Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp phủ ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao

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

LÊ ĐĂNG THẮNG

LÊ ĐĂNG THẮNG

CÔNG NGHỆ HÀN

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ PLASMA TẠO LỚP PHỦ
CERAMIC CÁCH NHIỆT CÁC CHI TIẾT MÁY LÀM VIỆC TRONG
ĐIỀU KIỆN ÁP SUẤT VÀ NHIỆT ĐỘ CAO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT CƠ KHÍ

KHỐ 2015B
Hà Nội – Năm 2017


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

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ PLASMA TẠO LỚP PHỦ CERAMIC
CÁCH NHIỆT CÁC CHI TIẾT MÁY LÀM VIỆC TRONG ĐIỀU KIỆN ÁP SUẤT
VÀ NHIỆT ĐỘ CAO

Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ HÀN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS,TS Nguyễn Thúc Hà

Hà Nội – Năm 2017


"Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm
việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao"

MỤC LỤC
MỤC LỤC ...................................................................................................................1
DANH MỤC CÁC HÌNH ...........................................................................................3
DANH MỤC BẢNG ...................................................................................................5
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................6
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .......................................................................................9
1.1 Công nghệ phủ bảo vệ bề mặt ...........................................................................9
1.2 Cơng nghệ phủn phủ nhiệt ..............................................................................11
1.3 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng cơng nghệ phun phủ plasma tạo lớp phủ
cách nhiệt ở nước ngoài và trong nước .................................................................18
1.4 Kết luận chương 1 ...........................................................................................23
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CƠNG NGHỆ PHUN PHỦ PLASMA
TẠO LỚP LĨT CHO LOA PHỤT ĐỘNG CƠ TÊN LỬA ......................................24
2.1 Điệu kiện làm việc loa phụt động cơ tên lửa đường kính trong185 mm ........24
2.2 Công nghệ phun plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt ......................................26
2.2.1 Cơ chế hình thành lớp phun.....................................................................26
2.2.2 Phun plasma và một số định nghĩa ..........................................................29

2.1.3 Kỹ thuật phun phủ plasma .......................................................................33
2.1.4 Đặc điểm áp dụng trong các biên dạng phun phủ. ..................................34
2.2.2 Lựa chọn vật liệu phủ cách nhiệt .............................................................36
2.3 Đặc tính làm việc của lớp phủ trên các nền kim loại khác nhau ....................43
2.3.1 Các lớp phủ chịu nhiệt trên bề mặt làm việc của loa phụt động cơ tên lửa
..........................................................................................................................43
2.3.2 Đặc điểm của lớp phủ ZrO2 với nền kim loại là Fe, W và Mo................45

1


"Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm
việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao"

2.4 Bài toán lực tác động và bài tốn cách nhiệt ..................................................45
2.4.1 Tính tốn lực tác động của dịng khí tác dụng bề mặt loa phụt ...............45
2.4.2 Tính tốn khả năng cách nhiệt của lớp phủ .............................................47
2.5 Kết luận chương 2 ...........................................................................................51
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ......................................................52
3.1 Tiến trình thực hiện.........................................................................................52
3.2 Phun phủ trên các mẫu thử, đánh giá kết quả thử nghiệm ..............................53
3.2.1 Các tiêu chí lựa chọn chế độ phun phủ....................................................54
3.2.2 Chế độ phun cho các loại bột đã được chọn ............................................55
3.2.3 Quy trình cơng nghệ phun thực nghiệm trên các mẫu thử ......................59
3.2.4 Thực nghiệm trên mẫu thử ......................................................................64
3.2.4 Kết quả đạt được trên mẫu thử ................................................................65
3.3 Quy trình cơng nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt trong loa
phụt động cơ tên lửa..............................................................................................72
3.3.1 Chế độ công nghệ ....................................................................................72
3.3.2 Quy trình cơng nghệ phun phủ plasma tạo lớp bảo vệ ZrO2 trên bề mặt

loa phụt .............................................................................................................73
3.3.3 Thực nghiệm phun phủ lớp bảo vệ nhiệt lên bề mặt loa phụt động cơ tên
lửa .....................................................................................................................77
3.4 Kết luận chương 3 ...........................................................................................78
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................79
A. KẾT LUẬN ......................................................................................................79
B. KIẾN NGHỊ .....................................................................................................79
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................80

2


"Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm
việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao"

