Tóm tắt 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:27

Thêm vào BST

Báo xấu

43
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án gồm phần mở đầu, bốn chương và phần kết luận được trình bày như sau: 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.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt 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 Ngành : Kỹ thuật Cơ khí động lực Mã số : 62 52 01 16 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2017
Công trình được hoàn thành tại: Bộ môn Máy & Thiết bị Công nghiệp - Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tập thể hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS Đinh Văn Chiến 2. PGS.TS Triệu Hùng Trường Phản biện 1: PGS.TS Trần Văn Dũng Trường Đại học bách khoa Hà Nội Phản biện 2: PGS.TS Lê Thu Quý Bộ Công thương Phản biện 3: TS Tạ Ngọc Hải Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường Họp tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất Vào hồi:… giờ…, ngày tháng năm 2017 Có thể tìm hiểu luận án tại: + Thư viện Quốc gia; + Thư viện Trường Đại học Mỏ - Địa chất
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 1. Đinh Văn Chiến, Nguyễn Chí Bảo, Phạm Văn Liệu (2014), “Nghiên cứu độ xốp lớp phủ khi phun bằng phương pháp phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, (số 1+2), tr 28-33. 2. Phạm Văn Liệu, Đinh Văn Chiến, Nguyễn Chí Bảo (2014), “Nghiên cứu quá trình cháy và lưu lượng khí trong công nghệ phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF dùng để phục hồi chi tiết máy bị mòn”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, (số 7), tr 15-19. 3. Nguyễn Chí Bảo, Đinh Văn Chiến (2016) “Nghiên cứu độ bám dính lớp phủ bột cacbua Cr3C2 – NiCr trên nền thép trục thép 40cr bằng phương pháp phun ôxy – nhiên liệu tốc độ cao (HVOF)”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam. (số12 -2016),tr 34-39. 4. Nguyễn Chí Bảo, Đinh Văn Chiến (2016) “Nghiên cứu độ cứng lớp phủ bột cacbua Cr3C2 – NiCr trên nền thép trục thép 40cr bằng phương pháp phun ôxy–nhiên liệu tốc độ cao(HVOF)”, Tạp chí KHCN – ĐHCN Hà nội. (số 37 tháng 12 - 2016),tr 34-37.
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 phun phủ nhiệt khác (Phun hồ quang điện, phun plasma, phun khí cháy, phun nổ,…), phun phủ nhiệt 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 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 HVOF. Tuy nhiên, các nghiên cứu về công nghệ phun nhiệt HVOF chưa nhiều. Thực tế đã có một số đề tài khoa học công nghệ cấp Bộ, Ngành về công nghệ phun nhiệt 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 tiêu nghiên cứu Đưa ra phương pháp tính toán xác định 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 phun nhiệt 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
2 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 cacbua Cr3C2-NiCr trên nền trục thép 40Cr bằng phương pháp phun HVOF như sau: Mức thay đổi Thông số công nghệ 1 2 3 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 phun nhiệt 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 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
3 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, n , 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. 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.
4 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. 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 kim loại phủ có độ dày theo yêu cầu, trong đó các hạt kim loại đè lên nhau theo từng lớp. 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. Đó là 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. - Tạo ra lớp dẫn điện trên bề mặt không dẫn điện. - Phục hồi các chi tiết máy bị mài mòn. - Sửa chữa khuyết tật tiết kiệm các kim loại quý hiếm. Hiện nay công nghệ phun phủ kim loại nói chung và phương pháp phun nhiệt 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... và đã trở thành một công nghệ không thể thiếu trong quá trình phục hồi chi tiết bị mài mòn. trong đó các lớp phủ được hình thành từ sự nóng chảy các vật liệu. 1.2. Giới thiệu về các phương pháp phun phủ nhiệt 1.2.1. Quá trình phun nhiệt và phân loại Hình 1.1: Phân loại các phương pháp phun theo nguồn nhiệt.
