Nghiên cứu ảnh hưởng của lưu lượng và tốc độ chuyển động tương đối giữa đầu phun với chi tiết đến chất lượng bề mặt phun phủ bằng công nghệ phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

NGUYỄN CHÍ BẢO

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LƯU LƯỢNG VÀ TỐC ĐỘ
CHUYỂN ĐỘNG TƯƠNG ĐỐI GIỮA ĐẦU PHUN VỚI CHI TIẾT
ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT PHUN PHỦ BẰNG CÔNG NGHỆ
PHUN NHIỆT KHÍ TỐC ĐỘ CAO – HVOF

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – NĂM 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

NGUYỄN CHÍ BẢO

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LƯU LƯỢNG VÀ TỐC ĐỘ
CHUYỂN ĐỘNG TƯƠNG ĐỐI GIỮA ĐẦU PHUN VỚI CHI TIẾT
ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT PHUN PHỦ BẰNG CÔNG NGHỆ
PHUN NHIỆT KHÍ TỐC ĐỘ CAO – HVOF

Ngành

: Kỹ thuật Cơ khí động lực

Mã số

: 62 52 01 16

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS. ĐINH VĂN CHIẾN
2. PGS. TS. TRIỆU HÙNG TRƯỜNG

HÀ NỘI - NĂM 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận án này là cơng trình nghiên cứu khoa học của
riêng tơi. Các số liệu trình bày trong luận án được phản ánh hồn toàn trung
thực. Các kết quả nghiên cứu trong luận án chưa có ai cơng bố trong bất kỳ
cơng trình nghiên cứu nào.
Hà Nội, ngày 20 tháng 6 năm 2017
Tác giả luận án

Nguyễn Chí Bảo


ii

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc và chân thành nhất đến hai thầy hướng
dẫn khoa học là PGS.TS. Đinh Văn Chiến và PGS.TS. Triệu Hùng Trường là
cán bộ giảng dạy Trường Đại học Mỏ - Địa chất. Các thầy đã tận tình hướng
dẫn, chỉ bảo và động viên trong suốt q trình nghiên cứu để tơi có thể hồn
thành luận án này.

Tơi xin được bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới các thầy, cơ giáo Bộ mơn
Máy và Thiết bị mỏ; Khoa Cơ điện; Phịng Đào tạo Sau đại học; Ban lãnh đạo
Trường Đại học Mỏ - Địa chất; Trường Đại học công nghiệp Hà Nội đã tạo
mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt thời gian làm luận án cũng như các đóng
góp quý báu về luận án.
Tôi cũng xin được gửi lời cám ơn các nhà khoa học, tập thể giảng viên
bộ môn: Công nghệ, sức bền vật liệu, Máy và thiết bị cơ khí - Khoa Cơ khí;
và đồng nghiệp Trung tâm cơ khí Trường Đại học cơng nghiệp Hà Nội và
Viện Khoa học Vật liệu, đã đóng góp ý kiến, tư vấn, hỗ trợ, tạo điều kiện
thuận lợi nhất cho tôi trong suốt q trình làm thực nghiệm của luận án.
Tơi xin được bày tỏ lòng biết ơn đến sự giúp đỡ quý báu của Công ty
TNHH Dịch vụ Kỹ thuật Quang Khánh - TP. Vũng Tàu đã tạo điều kiện giúp
đỡ tơi làm thực nghiệm theo đúng quy trình u cầu của luận án.
Cuối cùng tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới gia đình, bố, mẹ,
vợ, con, anh, chị, em và các bạn đồng nghiệp đã luôn động viên, giúp đỡ tôi
về vật chất và tinh thần trong thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận án.
Tác giả luận án


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...................................... vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .................................................. viii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .................................................................... xi
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
Chương 1: TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP PHUN NHIỆT ........................... 6
1.1. Công nghệ phun kim loại ....................................................................... 6

1.2. Các phương pháp phun nhiệt ................................................................ 11
1.2.1. Các phương pháp phun nhiệt ......................................................... 11
1.2.2. Ứng dụng của các phương pháp phun nhiệt .................................. 15
1.3. Các nghiên cứu về phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF trên thế giới ...... 16
1.4. Các nghiên cứu về phun nhiệt ở Việt Nam .......................................... 21
1.5. Những vấn đề đặt ra cần nghiên cứu .................................................... 24
Kết luận chương 1 ....................................................................................... 28
Chương 2: CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA PHƯƠNG PHÁP PHUN NHIỆT
KHÍ VÀ ĐỘNG LỰC HỌC QUÁ TRÌNH PHUN HVOF ................ 29
2.1. Lý thuyết về sự hình thành lớp phủ ...................................................... 29
2.2. Quá trình phun HVOF .......................................................................... 33
2.2.1. Quá trình cháy và lưu lượng khí của hệ thống phun HVOF .......... 34
2.2.2. Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống phun HVOF ...................... 36
2.2.3. Đặc điểm của lớp phủ phun bằng công nghệ HVOF ..................... 37
2.3. Tính chất của lớp phủ ........................................................................... 38
2.3.1. Cấu trúc lớp phủ ............................................................................. 40
2.3.2. Thành phần của lớp phủ phun nhiệt ............................................... 41
2.3.3. Sự lắng đọng của lớp phủ............................................................... 42


iv

2.3.4. Ứng suất dư .................................................................................... 43
2.3.5. Độ cứng .......................................................................................... 45
2.3.6. Độ xốp ............................................................................................ 46
2.3.7. Độ bám dính ................................................................................... 47
2.4. Cơ sở nhiệt động lực học quá trình phun HVOF ................................. 49
2.4.1. Động lực học dịng khí ................................................................... 51
2.4.2. Động lực học hạt ............................................................................ 55
2.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ bằng công nghệ HVOF