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1: Ứng dụng công nghệ phủn phủ nhiệt trong phục hồi chi tiết máy ...... 9
Hình 2: Trường nhiệt độ và chiều dày lớp phủ bề mặt của một số công nghệ
phủ bảo vệ bề mặt hiện nay [6] ....................................................................... 11
Hình 3: Cơng nghệ phun phủ nhiệt ................................................................. 11
Hình 4: Cấu tạo của lớp phủ kim loại ............................................................. 12
Hình 5: Sơ đồ hệ thống hồ quang dây ............................................................. 13
Hình 6: Sơ đồ hệ thống phun bột hồ quang khí cháy...................................... 13
Hình 7: Sơ đồ hệ thống phun dây hồ quang hai dây ....................................... 14
Hình 8: Sơ đồ hệ thống phun plasma .............................................................. 14
Hình 9: Sơ đồ hệ thống phun HVOF .............................................................. 15
Hình 10: Sự so sánh về nguồn nhiệt và động năng hạt của các phương pháp
phun phủ [6] .................................................................................................... 16
Hình 11: Cấu tạo chung của động cơ tên lửa .................................................. 19

Hình 12: Buồng đốt Vympel R27 được phủ lớp ceramic cách nhiệt màu trắng
......................................................................................................................... 20
Hình 13: Loa phụt động cơ phản lực F100 của Mỹ ........................................ 21
Hình 14: Loa phụt động cơ tên lửa dạng ống Lavan [10] ............................... 24
Hình 15: Bản vẽ loa phụt tên lửa đường kính trong Ø 185mm ...................... 25
Hình 16: Đồ thị biểu diễn tốc độ của dịng khí plasma tại mỗi đoạn ống [2] . 33
Hình 17: Đặc điểm áp dụng trên các loại bê mặt chi tiết đối với công nghệ
phun phủ plasma.............................................................................................. 35
Hình 18: Lớp phủ bề mặt ZrO2 và lớp lót Niken [2] ...................................... 44
Hình 19: Chu trình nhiệt động động cơ tên lửa .............................................. 46
Hình 20: Hình biểu diễn trạng thái thay đổi áp suất trong ống Lavan............ 46
3


"Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm
việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao"

Hình 21: Sơ đồ khối quy trình thực hiện......................................................... 53
Hình 22: Chuẩn bị các mẫu thử trước khi phun cát ........................................ 64
Hình 23: Các mẫu thử sau khi phun cát .......................................................... 64
Hình 24: Phun thực nghiệm lên các mẫu thử .................................................. 65
Hình 25: Các mẫu thí nghiệm sau khi hồn thành lớp phủ bảo vệ ................. 65
Hình 26: Mẫu thử độ bám dính bề mặt ........................................................... 66
Hình 27: Ảnh chụp tổ chức tế vi độ phóng đại 1:100 ..................................... 67
Hình 28: Ảnh chụp tổ chức tế vi độ phóng đại 1:200 ..................................... 67
Hình 39: Mẫu thử mài mòn sau khi kết thúc thử nghiệm ............................... 69
Hình 30: Sơ cấp nhiệt cho mẫu thử ................................................................. 70
Hình 31: Quá trình thử nghiệm nhiệt độ ......................................................... 71
Hình 32: Quá trình hạ nhiệt độ mẫu thử nhiệt ................................................ 71
Hình 33: Phun lớp phủ ceramic cách nhiệt trên sản phẩm loa phụt động cơ tên

lửa .................................................................................................................... 77
Hình 34: Loa phụt sau khi được phủ lớp phủ ZrO2 - 8Y2O3........................... 78

4


"Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm
việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao"

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1: Các loại công nghệ phủ bảo vệ bề mặt đang sử dụng hiện nay [6]: ............10
Bảng 2: Bảng so sánh tính chất của các lớp phun [12] .............................................16
Bảng 3: Thời gian hấp thụ nhiệt và thời gian cung cấp nhiệu cho hạt ZrO2 có đường
kính từ 22-45 μm [2] .................................................................................................30
Bảng 4: Các loại bột gốm dựa trên nền cơ sở là ôxít nhôm [12] ..............................36
Bảng 5: Các loại bột gốm dựa trên nền ơxít crơm [12].............................................37
Bảng 6: Các loại bột gốm dựa trên nền cơ sở ơxít ytri [12] ......................................39
Bảng 7: Bột gốm dựa trên nền cơ sở ơxít zirconi [12] ..............................................40
Bảng 8: Những đặc điểm của Ni-164 [2] ..................................................................44
Bảng 9. Đặc tính vật lý bề mặt các loại vật liệu [2] ..................................................45
Bảng 10: Bảng lựa chọn thông số chế độ phun phủ đối với loại súng SG 100 [5] ...57
Bảng 11: Kết quả đo các mẫu thử độ bám dính bề mặt ............................................66
Bảng 12: Kết quả thử nghiệm độ mài mòn ...............................................................68

