Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Giáo dục - Đào tạo Cao đẳng - Đại học Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ xử lí nhiệt ở miền nhiệt độ trên 500 độ c đến cấ...

Tài liệu Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ xử lí nhiệt ở miền nhiệt độ trên 500 độ c đến cấu trúc, tính chất của hệ phủ kép hợp kim nicr và nhôm trên nền thép

.PDF
101
362
85

Mô tả:

NGUYỄN XUÂN TRƯỜNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- NGUYỄN XUÂN TRƯỜNG KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ XỬ LÝ NHIỆT Ở MIỀN NHIỆT ĐỘ TRÊN 500oC ĐẾN CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT CỦA HỆ PHỦ KÉP HỢP KIM NiCr VÀ NHÔM TRÊN NỀN THÉP KHOÁ 2011B LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Chuyên ngành: Khoa học và kỹ thuật Vật liệu Hà Nội – Năm 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- NGUYỄN XUÂN TRƯỜNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ XỬ LÝ NHIỆT Ở MIỀN NHIỆT ĐỘ TRÊN 500oC ĐẾN CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT CỦA HỆ PHỦ KÉP HỢP KIM NiCr VÀ NHÔM TRÊN NỀN THÉP Chuyên ngành: Khoa học và kỹ thuật Vật liệu NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS TS. PHÙNG THỊ TỐ HẰNG 2. TS. LÊ THU QUÝ Hà Nội – Năm 2013 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân, được hình thành và phát triển từ những quan điểm của cá nhân tôi, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS.Phùng Thị Tố Hằng, đồng hướng dẫn TS. Lê Thu Quý và có tham khảo thêm các tài liệu đáng tin cậy, có nguồn gốc rõ ràng. Các số liệu, kết quả trong luận văn là hoàn toàn chính xác và trung thực. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn này. Tác giả luận văn NGUYỄN XUÂN TRƯỜNG 3 LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn PGS TS. Phùng Thị Tố Hằng, Bộ môn Vật liệu học, xử lý nhiệt và bề mặt – Viện Khoa học và kỹ thuật vật liệu – Trường đại học Bách Khoa Hà Nội và TS Lê Thu Quý- Viện Kỹ thuật Nhiệt đới- Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã trực tiếp hướng dẫn tôi thực hiện và hoàn thành đề tài. Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy giáo, cô giáo trong Bộ môn Vật liệu học, xử lý nhiệt và bề mặt, các thầy cô giáo ở Phòng thí nghiệm kim loại học và Xưởng nhiệt luyện, các bạn sinh viên lớp Vật liệu học, xử lý nhiệt và bề mặt K52 và K54, các kỹ thuật viên của Viện Kỹ thuật Nhiệt đới đã tạo điều kiện giúp tôi hoàn thành đề tài này. Tác giả luận văn 4 MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................3 LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................4 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT....................................................................................7 DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................8 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................................................................10 LỜI NÓI ĐẦU .........................................................................................................13 CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT.......................................................................15 1. Khái quát chung.................................................................................................15 2. Lịch sử phát triển ...............................................................................................15 3. Tình hình ứng dụng phun phủ trên thế giới và Việt Nam .................................16 4. Cơ sở lý thuyết công nghệ phun phủ kim loại..................................................17 4.1. Cơ chế hình thành lớp phủ kim loại ...........................................................17 4.2. Đặc trưng sự hình thành và cấu trúc lớp phủ trên kim loại nền .................18 4.3. Các phương pháp phun kim loại .................................................................18 4.4. Một số vật liệu phun phủ thông dụng đang được sử dụng trên thế giới .....24 4.5. Ưu điểm và nhược điểm của công nghệ phun phủ .....................................25 5. Phương pháp phun phủ bằng hồ quang điện .....................................................25 5.1. Thiết bị dùng để phun phủ ..........................................................................26 5.