...................................................................................................................... 60
2.5.1. Ảnh hưởng của dịch chuyển tương đối giữa đầu phun và chi tiết . 60
2.5.2. Ảnh hưởng của các tham số động học phun .................................. 63
2.5.3. Ảnh hưởng của vật liệu phun và lưu lượng cấp bột ....................... 65
Kết luận chương 2 ....................................................................................... 66
Chương 3: VẬT LIỆU, TRANG THIẾT BỊ, PHƯƠNG PHÁP PHUN VÀ
XÁC ĐỊNH ĐẶC TÍNH LỚP PHỦ ................................................... 67
3.1. Vật liệu phun phủ ................................................................................. 67
3.1.1. Vật liệu nền .................................................................................... 67
3.1.2. Vật liệu bột phun ............................................................................ 68
3.2. Lập quy trình thử nghiệm ..................................................................... 70
3.3.1. Thiết bị phục vụ thực nghiệm ........................................................ 74
3.3.2. Thiết bị phun .................................................................................. 74
3.4. Phun phủ thực nghiệm .......................................................................... 78
3.4.1. Kế hoạch thực nghiệm ................................................................... 78
3.4.2. Tiến hành thực nghiệm................................................................... 79
3.4.3. Xây dựng hàm hồi quy thực nghiệm.............................................. 81
3.4.4. Hình ảnh các mẫu thực nghiệm...................................................... 82
3.5. Thiết bị đánh giá chất lương lớp phủ.................................................... 83


v

3.6. Phương pháp đánh giá chất lượng lớp phủ ........................................... 84
3.6.1. Phương pháp xác định độ cứng lớp phủ ........................................ 84
3.6.2. Phương pháp xác định độ xốp lớp phủ .......................................... 86
3.6.3. Phương pháp xác định độ bền bám dính lớp phủ........................... 87
3.6.4. Phương pháp chụp ảnh SEM.......................................................... 94
Kết luận chương 3 ....................................................................................... 95
Chương 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ............................ 96

4.1. Kết quả thực nghiệm............................................................................. 96
4.2. Kết quả và ảnh hưởng của các thông số đến độ xốp lớp phủ ............... 98
4.2.1. Ảnh hưởng của lưu lượng cấp bột phun tới độ xốp lớp phủ .......... 99
4.2.2. Ảnh hưởng của tốc độ quay chi tiết tới độ xốp lớp phủ .............. 101
4.2.3. Ảnh hưởng của dịch chuyển súng phun tới độ xốp lớp phủ ........ 102
4.3. Kết quả và ảnh hưởng của các thông số đến độ bám dính lớp phủ .... 105
4.3.1. Ảnh hưởng của lưu lượng cấp bột phun tới độ bám dính lớp phủ
................................................................................................................ 106
4.3.2. Ảnh hưởng của tốc độ quay của chi tiết tới độ bám dính lớp phủ108
4.3.3. Ảnh hưởng của lượng dịch chuyển đầu phun tới độ bám dính lớp phủ
................................................................................................................ 109
4.4. Kết quả và ảnh hưởng của các thông số đến độ cứng lớp phủ ........... 112
4.5. Phân tích tổ chức tế vi và liên kết biên giới 2 lớp .............................. 114
Kết luận chương 4 ..................................................................................... 117
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................... 119
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ .................................... 120
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 121
PHỤ LỤC ...................................................................................................... 127


vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu và

Ý nghĩa từ viết tắt

chữ viết tắt
αc

Hệ số giãn nở nhiệt của lớp phủ (/0C)

αs

Hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu nền (/0C)

APS

Phun Plama khơng khí (Air Plasma Spray)

CFD

Động lực học dịng tính tốn (Computational FluidDynamics)

CS

Phun lạnh (Cold Spray)

D

Đường kính ngồi của mẫu thực nghiệm (mm)

d

Đường kính trong của mẫu thực nghiệm (mm)

d1, d2

Đường chéo vết lõm (µm)

DGun

Phun nổ

Ec

Mơ đun đàn hồi của lớp phủ (Pa)

Es

Mô đun đàn hồi của vật liệu nền (Pa)

F

Diện tích tiếp xúc giữa lớp phủ và mẫu (mm2)

h

Chiều cao lớp phủ, (mm)

HVAF

Phun tốc độ cao khí nhiên liệu (High Velocity Air - Fuel)

HVOF

Phun nhiệt khí tốc độ cao (High Velocity Oxygen-Fuel)

L

Khoảng cách từ đầu súng phun đến bề mặt kim loại nền (mm)

