Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ xử lí nhiệt ở miền nhiệt độ trên

NGUYỄN XUÂN TRƯỜNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN XUÂN TRƯỜNG

KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ XỬ LÝ NHIỆT Ở MIỀN
NHIỆT ĐỘ TRÊN 500oC ĐẾN CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT
CỦA HỆ PHỦ KÉP HỢP KIM NiCr VÀ NHÔM TRÊN NỀN THÉP

KHOÁ 2011B

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Chuyên ngành: Khoa học và kỹ thuật Vật liệu

Hà Nội – Năm 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN XUÂN TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ XỬ LÝ NHIỆT Ở MIỀN
NHIỆT ĐỘ TRÊN 500oC ĐẾN CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT
CỦA HỆ PHỦ KÉP HỢP KIM NiCr VÀ NHÔM TRÊN NỀN THÉP

Chuyên ngành: Khoa học và kỹ thuật Vật liệu

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS TS. PHÙNG THỊ TỐ HẰNG
2. TS. LÊ THU QUÝ

Hà Nội – Năm 2013


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân, được hình
thành và phát triển từ những quan điểm của cá nhân tôi, dưới sự hướng dẫn của
PGS.TS.Phùng Thị Tố Hằng, đồng hướng dẫn TS. Lê Thu Quý và có tham khảo
thêm các tài liệu đáng tin cậy, có nguồn gốc rõ ràng. Các số liệu, kết quả trong luận
văn là hoàn toàn chính xác và trung thực.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn này.
Tác giả luận văn

NGUYỄN XUÂN TRƯỜNG

3


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn PGS TS. Phùng Thị Tố Hằng, Bộ môn Vật liệu
học, xử lý nhiệt và bề mặt – Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu – Trường đại học
Bách Khoa Hà Nội và TS Lê Thu Quý- Viện Kỹ thuật Nhiệt đới- Viện Hàn lâm
Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã trực tiếp hướng dẫn tôi thực hiện và hoàn
thành đề tài.

Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy giáo, cô giáo trong Bộ môn Vật
liệu học, xử lý nhiệt và bề mặt, các thầy cô giáo ở Phòng thí nghiệm kim loại học và
Xưởng nhiệt luyện, các bạn sinh viên lớp Vật liệu học, xử lý nhiệt và bề mặt K52 và
K54, các kỹ thuật viên của Viện Kỹ thuật Nhiệt đới đã tạo điều kiện giúp tôi hoàn
thành đề tài này.
Tác giả luận văn

4


MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................3
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................4
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT....................................................................................7
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................8
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................................................................10
LỜI NÓI ĐẦU .........................................................................................................13
CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT.......................................................................15
1. Khái quát chung.................................................................................................15
2. Lịch sử phát triển ...............................................................................................15
3. Tình hình ứng dụng phun phủ trên thế giới và Việt Nam .................................16
4. Cơ sở lý thuyết công nghệ phun phủ kim loại..................................................17
4.1. Cơ chế hình thành lớp phủ kim loại ...........................................................17
4.2. Đặc trưng sự hình thành và cấu trúc lớp phủ trên kim loại nền .................18
4.3. Các phương pháp phun kim loại .................................................................18
4.4. Một số vật liệu phun phủ thông dụng đang được sử dụng trên thế giới .....24
4.5. Ưu điểm và nhược điểm của công nghệ phun phủ .....................................25
5. Phương pháp phun phủ bằng hồ quang điện .....................................................25
5.1. Thiết bị dùng để phun phủ ..........................................................................26

5.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình phun phủ bằng hồ quang điện ............29
6. Lớp phủ kép Ni-Cr và Al...................................................................................30
6.1. Sự hình thành và cấu trúc lớp phủ kim loại ................................................30
6.2. Cấu trúc lớp phủ kim loại ...........................................................................32
6.3. Lớp phủ nhôm (Al) .....................................................................................34
6.4. Lớp phủ Ni-Cr ............................................................................................35
6.5. Lớp phủ kép Ni-Cr và Al ............................................................................38
6.6. Xử lý nhiệt lớp phủ kép NiCr-Al ................................................................41
Hình 1.19. Giản đồ pha Fe-Al ...................................................................................42
Bảng 1.5. Nhiệt độ và nồng độ tồn tại của các pha theo giản đồ pha Fe-Al .............42
Bảng 1.6. Cấu trúc tinh thể và độ cứng các pha FemAln ...........................................43
CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM ...49

5


1. Sơ đồ các bước tiến hành nghiên cứu................................................................49
2. Chuẩn bị mẫu và bề mặt trước khi phun phủ ....................................................50
2.1.Vật liệu.........................................................................................................50
2.2 Thiết bị chuẩn bị mẫu. .................................................................................50
2.3. Quy trình .....................................................................................................51
2.4. Phun phủ .....................................................................................................51
2.5. Xử lý nhiệt ..................................................................................................53
3. Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt đến cấu trúc và tính chất của lớp
phủ .........................................................................................................................57
3.1. Chụp ảnh tổ chức tế vi của các lớp phủ ......................................................57
3.2. Xác định sự phân bố độ cứng giữa các lớp phủ bằng phương pháp đo độ
cứng tế vi ...........................................................................................................58
3.3. Chụp EDS dự đoán các pha sau ủ ...............................................................59
3.4. Phân tích thành phần hóa học và các pha xuất hiện trong các lớp phủ bằng

phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (X-ray) ...........................................................60
3.5. Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt đến cường độ mài mòn của
lớp phủ ...............................................................................................................61
3.6. Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt đến độ bám dính lớp phủ ..62
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .........................................................64
1. Ảnh hưởng của chế độ ủ đến tổ chức tế vi và tính chất của lớp phủ kép ..........64
1.1. Tổ chức tế vi và độ cứng của mẫu sau phun phủ và sau ủ phân cấp ở 5500C
giữ nhiệt 2h. .......................................................................................................65
1.2. Ảnh hưởng của thời gian giữ nhiệt đến tổ chức và tính chất của lớp phủ
kép trên thép C45 và CT3 ..................................................................................69
2. Phân tích thành phần hóa học của lớp phủ bằng phương pháp EDS ................84
3. Nghiên cứu các pha liên kim bằng phương pháp nhiễu xạ Rơnghen ................87
4. Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ ủ xử lý nhiệt đến cường độ mài mòn và hệ
số ma sát của lớp phủ ............................................................................................91
5. Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ ủ xử lý nhiệt đến độ bám dính của lớp phủ
...............................................................................................................................94
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ....................................................................................97
KẾT LUẬN ...........................................................................................................97
ĐỀ XUẤT ..............................................................................................................98
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................100

6


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
CVD: Chemical vapor deposition: Lắng đọng hơi hóa học
PVD: Physical vapor deposition: Lắng đọng hơi vật lý
BCC: Body centered cubic: Lập phương tâm khối
FCC: Face centered cubic: Lập phương tâm mặt
Cấu trúc tinh thể A2: Lập phương tâm khối, các nguyên tử ở góc và tâm khối lập

phương giống nhau.
Cấu trúc tinh thể B2: Dạng lập phương tâm khối nhưng các nguyên tử ở góc và tâm
khác nhau.
Cấu trúc tinh thể DO3: Dạng hỗn hợp của 2 cấu trúc A2 và B2 xếp trồng lên nhau.
HVOF: High Velocity Oxygen Fuel: Công nghệ phun nhiên liệu và oxy tốc độ cao
EDS (EDX): Energy-dispersive X-ray spectroscopy: Phổ tán sắc năng lượng tia X

7


DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1. Một số tính chất cơ bản của Nhôm ...........................................................35
Bảng 1.2. Một số tính chất cơ bản của Crôm ............................................................36
Bảng 1.3. Một số tính chất cơ bản của Niken. ..........................................................37
Bảng 1.4. Đặc điểm thấm ướt của Ni, Cr lỏng trên nền ôxyt nhôm .........................39
Bảng 1.5. Nhiệt độ và nồng độ tồn tại của các pha theo giản đồ pha Fe-Al .............42
Bảng 1.6. Cấu trúc tinh thể và độ cứng các pha FemAln ...........................................43
Bảng 2.1. Thành phần hóa học của mẫu trước khi phun phủ....................................50
Bảng 2.2. Thành phần hoá học cơ bản của dây Al và dây hợp kim Ni80Cr20.........51
Bảng 2.3. Các thông số tối ưu quá trình phun phủ....................................................52
Bảng 2.4. Số lượng mẫu ủ ở các khoảng nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt khác nhau 56
Bảng 3.1: Độ cứng lớp phủ đơn của các mẫu trước khi ủ và sau khi ủ 550oC-2h ....67
Bảng 3.2. Độ cứng tế vi của lớp biên giới giữa Al-NiCr và Al-thép đối với mẫu
phun phủ nền C45 và CT3 ủ ở 550oC - 2h ...............................................................68
Bảng 3.3. Độ cứng tế vi của lớp phủ kép trên nền thép C45 sau khi ủ ở 550oC và
giữ nhiệt ở các thời gian khác nhau ..........................................................................72
Bảng 3.4. Độ cứng tế vi của lớp phủ kép trên nền thép CT3 sau khi ủ ở 550oC và
giữ nhiệt ở các thời gian khác nhau ..........................................................................74
Bảng 3.5: Độ cứng tế vi của lớp phủ kép trên nền thép C45 sau khi ủ ở 600oC và

giữ nhiệt ở các thời gian khác nhau ..........................................................................78
Bảng 3.6. Độ cứng tế vi của vùng biên giới giữa Al và NiCr trên lớp phủ kép nền
thép CT3 sau khi ủ ở 600oC và giữ nhiệt ở các thời gian khác nhau. .......................80
Bảng 3.7. Thành phần hóa học tại các điểm quét trên biên giới giữa 2 lớp NiCr-Al
...................................................................................................................................85
Bảng 3.8. Các pha và các góc 2θ của vạch nhiễu xạ tương ứng với nó trên mẫu
phun phủ nền C45 vùng NiCr-Al ..............................................................................90
Bảng 3.9 Các pha và các góc 2θ của vạch nhiễu xạ tương ứng với nó trên mẫu phun
phủ nền C45 vùng NiCr-Al .......................................................................................90