5 1.2.2. Các phương pháp phun nhiệt khí Trong phun nhiệt khí người ta sử dụng hai nguồn nhiệt chính đó là nguồn nhiệt sinh ra từ ôxy – khí cháy và nguồn điện. Vật liệu dùng để phun gồm có: dây, thanh và bột. Các phương pháp phun như: phun ngọn lửa, phun hồ quang điện, phun Plasma. Phương pháp được ứng dụng phổ biến là HVOF Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý đầu phun HVOF 1.3. Xu hướng nghiên cứu và những thành tựu đạt đượccủa phương pháp phun phủ HVOF 1.3.1. Trên thế giới Trên thế giới đã có nhiều nước thành lập các Viện, trung tâm, hay hiệp hội để nghiên cứu và ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt. Phương pháp phun HVOF cũng đã có khá nhiều các tác giả nghiên cứu về khả năng hình thành lớp phủ trên một số nền vật liệu và ứng dụng vào các điều kiện làm việc khác nhau. 1.3.2. Ở Việt Nam Ở Việt Nam, công nghệ phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF đang trong giai đoạn nghiên cứu, ứng dụng các thành quả của thế giới. Kết luận chương 1 Từ việc nghiên cứu tổng quan về xu hướng nghiên cứu và những thành tựu trong lĩnh vực phun phủ HVOF trên thế giới và Việt Nam, luận án đã chọn chi tiết thép 40Cr làm thép nền để phủ lớp bột cacbua Cr3C2 - NiCr bằng phương pháp HVOF làm đối tượng nghiện cứu. Với mục đích là xác định ảnh hưởng của lưu lượng cấp bột phun và chuyển động tương đối giữa đầu phun với chi tiết đến chất lượng lớp phủ được phun bằng phương pháp HVOF, giúp cho lựa chọn vùng các thông số công nghệ phun hợp lý khi áp dụng vào thực tế nhằm đảm bảo chất lượng lớp phủ có độ xốp nhỏ nhất, độ bám dính lớn nhất, tạo cơ sở khoa học cho việc hình thành lớp phủ đáp ứng yêu cầu kịp thời trong sản xuất, hạ giá thành sản phẩm hạn chế nhập ngoại phù hợp với điều kiện Việt nam. Về ảnh hưởng của lưu lượng phun và tốc độ chuyển động tương
6 đối giữa đầu phun và chi tiết phun đến chất lượng lớp phủ cho đến nay chưa có tài liệu công trình nào công bố. Chương 2. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA PHƯƠNG PHÁP PHUN NHIỆT KHÍ 2.1. Lý thuyết về sự hình thành lớp phủ Trong quá trình phát triển công nghệ phun phủ nhiệt, nhiều nhà khoa học đã xây dựng các lý thuyết về sự hình thành lớp phủ, trong đó các lý thuyết đóng vai trò quan trọng gồm: - Lý thuyết của Pospisil- Sehyl. - Lý thuyết của Schoop. - Lý thuyết của Karg, Katsch, Reininger. - Lý thuyết của Schenk. Từ các quan điểm trên đã mô tả thành 4 giai đoạn đó là nung nóng và làm nóng chảy vật liệu phun; phân tán hình thành giọt; bay và va đập của các giọt kim loại lỏng tới bề mặt kim loại nền như hình 2.1. Hình 2.1.Các giai đoạn quá trình phun nhiệt. Khi các giọt kim loại lỏng bay đến va đập lên bề mặt nền, chúng sẽ bám và đông đặc, lần lượt từng nhóm hạt, từng lớp và hình thành lớp phủ. 2.2. Quá trình phun phủ HVOF Quá trình phun HVOF là sự kết hợp của nhiệt năng và động năng làm tan chảy và tăng tốc các hạt bột, bay tới bám vào bề mặt kim loại nền tạo thành lớp phủ. Khí cacbon hydro (propan, propylen, acetylen) hoặc