộc Bộ Công Thương đã thúc đẩy công nghệ phun
phủ nhiệt bằng sự đầu tư toàn bộ thiết bị phun phủ nổ của CHLB Nga, thiết bị
DNIPRO-3M với công suất nổ 3000 lần/phút. Để phun các lớp phủ bột kim loại, bột
hợp kim, bột các ôxit khác... với thiết bị phun phủ nổ này, Viện có điều kiện nghiên

cứu nâng cao chất lượng bám dính của lớp phủ để tạo lớp phủ có tính chất đặc biệt cho
việc phục hồi hoặc chế tạo các chi tiết làm việc trong điều kiện mài mòn và ăn mòn
cao của ngành khai thác mỏ ở Việt Nam.
Viện công nghệ thuộc Bộ Công Thương cũng đầu tư các thiết bị phun ЭM6;
ЭM14; ЭM-12/67 của Nga; Mogan UP-1 của CHLB Đức, để thực hiện chương trình
nghiên cứu các lớp phủ và xử lý bề mặt chi tiết.
Cùng với thời gian này, Viện Kỹ thuật nhiệt đới thuộc Trung tâm Khoa học Tự
nhiên và Công nghệ Quốc Gia (nay là Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt
Nam) được nhà nước đầu tư trang thiết bị phun phủ hồ quang điện OSU HESSLER
300A ROTARY của CHLB Đức, với thiết bị có chất lượng cao, độ ổn định tốt. Viện
đã tiến hành nghiên cứu các lớp phủ bảo vệ chống ăn mòn hóa học ở các điều kiện môi
trường khác nhau, đồng thời cũng nghiên cứu các lớp phủ chống mài mòn nhằm mục
đích ứng dụng cho các kết cấu làm việc trong vùng khai thác mỏ Quảng Ninh.
Tại Viện Kỹ thuật nhiệt đới, công nghệ phun phủ kim loại dùng hồ quang điện
đã được nghiên cứu từ khoảng năm 1995 và đã thu được một số kết quả nghiên cứu và


7
triển khai ứng dụng. Tính đến nay, sau hơn 15 năm hoạt động, Viện đã chủ trì và tham
gia 10 đề tài nghiên cứu các cấp liên quan đến phun phủ kim loại, công bố hơn 50 bài
báo và báo cáo khoa học về nghiên cứu - đánh giá các lớp phủ bảo vệ, đào tạo 11 sinh
viên cao học, khoảng 50 sinh viên đại học và cao đẳng, thực hiện hơn 50 hợp đồng
trong lĩnh vực phun phủ nhiệt và công nghệ xử lý bề mặt [19].
1.3. Nguyên lý công nghệ phun phủ nhiệt
Nguyên liệu thanh, dây hoặc bột

Nguồn nhiệt (điện, khí
hoặc plasma)

Hạt được gia tốc

Đập lên bề mặt

Lớp phủ

Hình 1.1. Nguyên lý chung của công nghệ phun phủ nhiệt [20]
Nguyên lý chung của phun phủ nhiệt là dùng nguồn nhiệt (hồ quang, khí cháy,
plasma) làm nóng chảy toàn bộ hay một phần các vật liệu phun dưới dạng bột, dạng
thanh, dạng dây hay dạng lõi thuốc. Vật liệu sau đó được phân tán thành các hạt dưới
dạng sương mù, dưới tác dụng của dòng khí năng lượng cao sẽ tăng tốc và phun lên bề


8
mặt của chi tiết đã được chuẩn bị trước. Các vật liệu dùng để phun phủ có thể là kim
loại, hợp kim, bột ceramic, nhựa hoặc composit.
Với đặc điểm hình thành như vậy, lớp phủ sẽ có cấu trúc dạng lớp, trong đó, các phần
tử vật liệu bị biến dạng và xếp chồng lên nhau. Vì vậy chiều dày lớp phủ không bị giới
hạn, có thể tạo lớp phủ mỏng vài chục µm hoặc dày vài mm (hình 1.1) [20].
1.3.1. Mục đích và phân loại công nghệ phun phủ nhiệt
1.3.1.1. Mục đích của phương pháp phun phủ nhiệt
Phun phủ có ứng dụng rất nhiều trong thực tế, dưới đây là một số ứng dụng quan
trọng nhất:
- Phun phủ phục hồi các chi tiết bị mòn.
- Tạo các lớp phủ chức năng: chịu mài mòn, chống ăn mòn, chịu nhiệt…
- Phun các lớp phủ (lớp phủ dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, cách điện, cách nhiệt, lớp phủ
từ tính…) lên các chi tiết mà vật liệu cơ bản không có các đặc tính này.
- Sửa chữa khuyết tật (vật đúc, chi tiết sau khi gia công cơ).
- Tạo lớp phủ trang trí.
1.3.1.2. Phân loại công nghệ phun phủ
Phân loại theo năng lượng phun: phun bằng khí cháy, phun bằng nguồn năng

lượng điện. Phân loại theo công nghệ phun: phun khí cháy, phun hồ quang điện, phun
nổ, phun plasma, phun HVOF (High Velocity Oxygen Fuel).
Ngoài các phương pháp phun trên còn một số phương pháp phun khác như phun
nguội (cold spray), phun ấm (warm spray), phun laser,... Bảng 1.1 so sánh đặc điểm
một số phương pháp phun phủ nhiệt [21]. Hình 1.2 chỉ ra các công nghệ phun phủ
nhiệt điển hình [22].