5


"Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm
việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao"

LỜI CAM ĐOAN
Trong quá trình thực hiện nhiệm vụ luận văn tốt nghiệp, học viên Lê Đăng
Thắng đã nhận được nhiệm vụ nghiên cứu với tiêu đề tiếng Việt: “Nghiên cứu công
nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc trong
điều kiện áp suất và nhiệt độ cao”, tiêu đề tiếng Anh là: “Research of plasma
thermal spraying technology to make the ceramic coating layer used in high
pressure and temperature condition”. Tác giả xin cam đoan kết quả nghiên cứu của
bài luận văn này không vi phạm bản quyền của bất cứ tài liệu nào. Mọi sao chép
đều có những trích dẫn về tài liệu tham khảo kèm theo.
Xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS,TS Nguyễn Thúc Hà – Bộ môn Hàn
và Công nghệ Kim loại – Viện Cơ khí– trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã ln
và định hướng nghiên cứu cho tác giả hoàn để thành bài luận này.

6


Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc
trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao

MỞ ĐẦU
Mỗi chi tiết máy có những yêu cầu kỹ thật khác nhau làm việc trong những điều
kiện khác nhau. Những nguyên nhân chính gây hỏng của các chi tiết máy thường là : độ
bền mỏi (quá trình làm việc lâu của chi tiết trong điều kiện chịu lực cao), ăn mịn hóa
học (do mơi trường làm việc của chi tiết máy mà bề mặt liên tục phải tiếp xúc với các
chất hóa học có khả năng ăn mòn cao), ăn mòn cơ học (gây ra do hiện tượng ma sát tại
các bề mặt tiếp xúc với nhau), nhiệt độ làm việc quá cao gây ra hiện tượng ơ xy hóa bề
mặt chi tết… Để nâng cao độ bền và tuổi thọ của chi tiết và kết cấu, nhiều giải pháp đã
được đưa ra: gia cơng nhiệt để cải thiện các tính chất của vật liệu; sản xuất vật liệu mới
và hợp kim. Trong nhiều trường hợp, bề mặt vật liệu được phủ một lớp bảo vệ chống ăn
mòn, mài mòn và chịu nhiệt.

Một vấn đề được đặt ra kèm theo yêu cầu nâng cao tuổi thọ chi tiết máy là hiệu
suất sử dụng của các loại máy. Hiệu suất nguồn động lực của các động cơ như là động
cơ khí gas, động cơ diesel, và các lị nung có thể được cải thiện bằng việc tăng nhiệt độ
buồng đốt. Để bảo vệ các chi tiết kim loại trong động cơ trong quá trình tăng nhiệt độ
thì cần có một lớp vật liệu cách nhiệt, lớp vật liệu này có thể được chế tạo bằng phương
pháp phun phủ. Lớp phun bảo vệ được ứng dụng để bảo vệ bộ phận với nhiệt độ cao
như là các buồng đốt, các đường dẫn khí thải, van cấp khí, van xả khí, piston … trong
các động cơ. Lớp phun nhiệt bảo vệ thơng thường chứa một lớp lót loại hợp kim
MCrAlY (M thông thường là Fe, Ni, Co hoặc là NiCo) và một lớp ceramic tăng cứng.
Cả hai loại này được sản xuất ở dạng bột phun plasma, HVOF.
Tác dụng lớn của việc cách nhiệt độ giữa buồng đốt và vật liệu vỏ buồng đốt
bằng sử dụng lớp là có thể kéo dài tuổi thọ của các loại vật liệu đắt tiền trong công nghệ
chế tạo máy. Từ khi công nghệ phun phủ lớp ceramic cách nhiệt ra đời nó đã có rất
nhiều ứng dụng thực tiễn. Ứng dụng trong công nhệ chế tạo buồng đốt máy động cơ

7


Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc
trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao

máy bay một ứng dụng trong rất nhiều các ứng dụng của lớp phun phủ ceramic cách
nhiệt.
Ứng dụng thành công công nghệ phun phủ lớp ceramic cách nhiệt lên các động
cơ, tuabin là bảo vệ các piston và các van dẫn. Do vậy mà có thể tăng nhiệt độ buồng
đốt cũng như giảm tải cơ cấu làm mát.
Phạm vi nghiên cứu của luận văn này đi sâu vào nghiên cứu đặc điểm hệ lớp phủ
có khả năng làm việc ở nhiệt độ cao, cách nhiệt tốt, ứng dụng trong loa phụt động cơ tên
lửa đường kính trong 185 mm.