hydrô tinh khiết được dùng làm khí nhiên liệu, nhiệt độ khí cháy phụ thuộc vào việc lựa chọn khí và tỷ lệ lưu lượng giữa dòng khí ôxy và dòng khí nhiên liệu. Vật liệu phủ, dưới dạng bột hoặc dây được cung cấp vào dòng khí nóng, bị nung nóng đến trạng thái chảy và phun lên bề mặt nền. Súng phun gồm có ba bộ phận: vùng trộn, vùng đốt và vòi phun. Trong quá trình hoạt động, thân súng phun được làm mát bằng khí nén hoặc bằng nước. Nhiên liệu và ôxy được trộn trong vùng trộn và được dẫn vào vùng đốt; sử dụng ngọn lửa mồi hoặc đầu đánh lửa ngoài để đốt cháy hỗn hợp khí. Trong quá trình đốt cháy, khí giãn nở và tăng tốc trong vòi phun. Bột phun được tăng tốc nhờ vào luồng khí
7 mang hút vào vùng đốt. Khi đi các hạt bột bị hút vào vùng đốt và ra khỏi vòi phun, chúng bị nung nóng và được tăng tốc nhanh hơn. Do các hạt bột bị phun với vận tốc lớn và va đập mạnh, tạo thành lớp phủ có độ xốp thấp và khả năng bám dính cao hơn so với các phương pháp khác. 2.3. Tính chất của lớp phủ HVOF Các lớp phun kim loại và hợp kim bằng phương pháp HVOF không còn giữ nguyên các thành phần hóa học ban đầu của chúng. Dưới đây là các tính chất của lớp phun. Cấu trúc lớp phủ HVOF; thành phần của lớp phủ phun nhiệt; sự lắng đọng của lớp phủ và đông đặc; ứng suất dư; độ cứng; độ xốp; độ bám dính. 2.3.1. Cấu trúc lớp phủ Cấu trúc lớp phủ được hình thành từ những khối nhỏ kim loại phủ, được bồi đắp sát nhau và chồng chất lên nhau. 2.3.2. Thành phần của lớp phủ phun nhiệt Trong quá trình phun nhiệt, thành phần của lớp phủ có thể khác biệt với vật liệu dùng để phun phủ, do phản ứng của các hạt nóng chảy với môi trường khí. 2.3.3. Sự lắng đọng của lớp phủ Ban đầu các hạt được nung nóng chảy và được đẩy ra khỏi đầu phun dưới dạng hình cầu, sau đó ở lần va đập đầu tiên với bề mặt nền tạo ra lớp mỏng trên bề mặt nền, đã có nhiều tác giả nghiên cứu về đặc điểm của hạt phun khi va đập. 2.3.4. Ứng suất dư Quá trình tác động lên bề mặt vật liệu nền, các hạt nóng chảy bị biến dạng thành các lớp mỏng, nhiệt độ của chúng giảm xuống và đông đặc. Nhiệt độ giảm mạnh tạo ra ứng suất dư trong mỗi lớp mỏng. Trong quá trình phun HVOF, quá trình chuyển pha cũng có thể tạo ra ứng suất dư . Có hai cơ chế chính tạo ra ứng suất dư trong lớp phủ là: sự tôi và làm nguội. 2.3.5. Độ cứng Lớp phủ phun nhiệt có cấu trúc không đồng nhất, vật liệu lớp phủ có chứa ôxit và rỗ xốp. Độ cứng phụ thuộc vào nhiều yếu tố trước hết là phương pháp phun và khi phun cùng một phương pháp - các điều kiện phun như: (chế độ công tác của đầu phun, khoảng cách phun, các tính chất vật lý của vật liệu nền, các tính chất của vật liệu phun, tốc độ cấp vật liệu phun, tốc độ di chuyển của đầu phun hay vật liệu nền). Điều