Hình 1.2. Các công nghệ phun phủ nhiệt [22]


9
Bảng 1.1. So sánh đặc điểm một số phương pháp phun phủ nhiệt

Phun
Đặc điểm

Loại lớp

Phun khí

Phun

hồ

Phun

phủ

cháy

HVOF

quang

Plasma

điện
Nhiệt độ khí (oC)

3000

Tốc độ phun

16000

10 – 25

2 – 10

14 – 21

48 – 62

28 – 41

21 – 34

7 – 34

48 – 62

14 – 48

14 – 48

14 – 34

–

–

21 – 41

34 – 48

< 83

Hợp kim Fe

0,05 –

0,05 – 2,5

Hợp kim

2,0

0,05 – 2,5

màu

0,05 – 5,0

–

Gốm

0,25 – 2,0

0,002 –

Cácbit

0,15 – 0,8

0,200

35

45

40

40

20

55

35

50

40 – 65

–

–

45 – 65

45 – 55

55 – 72

–

50 – 65

3 – 10

<2

3 – 10

2–5

3 – 10

<2

3 – 10

2–5

5 – 15

–

–

1–2

5 – 15

<1

–

2–3

Độ bám dính

Hợp kim

(MPa)

màu
Gốm
Cácbit

Hợp kim Fe
Hợp kim
màu
Gốm
Cácbit
Hợp kim Fe
Hợp kim
Độ xốp (%)

12000 –

1–9

Hợp kim Fe

Độ cứng (HRC)

3000

4000

2–6

(kg/giờ)

Chiều dày (mm)

2600 –

màu
Gốm
Cácbit

55 – 69
0,1 –
2,5

0, 4 – 2, 5

0,1 –

0,05 – 5,0

5,0

0,1 – 2,0

–

0,15 – 0,8

–


10
1.3.1.3. Phương pháp phun phủ bằng hồ quang điện
Nguyên lý: Hồ quang điện được tạo ra bởi 2 hoặc 3 dây kim loại (hay hợp kim)
dịch chuyển bằng cặp con lăn cấp dây qua ống dẫn dây đến tiếp xúc với nhau. Các dây
kim loại được nối với hai điện cực khác nhau bằng ống tiếp điện, khi tiếp xúc nhau sẽ

gây ngọn lửa hồ quang có nhiệt độ cao làm nóng chảy đầu dây kim loại. Dây kim loại
liên tục được cấp bởi cặp con lăn quay với vận tốc phù hợp với quá trình phun (hình
1.3) [22].

Hình 1.3. Nguyên lý phun phủ hồ quang điện 2 điện cực [22]
Các yếu tố ảnh hưởng và thông số tối ưu quá trình phun phủ hồ quang điện:
Hình 1.4. Mô tả sơ đồ nguyên lý phun hồ quang điện [23].
X
Y
Z
O

6
5

4

1

2

3

Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý phun hồ quang điện [22]
1. Máy nén khí; 2. Bình chứa khí nén; 3. Máy sấy lọc khí;
4. Thiết bị làm sạch; 5. Tủ điều khiển; 6. Đầu phun LD/U-2


11
Kích thước và hình dáng đầu phun ảnh hưởng đến chất lượng quá trình phủ,

thông thường đầu phun có hình trụ, đường kính lỗ phun d = (3 – 6) mm.
Góc chéo nhau  của hai cực ảnh hưởng đến quá trình hình thành dòng phân tử phun,
thường dùng  = 30o.
Chiều dài bộ phận dẫn dây lk ảnh hưởng đến chu trình phun, nếu lk tăng thì tổn
thất điện áp tăng và thực tế cho phép thất thoát (0,8 – 1) V/100A, nếu đầu phun có kết
cấu hợp lý thì tổn thất chỉ (0,2 – 0,3) V/100A và hệ số sử dụng năng lượng có ích đạt
(0,8 – 0,9).
Chế độ hoạt động của thiết bị:
Các yếu tố ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất quá trình phun là công suất dòng hồ
quang và tiêu hao khí.
Công suất riêng của đầu phun Nd = (2.000 – 10.000) KJ/kg, nếu tăng Nd sẽ dẫn
đến thất thoát nhiều phân tử kim loại do bị quá nhiệt, song chất lượng lớp phủ sẽ tốt
hơn. Thường dùng thiết bị phun có công suất P = (5 – 20) kW, dòng điện I = (80 –
600) A, điện áp U = (18 – 35) V.
Áp suất, lượng tiêu hao khí cũng như các tính chất của khí thổi ảnh hưởng trực
tiếp đến các chỉ tiêu của quá trình. Việc tăng áp suất dẫn đến tăng tốc độ phun, tăng
lượng tiêu hao khí thổi. Chọn áp suất dòng khí trong khoảng (3,5 – 5,5) atm, tiêu hao
khí (16 – 150) m3/giờ.
Dây và tốc độ cấp dây:
Đường kính dây thường dao động trong khoảng (1 – 3,5) mm, tốc độ cấp dây
thường là (0,05 – 0,35) m/giây, tương ứng với năng suất phun (2 – 120) kg/giờ.
Điều kiện ngoại vi:
+ Góc phun được chọn trong khoảng (65o– 90o).
+ Khoảng cách phun L = (100 – 300) mm.
+ Tốc độ di chuyển đầu phun (20 – 50) m/phút.
Ưu điểm: Phương pháp phun phủ bằng hồ quang điện cho năng suất phun cao, có
thể đạt tới 120 kg/giờ, hệ số hiệu dụng năng lượng và hệ số sử dụng vật liệu phủ cao
(0,6  0,85). Chất lượng lớp phủ khá tốt, độ bám dính cao.
Nhược điểm: Chỉ dùng được vật liệu dây kim loại để phun, nhạy cảm với các khí
hoạt tính.