8


Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc
trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Công nghệ phủ bảo vệ bề mặt
Những yêu cầu cần thiết về điều kiện làm việc phụ thuộc vào môi trường làm việc
một cách đa dạng. Trong thực tế, rất nhiều bề mặt chi tiết cần được bảo vệ chống lại sự
mài mòn, ăn mòn, cách nhiệt, và thời tiết. Trong công nghệ chế tạo máy, việc sử dụng
một loại vật liệu để đáp ứng nhiều yêu cầu làm việc là không phổ biến và giá thành cao.
Cần thiết phải kết hợp nhiều loại vật liệu để vừa đảm bảo cơ tính làm việc cũng như cải
thiện khả năng làm việc của bề mặt vật liệu.
Những bộ chi tiết máy công nghiệp, các bộ phận khác ứng dụng trong công nghiệp
ngày nay thường ứng dụng rộng rãi công nghệ phun phủ nhiệt để nâng cao tuổi thọ làm
việc cũng như dễ dàng hơn trong cơng nghệ chế tạo.

Hình 1: Ứng dụng công nghệ phủn phủ nhiệt trong phục hồi chi tiết máy
Hiện nay, có nhiều cơng nghệ phủ bảo vệ bề mặt, vật liệu lựa chọn cũng rất đa
dạng về chủng loại. Đối với mỗi điều kiện làm việc khác nhau cũng như hiệu quả kinh
tế, cần lựa chọn các loại vật liệu phủ cũng như công nghệ phủ phù hợp. Bảng 1 thể hiện
một số công nghệ phủ bề mặt và các loại vật liệu phổ biến chống mài mòn, ăn mòn.

9


Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc
trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao

Bảng 1: Các loại công nghệ phủ bảo vệ bề mặt đang sử dụng hiện nay [6]:
Loại lớp

Chiều dày

Vật liệu

Đặc tính

Ứng dụng

PVD

1 – 5 μm

Ti(C,N)

Chịu mài mòn

Dụng cụ cắt

CVD

1 – 50 μm

SiC

Chịu mài mòn

Lo cuốn sợi

Phủ Polyme

1 – 10 μm

Polymers

Chịu ăn mịn

Trong cơng

hóa học

nghiệp ơ tơ

phủ

Phun phủ
nhiệt

Lớp phủ
0.04 – 3 mm

gốm và

Chịu mài mịn
và ăn mịn

ổ bi…

hợp kim
Tấm crom
cứng
Cơng
nghệ
hàn đắp
Mạ kẽm

10 – 100 μm
0.5 – 5 mm

Chrome

Bảo vệ mài

Thép, hợp

Bảomòn
vệ mài

kim thép

mòn

Zinc

Bảo vệ ăn mòn

1 – 5 μm

Con lăn
Van
Thép tấm

Ứng dụng của mỗi lớp phủ cịn được lựa chọn dựa vào đặc tính nhiệt độ cũng
như chiều dày yêu cầu của lớp phủ.
Công nghệ mạ ion thực hiện ở nhiệt độ thấp, giảm biến dạng, tuy nhiên lớp phủ
lại mỏng.
Công nghệ hàn đắp cho được chiều dày đắp cao tuy nhiên lượng nhiệt cấp vào
lớn.
Hình 2 thể hiện trường nhiệt độ và chiều dày lớp phủ của các loại công nghệ phủ
bề mặt hiện nay.

10


Nhiệt độ bề mặt [°C]

Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc
trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao

Chiều dàu lớp phủ [μm]
Hình 2: Trường nhiệt độ và chiều dày lớp phủ bề mặt của một số công nghệ phủ bảo vệ
bề mặt hiện nay [6]
1.2 Công nghệ phun phủ nhiệt
Công nghệ phun phủ nhiệt được mô tả ngắn gọn qua sơ đồ như hình 3. Trong đó,
việc phân loại công nghệ phun phủ nhiệt phụ thuộc vào năng lượng cấp vào để nung
nóng vật liệu

Hình 3: Cơng nghệ phun phủ nhiệt

11


Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc
trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao

 Vật liệu nền
Vật liệu nền thích hợp trong phun phủ nhiệt là loại vật liệu có khả năng tạo nhám
bề mặt. Thơng thường, vật liệu nền thích hợp trong phun phủ có độ cứng dưới 55 HRC.
Trước khi phun phủ, cần có phương pháp để chuẩn bị bề mặt tạo độ nhám theo yêu cầu
nhất định để đảm bảo độ bám dính bề mặt. Sự bám dính bề mặt của lớp phun và kim
loại nền chủ yếu là lực bám dính cơ học, do đó, việc chuẩn bị bề mặt đảm bảo độ sạch
và độ nhám cần thiết là yêu cầu rất quan trọng.
Quá trình tạo nhám bề mặt hiện nay thường được sử dụng bằng hai phương pháp:
phương pháp hóa học và phương pháp cơ học. Tạo nhám bề mặt có tác dụng dễ dàng
phân tán các hạt phun dạng lỏng được gia tốc ở tốc độ cao và tăng diện tích tiếp xúc của
bề mặt lớp phun.
Dòng hạt phun di chuyển tới bề mặt kim loại nền có hai dạng: dạng hạt lỏng và
dạng chảy dẻo. Quá trình va dập giữa các hạt và bề mặt nền dưới động năng lớn tạo ra
các lớp xếp chặt vào nhau. Nhiệt độ các hạt nóng truyền sang kim loại cơ bản và được
làm mát. Khi nhiệt độ giảm xuống, các hạt nhỏ xếp chặt co lại liên kết với các hạt kim
loại thô. Do đó, độ bám dính lớp phủ chủ yếu là độ bám dính cơ học.
Ơxít

lơ rỗng

kim loại nền

Hạt phun

Hình 4: Cấu tạo của lớp phủ kim loại

12


Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc
trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao

 Các quá trình phun phủ nhiệt thông dụng
-

Phun hồ quang dây

Phương pháp phun hồ quang dây khí cháy được mơ tả ngắn gọn theo hình 5. Trong đó,
ngọn lửa hồ quang là ngọn lửa khí cháy và ơ xy. Vật liệu phun bằng dây đi qua tâm
ngọn lửa hồ quang bị nóng chảy tạo thành chùm hạt phun
dây

Khí cháy

bép
Lớp phủ

Khí cháy
Oxy

Phơi

Khí làm mát

Điện cực

Hình 5: Sơ đồ hệ thống hồ quang dây
-

Phun bột hồ quang khí cháy

Vật liệu phun đầu vào được cấp qua đường cấp bột. Bột phun qua ngọn lửa hồ quang
tạo bị nung chảy tạo ra chùm hạt phun vào bề mặt chi tiết như hình 6:
Đầu cấp bột
Khí cháy

Bép phun
Lớp phủ

Ơ xy

phơi

Hình 6: Sơ đồ hệ thống phun bột hồ quang khí cháy

13


Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc
trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao

-

Phun dây hồ quang hai dây: Hệ thống phun hồ quang hai dây được thực hiện
thông qua hai dây mang hai điện cực trái dấu. Tia lửa điện từ hai điện cực trái
dấu tạo ra ngọn lửa hồ quang đốt chảy dây kim loại. Hạt kim loại lỏng được gia
tốc bởi đường khí cấp vào tạo ra chùm hạt phun phủ như hình 7:
Điện áp

Lớp phủ

Khí mang

Kim loại nền
Con lăn

Dây phun

Hình 7: Sơ đồ hệ thống phun dây hồ quang hai dây
-

Phun phủ plasma: Bột phun được đưa qua ngọn lửa hồ quang plasma được gia
tốc bởi khí mang tạo ra chùm hạt phun plasma. Ngọn lửa hồ quang plasma có
nhiệt độ lên tới khoảng 15000 0C có thể làm nóng chảy các loại vật liệu đi qua nó
Điện cực catot

Đường làm mát

Lớp phủ

Dây phun
Đường cấp bột

Kim loại nền

Hình 8: Sơ đồ hệ thống phun plasma

14


Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc
trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao

-

Phun phủ HVOF: Nhiên liệu và khí cháy đi vào buồng phản ứng cháy, bột phun
được gia tốc bởi dịng khí mang ở tốc độ cao đi qua ngọn lửa khí cháy tạo ra
ngọn lửa với chùm tia kình kim cương. Sơ đồ hệ thống phun HVOF được mơ tả
như hình 9:
Đầu bép
Nhiên liệu

Nhiên liệu

Lớp phủ
Ngọn lửa kim cương

Khí làm mát
Bột và khí mang

Kim loại nền

Hình 9: Sơ đồ hệ thống phun HVOF

 So sánh các phương pháp phun phủ, phạm vi áp dụng
Ứng với mỗi phương pháp phun phủ, năng lượng nhiệt và động năng của các hạt được
thể hiện như hình 10. Trong đó, phương pháp phun phủ plasma thường được áp dụng
cho các loại vật liệu phun phủ khó nóng chảy như bột gốm.