8 này được giải thích bởi những ảnh hưởng của phương pháp phun và điều kiện phun đối với các tính chất của lớp phun như, cấu trúc, số lượng và kích thước rỗ, các tạp chất và các liên quan khác. 2.3.6. Độ xốp Độ xốp là một trong những tính chất quan trọng của lớp phủ phun nhiệt. Trong quá trình phun khi các hạt chưa nóng chảy hết chúng sẽ bị đông đặc và co ngót thể tích tạo thành các rỗ xốp tế vi. Ngoài ra, do các hạt phun sau không điền hết không gian, sinh rỗ xốp. Tùy thuộc vào quá trình phun, phương pháp phun mà lớp phủ có thể nhận được độ xốp khác nhau, thông thường độ xốp lớp phủ đạt giá trị trong khoảng từ 0,1 đến 15%. Độ xốp còn phụ thuộc vào việc lựa chọn tối ưu hóa các thông số phun như: kích thước hạt kim loại phun, tốc độ phun, lưu lượng phun và khoảng cách phun. Do đó, việc nghiên cứu để làm giảm độ xốp đến giá trị thấp nhất đáp ứng nhu cầu sử dụng trong các ngành công nghiệp luôn được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm. 2.3.7. Độ bám dính Độ bám dính cao là một trong những thông số quan trọng nhất, ảnh hưởng đến hiệu suất của nhiệt phun hệ thống phủ ngoài bề mặt trong các ứng dụng thực tế của lớp phủ. Đối với nhiều ứng dụng độ bám dính của lớp phủ là rất quan trọng đối với hiệu suất của phần phủ. Sự bám dính của lớp phủ với vật liệu nền là một trong những yếu tố quan trọng nhất được nhiều nhà khoa học nghiên cứu. Do quá trình làm nguội nhanh, sự khuếch tán qua lại giữa lớp phủ và vật liệu nền chỉ xảy ra ở mức độ hạn chế, do đó sự bám dính chủ yếu mang tính chất vật lý, chứ không mang tính chất luyện kim hay hóa học. 2.4. Cơ sở nhiệt động lực học quá trình phun HVOF 2.4.1. Động lực học dòng khí Động lực học quá trình phun nhiệt khí HVOF là động lực học dòng hai pha khí và hạt (pha khí và pha rắn). Mô hình động lực học dòng hai pha kết hợp giữa pha khí và pha hạt là mô hình phức tạp bao gồm hệ các phương trình vi phân và đạo hàm riêng, nên rất khó để nghiên cứu thực nghiệm, do đó luận án chọn phương pháp phân tích động lực học dòng khí bằng mô phỏng. Kết quả mô phỏng động lực học dòng khí quá trình phun phủ HVOF đã chỉ ra ảnh hưởng của các thông số động học phun tới sự phân bố nhiệt độ và áp suất dòng phun, làm cơ sở để điều chỉnh các tham số công nghệ.
9 2.4.2. Động lực học hạt Mô hình động lực học hạt trong phun HVOF được xây dựng bằng phương pháp Lagrange. Trong mô hình động lực học hạt phun HVOF, ngoại lực tác dụng lên các hạt chính là lực khí động. Các lực lượng khác như trọng lực, chênh lệch áp suất có thể được bỏ qua. Với những giả định, chuyển động hạt dọc theo hướng trục trong các tọa độ Đề cac được mô tả bởi phương trình: dv p dx p mp dt  1 2   CD  g Ap v g  v p v g  v p , dt  vp trong đó, mp, vp, dp, và xp là khối lượng, vận tốc, đường kính, và vị trí của hạt, tương ứng. Ap là diện tích hiệu dụng của các hạt trên mặt phẳng vuông góc với hướng dòng chảy. vg và ρg là tốc độ và mật độ của khí CD là hệ số cản khí động, trong đó hệ số Reynolds riêng (Re) được xác định bởi Re = (dp/vg - vp/ρg)/μg, ở đây μg là độ cản nhớt khí. Kết quả cơ bản từ các mô hình động lực học hạt cho thấy: Các hạt bị ảnh hưởng bởi trường khí với mức độ khác nhau tùy thuộc vào kích thước của chúng. Các hạt nhỏ có thể được đẩy nhanh và làm nóng lên đến vận tốc và nhiệt độ rất cao. Tuy