8


Bảng 3.10. Kết quả đo cường độ mòn và hệ số ma sát .............................................94
Bảng 3.11. Kết quả đo độ bám dính lớp phủ cho các mẫu phủ kép nền C45 ...........95

9


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1. Lịch sử phát triển của công nghệ phun phủ ..............................................16
Hình 1.2. Sơ đồ cấu trúc lớp phun ............................................................................18
Hình 1.3. Sơ đồ phun nhiệt khí dùng dây kim loại ...................................................19
Hình 1.4. Thiết bị phun khí cháy...............................................................................20
Hình 1.5. Sơ đồ phun nổ ...........................................................................................20
Hình 1.6. Nguyên lý phun HVOF .............................................................................21
Hình 1.7. Nguyên lý phun phủ hồ quang điện .........................................................22
Hình 1.8. Nguyên lý công nghệ phun plasma ..........................................................23
Hình 1.9. Thiết bị phun plasma hệ kín .....................................................................24

Hình 1.10. Thiết bị phun phủ hồ quang điện ............................................................26
Hình 1.11. Đầu phun hồ quang điện LD/U-2 ............................................................27
Hình 1.12. Hệ thống điều khiển thiết bị phun phủ hồ quang điện ............................27
Hình 1.13. Thiết bị làm sạch EDUC-O-MATIC......................................................28
Hình 1.14. Các thông số của thiết bị ảnh hưởng đến quá trình phun bằng phương
pháp hồ quang điện ...................................................................................................29
Hình 1.15. Cấu trúc lớp phủ ......................................................................................33
Hình 1.16. Mặt cắt ngang của lớp phủ ......................................................................33
Hình 1.17. Giản đồ pha Ni-Cr ...................................................................................38
Hình 1.18. Sự thay đổi góc thấm ướt của hợp kim NiCr lên bề mặt Nhôm, Hafni và
Ytri theo thời gian .....................................................................................................40
Hình 1.19. Giản đồ pha Fe-Al ...................................................................................42
Hình 1.20. Hệ số khuếch tán của các chất trong α-Fe...............................................44
Hình 1.21. Hệ số khuếch tán của các chất trong Al ..................................................44
Hình 1.22. Giản đồ pha 3 nguyên Cr-Ni-Al-mặt cắt đẳng nhiệt ở 700oC. ................46
Hình 1.23. Giản đồ pha Al-Cr ...................................................................................47
Hình 1.24. Giản đồ pha Al-Ni ...................................................................................48
Hình 2.1. Sơ đồ các bước nghiên cứu của luận án. ...................................................49

10


Hình 2.2. Mẫu trước khi phun ...................................................................................50
Hình 2.3. Phun phủ lên mẫu ......................................................................................53
Hình 2.4. Đo chiều dày lớp phủ sau khi phun ...........................................................53
Hình 2.5. Sơ đồ ủ mẫu phun phủ ..............................................................................54
Hình 2.6. Mẫu trước khi được xử lý nhiệt ................................................................55
Hình 2.7. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm ..........................................................................56
Hình 2.8. Kính hiển vi quang học Axiovert 25CA ...................................................57
Hình 2.9. Kính hiển vi quang học AXIOPLAN 2 .....................................................57

Hình 2.10. Máy đo độ cứng tế vi Duramin Struer ....................................................58
Hình 2.11. Máy đo độ cứng tế vi 401 MVD .............................................................58
Hình 2.12. Thiết bị phân tích phổ tán xạ năng lượng được dùng trên kính hiển vi
điện tử quét SEM-GEOL-JAPAN .............................................................................59
Hình 2.13. Máy phân tích thành phần pha D8 Advance ...........................................61
Hình 2.14. Thiết bị đo cường độ mòn và hệ số ma sát .............................................62
Hình 2.15. Thiết bị đo độ bám dính lớp phủ .............................................................63
Hình 3.1. Tổ chức tế vi của mẫu phun phủ nền C45 và CT3 trước khi ủ .................65
Hình 3.2. Tổ chức tế vi của mẫu phun phủ nền C45 và CT3 sau khi ủ 550oC-2h ....65
Hình 3.3. Quy tắc đo độ cứng vùng ranh giới giữa các lớp phủ. .............................67
Hình 3.4. Tổ chức tế vi của mẫu phun phủ nền C45 sau khi ủ 550oC tại các nhiệt độ
khác nhau...................................................................................................................70
Hình 3.5. Tổ chức tế vi của mẫu phun phủ nền CT3 sau khi ủ 550oC tại các nhiệt độ
khác nhau...................................................................................................................71
Hình 3.6. Đồ thị thể hiện độ cứng tế vi vùng NiCr-Al trên lớp phủ kép nền C45 sau
khi ủ 550oC và thời gian giữ nhiệt khác nhau ...........................................................73
Hình 3.7. Đồ thị thể hiện độ cứng tế vi vùng Al-Thép trên lớp phủ kép nền C45 sau
khi ủ 550oC và thời gian giữ nhiệt khác nhau ...........................................................73
Hình 3.8. Đồ thị thể hiện độ cứng tế vi vùng NiCr-Al trên lớp phủ kép nền CT3 sau
khi ủ 550oC và thời gian giữ nhiệt khác nhau ...........................................................74