12
Trong thực tế phương pháp và các thiết bị phun phủ bằng hồ quang điện được lựa
chọn và sử dụng rộng rãi vì những đặc tính ưu việt của phương pháp như như tính cơ
động, thực hiện trên nhiều chi tiết có hình dạng và bề mặt khác nhau, dễ dàng điều
chỉnh chiều dày lớp phủ theo ý muốn và giá thành rẻ hơn so với các công nghệ phun
phủ khác.
1.3.2. Cấu trúc và tính chất của lớp phủ kim loại
Cấu trúc của lớp phủ kim loại có đặc trưng của các cấu trúc bị nguội nhanh đột
ngột. Các phần tử kim loại phủ bị nguội rất nhanh do tốc độ nguội rất lớn, do vậy khi
đông đặc sẽ xuất hiện trong mạng tinh thể (hoặc trong cấu trúc) những trung tâm lệch
mạng. Do sự kết tinh nhanh của lớp phủ, có thể nhận được cấu trúc giả bền vững
dưới dạng các dung dịch rắn bão hòa và có thể có cả trạng thái vô định hình của
kim loại.
Trong lớp phủ kim loại có thể có 2 loại ôxit, một loại ôxit được hình thành riêng
biệt, loại khác bao bọc xung quanh các phần tử kim loại phun khi đập vào bề mặt cần
phun, các phần tử này sẽ bị biến dạng. Loại đầu thường coi là bất lợi, làm xấu tính chất
cơ học của lớp phủ. Loại thứ hai tạo thành trên bề mặt (đặc biệt là ôxit crom) có độ xít
chặt cao, thụ động trong môi trường ăn mòn sẽ nâng cao độ bền ăn mòn và mài mòn
của lớp phủ. Hình 1.5 mô tả cấu trúc của lớp phủ kim loại [5].

Hình 1.5. Cấu trúc của lớp phủ kim loại

[20]

Bên cạnh các cấu trúc trên, trong thành phần cấu trúc lớp phủ phải kể đến một
lượng khá lớn các lỗ xốp. Các lỗ xốp này được hình thành do sự liên kết không chặt

13
chẽ của các phần tử kim loại khi biến dạng và do phương pháp phun phủ được thực
hiện theo từng hàng và từng lớp. Các lỗ xốp có trong các cấu trúc của lớp phủ sẽ
cho lớp phủ những tính chất tốt khi lớp phủ làm việc trong điều kiện bôi trơn. Lớp
phủ hình thành trong không khí, do vậy các lỗ xốp bị lấp đầy khí, đặc biệt là giữa
các lớp có khả năng bão hòa khí lớn nhất. Các khuyết tật khác cũng có thể hình
thành như: sự không bám dính giữa lớp phủ và chi tiết, sự phân tầng, nứt tế vi do
ứng suất kéo trên các phần tử biến dạng và sự nguội không đồng nhất tạo thành, các
vết nứt vuông góc với bề mặt do lớp phủ co lại khi nguội và bị cản co do lực bám
dính, do các hạt không nóng chảy.
Lớp phủ có cấu trúc lớp, bao gồm các hạt bị biến dạng rất nhiều, nối với nhau
theo bề mặt. Có đặc trưng gồm những tấm kim loại có sự phân lớp do các tấm hình
thành ở các thời điểm khác nhau chồng lên nhau. Các tấm này có độ biến dạng khác
nhau và bị phân cách với nhau bằng một lớp ôxit mỏng với chiều dày khoảng 1 m.
Trên hình 1.6 mô tả sự phân lớp trong cấu trúc của lớp phủ kim loại [20].

Hình 1.6. Biên giới giữa các lớp trong lớp phủ và giữa lớp phủ
với kim loại nền [20]
Biên giới phân chia giữa lớp phủ và nền kim loại xác định độ bám dính giữa
chúng. Tính chất của bản thân lớp phủ thể hiện bằng độ kết dính giữa các phần tử hạt.
Biên giới giữa các lớp hình thành do khoảng thời gian khác nhau giữa các lần phun.
Sau mỗi lần phun, bề mặt rất nhanh bị nhiễm bẩn, bị oxy hóa. Do đó làm cho các quá


14
trình tiếp xúc giữa các hạt trở nên khó khăn hơn và từ đó xuất hiện biên giới giữa các
lớp phun. Chiều dày lớp phun dao động rất nhiều và phụ thuộc vào công nghệ tiến
hành. Thông thường, mỗi lớp phun dày 10 – 100 m.
Như vậy, cấu trúc và tính chất lớp phủ phụ thuộc vào các quá trình tương tác
giữa các hạt kim loại với dòng khí và quá trình hình thành lớp phủ trên bề mặt kim loại

nền.
Khả năng chịu mài mòn của vật liệu không phải là tính chất vốn có, nó có xu
hướng biến đổi tùy theo từng trường hợp mòn. Một vật liệu có độ cứng cao và khả
năng chịu mài mòn tốt trong môi trường khô có thể không làm việc hiệu quả trong môi
trường chứa các tác nhân gây ăn mòn do khả năng chịu ăn mòn kém của vật liệu này.
Như vậy, ta có thể thấy, khi lựa chọn một vật liệu làm việc trong một môi trường cụ
thể, độ cứng của vật liệu chỉ là một trong các yếu tố cần xét tới. Ta còn phải quan tâm
tới các tính chất khác như độ bền hóa học, khả năng bám dính với vật liệu nền, khả
năng chống mài mòn....
1.4. Vật liệu nhôm và lớp phủ nhôm
1.4.1. Sơ lược về vật liệu nhôm
Nhôm (Al) là kim loại yếu nhóm IIIA, có tính chất mềm, dẻo, nhẹ, trên bề mặt
luôn có một lớp mỏng ôxit tạo thành rất nhanh khi nó tiếp xúc với không khí do Al có
điện thế điện cực khá âm (Al= -1,662 V).
Nhôm có khả năng bền ăn mòn trong một số môi trường có hoạt tính yếu do lớp
ô xit bảo vệ có tính lưỡng tính. Nhôm có cấu tạo mạng lập phương tâm mặt do vậy dễ
biến dạng dẻo, có khả năng dẫn điện và nhiệt tốt. Bảng 1.2 trình bày một số tính chất
cơ bản của nhôm [14, 15, 24].
Bảng 1.2. Một số tính chất cơ bản của nhôm [14]
Nguyên tử khối (đvC)
Khối lượng riêng (g/cm3)