LPG

Hỗn hợp nhiên liệu ở thể khí (Liquefied Petroleum Gas)

LPPS

Phun Plama áp suất thấp (Low Pressure Plasma Spray)

M

Số MACH (trong điều kiện tiêu chuẩn M = 346 m/s).

m

Lưu lượng cấp bột phun (gam/phút)

n

Tốc độ quay của chi tiết khi phun (vòng/phút)

P
QHTN

Lực nén tiếp tuyến giữa mặt tiếp xúc của lớp phủ và bề mặt
kim loại nền (KN).
Quy hoạch thực nghiệm


vii

Ký hiệu và

Ý nghĩa từ viết tắt

chữ viết tắt
Ra
S
SEM
SVL


Sai lệch trung bình số học các giá trị tuyệt đối của profile
trong khoảng chiều dài chuẩn (µm)
Lượng dịch chuyển súng phun sau 1 vịng quay của chi tiết
(mm/vịng)
Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope)
Diện tích quy ước vết lõm (µm2)
Ứng suất bám dính của lớp phủ hợp kim với kim loại nền
(MPa)

σc

Ứng suất do làm nguội (Pa)

σq

Ứng suất do tôi (Pa)

tc

Độ dày của lớp phủ (m)

Tf

Nhiệt độ lắng đọng (0C)

Tm

Nhiệt độ nóng chảy của một lớp mỏng (°C)

Ts

Nhiệt độ của vật liệu nền (°C)

ts

Độ dày của vật liệu nền (m)

TR

Nhiệt độ môi trường (0C)



Ứng suất bám trượt (MPa)

Vct
VPS
γ

Tốc độ chuyển động của bề mặt chi tiết khi phun (m/phút)
Phun Plama chân không (Spray Plasma Vacuum)
Độ xốp lớp phủ (%)


viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Lịch sử phát triển của cơng nghệ phun phủ ...................................... 6
Hình 1.2: Ứng dụng của công nghệ HVOF trong các lĩnh vực ........................ 9
Hình 1.3: Quá trình phun nhiệt và phân loại theo nguồn nhiệt ....................... 12
Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý các phương pháp phun nhiệt ................................ 13
Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF ......................... 14
Hình 1.6: Phạm vi ứng dụng các phương pháp phun ...................................... 15
Hình 1.7: Sơ đồ tương tác hình thành lớp phủ ................................................ 25
Hình 1.8: Sơ đồ biểu diễn các yếu tố trong quá trình phun. ........................... 26
Hình 2.1: Các giai đoạn quá trình phun nhiệt ................................................. 30
Hình 2.2: Phân bố mật độ chùm hạt và sự chồng chất các chùm hạt phun .... 32
Hình 2.3: Hình ảnh hạt bột phun khi tiếp xúc với bề mặt nền ........................ 32
Hình 2.4: Sơ đồ dịng vật liệu phun va đập hình thành lớp phủ ..................... 33
Hình 2.5: Vận tốc dịng khí trong hệ thống HVOF theo áp suất buồng súng. 34
Hình 2.6: Sự hình thành sóng xung kích của dịng phun có áp suất cao hơn áp
suất mơi trường ..................................................................................... 35
Hình 2.7: Sơ đồ trạng thái của lớp kim loại mỏng rơi trên bề mặt ................. 39
Hình 2.8: Sơ đồ mặt cắt cấu trúc của lớp phủ phun nhiệt ............................... 39
Hình 2.9: Sơ đồ cấu trúc lớp phủ. ................................................................... 40
Hình 2.10: Mặt cắt ngang của cấu trúc tấm mỏng sau khi đơng đặc .............. 42
Hình 2.11: Sơ đồ ứng suất kéo ........................................................................ 44
Hình 2.12: Sơ đồ ứng suất nén ........................................................................ 45
Hình 2.13: Biểu diễn cấu trúc rỗ xốp của lớp phủ phun nhiệt ........................ 46
Hình 2.14: Biểu diễn sự va chạm của hạt phun trên bề mặt nhấp nhô theo tiết

diện ngang ............................................................................................. 48
Hình 2.15: Kết cấu vịi phun HVOF. .............................................................. 49
Hình 2.16: Kết cấu sung và quá trình phun phủ HVOF. ................................ 50