11


Hình 3.9. Đồ thị thể hiện độ cứng tế vi vùng Al-Thép trên lớp phủ kép nền CT3 sau
khi ủ 550oC và thời gian giữ nhiệt khác nhau ...........................................................75
Hình 3.10. Tổ chức tế vi của mẫu phun phủ nền C45 sau khi ủ 600oC tại các nhiệt
độ khác nhau .............................................................................................................76
Hình 3.11. Tổ chức tế vi của mẫu phun phủ nền CT3 sau khi ủ 600oC tại các nhiệt
độ khác nhau .............................................................................................................77

Hình 3.12. Đồ thị thể hiện độ cứng tế vi vùng NiCr-Al trên lớp phủ kép nền C45 sau
khi ủ 600oC và thời gian giữ nhiệt khác nhau ...........................................................79
Hình 3.13. Đồ thị thể hiện độ cứng tế vi vùng Al-Thép trên lớp phủ kép nền C45
sau khi ủ 600oC và thời gian giữ nhiệt khác nhau.....................................................79
Hình 3.14. Đồ thị thể hiện độ cứng tế vi vùng NiCr-Al trên lớp phủ kép nền CT3
sau khi ủ 600oC và thời gian giữ nhiệt khác nhau.....................................................80
Hình 3.15. Đồ thị thể hiện độ cứng tế vi vùng Al-Thép trên lớp phủ kép nền CT3
sau khi ủ 600oC và thời gian giữ nhiệt khác nhau.....................................................81
Hình 3.16. Tổ chức tế vi của mẫu phun phủ nền C45 sau khi ủ 650oC tại các nhiệt
độ khác nhau .............................................................................................................82
Hình 3.17. Tổ chức tế vi của mẫu phun phủ nền CT3 sau khi ủ 650oC tại các nhiệt
độ khác nhau .............................................................................................................83
Hình 3.18. Vị trí các điểm quét phân tích thành phần trên mẫu phủ kép nền CT3 sau
khi ủ ở 550oC-8h .......................................................................................................85
Hình 3.19. Giản đồ nhiễu xạ tại biên giới NiCr-Al ...................................................88
Hình 3.20. Giản đồ nhiễu xạ tại biên giới Al- thép ...................................................89
Hình 3.21. Bản vẽ chế tạo mẫu thử ma sát, mài mòn ...............................................92
Hình 3.22. Mẫu trước khi ủ(trái) và sau khi thí nghiệm (phải) .................................92
Hình 3.23. Biểu đồ hệ số ma sát của mẫu chưa ủ .....................................................93
Hình 3.24. Biểu đồ hệ số ma sát của mẫu sau ủ 550oC- 10h ....................................93
Hình 3.25 Biểu đồ hệ số ma sát của mẫu sau ủ 600oC – 8h......................................94
Hình 3.26. Mẫu sau khi gắn dolly bằng keo 2 thành phần........................................95

12


LỜI NÓI ĐẦU
Những năm gần đây, cùng 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 kết cấu chi tiết là không thể thiếu, bên cạnh đó, việc phục hồi

các kết cấu, chi tiết máy đã bị sai hỏng hoặc mất chính xác cũng là một biện pháp
tích cực để kéo dài tuổi thọ thiết bị, tiết kiệm chi phí so với chế tạo mới, nâng cao hệ
số sử dụng vật liệu.
Đối với các loại kết cấu thép làm việc trong các môi trường khắc nghiệt như
chịu ăn mòn trong môi trường có hóa chất ở nhiệt độ cao thì yêu cầu được đặt ra là
vừa đảm bảo được khả năng chống ăn mòn, có độ bền nhất định và chịu được nhiệt
độ cao. Một trong những giải pháp đó là tạo ra một lớp bề mặt có khả năng đáp ứng
tốt các điều kiện làm việc theo yêu cầu như: chịu mài mòn, chống ăn mòn, chịu
nhiệt... trên nền của vật liệu cơ sở. 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 và cũng có thể đáp ứng tốt các yêu cầu này khi cần phục hồi chi tiết.
Trong các công nghệ phun phủ được sử dụng thì phương pháp phun phủ bằng
hồ quang 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.
Như chúng ta đã biết, các kim loại Cr, Ni, Al có ưu điểm là có khả năng chịu
nhiệt, chống ăn mòn, chịu mài mòn và có độ bền khá cao trong nhiều môi trường
như nhiệt độ cao, hoá chất, mài mòn và ăn mòn, ngoài ra còn có khả năng bảo vệ
chống ăn mòn điện hóa cho thép. Nhiều nghiên cứu trên thế giới trong thời gian gần
đây về lớp phủ lớp phủ NiCr, lớp phủ kép NiCr và Al (với lớp phủ ngoài cùng là Al)
trên thép, mục đích chủ yếu là chống ăn mòn cho thép trong môi trường nước trung
tính và nóng đem lại hiệu quả rất cao [24]. Tuy nhiên để đáp ứng được các yêu cầu
như chịu mài mòn, chống ăn mòn, chịu nhiệt…việc đưa lớp nhôm vào bên trong
(tiếp giáp với nền thép) và lớp NiCr bên ngoài, kết hợp với xử lý nhiệt để tạo ra
những pha mới nhờ sự khuếch tán giữa các lớp phủ với nhau và lớp phủ với nền, tạo

