Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng 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

Chia sẻ: Trần Văn Gan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:140

Thêm vào BST

Báo xấu

54
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu: Đưa ra phương pháp tính toán 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

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng 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 công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi. Các số liệu trình bày trong luận án được phản ánh hoàn toàn trung thực. Các kết quả nghiên cứu trong luận án chưa có ai công bố trong bất kỳ công 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 quá trình nghiên cứu để tôi có thể hoàn thành luận án này. Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy, cô giáo Bộ môn Máy và Thiết bị mỏ; Khoa Cơ điện; Phòng 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 công 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 quá trình làm thực nghiệm của luận án. Tôi 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 tôi làm thực nghiệm theo đúng quy trình yêu 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 dòng 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 CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG 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 không khí (Air Plasma Spray) CFD Động lực học dòng tính toán (Computational FluidDynamics) CS Phun lạnh (Cold Spray) D Đường kính ngoài 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 Mô 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) Lực nén tiếp tuyến giữa mặt tiếp xúc của lớp phủ và bề mặt P kim loại nền (KN). QHTN Quy hoạch thực nghiệm
vii Ký hiệu và Ý nghĩa từ viết tắt chữ viết tắt Sai lệch trung bình số học các giá trị tuyệt đối của profile Ra trong khoảng chiều dài chuẩn (µm) Lượng dịch chuyển súng phun sau 1 vòng quay của chi tiết S (mm/vòng) SEM Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope) SVL 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 Tốc độ chuyển động của bề mặt chi tiết khi phun (m/phút) VPS Phun Plama chân không (Spray Plasma Vacuum) γ Độ xốp lớp phủ (%)
viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1: Lịch sử phát triển của công 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 dòng vật liệu phun va đập hình thành lớp phủ ..................... 33 Hình 2.5: Vận tốc dòng khí trong hệ thống HVOF theo áp suất buồng súng. 34 Hình 2.6: Sự hình thành sóng xung kích của dòng phun có áp suất cao hơn áp suất môi 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 đông 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 vòi 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: Mô tả quá trình chuyển động hình thành lớp phủ ......................... 62 Hình 2.23: Hình ảnh tốc độ dòng 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: Nguyên 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 mô tả trình tự xác định độ bám dính lớp phủ ..................... 91 Hình 3.14: Kích thước khuôn 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 hoá 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 công 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, công 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 công 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 mòn trong công 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 công 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 công 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 dòng 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 mòn bằng công 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 toán 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 ngoài 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 Cr3C2- NiCr 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 phôi (n vòng/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 Mức thay đổi Thông số công nghệ 0 1 2 m (gam/phút) 25 35 45 n (vòng/phút) 57 130 170 S (mm/vòng) 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 toán. 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 mô hình thí nghiệm bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để phân tích đánh giá sự ảnh hưởng của 3 thông số công nghệ chính quá 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/vòng 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 toán xây dựng mô hình toán học mô tả quan hệ giữa 3 thông 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 quá 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) 35 130 3 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 công 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 dòng không 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, công 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 công 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]. Công 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 mòn, chống ăn mòn, chịu nhiệt... Công 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 mòn trong môi trường khí quyển, môi trường đất và nước. - Tạo ra lớp dẫn điện trên bề mặt không dẫn điện, dùng cho trang trí cho các công 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 công 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 còn rất mới so với các công nghệ khác nhưng đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là trong cơ khí chế tạo máy, giao thông vận tải, dầu khí, hàng không... và đã trở thành một công nghệ không thể thiếu trong quá trình phục hồi chi tiết bị mài mòn. - Phun nhiệt có thể sử dụng vật liệu có cơ lý hóa tính khác nhau: kim loại, hợp kim, các bít kim loại, ô xít gốm, vật liệu chịu nhiệt, các vật liệu có nhiệt độ nóng chảy khác nhau, nhiệt độ làm việc không 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;