ix
Hình 2.17: Ảnh đồ trường nhiệt độ trong buồng đốt ...................................... 53
Hình 2.18: Trường áp suất trong quá trình phun HVOF ................................ 53
Hình 2.19: Tốc độ và nhiệt độ của hạt ............................................................ 58
Hình 2.20: Phân bố hạt trong quá trình phun .................................................. 59
Hình 2.21: Tốc độ và nhiệt độ theo cỡ hạt ...................................................... 59
Hình 2.22: Mơ tả q trình chuyển động hình thành lớp phủ ......................... 62
Hình 2.23: Hình ảnh tốc độ dịng phun theo từng vị trí. ................................. 64
Hình 2.24: Mô tả lượng dịch chuyển tương đối giữa súng phun với chi tiết.. 64
Hình 3.1: Mẫu phun bằng thép 40Cr............................................................... 68
Hình 3.2: Hình ảnh bột phun Cr3C2– NiCr ..................................................... 69
Hình 3.3: Quy trình phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF.................................... 71
Hình 3.4: Thiết bị thực nghiệm phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF ................. 75
Hình 3.5: Mẫu trong khi phun ......................................................................... 83
Hình 3.6: Kiểm tra nhiệt độ mẫu..................................................................... 83
Hình 3.7: Các mẫu thực nghiệm thép 40Cr phun phủ bộtcác bít Cr3C2-NiCr
bằng phương pháp HVOF .................................................................... 83
Hình 3.8: Vết đo độ cứng Vicker. ................................................................... 85
Hình 3.9: Ảnh chụp kết quả đo độ xốp lớp phủ. ............................................. 87
Hình 3.10: Nguyên lý xác định độ bền bám dính theo ASTM C633-13. ....... 88
Hình 3.11: Ngun lý xác định độ bền bám dính theo JIS-H-8666-1980. ..... 89
Hình 3.12: Sơ đồ mẫu thử bền bám dính theo JIS H 8666 - 1980 .................. 90
Hình 3.13: Sơ đồ mơ tả trình tự xác định độ bám dính lớp phủ ..................... 91
Hình 3.14: Kích thước khn ép và mẫu thử .................................................. 92
Hình 3.15: Đồ thị biểu diễn giá trị lực nén khi đo độ bám dính lớp phủ ........ 93

Hình 4.1: Đồ thị 3D biểu diễn mối quan hệ (m) đến độ xốp lớp phủ. .......... 100
Hình 4.2: Đồ thị 2D biểu diễn mối quan hệ (m) đến độ xốp lớp phủ. .......... 100
Hình 4.3: Đồ thị 3D biểu diễn mối quan hệ (n) đến độ xốp lớp phủ. ........... 101


x
Hình 4.4: Đồ thị 2D biểu diễn mối quan hệ (n) đến độ xốp lớp phủ. ........... 101
Hình 4.5: Đồ thị 3D biểu diễn mối quan hệ (S) đến độ xốp lớp phủ. ........... 103
Hình 4.6: Đồ thị 2D biểu diễn mối quan hệ (S) đến độ xốp lớp phủ. ........... 103
Hình 4.7: Ảnh chụp đo độ xốp mẫu số 110. ................................................. 104
Hình 4.8: Đồ thị 3D biểu diễn mối quan hệ (m) đến độ bám dính lớp phủ. . 107
Hình 4.9: Đồ thị 2D biểu diễn mối quan hệ (m) đến độ bám dính lớp phủ. . 107
Hình 4.10: Đồ thị 3D biểu diễn mối quan hệ (n) đến độ bám dính lớp phủ. 108
Hình 4.11: Đồ thị 2D biểu diễn mối quan hệ (n) đến độ bám dính lớp phủ. 109
Hình 4.12: Đồ thị 3D biểu diễn mối quan hệ (S) đến độ bám dính lớp phủ. 110
Hình 4.13: Đồ thị 2D biểu diễn mối quan hệ (S) đến độ bám dính lớp phủ. 110
Hình 4.14: Ảnh chụp đo lực để tính độ bám mẫu số 110 ............................. 111
Hình 4.15: Ảnh vết đo độ cứng tại cáclớp. ................................................... 114
Hình 4.16: Ảnh soi vùng biên giới liên kết ................................................... 115
Hình 4.17: Ảnh SEM liên kết lớp phủ. ......................................................... 116


xi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Đặc tính của một số phương pháp phun ........................................... 8
Bảng 1.2: Sự khác biệt giữa các thế hệ của hệ thống HVOF.......................... 10
Bảng 2.1: Phạm vi áp dụng phương pháp phun phủ HVOF trong các ngành
công nghiệp........................................................................................... 38
Bảng 2.2: Sự khác nhau của độ xốp trong lớp phủ HVOF. ............................ 47
Bảng 3.1: Thành phần hố học của thép 40Cr. ............................................... 67

Bảng 3.2: Cơ tính của thép 40Cr. .................................................................... 67
Bảng 3.3: Thành phần của bột phủ Cr3C2 – NiCr theo nhà cung cấp ............. 69
Bảng 3.4: Bảng hoạch đồ thực nghiệm phun HVOF ...................................... 79
Bảng 3.5: Giá trị của các yếu tố và tên mẫu thực nghiệm .............................. 80
Bảng 4.1: Kết quả đo lực và tính độ bám τ theo cơng thức (3.7). .................. 96
Bảng 4.2: Kết quả các thông số đo độ xốp lớp phủ ........................................ 97
Bảng 4.3: Sai số độ xốp giữa hàm thực nghiệm và hàm quy hoạch. .............. 98
Bảng 4.4: Sai số độ bám giữa hàm thực nghiệm và hàm quy hoạch ............ 105
Bảng 4.5: Kết quả đo độ cứng lớp phủ theo các thông số. ........................... 112