13


ra những pha mới có thể làm tăng liên kết, đồng thời có một số các tính chất đáp

ứng với yêu cầu mong muốn chưa được nghiên cứu nhiều. Đề tài nghiên cứu được
triển khai nhằm đi sâu nghiên cứu hướng công nghệ trên. Công nghệ xử lý nhiệt sau
khi tạo lớp phủ cũng được đề tài nghiên cứu, phát triển và ứng dụng các chi tiết làm
việc trong các điều kiện chịu đồng thời ăn mòn, mài mòn và nhiệt độ cao.
Xử lý nhiệt sau khi tạo lớp phủ làm giảm độ xốp của lớp phủ, khử bỏ ứng
suất, đồng thời ở những nhiệt độ thích hợp sẽ tạo nên sự khuếch tán của nhôm-nền
thép, giữa nhôm và NiCr. Các pha được tạo thành, tùy theo nhiệt độ và thời gian có
thể là dung dịch rắn hay các pha liên kim, chúng làm tăng sự liên kết giữa các lớp
phủ, tăng cường khả năng bám dính của lớp phủ với nền thép và lớp phủ với lớp
phủ, hơn nữa, các pha tạo thành có thể làm tăng bền, chịu nhiệt...
Từ các kết quả nghiên cứu trước, nhận thấy rằng sự khuếch tán tương hỗ
giữa các lớp phủ xảy ra với tốc độ rất chậm ở nhiệt độ thấp, vì vậy luận án tập trung
“Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ xử lí nhiệt ở miền nhiệt độ trên 500oC đến
cấu trúc, tính chất của hệ phủ kép hợp kim NiCr và nhôm trên nền thép”.
Thông qua quan sát tổ chức tế vi trên kính hiển vi quang học, sự phân bố độ cứng tế
vi ở biên giới giữa các lớp phủ, trong lớp phủ và nền thép, phân tích nhiễu xạ
Rơnghen để biết được bản chất của các pha tạo thành và thử khả năng mài mòn của
lớp phủ. Các kết quả này sẽ cho phép đưa ra những đánh giá về tính chất của lớp
phủ tạo thành do kết quả xử lý nhiệt.

14


CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1. Khái quát chung
Bản chất quá trình phun phủ là tạo ra một luồng kim loại (hoặc hợp kim)
nóng chảy nhờ các nguồn nhiệt khác nhau, dưới áp suất khi phun chuyển động đến
và đập vào lớp kim loại nền. Do ảnh hưởng của các biến đổi lý hoá và tương tác
giữa kim loại (hợp kim) phun phủ, lớp phủ được hình thành và bám chắc vào lớp
nền.

Phun phủ kim loại được sử dụng cho các mục đích chính sau:
+ Phục hồi các bề mặt mòn chủa chi tiết máy
+ Tạo lớp bề mặt có cơ tính cao của các chi tiết chế tạo mới.
+ Sữa chữa các khuyết tật xuất hiện khi gia công cơ khí.
+ Bảo vệ chống gỉ ở môi trường khí quyển và ở các môi trường đặc biệt như:
Nhiệt độ, áp suất cao, hóa chất vv…
+ Thay thế kim loại quý giảm giá thành sản phẩm
+ Công nghiệp trang trí
2. Lịch sử phát triển
Phun phủ kim loại được một kỹ sư người Thụy Sỹ là Max Ulrich
Schoop phát minh ra từ những năm đầu của thế kỷ 20. Lúc đầu, phun phủ kim loại
chỉ dùng cho mục đích trang trí, đến chiến tranh thế giới lần thứ hai, công nghệ này
bắt đầu được sử dụng với quy mô rộng. Công nghệ bề mặt- phun phủ kim loại dần
dần được sử dụng ở hầu khắp các nước châu Âu và càng ngày càng tỏ ra có nhiều
tính ưu việt. Lịch sử phát triển của công nghệ phun phủ được sơ đồ hóa trong hình
1.1.
Ý nghĩa rất quan trọng và quyết định cho việc tạo ra một lớp bề mặt có khả
năng đáp ứng các điều kiện làm việc như: chịu mài mòn, chống ăn mòn, chịu
nhiệt…ngày càng khẳng định vai trò quan trọng của công nghệ bề mặt. Trong các
phương pháp xử lý bề mặt thường sử dụng như: nhiệt luyện, hóa nhiệt luyện, tạo
các lớp phủ lên bề mặt: mạ, nhúng, công nghệ CVD, PVD, phun phủ…thì việc tạo
ra lớp phủ trên diện tích lớn, kinh tế, phun phủ dễ dàng đáp ứng. Do vậy, phun phủ

15


ngày càng được phát triển và mở rộng về quy mô, cải thiện về chất lượng và đã trở
thành một lĩnh vực chuyên môn riêng.