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình phun phủ bằng hồ quang điện ............29 6. Lớp phủ kép Ni-Cr và Al...................................................................................30 6.1. Sự hình thành và cấu trúc lớp phủ kim loại ................................................30 6.2. Cấu trúc lớp phủ kim loại ...........................................................................32 6.3. Lớp phủ nhôm (Al) .....................................................................................34 6.4. Lớp phủ Ni-Cr ............................................................................................35 6.5. Lớp phủ kép Ni-Cr và Al ............................................................................38 6.6. Xử lý nhiệt lớp phủ kép NiCr-Al ................................................................41 Hình 1.19. Giản đồ pha Fe-Al ...................................................................................42 Bảng 1.5. Nhiệt độ và nồng độ tồn tại của các pha theo giản đồ pha Fe-Al .............42 Bảng 1.6. Cấu trúc tinh thể và độ cứng các pha FemAln ...........................................43 CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM ...49 5 1. Sơ đồ các bước tiến hành nghiên cứu................................................................49 2. Chuẩn bị mẫu và bề mặt trước khi phun phủ ....................................................50 2.1.Vật liệu.........................................................................................................50 2.2 Thiết bị chuẩn bị mẫu. .................................................................................50 2.3. Quy trình .....................................................................................................51 2.4. Phun phủ .....................................................................................................51 2.5. Xử lý nhiệt ..................................................................................................53 3. Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt đến cấu trúc và tính chất của lớp phủ .........................................................................................................................57 3.1. Chụp ảnh tổ chức tế vi của các lớp phủ ......................................................57 3.2. Xác định sự phân bố độ cứng giữa các lớp phủ bằng phương pháp đo độ cứng tế vi ...........................................................................................................58 3.3. Chụp EDS dự đoán các pha sau ủ ...............................................................59 3.4. Phân tích thành phần hóa học và các pha xuất hiện trong các lớp phủ bằng phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (X-ray) ...........................................................60 3.5. Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt đến cường độ mài mòn của lớp phủ ...............................................................................................................61 3.6. Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ xử lý nhiệt đến độ bám dính lớp phủ ..62 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .........................................................64 1. Ảnh hưởng của chế độ ủ đến tổ chức tế vi và tính chất của lớp phủ kép ..........64 1.1. Tổ chức tế vi và độ cứng của mẫu sau phun phủ và sau ủ phân cấp ở 5500C giữ nhiệt 2h. .......................................................................................................65 1.2. Ảnh hưởng của thời gian giữ nhiệt đến tổ chức và tính chất của lớp phủ kép trên thép C45 và CT3 ..................................................................................69 2. Phân tích thành phần hóa học của lớp phủ bằng phương pháp EDS ................84 3. Nghiên cứu các pha liên kim bằng phương pháp nhiễu xạ Rơnghen ................87 4. Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ ủ xử lý nhiệt đến cường độ mài mòn và hệ số ma sát của lớp phủ ............................................................................................91 5. Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ ủ xử lý nhiệt đến độ bám dính của lớp phủ ...............................................................................................................................94 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ....................................................................................97 KẾT LUẬN ...........................................................................................................97 ĐỀ XUẤT ..............................................................................................................98 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................100 6 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT CVD: Chemical vapor deposition: Lắng đọng hơi hóa học PVD: Physical vapor deposition: Lắng đọng hơi vật lý BCC: Body centered cubic: Lập phương tâm khối FCC: Face centered cubic: Lập phương tâm mặt Cấu trúc tinh thể A2: Lập phương tâm khối, các nguyên tử ở góc và tâm khối lập phương giống nhau. Cấu trúc tinh thể B2: Dạng lập phương tâm khối nhưng các nguyên tử ở góc và tâm khác nhau. Cấu trúc tinh thể DO3: Dạng hỗn hợp của 2 cấu trúc A2 và B2 xếp trồng lên nhau. HVOF: High Velocity Oxygen Fuel: Công nghệ phun nhiên liệu và oxy tốc độ cao EDS (EDX): Energy-dispersive X-ray spectroscopy: Phổ tán sắc năng lượng tia X 7 DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1. Một số tính chất cơ bản của Nhôm ...........................................................35 Bảng 1.2. Một số tính chất cơ bản của Crôm ............................................................36 Bảng 1.3. Một số tính chất cơ bản của Niken. ..........................................................37 Bảng 1.4. Đặc điểm thấm ướt của Ni, Cr lỏng trên nền ôxyt nhôm .........................39 Bảng 1.5. Nhiệt độ và nồng độ tồn tại của các pha theo giản đồ pha Fe-Al .............42 Bảng 1.6. Cấu trúc tinh thể và độ cứng các pha FemAln ...........................................43 Bảng 2.1. Thành phần hóa học của mẫu trước khi phun phủ....................................50 Bảng 2.2. Thành phần hoá học cơ bản của dây Al và dây hợp kim Ni80Cr20.........51 Bảng 2.3. Các thông số tối ưu quá trình phun phủ....................................................52 Bảng 2.4. Số lượng mẫu ủ ở các khoảng nhiệt độ và thời gian giữ nhiệt khác nhau 56 Bảng 3.1: Độ cứng lớp phủ đơn của các mẫu trước khi ủ và sau khi ủ 550oC-2h ....67 Bảng 3.2. Độ cứng tế vi của lớp biên giới giữa Al-NiCr và Al-thép đối với mẫu phun phủ nền C45 và CT3 ủ ở 550oC - 2h ...............................................................68 Bảng 3.3. Độ cứng tế vi của lớp phủ kép trên nền thép C45 sau khi ủ ở 550oC và giữ nhiệt ở các thời gian khác nhau ..........................................................................72 Bảng 3.4. Độ cứng tế vi của lớp phủ kép trên nền thép CT3 sau khi ủ ở 550oC và giữ nhiệt ở các thời gian khác nhau ..........................................................................74 Bảng 3.5: Độ cứng tế vi của lớp phủ kép trên nền thép C45 sau khi ủ ở 600oC và giữ nhiệt ở các thời gian khác nhau ..........................................................................78 Bảng 3.6. Độ cứng tế vi của vùng biên giới giữa Al và NiCr trên lớp phủ kép nền thép CT3 sau khi ủ ở 600oC và giữ nhiệt ở các thời gian khác nhau. .......................80 Bảng 3.7. Thành phần hóa học tại các điểm quét trên biên giới giữa 2 lớp NiCr-Al ...................................................................................................................................85 Bảng 3.8. Các pha và các góc 2θ của vạch nhiễu xạ tương ứng với nó trên mẫu phun phủ nền C45 vùng NiCr-Al ..............................................................................90 Bảng 3.9 Các pha và các góc 2θ của vạch nhiễu xạ tương ứng với nó trên mẫu phun phủ nền C45 vùng NiCr-Al .......................................................................................90 8 Bảng 3.10. Kết quả đo cường độ mòn và hệ số ma sát .............................................94 Bảng 3.11. Kết quả đo độ bám dính lớp phủ cho các mẫu phủ kép nền C45 ...........95 9 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1. Lịch sử phát triển của công nghệ phun phủ ..............................................16 Hình 1.2. Sơ đồ cấu trúc lớp phun ............................................................................18 Hình 1.3. Sơ đồ phun nhiệt khí dùng dây kim loại ...................................................19 Hình 1.4. Thiết bị phun khí cháy...............................................................................20 Hình 1.5. Sơ đồ phun nổ ...........................................................................................20 Hình 1.6. Nguyên lý phun HVOF .............................................................................21 Hình 1.7. Nguyên lý phun phủ hồ quang điện .........................................................22 Hình 1.8. Nguyên lý công nghệ phun plasma ..........................................................23 Hình 1.9. Thiết bị phun plasma hệ kín .....................................................................24 Hình 1.10. Thiết bị phun phủ hồ quang điện ............................................................26 Hình 1.11. Đầu phun hồ quang điện LD/U-2 ............................................................27 Hình 1.12. Hệ thống điều khiển thiết bị phun phủ hồ quang điện ............................27 Hình 1.13. Thiết bị làm sạch EDUC-O-MATIC......................................................28 Hình 1.14. Các thông số của thiết bị ảnh hưởng đến quá trình phun bằng phương pháp hồ quang điện ...................................................................................................29 Hình 1.15. Cấu trúc lớp phủ ......................................................................................33 Hình 1.16. Mặt cắt ngang của lớp phủ ......................................................................33 Hình 1.17. Giản đồ pha Ni-Cr ...................................................................................38 Hình 1.18. Sự thay đổi góc thấm ướt của hợp kim NiCr lên bề mặt Nhôm, Hafni và Ytri theo thời gian .....................................................................................................40 Hình 1.19. Giản đồ pha Fe-Al ...................................................................................42 Hình 1.20. Hệ số khuếch tán của các chất trong α-Fe...............................................44 Hình 1.21. Hệ số khuếch tán của các chất trong Al ..................................................44 Hình 1.22. Giản đồ pha 3 nguyên Cr-Ni-Al-mặt cắt đẳng nhiệt ở 700oC. ................46 