26,982
2,7
Lập phương tâm mặt

Kiểu mạng tinh thể
Thông số mạng (A0)

2,75

o

Nhiệt độ nóng chảy ( C)

658


15
1.4.2. Lớp phủ nhôm
Nhôm dễ dàng tạo lớp ô xit thụ động bền hóa học trên bề mặt, có thể làm việc ở
miền nhiệt độ cao (gần 660oC trong môi trường khô). Do đó, lớp phủ nhôm vừa có tác
dụng như một rào cản chống lại sự xâm nhập của các tác nhân ăn mòn, đồng thời do
điện thế điện cực của nhôm khá âm, khi phủ trên thép, nó có tính năng hoạt động của
anốt hy sinh, tan dần ra để bảo vệ nền sắt thép, làm giảm tốc độ ăn mòn. Vì vậy, nhôm
bảo vệ thép ngay cả khi nền thép bị hở trong trường hợp lớp phủ có khuyết tật. Ngoài
ra, nhôm còn có đặc tính chống mài mòn tốt do sự có mặt của lớp ôxit nhôm hình
thành dễ dàng khi tạo thành lớp phủ.
Lớp phủ nhôm khi được xử lý nhiệt ở 400 – 950oC có khả năng khuếch tán vào
thép tạo hợp chất trung gian giữa sắt và nhôm như FeAl, Fe2Al, Fe3Al (xem giản đồ
pha Fe – Al hình 1.11) làm tăng độ bền, độ cứng và tăng khả năng liên kết của lớp phủ
nhôm với nền thép [25 – 32].
Ye Hong và cộng sự – 2005 [33] đã nghiên cứu cấu trúc và tính chất của lớp
khuếch tán nhôm trên nền thép cacbon thấp chế tạo bằng công nghệ phun khí cháy,
trong nghiên cứu này lớp phủ Al được phun với chiều dày 150 – 200 µm, sau đó xử lý
ủ nhiệt ở 860 – 880oC, thời gian giữ nhiệt 2 giờ. Kết quả cho thấy Al đã khuếch tán
vào sâu trong nền thép (đạt 300 – 400 µm) tạo thành các pha liên kim,tùy theo tỷ lệ Al
trong Fe có thể tạo thành các pha: Al, Fe2Al5 – pha η; FeAl2 – pha ζ; FeAl – pha β2;
Fe3Al – β1 và α – Fe, các pha liên kim này có độ cứng khá cao, cao nhất đạt 850 – 900
HV. Kết quả thử ăn mòn trong dung dịch NaCl có nồng độ 50 g/l, pH= 6,5 – 7,2 sau
300 giờ thử nghiệm ở nhiệt độ phòng cho thấy: lớp phủ Al trên nền thép có lớp khuếch

tán do xử lý nhiệt có khả năng chống ăn mòn tốt hơn thép không gỉ họ 18- 8. Kết quả
thử ăn mòn ở nhiệt độ 723oC có lẫn khí SO2 sau 48 giờ thử nghiệm cũng cho thấy, lớp
khuếch tán Al chống ô xi hóa tốt hơn thép không gỉ họ 18-8.
Lớp phủ Al cũng được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hóa chất, dầu khí với
vai trò là lớp phủ chịu nhiệt và chống ăn mòn [34 – 44].
Nghiên cứu của nhà khoa học Nga V.A. Pavloskii - 2005 [34] cho thấy: lớp phủ
Al kết hợp với Ni đươc ứng dụng làm lớp phủ chịu nhiệt, lớp phủ Al – Ni có thể làm
việc ở miền nhiệt độ 950 – 1100oC, ở nhiệt độ cao Al tương tác với Ni tạo thành các
pha Ni2Al3 (Al ≈ 40 – 45%); NiAl (Al ≈ 22 – 36%); Ni3Al (Al ≈ 12,5 – 14%); độ cứng
các pha tương ứng là 850, 520 và 420 kg/mm2.


16
Do có độ xốp tương đối lớn nên chiều dày lớp phun phủ nhôm là yếu tố cần
quan tâm khi tính toán tuổi thọ làm việc của lớp phủ. Cũng cần lưu ý đến hiện tượng
ăn mòn điểm (pitting) có thể xảy ra trên bề mặt nhôm.
Các xu hướng nghiên cứu trên thế giới hiện nay tập trung mở rộng phạm vi ứng
dụng của lớp phun phủ nhôm khi làm việc trong các môi trường khắc nghiệt và khả
năng kết hợp của lớp phủ này với các lớp phủ vô cơ cũng như hữu cơ khác [45 – 50].
1.5. Vật liệu crôm, niken và lớp phủ hợp kim Ni-20Cr
1.5.1. Sơ lược về crôm (Cr)
Crôm là kim loại chuyển tiếp nhóm VIB. Bảng 1.3 trình bày một số tính chất cơ
bản của crôm [14, 15, 24]. Crôm là kim loại cứng, có nhiệt độ nóng chảy cao. Đặc
điểm rất đáng chú ý của crôm là ở nhiệt độ khoảng 37 oC nhiều tính chất vật lý của nó
thay đổi đột ngột: hệ số ma sát của crôm đạt giá trị lớn nhất, còn môđun đàn hồi thì tụt
xuống mức nhỏ nhất. Độ dẫn điện, hệ số giãn dài, sức nhiệt điện động cũng thay đổi
đột ngột.
Bảng 1.3. Một số tính chất cơ bản của crôm [14]
Nguyên tử khối (đvC)

51,996
3

Khối lượng riêng (g/cm )

7,19

Kiểu mạng tinh thể

Lập phương tâm khối

Thông số mạng (a0)

2,884

Nhiệt độ nóng chảy (oC)