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

Sự phát triển của phun phủ đã mở rộng cho nhiều lĩnh vực khác nhau như
trong lĩnh vực: khí động học, hạt nhân, trong cơ khí để tạo lớp phủ chịu mài mòn,
chống ăn mòn, tạo các lớp phủ trong ngành điện, lớp cách nhiệt... Đặc biệt, trong
những năm qua công nghệ phun phủ plasma đạt được sự tiến bộ vượt bậc nhờ ứng
dụng những thành tựu về đo lường các dòng hạt bằng laser. Phương pháp này có thể
phun các vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao như Vonfram, Molipden, Crôm…
Phương pháp này rất có ý nghĩa trong việc tạo lớp phủ trong ngành kỹ thuật tên lửa,
kỹ thuật điện (phủ vật liệu không dẫn điện) và trong gia công các chi tiết chịu nhiệt
độ cao.
3. Tình hình ứng dụng phun phủ trên thế giới và Việt Nam
Hiện nay, phun phủ đang được phát triển mạnh ở các nước tiên tiến như:
Anh, Pháp, Đức, Mỹ, Nhật, Nga, Thụy Điển… với các dây chuyền công suất cao,
có thể lên tới khoảng một tấn vật liệu phun trong một ngày. Tại các nước có công
nghệ khoa học phát triển đều thành lập các viện, trung tâm hay hiệp hội để nghiên
cứu và ứng dụng công nghệ phun phủ, chẳng hạn: Hiệp hội phun phủ nhiệt Nhật
Bản - JTSS, Hiệp hội phun phủ nhiệt Mỹ - ATSS, viện Công nghệ Bombay (Ấn
Độ), viện Khoa học vật liệu quốc gia Tsukuba, Ibaraki (Nhật Bản)... hàng năm đều

16


có tổ chức các cuộc hội thảo báo cáo quốc tế về phun phủ. Các hiệp hội đều có các
tạp chí riêng và xây dựng tiêu chuẩn cho lĩnh vực này.
Ở Việt nam công nghệ phun phủ kim loại cũng đã được sử dụng và đã đem
lại hiệu quả nhất định. Công nghệ phun phủ hiện nay đang được rất nhiều công ty
quan tâm và đầu tư nghiên cứu. Đặc biệt phải kể đến sự quan tâm nghiên cứu của
các phòng thí nghiệm ở các trường đại học lớn trong cả nước nhằm mục tiêu đưa
công nghệ này vào sản xuất đáp ứng nhu cầu thực tế.
4. Cơ sở lý thuyết công nghệ phun phủ kim loại
Có nhiều ý kiến khác nhau về sự hình thành lớp phủ kim loại, nhưng nổi bật nhất là

các quan điểm sau:
- Lý thuyết của Pospisil – Sehyl
- Lý thuyết của Schoop
- Lý thuyết của Karg, Katsch, Reininger
- Lý thuyết của Schenk
4.1. Cơ chế hình thành lớp phủ kim loại
Động lực để hình thành lớp phủ kim loại là nhiệt lượng và nhiệt động năng
của các hạt kim loại phun. Chất lượng lớp phủ phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó
quan trọng là nguồn năng lượng phun và cả trạng thái làm sạch bề mặt cần phun của
kim loại nền. Các hiện tượng tác động tương hỗ lẫn nhau về cơ - lý - hoá tính khi
hình thành lớp phủ kim loại như sau :
• Quá trình hoạt hoá nhiệt xảy ra trên bề mặt phun phủ:
Quá trình hình thành liên kết giữa các hạt phun với nền, như là một phản ứng
hoá học trên mặt phân cách các pha tham dự vào mối liên kết vật lý do các hạt bị
biến dạng và bị dàn mỏng ra
• Nhiệt độ tiếp xúc tại vùng va đập khi phun:
Một trong những thông số chủ yếu để đánh giá tương tác hoá học của các vật
liệu khi tiếp xúc là nhiệt độ tiếp xúc giữa hạt nóng chảy (lỏng) và nền cứng.

17


• Hiện tượng va đập của các hạt kim loại phun :
Do ảnh hưởng của lực quán tính, hạt hình cầu chuyển động với vận tốc lớn
khi va đập sẽ bị chảy dàn ra trên bề mặt nền.
4.2. Đặc trưng sự hình thành và cấu trúc lớp phủ trên kim loại nền
Lớp phủ là loại vật liệu có cấu trúc lớp được tạo bởi các hạt phun bị biến
dạng mạnh, và gắn kết với nhau trên các vùng hàn bề mặt kiểu tiếp xúc. Trong lớp
phủ có thể phân biệt những vùng cấu tạo phản ánh các quá trình hình thành nên
chúng và được phân cách bởi các biên của vùng. Biên giới phân cách lớp phủ và

kim loại nền, sẽ quyết định độ bám dính, hay cũng chính là độ bền liên kết giữa
chúng.
Các điều kiện hình thành biên liên kết giữa các lớp và giữa các hạt được xác
định bởi khoảng thời gian chúng tồn tại trong khí quyển. Cấu trúc và tính chất của
lớp phủ còn phụ thuộc vào thành phần cỡ hạt bột phun.