nhiên, vì sự cuốn theo không khí môi trường xung quanh, vận tốc và nhiệt độ khí bị giảm xuống ở tâm dòng. Kết quả là, vận tốc và nhiệt độ của các hạt nhỏ cũng giảm nhanh hơn so với các hạt cỡ lớn hơn. Vận tốc và nhiệt độ hạt khi va chạm với bề mặt phun phụ thuộc rất lớn và kích cỡ hạt và dạng quỹ đạo của hạt. Vận tốc và nhiệt độ lớn nhất đạt được với các hạt có cỡ trung bình. Khi các hạt có cỡ tương tự nhưng với quỹ đạo khác nhau (do sự phân bố vị trí khác nhau) thì tốc độ và nhiệt độ khi va chạm với bề mặt phun cũng khác nhau. 2.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ phun HVOF Trong quá trình phun có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ như: Nhiệt độ bề mặt, tốc độ chuyển động của hạt phun, nhiệt độ của hạt phun, kích thước hạt phun, áp suất khí thổi, áp suất khí oxy, tốc độ quay của chi tiết và lượng dịch chuyển của đầu phun, lưu lượng cấp bột phun, độ nhấp nhô bề mặt, góc độ phun, khoảng cách phun,... Tuy nhiên, chất lượng lớp phủ còn phụ thuộc vào loại vật liệu bột phun và vật liệu nền. Các yêu tố nêu trên có những ảnh hưởng nhất định đến chất lượng lớp phủ. Trong khuôn khổ của luận án tác giả tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến chất lượng lớp phủ
10 như: Tốc độ di chuyển vết phun (Vct) phụ thuộc vào số vòng quay (n)đối với chi tiết dạng trục, tốc độ chuyển động tương đối giữa súng phun với chi tiết (S)và lưu lượng cấp bột phun(m). 2.5.1. Ảnh hưởng của dịch chuyển tương đối giữa đầu phun và chi tiết Để nghiên cứu ảnh hưởng của dịch chuyển tương đối giữa đầu phun và chi tiết, xét các chuyển động hình thành lớp phủ được ô tả chi tiết trên mặt phẳng hình 2.2a. Đối với chi tiết dạng trục thì chuyển động của chi tiết là chuyển động quay tròn so với súng phun (tốc độ dịch chuyển vết phun Vct hay số vòng quay n và ứng với đường kính của chi tiết) hình 2.2b. Hình 2.2: Mô tả quá trình chuyển động hình thành lớp phủ. Đồng thời đầu phun lại chuyển động tịnh tiến theo hướng song song với tâm chi tiết (S) để kết hợp tạo thành đường xoắn trên bề mặt trụ của chi tiết phun làm cho các lớp phủ đan xen và chồng chất lên nhau tạo thành lớp phủ sau mỗi lần phun và cứ nhiều lần phun sẽ tạo được độ dày lớp phủ theo mong muốn như hình 2.2 e-f. 2.5.2. Ảnh hưởng của các tham số động học phun Trên thực tế khi dòng hạt phun tương tác với bề mặt được phủ là sự va đập của các hạt bột dưới tác động của dòng hỗn hợp với tốc độ cao đã đẩy các hạt bắn vào và dính lại trên bề mặt cần phun chính vì vậy
11 nếu mức độ tương tác giữa dòng hạt phun với chi tiết liên quan đến thời gian của dòng hỗn hợp chồng chất lên nhau theo một đơn vị thời gian dài hay ngắn phụ thuộc vào quá trình tạo chuyển động tương quan giữa chi tiết phun với súng phun. Để khảo sát cho lớp phủ được chồng chất lên nhau theo các mức độ thay đổi của từng lần dịch chuyển ta có thể mô phỏng như hình 2.3 với khoảng cách phun là 250 mm thì độ chụm của chùm tia phun cỡ khoảng 12mm nên chọn với tốc độ quay của chi tiết thay đổi từ khoảng