1875

Crôm với độ sạch bình thường thì rất giòn nhưng ở trạng thái sau ủ, độ dẻo của
crôm rất cao ( = 40%). Nhiệt độ biến giòn của crôm khá cao (crôm kỹ thuật có nhiệt
độ biến giòn khoảng 50 – 250oC) và phụ thuộc rất mạnh vào lượng tạp chất. Các
nguyên tố tạp chất gây ảnh hưởng mạnh đến tính chất của crôm là nitơ, ôxy, hydro và
cácbon. Trong số các tạp chất này, nitơ là nguyên tố có hại nhất; hàm lượng cho phép
của nitơ trong crôm là 0,002 – 0,003%.
Đặc tính quan trọng nhất của crôm là tính ổn định hoá học cao, chống lại sự oxy
hóa trong không khí và không tương tác với các axit. Trong nhiều môi trường axit,
crôm có khả năng tạo màng thụ động hoá và trở nên rất ổn định. Tính ổn định nhiệt
của crôm rất cao, ở 1200 oC Cr thể hiện ổn định hơn cả W, Mo, Nb, Ta. Crôm tác dụng

17
với cacbon tạo ra các loại cacbit: (FeCr)3C, Cr23C6, Cr7C3 và Cr2C3. Khi cacbit tồn tại
ở dạng mạng lưới phân bố theo biên giới hạt sẽ làm hợp kim nhạy cảm với phá huỷ
giòn [14, 24].
Crôm là nguyên tố hợp kim không thể thiếu trong chế tạo các loại thép hợp kim,
thép không gỉ và hợp kim bền nhiệt. Ưu điểm của các loại thép này là chịu được áp lực
lớn, chịu được các hóa chất, dễ gia công, chịu được nhiệt độ cao cũng như nhiệt độ
thấp. Các hợp kim trên cơ sở crôm ngày càng được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi
[14, 15].
1.5.2. Sơ lược về niken (Ni)
Niken là kim loại chuyển tiếp nhóm VIII B. Bảng 1.4 trình bày một số đặc tính
cơ bản của niken.
Niken là kim loại màu trắng bạc, có cơ tính cao b = 400 – 500 MPa, có độ dẻo
cao ( = 50%) do niken có kiểu mạng lập phương tâm mặt, niken có khả năng bền ăn
mòn cao. So với các kim loại khác, niken có khả năng ổn định chống ăn mòn trong khí
quyển cao hơn cả. Dưới tác dụng của không khí ẩm, bề mặt niken bị mờ do tạo ra lớp
ôxit mỏng có tính bảo vệ tốt.
Tốc độ ăn mòn của niken rất chậm, khoảng 0,003 mm/năm trong nước ngọt và
0,13 –0,61 mm/năm trong nước biển. Ni bền trong dung dịch muối, kiềm hoặc axít
hữu cơ và trong một số loại khí khô (O2, N2, H2S, NH3, HF…), tuy nhiên niken tỏ ra
kém bền trong một số axit mạnh (HCl, HNO3, H2SO4…) [1, 14, 15, 24].
Bảng 1.4. Một số tính chất cơ bản của niken [14]
Nguyên tử khối (đvC)

58,71

Khối lượng riêng (g/cm3)

8,907

Lập phương tâm mặt

Kiểu mạng tinh thể
Thông số mạng (a0)

4,08
o

Nhiệt độ nóng chảy ( C)

1455


18
1.5.3. Lớp phủ hợp kim Ni-20Cr
Cr, Ni là các nguyên tố hợp kim quan trọng được sử dụng để cải thiện độ bền, độ
dẻo của thép. Thép được hợp kim hóa Cr, Ni có độ bền, độ dẻo dai cao đồng thời có
khả năng chống ăn mòn, mài mòn và chịu nhiệt tốt.
Từ giản đồ pha Ni – Cr ở hình 1.7 [100] có thể thấy Cr tan khá tốt vào Ni với độ
hòa tan tối đa là 47% ở 1345oC và giảm xuống còn 30% ở nhiệt độ thường.

Hình 1.7. Giản đồ pha của Ni – Cr [101]
Ở nhiệt độ thường, khi hàm lượng Cr trong hợp kim từ 30% trở lên thì tổ chức
của Ni-20Cr có 2 pha: α-Cr và γ-Ni. Pha α-Cr là pha giòn do đó làm giảm độ dai của
hợp kim. Nếu hợp kim có hàm lượng Cr < 7% sẽ làm giảm khả năng chống oxy hoá vì
tỷ lệ khuếch tán của oxy vào trong hợp kim này sẽ tăng lên. Hàm lượng Cr từ 7 – 30%,
thì tỷ lệ khuếch tán oxy vào hợp kim giảm, như vậy thành phần hợp kim có ảnh hưởng
lớn đến khả năng chống oxy hoá ăn mòn và mài mòn.
Do có độ bền hóa học nên hợp kim Ni-20Cr có rất nhiều ứng dụng thực tế, quan
trọng nhất là để chế tạo các phần tử đốt nóng. Các phần tử này có điện trở rất cao; vì

vậy, khi có dòng điện đi qua, chúng sẽ được nung nóng mạnh. Nếu pha thêm Co và Al
thì các hợp kim này sẽ có khả năng chịu được tải trọng lớn ở nhiệt độ 650 – 900oC
[14].