15


Nhiệt năng

Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc
trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao

Động năng
Hình 10: Sự so sánh về nguồn nhiệt và động năng hạt của các phương pháp phun phủ
[6]
Sự so sánh cụ thể đối với các loại vật liệu và tính chất của lớp phủ có thể được xem
xét thơng qua bảng 2 dưới đây.
Bảng 2: Bảng so sánh tính chất của các lớp phun [12]
Đặc điểm

Loại lớp phủ

Phun khí
cháy

Phun
hồ quang
điện

Phun

Phun

plasma

HVOF

Hợp kim Fe
Nhiệt độ khí

Hợp kim màu

(0C)

Gốm

3000

4000

14 – 21

28 - 41

12000
-16000

2600-3000

Cácbit
Độ bám dính

Hợp kim Fe

21 – 34

48 - 62

16


Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc
trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao

(MPa)

Hợp kim màu

7 -34

14 - 48

14 - 48

48 - 62

Gốm

14 -34

-

21 - 41

-

Cácbit

34 - 48

55 - 69

< 83

Hợp kim Fe

0,05 - 2,0

0,1 - 2,5

0, 4 - 2, 5

0,05 - 2,5

Chiều dày

Hợp kim màu

0,05 - 5,0

0,1 - 5,0

0,05 - 5,0

0,05 -2,5

(mm)

Gốm

0,25 - 2,0

-

0,1 - 2,0

-

Cácbit

0,15 - 0,8

-

0,15 - 0,8

0,002-0,200

Hợp kim Fe

35

40

40

45

Hợp kim màu

20

35

50

55

Gốm

40 - 65

-

45 - 65

-

Cácbit

45 - 55

-

50 - 65

55 – 72

Hợp kim Fe

3 - 10

3 - 15

2-5

<2

Hợp kim màu

3 - 10

3 - 15

2-5

<2

Gốm

5 - 15

-

1-2

-

Cácbit

5 – 15

-

2-3

<1

Độ cứng (HRC)

Độ xốp (%)

Dựa vào hình 10 và bảng 2 chúng ta có thể nhận thấy, đối với công nghệ phun phủ
ceramic, lựa chọn công nghệ phun phủ plasma là phương pháp phun phủ tối ưu.
Tùy vào điều kiện làm việc của chi tiết, người ta chọn lựa các loại vật liệu phun
thích hợp để phun lên bề mặt chi tiết. Những loại bột phun được dùng hiện nay là:
- Nhóm I: Bột đơn kim loại, hoặc tổ hợp kim nhiều lớp gồm các vật liệu như:
 Bột trên cơ sở nền nhôm Al;
 Bột trên cơ sở nền Cô ban Co;

 Bột trên cơ sở nền Đồng Cu;

17


Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc
trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao

 Bột trên cơ sở nền Sắt Fe;
 Bột trên nền cơ sở Mơ líp đen Mo;
 Bột trên cơ sở nền Niken Ni.
- Nhóm II: Bột hợp kim dạng MCrAlY gồm hai nhóm vật liệu chính gồm:
 Hợp kim bột trên nền cơ sở Cô ban Co;
 Hợp kim bột trên nền cơ sở Niken Ni.
- Nhóm III: Bột gốm
 Bột dựa trên nền cơ sở là ơ-xít nhơm;
 Bột dựa trên nền cơ sở là ơ-xít Crom;
 Bột dựa trên nền cơ sở là ơ-xit Zirconi.
- Nhóm IV: Bột các bít
 Bột các bít Crom là nền cơ sở;
 Bột các bít Tungsten là nền cơ sở;
Vật liệu dùng cho phun nhiệt khí tạo lớp ceramic cách nhiệt là những loại bột có
thành phần ZrO2 cố định hoặc là thay đổi. Vật liệu ZrO2 là vật liệu có hệ số dẫn nhiệt
thấp dưới 1 W/mK và đúng hơn là đối với lớp phủ bề mặt thì hệ số tỏa nhiệt chỉ khoảng
10 E-6 W/mK [2]. Hệ số dẫn nhiệt của ZrO2 gần như ổn định trong khoảng nhiệt độ làm
việc rộng lớn. Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, đề tài đi sâu vào nghiên cứu lớp
phủ ceramic bằng loại bột này ứng dụng trong công nghệ chế tạo loa phụt động cơ tên
lửa.
1.3 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng cơng nghệ phun phủ plasma tạo lớp phủ cách
nhiệt ở nước ngoài và trong nước