n = 57 đến 170 vòng/phút với đường kính chi tiết D = 60, 70, 80 mm tương đương với V = 10.7 m/phút đến 42.7 m/phút với lượng tịnh tiến của súng phun khoảng 1/4, 1/2 và 2/3 chùm tia phun sau mỗi vòng quay của chi tiết là S = 3; 6 ; 9 mm/vòng. Hình 2.3: Hình ảnh tốc độ dòng phun theo từng vị trí. Qua sơ đồ mô phỏng ta thấy mức độ ảnh hưởng của vị trí tương đối giữa súng phun với chi tiết được phủ sẽ tạo cho các lát phủ chồng chất lên nhau có mật độ các hạt phủ khác nhau nếu tiến nhanh thì lượng chồng chất của các hạt thưa hơn tiến chậm theo chiều (S) còn chiều dọc thì chọn tốc độ quay(n hoặc V) khác nhau sẽ có sự dịch chuyển của các lớp thay đổi điều này có ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ. 2.5.3. Ảnh hưởng của vật liệu phun và lưu lượng cấp bột Tính chất bột và đặc tính (hình dạng hạt, cấu trúc và kích thước, mật độ bột và khả năng, độ tinh khiết...) phụ thuộc vào phương pháp sản xuất bột, tức là, nghiền và xay xát, nước và khí phun, sấy phun, tích tụ và thiêu kết. Các nghiên cứu đã chỉ ra ý nghĩa của nguyên liệu khác nhau cho các lớp phủ hình thành, như đặc điểm hạt rất khác nhau trong quá trình phun (ví dụ, nhiệt độ và vận tốc). Khi nào bột từ các vật liệu tương tự, nhưng với hình thái khác nhau của phân bố kích thước khác nhau, có được phun với nhiệt độ tương tự và phạm vi vận tốc, lớp phủ
12 hình thành đã thể hiện đáng kể sự khác biệt trong một vài thuộc tính ví dụ như, mô đun đàn hồi. Ví dụ về bột phun khác nhau hình thái đặc điểm nguyên liệu (dạng hạt, phân bố kích thước, mật độ và hóa học) có ảnh hưởng đến sự hình thành và hiệu quả quá trình thay đổi độ dày mỗi lớp phủ. Kết luận chương 2 Qua nghiên cứu lý thuyết về sự hình thành lớp phủ bằng công nghệ phun nhiệt và động lực học quá trình phun HVOF cho thấy: - Chất lượng lớp phủ hình thành nhờ lớp kim loại nóng chảy từ đầu súng phun được phủ từng lớp lên bề mặt cần phun nên muốn có được lớp phủ có độ xốp nhỏ, độ bám dính và độ cứng cao cần phải nghiên cứu lựa chọn các thông số công nghệ (m,n,s) cho hợp lý. - Từ mô phỏng động lực học quá trình phun cho thấy để đạt được chất lượng lớp phủ tốt thì khoảng cách từ đầu súng phun tới bề mặt cần phun là khoảng 250 mm, kích thước bột phun khoảng từ 0.5 đến 20 µm. - Tốc độ quay của chi tiết n = 57, 130, 170 vòng/phút với đường kính mẫu phun là Ф = 60, 70, 80 mm tương đương vớiVct = 10,7 – 42,7 m/phút với lượng dịch chuyển súng phun là S = 3, 6, 9 mm/vòng. Đó là những cơ sở khoa học cho việc tiến hành lựa chọn vật liệu bột phun, thiết bị phun, thiết bị kiểm tra chất lượng lớp phủ thực nghiệm và đánh giá kết quả thực nghiệm ở các nội dung tiếp theo. Chương 3. VẬT LIỆU,TRANG THIẾT BỊ, PHƯƠNG PHÁP PHUN VÀ XÁC ĐỊNH ĐẶC TÍNH LỚP PHỦ 3.1. Vật liệuphun phủ 3.1.1. Vật liệu nền: Mẫu thực nghiệm là thép 40Cr 3.1.2. Vật liệu bột phun Vật liệu phun là bột bột cacbua Cr3C2 - NiCr được cung cấp bởi Công ty Sulzer Metco (Singapore) Pte. Ltd., như hình 3.1 để làm thí nghiệm. Hình 3.1: Hình ảnh bột phun Cr3C2– NiCr.