19
Các chi tiết như cánh quạt của tuabin khí chẳng hạn, được chế tạo bằng loại hợp
kim chịu nhiệt như vậy. Crôm còn có mặt trong nhiều loại hợp kim khác mà ta có thể
nhận thấy qua tên gọi của chúng: cromen, croman, cromansi. Hợp kim comocrom
(CoMoCr) không độc hại đối với cơ thể người; vì vậy, nó được sử dụng trong việc
phẫu thuật phục hồi. Các ứng dụng của crôm còn phải kể đến các hợp chất hóa học của
nó được dùng để chế tạo pigment tạo màu cho sơn, lớp mạ điện hóa crôm có độ cứng
rất cao và bền hóa học, các ứng dụng làm chất xúc tác trong công nghiệp hóa học, …
Crôm và niken là các nguyên tố hợp kim chính trong thành phần nhiều loại thép
không gỉ bền hóa chất. Khả năng chịu hóa chất của chúng tạo bởi sự hình thành các
lớp thụ động có độ bền ăn mòn cao trên bề mặt các kim loại này khi chúng tiếp xúc với
môi trường hóa chất và tạo ra tổ chức tế vi có thể chỉ có một pha austenite do vậy bền
ăn mòn do không tạo thành pin ăn mòn galvanic.. Khi hai kim loại này kết hợp tạo với
nhau ở dạng hợp kim Ni-20Cr sẽ tạo nên loại vật liệu có độ bền cao trong nhiều môi
trường ăn mòn khắc nghiệt [51 – 55].
Trong các nghiên cứu [56 – 68], các tác giả sử dụng hợp kim Ni-20Cr kết hợp
với các loại cacbit: (W,Cr)2C, Cr2C3 và Cr3C2 dưới dạng bột để chế tạo các lớp phủ
gốm bằng công nghệ phun phủ HVOF và công nghệ phun phủ plasma. Các nghiên cứu
cấu trúc, tính chất của lớp phủ gốm trên cơ sở hợp kim Ni-20Cr để nâng cao khả năng
chống ăn mòn ở nhiệt độ cao cho các kết cấu, đường ống, nồi hơi...
Lớp phủ hợp kim Ni-20Cr khi được trộn thêm các oxit Nd2O3; Cr2O3 hoặc các
nguyên tố Fe, Bo, Si sẽ làm tăng khả năng chống ăn mòn và mài mòn [69 – 77].
Trong các nghiên cứu [78 – 85] lớp phủ Ni-20Cr được chế tạo bằng công nghệ
phun phủ HVOF hoặc công nghệ phun nguội trên nền thép chế tạo lò hơi. Các nghiên
cứu cấu trúc, tính chất của lớp phủ cho thấy, lớp phủ Ni-20Cr có thể làm việc ở miền

nhiệt độ cao lên đến 800 – 900oC.
Lớp phủ hợp kim Ni-20Cr được kết hợp các tính chất của Cr và Ni có ưu điểm là
khả năng chịu nhiệt, chống ăn mòn, chịu mài mòn và có độ bền khá cao trong nhiều
môi trường hoá chất.
1.6. Lớp phủ kép Ni-20Cr và Al
Lớp phủ hợp kim Ni-20Cr trên nền thép cacbon thể hiện tính năng ưu việt, ngoài
việc tăng cứng bề mặt, tăng khả năng chịu mài mòn, thì lớp phủ hợp kim Ni-20Cr có


20
tác dụng như lớp màng ngăn chặn các tác nhân gây ăn mòn. Tuy nhiên khi nền thép bị
hở thì lớp phủ Ni-20Cr không còn khả năng bảo vệ.
Với các loại chi tiết cần chú trọng khả năng bảo vệ chống ăn mòn ở nhiệt độ cao
thường được phun lớp phủ kép Ni-20Cr và Al với lớp nhôm bên ngoài để nâng cao
khả năng chống ăn mòn. Ở đây Ni-20Cr chỉ đóng vai trò là lớp màng chống oxy hóa
thứ hai sau lớp nhôm chứ không được nhấn mạnh đến khả năng chịu mài mòn.
Nhóm nghiên cứu người Nhật Bản Kazuo Ishikawa và cộng sự [85 – 86] đã có
những nghiên cứu về lớp phủ kép 80Ni-20Cr (Ni-20Cr) kết hợp lớp phủ nhôm trên nền
thép cacbon thấp, trong các nghiên cứu này lớp phủ Al được phủ lên trên lớp phủ Ni20Cr, các lớp phủ được chế tạo bằng công nghệ phun khí cháy METCO 12E của hãng
Sulzer Metco-Nhật Bản, sử dụng vật liệu là dây kim loại. Các lớp phủ được khống chế
chiều dày lần lượt là lớp phủ Ni-20Cr dày 100 – 150 µm, lớp phủ Al dày là 200 - 250
µm, sau đó lớp phủ Ni-20Cr – Al được nghiên cứu cấu trúc và các tính chất điện hóa.
Kết quả cho thấy lớp phủ kép Ni-20Cr – Al có khả năng chống ăn mòn trong dầu thực
vật tốt hơn thép không gỉ SS400 và các lớp phủ đơn riêng rẽ. Khả năng bám dính của
lớp phủ Al trên lớp phủ Ni-20Cr cũng tốt hơn lớp phủ Al trên nền thép do lớp phủ Ni20Cr có độ nhấp nhô bề mặt cao.
Việc đưa lớp phủ Al vào giữa lớp phủ Ni-20Cr và nền thép sau đó xử lý ủ nhiệt
có thể tăng đồng thời khả năng chống mài mòn và bảo vệ chống ăn mòn, đồng thời cải
thiện khả năng bám dính của lớp phủ Al do xẩy ra khuếch tán giữa các lớp phủ và giữa
lớp phủ và nền thép.
Cũng đã có một số nghiên cứu về lớp phủ kép Al/Ni-20Cr với lớp phủ Al tiếp ở

giữa tiếp xúc với nền thép và lớp phủ Ni-20Cr ở trên nhưng những nghiên cứu này
chưa nhiều. Trong nghiên cứu [87 – 90] các tác giả nghiên cứu vùng biên giới giữa Fe
– Al, giữa NiAl và Ni-20Cr, lớp phủ chế tạo bằng công nghệ phun nổ. Các kết quả
nghiên cứu cho thấy lớp phủ Ni-20Cr có khả năng bám dính tốt trên bề măt lớp phủ
Al.
Trong một số nghiên cứu khác, Al được trộn vào hợp kim Ni-20Cr kết hợp với
các nguyên tố Ti, Co, Y, Ta, Fe làm nguyên liệu để chế tạo lớp phủ gốm bằng công
nghệ phun phủ HVOF, Plasma [91 – 98]. Các kết quả nghiên cứu cho thấy lớp phủ
hợp kim Ni-20Cr khi có thêm nguyên tố Al có khả năng chịu nhiệt lên đến 900 –
1100oC và có khả năng chống ăn mòn trong nhiều môi trường hóa chất.