1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Phun phủ nhiệt khí tốc độ cao (High Velocity Oxygen-Fuel, viết tắt là
HVOF) là một kỹ thuật phun nhiệt được ứng dụng từ những năm 1980. So
sánh với các phương pháp phun nhiệt khác (phun hồ quang điện, phun plasma,
phun khí cháy, phun nổ,…), phun phủ nhiệt khí tốc độ cao HVOF có các đặc
trưng nổi bật như mật độ, độ bền bám dính và độ cứng tốt hơn. Do đó, cơng
nghệ này tạo được lớp phủ sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp
mang lại hiệu quả kinh tế cao.
Hiện nay, nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ phun phủ nhiệt khí tốc độ cao
HVOF trên thế giới được phát triển mạnh nhằm tạo lớp phủ kim loại và hợp
kim có chất lượng tốt, nâng cao tuổi thọ của các chi tiết máy dạng trục bị mịn
trong cơng nghiệp. Tại Việt Nam, một số cơ sở nghiên cứu và doanh nghiệp
sản xuất cơ khí đã đầu tư thiết bị phun phủ nhiệt khí tốc độ cao HVOF. Tuy
nhiên, các nghiên cứu về công nghệ HVOF chưa nhiều.
Gần đây có một số nghiên cứu trong nước như: “Nghiên cứu ảnh hưởng
của một số yếu tố cơng nghệ đến độ bền bám dính của lớp phủ kim loại được
phun bằng phương pháp nhiệt khí” đã nghiên cứu ảnh hưởng của khoảng cách

phun, áp suất khí thổi, áp suất oxy đến độ bền bám dính, độ bền bám trượt, độ
bền kéo lớp phủ Ni-Cr-Si-B trên thép C45 thực hiện bằng cơng nghệ phun
nhiệt khí oxy axetylen; “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun phủ để nâng
cao chất lượng bề mặt chi tiết máy” nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ trung
bình dịng kim loại phun (v), lưu lượng cấp bột phun (m) và khoảng cách
phun (L) đến độ cứng, độ xốp, độ bám dính và độ mài mòn lớp phủ bột hợp
kim 67Ni18Cr5Si4B trên nền thép C45 bằng công nghệ phun plasma. Và
“Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến chất lượng phục
hồi bề mặt trục có hình dạng phức tạp bị mịn bằng cơng nghệ phun phủ”


2
nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ như khoảng cách phun,
tốc độ dòng phun khi phun bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B trên nền trục thép
C45.
Ngoài ra, một số đề tài khoa học công nghệ cấp Bộ, Ngành về công nghệ
HVOF cũng đã được thực hiện. Tuy nhiên, hiện chưa có các nghiên cứu
chuyên sâu về ảnh hưởng của lưu lượng cấp bột phun và tốc độ chuyển động
tương đối giữa đầu phun với chi tiết tới chất lượng lớp phủ bề mặt sau khi phu
bằng công nghệ HVOF.
Xuất phát từ lý do trên NCS đặt vấn đề “Nghiên cứu ảnh hưởng của lưu
lượng và tốc độ chuyển động tương đối giữa đầu phun với chi tiết đến chất
lượng bề mặt phun phủ bằng công nghệ phun nhiệt khí tốc độ cao-HVOF ”
làm hướng nghiên cứu của đề tài luận án.
2. Mục đích nghiên cứu
Đưa ra phương pháp tính tốn xác định được ảnh hưởng của lưu lượng
cấp bột và tốc độ chuyển động tương đối giữa đầu phun với chi tiết đến chất
lượng lớp phủ bột hợp kim Cr3C2-NiCr trên nền trục thép 40Cr bằng công
nghệ HVOF.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

* Đối tượng nghiên cứu:
Bề mặt trụ ngồi thép 40Cr có kích thước 60, 70 và 80 kích thước
đường kính trong 30, chiều dài 60 mm được phủ lớp bột hợp kim Cr3C2NiCr dày 0,6 mm bằng công nghệ HVOF.
* Phạm vi nghiên cứu:
Nghiên cứu ảnh hưởng của lưu lượng cấp bột phun (m gam/phút) và tốc
độ chuyển động của phơi (n vịng/phút), tốc độ dịch chuyển của đầu phun (S
mm/vòng) đến chất lượng lớp phủ bột các bít Cr3C2-NiCr trên nền trục thép
40Cr bằng phương pháp phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF như sau:


3

Thơng số cơng nghệ

Mức thay đổi
0

1

2

m (gam/phút)

25

35

45

n (vịng/phút)

57

130

170

S (mm/vịng)

3

6

9

4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm.
Về lý thuyết: Ứng dụng các lý thuyết, các tài liệu khoa học liên quan đến
sự hình thành và tính chất lớp phủ bột hợp kim trên nền thép bằng công nghệ
HVOF. Lý thuyết về xử lý số liệu thực nghiệm, các phần mềm tính tốn.
Về thực nghiệm: Tạo mẫu thực nghiệm, thiết kế và chế tạo đồ gá, phun
trên mẫu thực nghiệm; xác định độ xốp, độ bám dính, độ cứng của lớp phủ
với bề mặt nền thép 40Cr. Tạo cơ sở để xây dựng phương trình toán học, các
đồ thị dạng 2D, 3D phản ánh mối quan hệ giữa độ xốp, độ bám dính, độ cứng
với các thông số công nghệ (m, n và S) đến chất lượng lớp phủ.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Ý nghĩa khoa học:
Đã xây dựng được mơ hình thí nghiệm bằng phương pháp quy hoạch
thực nghiệm để phân tích đánh giá sự ảnh hưởng của 3 thơng số cơng nghệ
chính q trình phun HVOF gồm: lưu lượng cấp bột phun (m, gam/phút), tốc