Hình 1.23. Giản đồ pha Al-Cr ...................................................................................47 Hình 1.24. Giản đồ pha Al-Ni ...................................................................................48 Hình 2.1. Sơ đồ các bước nghiên cứu của luận án. ...................................................49 10 Hình 2.2. Mẫu trước khi phun ...................................................................................50 Hình 2.3. Phun phủ lên mẫu ......................................................................................53 Hình 2.4. Đo chiều dày lớp phủ sau khi phun ...........................................................53 Hình 2.5. Sơ đồ ủ mẫu phun phủ ..............................................................................54 Hình 2.6. Mẫu trước khi được xử lý nhiệt ................................................................55 Hình 2.7. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm ..........................................................................56 Hình 2.8. Kính hiển vi quang học Axiovert 25CA ...................................................57 Hình 2.9. Kính hiển vi quang học AXIOPLAN 2 .....................................................57 Hình 2.10. Máy đo độ cứng tế vi Duramin Struer ....................................................58 Hình 2.11. Máy đo độ cứng tế vi 401 MVD .............................................................58 Hình 2.12. Thiết bị phân tích phổ tán xạ năng lượng được dùng trên kính hiển vi điện tử quét SEM-GEOL-JAPAN .............................................................................59 Hình 2.13. Máy phân tích thành phần pha D8 Advance ...........................................61 Hình 2.14. Thiết bị đo cường độ mòn và hệ số ma sát .............................................62 Hình 2.15. Thiết bị đo độ bám dính lớp phủ .............................................................63 Hình 3.1. Tổ chức tế vi của mẫu phun phủ nền C45 và CT3 trước khi ủ .................65 Hình 3.2. Tổ chức tế vi của mẫu phun phủ nền C45 và CT3 sau khi ủ 550oC-2h ....65 Hình 3.3. Quy tắc đo độ cứng vùng ranh giới giữa các lớp phủ. .............................67 Hình 3.4. Tổ chức tế vi của mẫu phun phủ nền C45 sau khi ủ 550oC tại các nhiệt độ khác nhau...................................................................................................................70 Hình 3.5. Tổ chức tế vi của mẫu phun phủ nền CT3 sau khi ủ 550oC tại các nhiệt độ khác nhau...................................................................................................................71 Hình 3.6. Đồ thị thể hiện độ cứng tế vi vùng NiCr-Al trên lớp phủ kép nền C45 sau khi ủ 550oC và thời gian giữ nhiệt khác nhau ...........................................................73 Hình 3.7. Đồ thị thể hiện độ cứng tế vi vùng Al-Thép trên lớp phủ kép nền C45 sau khi ủ 550oC và thời gian giữ nhiệt khác nhau ...........................................................73 Hình 3.8. Đồ thị thể hiện độ cứng tế vi vùng NiCr-Al trên lớp phủ kép nền CT3 sau khi ủ 550oC và thời gian giữ nhiệt khác nhau ...........................................................74 11 Hình 3.9. Đồ thị thể hiện độ cứng tế vi vùng Al-Thép trên lớp phủ kép nền CT3 sau khi ủ 550oC và thời gian giữ nhiệt khác nhau ...........................................................75 Hình 3.10. Tổ chức tế vi của mẫu phun phủ nền C45 sau khi ủ 600oC tại các nhiệt độ khác nhau .............................................................................................................76 Hình 3.11. Tổ chức tế vi của mẫu phun phủ nền CT3 sau khi ủ 600oC tại các nhiệt độ khác nhau .............................................................................................................77 