21
Với chi tiết làm việc trong điều kiện khắc nghiệt vừa chịu mài mòn, vừa chịu ăn
mòn, việc dùng lớp phủ kép Al với Ni-20Cr chống mài mòn cao bên ngoài là thích
hợp. Lớp phủ nhôm vừa có tác dụng như một rào cản chống lại sự xâm nhập của các
tác nhân ăn mòn, đồng thời nó lại có tính năng hoạt động của anốt hy sinh tan dần ra
để bảo vệ nền thép khi lớp phủ bị hở. Như vậy, tổ hợp lớp phủ nhôm bên dưới và hợp
kim Ni-20Cr bên trên có khả năng kết hợp hai hiệu ứng bảo vệ trên, cùng góp phần
nâng cao tuổi thọ của các kết cấu thép nền.
Tổ hợp lớp phủ kép nhôm và Ni-20Cr trên nền thép cacbon được chế tạo bằng
công nghệ phun phủ hồ quang điện theo trình tự sau:
- Trước khi phun phủ, bề mặt chi tiết được tạo nhám cho phép giảm ứng suất kéo
tổng, nhờ các vết nhám ứng suất được chia ra thành nhiều phần nhỏ (trở thành vi
mô và tự cân bằng), tạo điều kiện cho lớp phủ Al bám dính vào nền thép.
- Lớp phủ Al được phun trước, trên bề mặt lớp phủ Al có độ nhấp nhô khá cao tạo
điều kiện cho lớp phủ hợp kim Ni-20Cr bám dính lên trên bề mặt lớp phủ nhôm.
Tuy nhiên, do quá trình phun phủ được thực hiện ngoài không khí, nên trên bề
mặt lớp phủ nhôm luôn tồn tại một lớp màng ôxit Al2O3 xít chặt. Khả năng bám dính
của lớp phủ Ni-20Cr trên lớp phủ Al phụ thuộc vào góc thấm ướt của lớp bề mặt mà

chủ yếu là ôxit nhôm. Góc thấm ướt là góc hình thành giữa tiếp tuyến của giọt chất
lỏng tại điểm tiếp xúc giữa 3 pha rắn, lỏng, khí với bề
mặt của pha rắn (góc θ). Chất lỏng thấm ướt hoàn toàn khi θ = 0o; nó hoàn toàn không
thấm ướt khi θ = 180o (hình 1.8) [14, 47].
Khả năng bám dính của Ni, Cr nguyên chất với lớp Al 2O3 được thể hiện qua bảng
1.5.

Hình 1.8. Góc thấm ướt [48]
Bảng 1.5 cho thấy khả năng bám dính của Ni và Cr nguyên chất lên bề mặt ôxit
nhôm. Với góc thấm ướt  = 130o niken không có khả năng bám dính với ôxit nhôm,


22
năng lượng bám dính thấp. Crôm bám dính tốt lên bề mặt ôxit nhôm vì có năng lượng
bám dính cao với W = 2200 N/cm2 với góc thấm ướt nhỏ  = 65o.
Bảng 1.5. Đặc điểm thấm ướt của Ni, Cr lỏng trên nền ôxit nhôm [47]
Góc

Sức căng

Năng lượng

thấm ướt

bề mặt

bám dính

 (o )

 (N/cm2)

W (N/cm2)

Ni

130

1750

600

0,34

Cr

65

1600

2200

1,42

Kim
loại

K = W/

Hình thái bề

mặt

Tuy nhiên, hợp kim Ni-20Cr có khả năng bám dính tốt với ôxit nhôm (Al2O3).
Điều này được chứng minh qua sự thay đổi góc thấm ướt khi phủ chúng lên bề mặt

Góc thấm ướt (o)

ôxit nhôm (hình 1.9) [20, 48].

Thời gian (giây)
Hình 1.9. Sự thay đổi góc thấm ướt của hợp kim Ni-20Cr lên bề mặt ôxit nhôm
(Al2O3), Hafnium (HfO2) và Ytri (Y2O3) theo thời gian [47]


23
Ban đầu góc thấm ướt của hợp kim Ni-20Cr lên nền Al2O3 là 110o không xảy ra
bám dính, nhưng sau vài chục giây đã xảy ra sự giảm nhanh của góc thấm ướt  < 90o
và sau đó giảm còn 74o, lúc này hợp kim Ni-20Cr đã bám dính lên nền ôxit nhôm.
Hình 1.10 là ảnh chụp giọt hợp kim Ni-20Cr trên nền các oxit Al2O3, Y2O3 và
HfO2. Trên nền HfO2 (hình 1.10 c) không xảy ra sự bám dính do góc thấm ướt  > 90o,
trên nền Y2O3 (hình 1.10 b) góc thấm ướt là 90o, còn trên nền Al2O3 (hình 1.10 a) có
góc thấm ướt  < 90o có sự bám dính. Ảnh cũng cho thấy tổ chức khi đông đặc của
giọt hợp kim trên các nền oxit này.
Hợp kim Ni-20Cr khi đông đặc trên nền oxit nhôm tạo thành đĩa hình dẹt, tăng
diện tích tiếp xúc với nền Al2O3, do đó tăng khả năng bám dính với nền. Đối với nền là
oxit Y2O3 có khả năng bám dính kém hơn nền Al2O3 và HfO2 không có hiện tượng này
nên không xảy ra sự bám dính.