độ dài của vết phun tại tâm điểm va đập của chùm vật liệu phun trên bề mặt
chi tiết hình trụ quay ( n vòng/phút hoặc Vct, mm/phút) và tốc độ di chuyển
của đầu súng phun theo phương dọc tâm trục chi tiết phun (S mm/vịng hoặc
mm/giây) đến tính chất cơ lý của lớp phủ bề mặt sau khi phun.
Đã nghiên cứu khảo sát đánh giá các mẫu phun bằng phương pháp
HVOF nhận được theo quy hoạch thực nghiệm và tính tốn xây dựng mơ hình
tốn học mơ tả quan hệ giữa 3 thơng số đầu vào và các hàm mục tiêu đầu ra


4
gồm độ xốp lớp phủ, độ bền bám dính lớp phủ, độ cứng tế vi của lớp phủ
Cr3C2-NiCr với nền thép 40Cr.
Đã nghiên cứu khảo sát và chụp ảnh tổ chức tế vi vật liệu lớp phủ trên
một số mẫu thí nghiệm điển hình nhận được theo quy hoạch thực nghiệm,
phân tích đánh giá đặc tính của chúng để làm rõ ảnh hưởng của 3 thông số
phun đã chọn (m, V, S) đến chất lượng lớp phủ HVOF trong phạm vi miền
khảo sát lựa chọn của luận án.
Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu có thể làm tài liệu tham khảo
trong việc lựa chọn công nghệ, thiết bị để phục hồi hoặc chế tạo mới các chi
tiết máy trong khai thác mỏ, máy công cụ nhằm đáp ứng kịp thời sản xuất,
hạn chế nhập ngoại góp phần giảm giá thành sản phẩm, cải thiện đời sống
người lao động.
6. Bố cục của luận án
Luận án gồm phần mở đầu, bốn chương và phần kết luận.
Chương 1: Tổng quan phương pháp phun nhiệt;
Chương 2: Cơ sở khoa học của phương pháp phun nhiệt khí và động lực
học q trình phun HVOF ;
Chương 3: Vật liệu, trang thiết bị, phương pháp phun và xác định đặc tính
lớp phủ;
Chương 4: Kết quả thực nghiệm và đánh giá.

7. Luận điểm bảo vệ
Bằng thực nghiệm làm rõ sự hình thành lớp phủ bột hợp kim Cr3C2-NiCr
trên nền trục thép 40Cr và liên kết giữa lớp phủ với kim loại nền.
Bằng phương pháp lý thuyết và thực nghiệm đã xác định được mối quan
hệ ảnh hưởng của các thông số công nghệ (m, n và S) đến độ xốp, độ bám
dính và hình ảnh biên giới liên kết giữa lớp phủ với kim loại nền khi sử dụng
phương pháp phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF.


5
Đã đưa ra vùng thông số công nghệ phun (m, n và S) hợp lý để cho độ
xốp lớp phủ nhỏ nhất và độ bám dính lớp phủ lớn nhất khi phun bằng phương
pháp phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF:
m (gam/phút)

n (vòng/phút)

S (mm/vòng)

130

3

35
8. Điểm mới của luận án

Xác định được quy luật ảnh hưởng của một số thông số công nghệ phun
(m, n và S) đến chất lượng lớp phủ, tạo cơ sở khoa học cho việc đánh giá ảnh
hưởng của các thông số công nghệ này đến độ xốp, độ bám dính, độ cứng lớp
phủ bột hợp kim Cr3C2-NiCr trên nền trục thép 40Cr bằng công nghệ phun

nhiệt HVOF. Có thể làm tài liệu tham khảo trong giảng dạy, nghiên cứu và là
cơ sở để lựa chọn các loại vật liệu phủ và kim loại nền khác nhau trong cơng
nghệ phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF.


6
Chương 1: TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP PHUN NHIỆT
1.1. Công nghệ phun kim loại
Công nghệ phun phủ kim loại đã được một kỹ sư người Thụy Sỹ tên là
Max Ulrich Schoop phát minh ra từ những năm đầu của thế kỷ 20 [16], [53].
Nguyên lý của công nghệ này là dùng nguồn nhiệt (hồ quang, khí cháy,
plasma) làm nóng chảy kim loại. Sau đó, kim loại lỏng được dịng khơng khí
nén thổi mạnh làm phân tán thành các hạt (sương mù) rất nhỏ, bắn vào bề mặt
chi tiết đã được chuẩn bị sẵn (làm sạch, tạo nhám) tạo ra một lớp phủ kim loại
có độ dày theo yêu cầu, trong đó các hạt kim loại đè lên nhau theo từng lớp.
Lúc đầu, phun phủ kim loại chỉ dùng cho mục đích trang trí. Đến chiến tranh
thế giới lần thứ hai, cơng nghệ này bắt đầu được sử dụng với quy mô rộng ở
hầu hết các nước châu Âu và càng ngày càng tỏ ra có nhiều tính ưu việt trong
các lĩnh vực như bảo vệ bề mặt, phục hồi, trang trí thay cho kim loại quý
hiếm. Đến những năm 1980 phun phủ kim loại đã trở thành một lĩnh vực khoa
học công nghệ riêng được biểu hiện như một công nghệ xử lý bề mặt, mặt
khác nó cũng giống như một phương pháp cơng nghệ chế tạo mới trong sản
xuất.