Hình 3.12. Đồ thị thể hiện độ cứng tế vi vùng NiCr-Al trên lớp phủ kép nền C45 sau khi ủ 600oC và thời gian giữ nhiệt khác nhau ...........................................................79 Hình 3.13. Đồ thị thể hiện độ cứng tế vi vùng Al-Thép trên lớp phủ kép nền C45 sau khi ủ 600oC và thời gian giữ nhiệt khác nhau.....................................................79 Hình 3.14. Đồ thị thể hiện độ cứng tế vi vùng NiCr-Al trên lớp phủ kép nền CT3 sau khi ủ 600oC và thời gian giữ nhiệt khác nhau.....................................................80 Hình 3.15. Đồ thị thể hiện độ cứng tế vi vùng Al-Thép trên lớp phủ kép nền CT3 sau khi ủ 600oC và thời gian giữ nhiệt khác nhau.....................................................81 Hình 3.16. Tổ chức tế vi của mẫu phun phủ nền C45 sau khi ủ 650oC tại các nhiệt độ khác nhau .............................................................................................................82 Hình 3.17. Tổ chức tế vi của mẫu phun phủ nền CT3 sau khi ủ 650oC tại các nhiệt độ khác nhau .............................................................................................................83 Hình 3.18. Vị trí các điểm quét phân tích thành phần trên mẫu phủ kép nền CT3 sau khi ủ ở 550oC-8h .......................................................................................................85 Hình 3.19. Giản đồ nhiễu xạ tại biên giới NiCr-Al ...................................................88 Hình 3.20. Giản đồ nhiễu xạ tại biên giới Al- thép ...................................................89 Hình 3.21. Bản vẽ chế tạo mẫu thử ma sát, mài mòn ...............................................92 Hình 3.22. Mẫu trước khi ủ(trái) và sau khi thí nghiệm (phải) .................................92 Hình 3.23. Biểu đồ hệ số ma sát của mẫu chưa ủ .....................................................93 Hình 3.24. Biểu đồ hệ số ma sát của mẫu sau ủ 550oC- 10h ....................................93 Hình 3.25 Biểu đồ hệ số ma sát của mẫu sau ủ 600oC – 8h......................................94 Hình 3.26. Mẫu sau khi gắn dolly bằng keo 2 thành phần........................................95 12 LỜI NÓI ĐẦU Những năm gần đây, cùng với việc phát triển khoa học công nghệ và các ngành kỹ thuật công nghiệp thì việc đòi hỏi nâng cao chất lượng sản phẩm và kéo dài tuổi thọ của các kết cấu chi tiết là không thể thiếu, bên cạnh đó, việc phục hồi các kết cấu, chi tiết máy đã bị sai hỏng hoặc mất chính xác cũng là một biện pháp tích cực để kéo dài tuổi thọ thiết bị, tiết kiệm chi phí so với chế tạo mới, nâng cao hệ số sử dụng vật liệu. Đối với các loại kết cấu thép làm việc trong các môi trường khắc nghiệt như chịu ăn mòn trong môi trường có hóa chất ở nhiệt độ cao thì yêu cầu được đặt ra là vừa đảm bảo được khả năng chống ăn mòn, có độ bền nhất định và chịu được nhiệt độ cao. Một trong những giải pháp đó là tạo ra một lớp bề mặt có khả năng đáp ứng tốt các điều kiện làm việc theo yêu cầu như: chịu mài mòn, chống ăn mòn, chịu nhiệt... trên nền của vật liệu cơ sở. Công nghệ phun phủ và xử lý nhiệt là một trong những phương pháp có thể đáp ứng được yêu cầu làm việc của chi tiết trong điều kiện nói trên và cũng có thể đáp ứng tốt các yêu cầu này khi cần phục hồi chi tiết. Trong các công nghệ phun phủ được sử dụng thì phương pháp phun phủ bằng hồ quang ngày càng được phát triển mở rộng về quy mô, cải thiện về chất lượng, thể hiện được những tính ưu việt so với các phương pháp xử lý bề mặt khác cả về kỹ thuật và kinh tế. Như chúng ta đã biết, các kim loại Cr, Ni, Al có ưu điểm là có khả năng chịu nhiệt, chống ăn mòn, chịu mài mòn và có độ bền khá cao trong nhiều môi trường như nhiệt độ cao, hoá chất, mài mòn và ăn mòn, ngoài ra còn có khả năng bảo vệ chống ăn mòn điện hóa cho thép. Nhiều nghiên