1.3.1 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng cơng nghệ phun phủ plasma tạo lớp phủ
cách nhiệt ở nước ngồi.
Cơng nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt bắt đầu được phát triển
những năm 1970, đang được nghiên cứu ứng dụng rộng rãi trong các chi tiết máy. Lớp

18


Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc
trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao

phủ ceramic cách nhiệt được ứng dụng rộng rãi trong các tuabin khí, động cơ tên lửa,
buồng đốt, van chịu nhiệt cũng như trong công nghệ chế tạo tên lửa trên thế giới. Trong
phạm vi nghiên cứu của đề tài, đề tài đi sâu vào nghiên cứu ứng dụng công nghệ này
trong công nghệ chế tạo loa phụt động cơ tên lửa.
Công nghệ chế tạo tên lửa đã phát triển rất lâu trên thế giới ở nhiều quốc gia như:
Mỹ, Nga, Pháp… Cấu tạo chung của tên lửa gồm: Vỏ tên lửa, buồng chứa nhiên liệu,
bơm áp lực phun nhiên liệu ở áp suất cao, buồng đốt và hệ thống điều khiển.

Hình 11: Cấu tạo chung của động cơ tên lửa
Một bộ phận đóng vai trò quan trọng trong buồng đốt động cơ tên lửa đấy là loa
phụt. Loa phụt của động cơ tên lửa nhiên liệu rắn là một ống tăng tốc liên tục dịng khí
sản phẩm cháy trong buồng đốt để tạo ra lực đẩy. Dịng khí cháy phụt qua loa có nhiệt
độ rất cao (≥ 1750 0C), áp suất cao (khoảng 25 MPa) và vận tốc lớn (khoảng 200250m/s ở của vào của loa phụt) gây ra sự bào mòn bề mặt tiếp xúc với dịng khí của loa
phụt.
Vấn đề khác cần được xem xét đó là sự thay đổi nhiệt độ của luồng khí phụt ra cực
nhanh gây nên hiện tượng giãn nở nhiệt không đều trong khối vật liệu chế tạo loa phụt.
Do đó mà gây nên sự chênh lệch về ứng suất của khối vật liệu chế tạo loa phụt. Sự
chênh lệch này nếu vượt qua một giới hạn cho phép thì loa phụt sẽ bị phá hủy.

19


Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc
trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao

Để giải quyết bài toán này, trên thế giới đã áp dụng nhiều phương pháp để chế tạo
loa phụt. Hai phương pháp phổ biến hiện nay là sử sụng phương pháp đúc thiêu kết hợp
kim chịu nhiệt và chịu mài mòn, phương pháp thứ hai là phủ lớp ceramic cách nhiệt bảo
vệ bề mặt bên trong loa phụt.
Trên thế giới, lớp phủ ceramic cách nhiệt được ứng dụng rộng rãi trong buồng đốt
động cơ phản lực.
Máy bay không đối không Vympel R-27 R27 của Nga được phủ lớp phủ cách
nhiệt màu trắng phía sau buồng đốt động cơ. Vympel R27 được sử dụng từ năm 1983
đến nay.

Hình 12: Buồng đốt Vympel R27 được phủ lớp ceramic cách nhiệt màu trắng
Lớp phủ ceramic cũng được sử dụng trong loa phụt tên lủa đẩy F100 của Mỹ. Hệ
thống tên lửa đẩy tàu vũ trụ cũng sử dụng lớp phủ ceramic cách nhiệt trên các vách ngăn
của các tầng tên lửa với nhau.

20


Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc
trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao

Hình 13: Loa phụt động cơ phản lực F100 của Mỹ
1.3.2 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng công nghệ phun phủ plasma tạo lớp phủ cách
nhiệt ở trong nước.