13 3.2. Thiết bị thực nghiệm 3.2.1. Thiết bị phục vụ thực nghiệm: Sử dụng máy tiện vạn năng của hãng HAKUSAN - Nhật, để chế tạo đồ gá (trục gá), chế tạo mẫu phun và dùng để gá mẫu trong quá trình phun, làm sạch lớp bề mặt mẫu phun sử dụng máy phun hạt TSA–206 và thiết bị thuộc công ty TNHH dịch vụ kỹ thuật Quang khánh – Vũng Tàu. 3.2.2. Thiết bị phun Hình 3.2. Thiết bị thực nghiệm phun HVOF. Thiết bị phun HVOF gồm ba bộ phận là: bảng điều khiển MP- 2100; súng phun HP-2700M; bộ phận cấp bột phun PF-3350 3.2.3. Thiết bị đánh giá tổ chức và tính chất lớp phủ - Máy đo độ cứng tế vi IndentaMet 1106 (Mỹ); - Kính hiển vi quang học GX51F(Nhật); - Thiết bị máy kéo, nén TUTM (Hàn quốc); - Thiết bị hiển vi điện tử quét trường bức xạ FESEM (Nhật Bản). 3.3. Phương pháp đánh giá chất lượng lớp phủ 3.3.1. Phương pháp xác định độ cứng lớp phủ Độ cứng được đo theo phương pháp Vicker – thang đo HV Hình 3.3. Ảnh chụp máy đo độ Hình 3.4. Ảnh chụpkết quả đo cứng tế vi IndentaMet 1106 độ cứnglớp phủ
14 3.3.2. Phương pháp xác định độ xốp lớp phủ Độ xốp được đo theo phương pháp kim tương học. Hình 3.5. Ảnh chụp kính hiển vi Kính hiển vi quang học GX51F(Nhật) đo độ xốp lớp phủ 3.3.3. Phương pháp xác định độ bám dính lớp phủ Độ bám dính được kiểm tra theo phương tiếp tuyến. Hình 3.6. Ảnh chụp thiết bị Hình 3.7. Đồ thị giá trị lực đo độ bám tiếp tuyến nén khi đo bám dính lớp phủ 3.3.4. Phương pháp chụp ảnh FE-SEM Để khảo sát sự phân bố của tổ chức, cấu trúc tế vi vùng biên giới liên kết giữa lớp phủ bột các bua Cr3C2 - NiCr và nền thép 40Cr, mẫu được chụp với nhiều mức phóng đại khác nhau (1000-30000lần) 3.4. Quy trình phun phủ thử nghiệm Quy trình phun phủ thử nghiệm như trên hình 3.8. 3.5. Tiến hành phun phủ thực nghiệm Việc phun lớp bột các bua Cr3C2 - NiCr và nền thép 40Crbằng phương pháp phun HVOF, được thực hiện tại Công ty Quang khánh- Vũng tàu Quá trình phun tiến hành thay đổi các giá trị của các thông số phun như lưu lượng cấp bột phun m = 25÷45g/ph; tốc độ chuyển động của chi tiết n= 57÷170 vòng/phút; chuyển động của súng phun s = 3 ÷ 9 mm/vòng.
15 Chuẩn bị mẫu trước khi phun (Vật liệu, kích thước và trạng thái bề mặt phun…) Chuẩn bị bề mặt mẫu Chuẩn bị (Làm sạch và tạo nhám) vật liệu phun, thiết bị phun Lựa chọn chế độ công nghệ Gia nhiệt Tiến hành phun Gia công cơ khí sau phun Kiểm tra chất lượng lớp phủ Hình 3.8. Quy trình phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF Kết luận chương 3. Từ kết quả nghiên cứu đã chọn được vật liệu nền là thép 40Cr và bột phủ là Cr3C2 – NiCr - Đã lập được quy trình thử nghiệm và phương pháp quy hoach thực nghiệmvới số thí nghiệm tối thiểu là N = 33 = 27 mẫu. Đã lựa chọn được các thiết bị phục vụ quá trình thực nghiệm như: Máy tiện vạn năng, thiết bị làm sạch bề mặt TSA, thiết bị phun gồm súng phun HP 2700M, bảng điều khiển MP 2100, bộ phận cấp bột phun PF 3350 - Đã lựa chọn các thiết bị đánh giá chất lượng lớp phủ gồm: Kính hiển vi quang học GX51F của Nhật bản, Máy kéo nén TUTM của Hàn quốc, máy đo độ cứng tế vi. Trên cơ sở đó đã tiến hành thực nghiệm đưa ra được kết quả thực nghiệm phun phủ tạo cơ sở khoa học và độ tin cậy cho việc đánh giá kết quả và đưa ra phương pháp đánh giá độ xốp, độ bám dính và độ cứng lớp phủ đáp ứng tiêu chí là độp xốp nhr nhất, độ bám dínhcao nhất với vật liệu phủ và vật liệu nền đã chọn phù hợp với điều kiện của Việt Nam. Chương 4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 4.1. Kết quả các thông số sau khi sử dụng các thiết bị đo Sau khi thí nghiệm và đo kiểm trên các thiết bị chuyên dùng như