cứu trên thế giới trong thời gian gần đây về lớp phủ lớp phủ NiCr, lớp phủ kép NiCr và Al (với lớp phủ ngoài cùng là Al) trên thép, mục đích chủ yếu là chống ăn mòn cho thép trong môi trường nước trung tính và nóng đem lại hiệu quả rất cao [24]. Tuy nhiên để đáp ứng được các yêu cầu như chịu mài mòn, chống ăn mòn, chịu nhiệt…việc đưa lớp nhôm vào bên trong (tiếp giáp với nền thép) và lớp NiCr bên ngoài, kết hợp với xử lý nhiệt để tạo ra những pha mới nhờ sự khuếch tán giữa các lớp phủ với nhau và lớp phủ với nền, tạo 13 ra những pha mới có thể làm tăng liên kết, đồng thời có một số các tính chất đáp ứng với yêu cầu mong muốn chưa được nghiên cứu nhiều. Đề tài nghiên cứu được triển khai nhằm đi sâu nghiên cứu hướng công nghệ trên. Công nghệ xử lý nhiệt sau khi tạo lớp phủ cũng được đề tài nghiên cứu, phát triển và ứng dụng các chi tiết làm việc trong các điều kiện chịu đồng thời ăn mòn, mài mòn và nhiệt độ cao. Xử lý nhiệt sau khi tạo lớp phủ làm giảm độ xốp của lớp phủ, khử bỏ ứng suất, đồng thời ở những nhiệt độ thích hợp sẽ tạo nên sự khuếch tán của nhôm-nền thép, giữa nhôm và NiCr. Các pha được tạo thành, tùy theo nhiệt độ và thời gian có thể là dung dịch rắn hay các pha liên kim, chúng làm tăng sự liên kết giữa các lớp phủ, tăng cường khả năng bám dính của lớp phủ với nền thép và lớp phủ với lớp phủ, hơn nữa, các pha tạo thành có thể làm tăng bền, chịu nhiệt... Từ các kết quả nghiên cứu trước, nhận thấy rằng sự khuếch tán tương hỗ giữa các lớp phủ xảy ra với tốc độ rất chậm ở nhiệt độ thấp, vì vậy luận án tập trung “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ xử lí nhiệt ở miền nhiệt độ trên 500oC đến cấu trúc, tính chất của hệ phủ kép hợp kim NiCr và nhôm trên nền thép”. Thông qua quan sát tổ chức tế vi trên kính hiển vi quang học, sự phân bố độ cứng tế vi ở biên giới giữa các lớp phủ, trong lớp phủ và nền thép, phân tích nhiễu xạ Rơnghen để biết được bản chất của các pha tạo thành và thử khả năng mài mòn của lớp phủ. Các kết quả này sẽ cho phép đưa ra những đánh giá về tính chất của lớp phủ tạo thành do kết quả xử lý nhiệt. 14 CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1. Khái quát chung Bản chất quá trình phun phủ là tạo ra một luồng kim loại (hoặc hợp kim) nóng chảy nhờ các nguồn nhiệt khác nhau, dưới áp suất khi phun chuyển động đến và đập vào lớp kim loại nền. Do ảnh hưởng của các biến đổi lý hoá và tương tác giữa kim loại (hợp kim) phun phủ, lớp phủ được hình thành và bám chắc vào lớp nền. Phun phủ kim loại được sử dụng cho các mục đích chính sau: + Phục hồi các bề mặt mòn chủa chi tiết máy + Tạo lớp bề mặt có cơ tính cao của các chi tiết chế tạo mới. + Sữa chữa các khuyết tật xuất hiện khi gia công cơ khí. + Bảo vệ chống gỉ ở môi trường khí quyển và ở các môi trường đặc biệt như: Nhiệt độ, áp suất cao, hóa chất vv… + Thay thế kim loại quý giảm giá thành sản phẩm + Công nghiệp trang trí 2. Lịch sử phát triển Phun phủ kim loại được một kỹ sư người Thụy Sỹ là Max Ulrich Schoop phát minh ra từ những năm đầu của thế kỷ 20. Lúc đầu, phun phủ kim loại chỉ dùng cho mục đích trang trí, đến chiến tranh thế giới lần thứ hai, công nghệ này bắt đầu được sử dụng với quy mô rộng. Công nghệ bề mặt- phun phủ kim loại dần dần được sử dụng ở hầu khắp các nước châu Âu và càng ngày càng tỏ ra có nhiều tính ưu việt. Lịch sử phát triển của công nghệ phun phủ được sơ đồ hóa trong hình 1.1. Ý nghĩa rất quan trọng và quyết định cho việc tạo ra một lớp bề mặt có khả năng đáp ứng các điều kiện làm việc như: chịu mài mòn, chống ăn mòn, chịu nhiệt…ngày càng khẳng định vai trò quan trọng của công nghệ bề mặt. Trong các phương pháp xử lý bề mặt thường sử dụng như: nhiệt luyện, hóa nhiệt luyện, tạo các lớp phủ lên bề mặt: mạ, nhúng, công nghệ CVD, PVD, phun phủ…thì việc tạo ra lớp phủ trên diện tích lớn, kinh