(a)

x 500

x 500

x 500

(b)

(c)

Hình 1.10. Ảnh giọt hợp kim Ni-20Cr lên bề mặt [48]
a) Al2O3

b) Y2O3

c) HfO2

1.6.1. Xử lý nhiệt lớp phủ kép Al/Ni-20Cr
Như đã biết, bám dính nhờ liên kết nguyên tử hoặc phân tử cho độ bền cao nhất.
Trong phun phủ, nếu không có xử lý nhiệt, các lớp phủ liên kết theo cơ chế bám dính
cơ học, độ bền liên kết phụ thuộc vào độ nhấp nhô bề mặt trước khi phun và sự thấm
ướt bề mặt của kim loại phủ lên kim loại cần phủ.
Xử lý nhiệt tiếp theo với mục đích khuếch tán kim loại phủ vào nền thép hoặc
ngược lại và sự khuếch tán lẫn nhau trong tổ hợp lớp phủ kép nhờ hình thành liên kết
giữa các nguyên tử với nhau, tạo nên các pha dung dịch rắn hay pha liên kim nhằm


24
tăng độ bám dính giữa các lớp phủ, do vậy làm thay đổi tính chất của lớp phủ. Ngoài
ra, xử lý nhiệt còn làm giảm độ xốp của lớp phủ, khử bớt ứng suất dư trong lớp phủ và

ứng suất dư trong nền gây ra do quá trình nguội nhanh và sự khác nhau của hệ số giãn
nở nhiệt của các kim loại và hợp kim. Nhôm nguyên chất nóng chảy ở nhiệt độ 660oC,
nếu nhiệt độ xử lý cao hơn nhiệt độ nóng chảy của Al, lớp phủ Al có thể bị chảy lỏng
dễ làm bong tróc lớp phủ Ni-20Cr, vì vậy cần lựa chọn nhiệt độ và chế độ xử lý nhiệt
phù hợp để đạt được các kết quả mong muốn mà không làm bong tróc lớp phủ Ni20Cr.
Việc kết hợp giữa hai lớp phủ, lớp phủ Al ở dưới lớp phủ hợp kim Ni-20Cr ở trên
sẽ phát huy thế mạnh của cả hai loại lớp phủ: lớp phủ nhôm gắn liền với nền thép nên
nó có khả năng bảo vệ thép bằng cả hai phương pháp là rào cản và là anốt hy sinh; lớp
phủ hợp kim Ni-20Cr ở trên có khả năng chống ăn mòn, bền mài mòn, khả năng chịu
nhiệt tốt.
1.6.2. Tương tác giữa lớp phủ Al với nền thép
1.6.2.1. Giản đồ pha Fe – Al

Nhiệt độoC

Phần trăm nguyên tử Al

Phần trăm khối lượng Al
Hình 1.11. Giản đồ pha Fe – Al [101]


25
Trước tiên, nhôm phủ trên nền thép, do vậy cần xem xét sự tương tác giữa Al và
thép thông qua giản đồ pha Fe – Al hình 1.11 [100].
Từ giản đồ pha Fe – Al chúng ta có thể có các nhận xét như sau:
- Quá trình khuếch tán giữa nhôm và nền thép có xu hướng hình thành liên kết liên
kim loại AlmFen từ dung dịch rắn vì cấu trúc nguyên tử của Fe với lớp "d" (6 điện
tử) không điền đầy, thuận lợi cho việc hình thành các pha này.
Tương tác giữa Fe và Al trên giản đồ tạo thành các pha ở các vùng nhiệt độ được
thống kê trên bảng 1.6.

- Ở nhiệt độ thường các pha có thể tạo thành là: α (dung dịch rắn Fe(Al)) + FeAl
(vùng tiếp giáp Fe), FeAl3 + Al(Fe) (vùng tiếp giáp nhôm).
- Khi lượng Al tăng lên (từ vùng giàu Fe), có thể tạo thành các pha FeAl, Fe 3Al,
FeAl2, Fe2Al5, FeAl3.
Bảng 1.6. Nhiệt độ và phần trăm khối lượng tồn tại của các pha
theo giản đồ pha Fe – Al [100]
Hệ

Fe – Al
(αFe)

(γFe)

FeAl

Fe3Al

ε

FeAl2

Fe2Al5

FeAl3

(Al)

Min

0

0

23,3

~23

~58

66

70

74,5

~100

Max

~45

1,3

~55

~34

~65

66,9

73

76,6

100

Min

~55

98,7

~45

~66

~35

33,1

27

23,4

0

Max

100

100

76,7

~77

~42

34

30

25,5

~0

Max

1538

1394

1310

552

1232

…

1169

1160

660

Min

0

912

<400

0

1102

<400

<400

<400

0

Pha
%Al

%Fe
T(oC)

Ở nhiệt độ từ 500oC trở lên (đến khoảng 800oC), các pha có thể tạo thành là: α +
Fe3Al, Fe3Al, FeAl2, Fe2Al5, FeAl. Khi làm nguội xuống 551oC thì pha FeAl bị chuyển
biến thành Fe3Al, (Fe) chuyển biến thành α(Fe) ở nhiệt độ 770oC khi làm nguội rất
chậm. Độ hoà tan lớn nhất của nhôm trong dung dịch rắn  là 45% tại 1310oC, độ hoà
tan giảm theo nhiệt độ. Do phản ứng bao tinh, ở 1215oC, pha  được tạo ra. Pha này
chỉ tồn tại đến nhiệt độ nhỏ nhất là 1092oC với nồng độ (55 – 63)%Al. Ở nhiệt độ
nóng chảy 1171oC và 1157oC, nồng độ Al hoà tan lớn nhất có thể là 70% và 75%,
tương ứng với hai pha liên kim loại Fe2Al5 và FeAl3. Độ cứng của các pha có thể tạo
thành đã được nghiên cứu và đưa ra trong bảng 1.7 [100].