Hình 1.1: Lịch sử phát triển của công nghệ phun phủ


7
Để đánh giá sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ phun phủ kim loại, có
thể dựa trên cơ sở sự phát triển của thiết bị và phạm vi ứng dụng trong lĩnh

vực công nghiệp và đời sống. Lịch sử phát triển của công nghệ phun phủ
được thể hiện ở sơ đồ hình 1.1 [11].
Cơng nghệ phun kim loại ngày càng được quan tâm do có ý nghĩa quan
trọng và quyết định đến tính chất của vật liệu lớp phủ vì nó tạo ra một lớp bề
mặt có khả năng đáp ứng các điều kiện làm việc như chịu mài mịn, chống ăn
mịn, chịu nhiệt... Cơng nghệ phun phủ kim loại còn được sử dụng trong
nhiều lĩnh vực với các mục đích khác nhau như:
- Bảo vệ chống gỉ, chống ăn mịn trong mơi trường khí quyển, mơi
trường đất và nước.
- Tạo ra lớp dẫn điện trên bề mặt không dẫn điện, dùng cho trang trí cho
các cơng trình kỹ thuật.
- Phục hồi các chi tiết máy bị mài mòn.
- Sửa chữa khuyết tật cho vật đúc hoặc các khuyết tật xuất hiện khi gia
cơng cơ khí, tiết kiệm được các kim loại quý hiếm.
Hiện nay công nghệ phun phủ kim loại nói chung và phương pháp phun
nhiệt khí nói riêng tuy cịn rất mới so với các cơng nghệ khác nhưng đã được
ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành cơng nghiệp, đặc biệt là trong cơ khí chế
tạo máy, giao thơng vận tải, dầu khí, hàng khơng... và đã trở thành một cơng
nghệ khơng thể thiếu trong q trình phục hồi chi tiết bị mài mịn.
- Phun nhiệt có thể sử dụng vật liệu có cơ lý hóa tính khác nhau: kim
loại, hợp kim, các bít kim loại, ơ xít gốm, vật liệu chịu nhiệt, các vật liệu có
nhiệt độ nóng chảy khác nhau, nhiệt độ làm việc khơng quá 800oC;
- Thiết bị phun nhiệt có thể tạo ra các tốc độ phun khác nhau phù hợp với
các loại vật liệu phun và yêu cầu bám dính khác nhau;
- Có thể phủ được các chiều dày khác nhau từ 10 m đến 10 mm;


8
- Nhiệt độ bề mặt chi tiết được nung nóng do vật liệu phủ truyền nhiệt
sang, không vượt quá nhiệt độ chuyển biến pha, nên không gây chuyển biến

tổ chức, bảo đảm tổ chức và tính chất ban đầu của vật liệu nền;
- Lớp phủ có độ bám dính với kim loại nền tốt, độ xốp nhỏ và ứng suất
dư âm, nên được sử dụng cho nhiều chi tiết chịu tải trọng phức tạp và chịu
mỏi tốt;
Đặc tính của các phương pháp phun được hình thành từ việc tạo ra nhiệt
độ của ngọn lửa làm nóng chảy của các vật liệu phun và tốc độ phun của hạt
ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ. Các số liệu trong bảng 1.1 [8], [10] cho
thấy khả năng tạo nhiệt độ trong buồng đốt và tốc độ bay của các hạt phun
ứng với các phương pháp phun khác nhau.
Bảng 1.1: Đặc tính của một số phương pháp phun
Tốc độ hạt Độ bền bám
phun, m/s
dính, MPa

Độ xốp,
% thể
tích

Phương pháp
phun

Nhiệt độ khí
cháy, 0C

Phun hồ quang dây

4000

100-240

10-15

10-20

Phun khí cháy

500-700

40-180

10

10-15

Phun Plasma

5500-12000

200-600

Khơng q
70

2-5

Phun HVOF

2500-3100

500-800

Có thể >70

1-10

Phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF là phương pháp ưa thích để tạo lớp phủ
với độ xốp thấp và độ bám dính cao, trong q trình phun nhiệt khí tốc độ cao
HVOF nhiên liệu và oxy được đưa vào buồng đốt cùng với phun bột tạo ra
nhiệt độ và áp suất cao trong buồng thơng qua các vịi phun tạo ra các dịng
chảy siêu âm của khí. Nhiệt độ ngọn lửa nằm trong khoảng 2500 °C - 3100 °C,
phụ thuộc vào nhiên liệu, tỷ lệ nhiên liệu khí /oxy và áp suất khí và phụ thuộc
vào thiết kế kết cấu súng phun của hệ thống phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF
[16], [27], [28].