Hình 1.2. Sơ đồ cấu trúc lớp phun
4.3. Các phương pháp phun kim loại
Dựa vào nguồn nhiệt lượng làm nóng chảy kim loại phun, các thiết bị phun
hiện tại có thể chia làm hai nhóm chính: nhiệt khí và điện năng.
4.3.1. Phương pháp phun phủ nhiệt khí
Phương pháp phun phủ nhiệt khí có ứng dụng rộng rãi. phương pháp này sử
dụng nhiệt năng ngọn lửa cháy làm nóng chảy các các vật liệu phủ

18


a) Phun khí cháy

Hình 1.3. Sơ đồ phun nhiệt khí dùng dây kim loại
Hỗn hợp khí (khí cháy và oxy) được dẫn qua miệng phun, tại đầu miệng
phun hỗn hợp khí này được đốt cháy tạo nên ngọn lửa khí có nhiệt năng cao. Dây
phun được dịch chuyển bằng cặp con lăn cấp dây, nếu dùng bột phun có thể được
dẫn qua miệng phun hoặc cấp trực tiếp vào ngọn lửa từ đầu miệng phun. Vật liệu
phun qua miệng phun đến gặp ngọn lửa khí, tại đây ngọn lửa có nhiệt độ cao làm
nóng chảy vật liệu. Vật liệu liên tục được cấp với vận tốc phù hợp với quá trình
phun (hình 1.3)
– Ưu điểm: Chi phí trang thiết bị thấp, hệ thống đơn giản.
– Nhược điểm: Năng suất thấp, đặc biệt khi phun phủ dùng vật liệu có nhiệt
độ nóng chảy cao, chất lượng lớp phủ không cao và hệ số hiệu dụng vật liệu thấp

khi dùng các vật liệu bột.
Hình 1,4 là hệ thống thiết bị phun khí cháy.

19


b) Vật liệu bột

a) Vật liệu dây

Hình 1.4. Thiết bị phun khí cháy
b) Phun nổ
Trong buồng cháy một lượng hỗn hợp khí (khí cháy và oxy) sẽ được nạp qua
hệ thống nạp. Nhờ tác động của bộ phận phóng điện (buji), hỗn hợp khí sẽ cháy, kết
quả là xuất hiện sóng nhiệt và sóng nổ. Trong kênh sóng nổ lan truyền gây ra sự
cháy của hỗn hợp khí, đồng thời với sự nổ là việc cấp vật liệu phủ (dạng bột) vào
buồng nổ, tại đây dòng phần tử phun được tạo ra. Việc cung cấp bột có thể theo
chiều trục và cũng có thể theo hướng kính. Sau mỗi chu kỳ nổ, nitơ sẽ được cấp vào
buồng phun để thổi sạch buồng phun. Xung quanh đầu phun có hệ thống tuần hoàn
nước làm mát bảo vệ đầu phun. Quá trình này được lặp đi lặp lại (Hình 1.5).

Hình 1.5. Sơ đồ phun nổ

20


– Ưu điểm: Tạo ra lớp phủ có độ bền cao. Năng suất tương đối cao. Dùng
được nhiều loại bột kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao.
– Nhược điểm: Đọng bụi ở phần dưới của đầu phun, tiếng ồn lớn. Khó dùng
bột kim loại có khối lượng riêng nhỏ.Không phủ được bề mặt lỗ nhỏ. Sản phẩm nổ

(CO2, CO, H2O, H2, O2, H2, H, O, N) dễ phản ứng với vật liệu phủ làm xấu tính chất
của lớp phủ. Dễ gây biến dạng hoặc phá hủy chi tiết, nhất là trường hợp chi tiết
không đủ cứng vững.
c) Phun HVOF (High Velocity Oxygen Fuel)
Một trong những dạng đặc biệt thuộc nhóm này là phương pháp phun HVOF

Hình 1.6. Nguyên lý phun HVOF
Khí cháy (propane, propylene hoặc hydrogen) và oxy với áp suất cao được
cấp vào buồng cháy trong đầu phun. Đầu phun được thiết kế sao cho dòng năng
lượng thoát ra có vận tốc cao nhất (trên 1800m/s). Với vận tốc này cho phép tạo lớp
phủ khi hạt phun không cần đạt đến trạng thái nóng chảy hoàn toàn. Vì vậy, công
nghệ này rất thích hợp khi phun vật liệu cacbit, gốm, kim loại cho chất lượng cao.
Vật liệu phủ (nếu là dạng bột) được cấp vào buồng đốt có thể theo chiều trục và
cũng có thể theo hướng kính (Hình 1.6). Vật liệu phun cũng có thể là dạng dây.
– Ưu điểm: Lớp phủ xít chặt, hầu như không còn lỗ xốp vàđộ bám dính cao.
Ứng suất dư thấp. Tạo được lớp phủ dầy hơn các phương pháp khác.
– Nhược điểm: Dễ gây biến dạng hoặc phá hủy chi tiết.

21


4.3.2. Các phương pháp phun điện
a) Phun bằng hồ quang điện
Nguyên lý: hồ quang được tạo ra bởi 2 dây kim loại (hay hợp kim) dịch
chuyểnbằng cặp con lăn cấp dây qua ống dẫn dây đến tiếp xúc với nhau (hình 1.7).
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 1.7. Nguyên lý phun phủ hồ quang điện
– Ưu điểm: Năng suất phun cao, có thể đạt tới 120kg/h. 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.
b) Phun bằng plasma
– Cơ chế hình thành plasma: Ban đầu một số electron phát ra từ vùng hẹp
nóng chảy trên miệng ống catode. Các electron vừa hình thành được gia tốc trong
điện trường, ion hoá tiếp các phần tử khí tạo thành plasma trải rộng dần trên bề mặt
catod.
– Cơ chế phát triển: Khí plasma chuyển động tới vùng anode (đang có hiện
tượng phóng điện) sẽ xuất hiện hồ quang điện, hồ quang này là hồ quang sơ cấp.