Công nghệ phun phủ nhiệt ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các ngành
công nghiệp để tăng hiệu suất hoạt động của máy móc, dây chuyền sản xuất, giảm thời
gian ngưng máy, giảm chi phí vận hành và chi phí thay mới linh kiện.
Ứng dụng của cơng nghệ phun phủ plasma:
 Phục hồi kích thước cho gối đỡ
 Bảo vệ cách turbin trong các nhà máy điện, trong các chi tiết động cơ máy bay,
vừa làm lớp cách nhiệt, vừa chống mài mịn, các trục vít máy nghiền, máy bơm
 Phun phủ hợp kim crôm chống mài mòn trên các loại các bơm và guồng bơm
mà dung dịch bơm có lẫn các tinh thể rắn.
 Phun phủ lớp mỏng hợp kim cứng bằng công nghệ plasma để bảo vệ bề mặt và
tăng tuổi thọ khuôn đúc nhựa…
Công nghệ phun phủ kim loại trong những năm gần đây đã được chuyển giao vào
Việt Nam. Phịng thí nghiệm Trọng điểm Công nghệ Hàn và Xử lý bề mặt - Viện

21


Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc
trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao

Nghiên cứu Cơ khí, một cơ sở của quân đội và một số đơn vị dầu khí đã được trang bị
những thiết bị hiện đại nhập từ nước ngồi. Đã có những cơng trình nghiên cứu, ứng
dụng công nghệ phun phủ kim loại áp dụng vào sản suất như: Phun phục hồi cổ trục,
nghiên cứu ứng dụng công nghệ xử lý bề mặt nâng cao chất lượng chi tiết cơ khí bằng
phương pháp phun phủ Plasma, nghiên cứu ứng dụng phun đồng bằng công nghệ
plasma để phục hồi ống xilanh...
Đề tài KC05.10: “Nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ phun phủ nhiệt khí để tạo bề
mặt có độ chịu mài mịn và bám dính cao phục hồi các chi tiết máy có chế độ làm việc
khắc nhiệt” do kỹ sư Uông Sỹ Áp thực hiện tập trung vào nghiên cứu đánh giá chất
lượng lớp phủ bằng các thơng số chịu ăn mịn, chưa đi sâu nghiên cứu khả năng làm

việc ở nhiệt độ cao cũng như khả năng cách nhiệt của lớp phủ gốm đăc biệt là hệ lớp
phủ ZrO2.
Đối với công nghệ chế tạo loa phụt động cơ phản lực, Viện Tên lửa – Viện Khoa
học và Công nghệ Quân sự đã thực Đề tài: “Nghiên cứu công nghệ chế tạo loa phụt
động cơ phản lực nhiện liệu rắn từ bột molybden” . Nhóm tác giả: Trần Ngọc Thanh,
Quản Thanh Bình, Sái Mạnh Thắng, Vũ Tùng Lâm đã đưa ra công nghệ đúc thiêu kết
bột hợp kim molybden. Quá trình thực hiện thử nghiệm bắn tại thiết bị phóng thử tên
lửa đạt kết quả 30 giây. Vấn đề đặt ra là sự truyền nhiệt một cách nhanh chóng của vật
liệu chế tạo loa phụt tạo ra sự phá vỡ liên kết giữa loa phụt và phần vỏ tên lửa. Đối với
loa phụt động cơ tên lửa, không chỉ yêu cầu về khả năng làm việc ở nhiệt độ cao mà còn
yêu cầu tới khả năng cách nhiệt của lớp bảo vệ bề mặt để đảm bảo liên kết giữa loa phụt
và vỏ tên lửa không bị phá hủy.
Do vậy, vấn đề đặt ra nghiên cứu trong đề tài “Nghiên cứu công nghệ phun phủ
plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc trong điều kiện áp suất
và nhiệt độ cao” là đi sâu nghiên cứu đặc tính làm việc ở nhiệt độ cao, đặc tính cách
nhiệt của vật liệu ceramic được chế tạo bằng công nghệ phun phủ plasma.

22


Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc
trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao

1.4 Kết luận chương 1
Với ưu điểm năng lượng nguồn nhiệt cao, lựa chọn công nghệ phun phủ plasma để
chế tạo lớp phủ ceramic là phương pháp tối ưu cho ra chất lượng lớp phủ cao hơn các
phương phap phun phủ khác.
Với đặc tính khả năng cách nhiệt tốt của ZrO2 (khoảng 10 E-6 W/mK), vật liệu
dùng cho phun plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt là những loại bột có thành phần ZrO2
cố định hoặc là thay đổi.

Đối với loa phụt động cơ tên lửa, không chỉ yêu cầu về khả năng làm việc ở nhiệt
độ cao mà còn yêu cầu tới khả năng cách nhiệt của lớp bảo vệ bề mặt để đảm bảo liên
kết giữa loa phụt và vỏ tên lửa không bị phá hủy.
Do vậy, vấn đề đặt ra nghiên cứu trong đề tài này là đi sâu nghiên cứu đặc tính làm
việc ở nhiệt độ cao, đặc tính cách nhiệt của vật liệu ceramic được chế tạo bằng công
nghệ phun phủ plasma.

23