9
Do có những ưu điểm vượt trội so với các phương pháp tạo lớp phủ khác
về độ bám dính, độ xốp... Phun phủ nhiệt khí tốc độ cao HVOF khơng ngừng
được phát triển và mở rộng về quy mô, cải thiện về chất lượng lớp phủ đã
được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành cơng nghiệp như hình 1.2.

Các chi tiết làm việc trong nhà máy
nhiệt điện

Các chi tiết làm việc trong ngành ô
tô và khai thác

Các chi tiết làm việc trong dây
chuyền cán thép

Các chi tiết trục và cánh tua bin

Các chi tiết làm việc trong lĩnh vực Các chi tiết làm việc trong lĩnh vực
dầu khí
hàng khơng
Hình 1.2: Ứng dụng của công nghệ HVOF trong các lĩnh vực


10
Hệ thống phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF có nhiều thiết kế khác nhau,
các loại có sự khác biệt thể hiện trong thiết kế kết cấu súng phun, nhưng tất cả
đều dựa trên các nguyên tắc cơ bản giống nhau đó là sự kết hợp áp lực và lưu
lượng khí cao tạo ra vận tốc khí siêu thanh. Các hệ thống này có thể được chia
thành các thế hệ đầu tiên, thứ hai và thứ ba như bảng 1.2.
Bảng 1.2: Sự khác biệt giữa các thế hệ của hệ thống HVOF
TT

Ký hiệu

Thế hệ 1

Jet Kote
(a)

Kiểu súng

Mức
điện
năng

Áp suất
buồng
chứa

Lưu
lượng
cấp
bột

80 kW

35 bar

2 6
kg/h

80120
kW

5 10
bar

210
kg/h

Top Gun
(b)
Thế hệ 2
Diamond
Jet

(c)

Thế hệ 3

JP 5000
(d)

100
300
kW

8 12
Đến12
(lên đến
kg/h
25) bar


11

TT

Ký hiệu

Kiểu súng

Mức
điện
năng

Áp suất
buồng
chứa

Lưu
lượng
cấp
bột

Diamond
Jet 2700
(e)

Sự khác biệt cơ bản giữa thế hệ đầu tiên và thứ hai là thiết kế kết cấu của
vòi phun. Trong thế hệ đầu tiên của hệ thống HVOF có buồng đốt thường
tương đối lớn và một vòi phun thẳng, với cách thiết kế này cho dịng tốc độ
khí tối đa lên tới khoảng 1 M.
Các thế hệ thứ hai là dựa trên cơ sở của ống Laval phân kỳ của các vòi
phun cho phép tạo ra vận tốc hơn 1 Mach với điều kiện phun tiêu chuẩn của
hệ thống hoạt động ở mức điện năng tiêu thụ khoảng 100 KW và có khả năng
phun với lưu lượng cấp bột khoảng 2-10 kg/h.
Các hệ thống thế hệ thứ ba là có các mức cơng suất khác nhau từ 100300 kW và cho áp lực buồng cao hơn từ 8 bar lên đến 25 bar, có khả năng
cung cấp bột phun lên đến trên 10 kg/h.
Tất cả các kết cấu súng phun đều gồm có một buồng đốt áp lực, một ống
trụ hoặc phân kỳ Laval. Một số thậm chí cịn có một thùng sau những vịi
phun, một phần cấp bột trong súng phun và một phần cấp bột ngoài.
1.2. Các phương pháp phun nhiệt
1.2.1. Các phương pháp phun nhiệt
Các phương pháp phun nhiệt thường sử dụng hai nguồn nhiệt chính đó là
nguồn nhiệt sinh ra từ oxy - khí cháy và nguồn điện qua hệ thống phun tạo ra

12
dải nhiệt độ rất cao làm nóng chảy hầu hết các loại vật liệu. Quá trình phun
nhiệt và phân loại theo nguồn nhiệt được mơ tả trên hình 1.3 [21], [53].

Hình 1.3: Quá trình phun nhiệt và phân loại theo nguồn nhiệt
Hiện nay phương pháp phun phủ nhiệt khí được sử dụng rộng rãi và
đóng vai trị quan trọng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như vũ trụ, hàng
không, quốc phịng, giao thơng, chế tạo máy... Một số phương pháp phun
nhiệt khác nhau để tạo nên lớp phủ như hình 1.4.
- Phương pháp phun phủ bằng ngọn lửa thông thường (Hình 1.4 a,b)
Phương pháp phun dây, dây được nấu chảy bên trong bằng ngọn lửa khí
oxy. Các khí nhiên liệu này có thể là khí axetylen, khí propan hoặc hydro, dây
sẽ bị nung chảy và bị đẩy về phía bề mặt phơi nhờ áp lực nén của dịng khí.
Phương pháp phun bột dựa trên các nguyên tắc hoạt động giống như q
trình phun dây, tuy nhiên có sự khác biệt là các vật liệu phủ là loại bột. Như
vậy, một sự lựa chọn rộng lớn hơn của các loại vật liệu phun vì khơng phải tất
cả các vật liệu phun đều có thể được sản xuất ở dạng dây.