22


Dưới tác dụng của hồ quang điện, một số nguyên tử khí và một số nguyên tử kim
loại bị ion hoá tạo thành plasma.

Hình 1.8. Nguyên lý công nghệ phun plasma
Một số điện tử bị giữ lại ở anode và hỗn hợp plasma tiếp tục chuyển động, vì
bị mất một số electron nên plasma trở nên giàu ion dương và do vậy lớp phủ sẽ trở
thành anode thứ cấp. Hồ quang sinh ra giữa catode thứ cấp và anode thứ cấp gọi là
hồ quang thứ cấp. Nhờ có hồ quang thứ cấp mà ngọn lửa plasma kéo dài ra, có tác
dụng vừa nung nóng bột vừa nung nóng chi tiết do đó quá trình xảy ra nhanh, chất
lượng lớp phủ tốt (hình 1.8).
– Ưu điểm: Năng suất, chất lượng lớp phủ cao. Có thể sử dụng các vật liệu
phủ với thành phần đa dạng và có nhiệt độ nóng chảy khác nhau.
– Nhược điểm: Hệ số hiệu dụng năng lượng thấp. Lớp phủ còn tồn tại độ

xốp. Tiếng ồn lớn.
Các thiết bị dùng trong phương pháp phun phủ plasma được mô tả theo hình
1.9.

23


Hình 1.9. Thiết bị phun plasma hệ kín
4.4. Một số vật liệu phun phủ thông dụng đang được sử dụng trên thế giới
Theo tài liệu của hãng PRAXAIR (Mỹ), các vật liệu phun phủ xử lý bề mặt
kim loại được chia thành 04 nhóm theo lĩnh vực ứng dụng của các chi tiết máy và
phương pháp phun phủ sau đây:
1) Nhóm I: Bột kim loại đơn kim hoặc tổ hợp kim loại nhiều lớp gồm các loại vật
liệu như:
- Bột trên cơ sở nhôm (Al);
- Bột trên cơ sở côban (Co);
- Bột trên cơ sở đồng (Cu);
- Bột trên cơ sở sắt (Fe);
- Bột trên cơ sở molípđen (Mo);
- Bột trên cơ sở niken (Ni).
2) Nhóm II: bột hợp kim dạng MCrAlY gồm hai nhóm vật liệu chính gồm:
- Bột hợp kim trên cơ sở côban (Co);
- Bột hợp kim trên cơ sở côban (Ni).
3) Nhóm III: Bột gốm gồm:
- Bột trên cơ sở ôxyt nhôm;
- Bột trên cơ sở ôxyt crôm;
- Bột trên cơ sở ôxyt zirconi.

24

4) Nhóm IV: Bột cácbít
- Bột trên cơ sở cácbít crôm;
- Bột trên cơ sở cácbít vonfram.
Tuỳ thuộc vào mục đích chế tạo mới hay phục hồi các lớp phủ bề mặt trên
chi tiết máy mà người ta sử dụng các phương pháp phun phủ thích hợp, bao gồm
thiết bị và vật liệu phủ tương ứng.
4.5. Ưu điểm và nhược điểm của công nghệ phun phủ
4.5.1. Ưu điểm
1) Sự đa dạng về vật liệu phun trên lớp nền khác nhau. Ví dụ ta có thể phun
kim loại lên thủy tinh, gốm, vật liệu hữu cơ...
2) Có thể tạo lớp phun trên toàn bộ bề mặt chi tiết hoặc tại một vùng cục bộ,
trong khi bằng các phương pháp khác (nhúng, mạ ...) lại khó có thể đạt được.
3) Thiết bị phun tương đối đơn giản và gọn.
4) Bằng cách lựa chọn thành phần từng lớp phun và tổ hợp các lớp phun có
thể tạo ra vật liệu có những tính năng đặc biệt khác hẳn với các vật liệu truyền
thống.
5) Có thể dùng phương pháp phun để chế tạo chi tiết có hình dáng khác
nhau.
6) Công nghệ phun cho năng suất khá cao và thao tác không phức tạp.
4.5.2. Nhược điểm
1) Khi tạo lớp phun trên bề mặt những chi tiết có kích thước lớn thì quá trình
này kém hiệu quả do tổn hao vật liệu phun và vì thế không kinh tế.
2) Ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng điều kiện làm việc của công nhân.
3) Quá trình phun cũng tạo ra những hợp chất độc trong không khí do sản
phẩm cháy tạo thành, có hại cho sức khoẻ.
5. Phương pháp phun phủ bằng hồ quang điện
Trong thực tế phương pháp phun phủ bằng hồ quang điện được lựa chọn và sử dụng
rộng rãi vì những đặc tính ưu việt của phương pháp như thực hiện trên nhiều chi tiết
có hình dạng và bề mặt khác nhau, dễ dàng điều chỉnh chiều dày lớp phủ theo ý

25