16 đã trình bày ở trên ta nhận được kết quả các thông số đo như bảng 4.1. Bảng 4.1: Kết quả đo độ xốp, độ bám dính, độ cứng m n S γ τ TT Mã HV (g/phút) (v/phút) (mm/v) (%) (MPa) 1 000 25 57 3 1,55 41,810 586,40 2 001 25 57 6 2,71 39,268 582,60 3 002 25 57 9 3,22 36,665 560,70 4 010 25 130 3 1,30 44,578 648,00 5 011 25 130 6 2,37 41,541 635,00 6 012 25 130 9 3,06 38,474 645,80 7 020 25 170 3 1,32 44,348 566,00 8 021 25 170 6 2,38 42,045 564,20 9 022 25 170 9 3,10 40,436 503,20 10 100 35 57 3 1,46 42,575 596,10 11 101 35 57 6 2,59 39,891 616,10 12 102 35 57 9 3,17 37,383 562,40 13 110 35 130 3 1,25 45,753 654,70 14 111 35 130 6 2,26 42,715 643,60 15 112 35 130 9 3,01 40,961 657,00 16 120 35 170 3 1,36 43,495 571,50 17 121 35 170 6 2,45 41,719 564,20 18 122 35 170 9 3,13 39,651 512,40 19 200 45 57 3 1,38 43,562 610,00 20 201 45 57 6 2,47 40,616 608,00 21 202 45 57 9 3,11 38,036 564,20 22 210 45 130 3 1,28 45,100 541,60 23 211 45 130 6 2,32 42,201 538,20 24 212 45 130 9 3,08 40,805 553,60 25 220 45 170 3 1,39 42,785 578,90 26 221 45 170 6 2,49 41,343 566,00 27 222 45 170 9 3,19 39,004 533,20 4.2. Xây dựng hàm hồi quy thực nghiệm Sử dụng phương pháp cực tiểu bình phương, với hàm mục tiêu lựa chọn dạng hàm đa thức bậc hai của các biến với hàm 3 biến bậc 2 có dạng: f  a1  a2 x1  a3 x2  a4 x3  a5 x1 x2  a6 x1 x3  a7 x2 x3  a1 x12  a5 x22  a8 x32 (4.1)
17 Các hàm hồi quy được tìm theo luật cực tiểu bình phương sai số: 2 n n   a1  a2 x1  a3 x2  a4 x3  a5 x1 x2  P    zi    x1i , x2i , x3i     zi   2 2  (4.2)   a6 x1 x3  a7 x2 x3  a1 x1  a5 x2  a8 x3  2 2 i 1 i 1  trong đó, zi , x1i , x2i , x3i là các giá trị đã biết; a1 , a2 , a3 , a4 là các biến phải tìm. Khai triển hệ phương trình trên, được hệ phương trình đại số với số biến đúng bằng số hệ số của phương trình hồi quy. Giải hệ phương trình này thu được các hệ số của hàm hồi quy, tự hàm hồi quy được xác định. Trên cơ sở kết quả xác định độ xốp lớp phủ trên các mẫu thí nghiệm, sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm giải bằng phần mềm MATLAB được hàm độ xốp theo các thông số là phương trình (4.3).   1,39  0,032m  0,0158n  0,54S  0,000115.m.n  0,00012.n.S (4.3)  0,00033.m.S  0,00021.m2  0,000045.n2  0,0228.S 2 Hàm ứng suất bám trượt theo các thông số là phương trình (4.4).   32,9  0,36m  0,15n  1, 4S  0,00106.m.n  0,00196.n.S (4.4)  0,00389.m.S  0,00334.m2  0,00049.n2  0,0198.S 2 4.3. Ảnh hưởng của các thông số tới độ xốp lớp phủ Từ phương trình hàm hồi quy thực nghiệm (4.3), vẽ được các đồ thị 2D, 3D phản sự ảnh hưởng của các thông số lưu lượng cấp bột, tốc độ quay chi tiết và tốc độ dịch chuyển súng phun tới độ xốp lớp phủ. 4.3.1. Ảnh hưởng của lưu lượng cấp bột phun tới độ xốp lớp phủ Hình 4.1: Đồ thị 3D mối quan hệ (m) đến độ xốp lớp phủ. Hình 4.2: Đồ thị 2D và mối quan hệ (m) đến độ xốp lớp phủ.