tế, phun phủ dễ dàng đáp ứng. Do vậy, phun phủ 15 ngày càng được phát triển và mở rộng về quy mô, cải thiện về chất lượng và đã trở thành một lĩnh vực chuyên môn riêng. Hình 1.1. Lịch sử phát triển của công nghệ phun phủ Sự phát triển của phun phủ đã mở rộng cho nhiều lĩnh vực khác nhau như trong lĩnh vực: khí động học, hạt nhân, trong cơ khí để tạo lớp phủ chịu mài mòn, chống ăn mòn, tạo các lớp phủ trong ngành điện, lớp cách nhiệt... Đặc biệt, trong những năm qua công nghệ phun phủ plasma đạt được sự tiến bộ vượt bậc nhờ ứng dụng những thành tựu về đo lường các dòng hạt bằng laser. Phương pháp này có thể phun các vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao như Vonfram, Molipden, Crôm… Phương pháp này rất có ý nghĩa trong việc tạo lớp phủ trong ngành kỹ thuật tên lửa, kỹ thuật điện (phủ vật liệu không dẫn điện) và trong gia công các chi tiết chịu nhiệt độ cao. 3. Tình hình ứng dụng phun phủ trên thế giới và Việt Nam Hiện nay, phun phủ đang được phát triển mạnh ở các nước tiên tiến như: Anh, Pháp, Đức, Mỹ, Nhật, Nga, Thụy Điển… với các dây chuyền công suất cao, có thể lên tới khoảng một tấn vật liệu phun trong một ngày. Tại các nước có công nghệ khoa học phát triển đều thành lập các viện, trung tâm hay hiệp hội để nghiên cứu và ứng dụng công nghệ phun phủ, chẳng hạn: Hiệp hội phun phủ nhiệt Nhật Bản - JTSS, Hiệp hội phun phủ nhiệt Mỹ - ATSS, viện Công nghệ Bombay (Ấn Độ), viện Khoa học vật liệu quốc gia Tsukuba, Ibaraki (Nhật Bản)... hàng năm đều 16 có tổ chức các cuộc hội thảo báo cáo quốc tế về phun phủ. Các hiệp hội đều có các tạp chí riêng và xây dựng tiêu chuẩn cho lĩnh vực này. Ở Việt nam công nghệ phun phủ kim loại cũng đã được sử dụng và đã đem lại hiệu quả nhất định. Công nghệ phun phủ hiện nay đang được rất nhiều công ty quan tâm và đầu tư nghiên cứu. Đặc biệt phải kể đến sự quan tâm nghiên cứu của các phòng thí nghiệm ở các trường đại học lớn trong cả nước nhằm mục tiêu đưa công nghệ này vào sản xuất đáp ứng nhu cầu thực tế. 4. Cơ sở lý thuyết công nghệ phun phủ kim loại Có nhiều ý kiến khác nhau về sự hình thành lớp phủ kim loại, nhưng nổi bật nhất là các quan điểm sau: - Lý thuyết của Pospisil – Sehyl - Lý thuyết của Schoop - Lý thuyết của Karg, Katsch, Reininger - Lý thuyết của Schenk 4.1. Cơ chế hình thành lớp phủ kim loại Động lực để hình thành lớp phủ kim loại là nhiệt lượng và nhiệt động năng của các hạt kim loại phun. Chất lượng lớp phủ phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó quan trọng là nguồn năng lượng phun và cả trạng thái làm sạch bề mặt cần phun của kim loại nền. Các hiện tượng tác động tương hỗ lẫn nhau về cơ - lý - hoá tính khi hình thành lớp phủ kim loại như sau : • Quá trình hoạt hoá nhiệt xảy ra trên bề mặt phun phủ: Quá trình hình thành liên kết giữa các hạt phun với nền, như là một phản ứng hoá học trên mặt phân cách các pha tham dự vào mối liên kết vật lý do các hạt bị biến dạng và bị dàn mỏng ra • Nhiệt độ tiếp xúc tại vùng va đập khi phun: Một trong những thông số chủ yếu để đánh giá tương tác hoá học của các vật liệu khi tiếp xúc là nhiệt độ tiếp xúc giữa hạt nóng chảy (lỏng) và nền cứng. 17 • Hiện tượng va đập của các hạt kim loại phun : Do ảnh hưởng của lực quán tính, hạt hình cầu chuyển động với vận tốc lớn khi va đập sẽ bị chảy dàn ra trên bề mặt nền. 4.2. Đặc trưng sự hình thành và cấu trúc lớp phủ trên kim loại nền Lớp phủ là loại vật liệu có cấu trúc lớp được tạo bởi các hạt phun bị biến dạng mạnh, và gắn kết với nhau trên các vùng hàn bề mặt kiểu tiếp xúc. Trong lớp phủ có thể phân biệt những vùng cấu tạo phản ánh các quá trình hình thành nên chúng và được phân cách bởi các biên của vùng. Biên giới phân cách lớp phủ và kim loại nền, sẽ quyết định độ bám dính, hay cũng chính là độ bền liên kết giữa chúng. Các điều kiện hình thành biên liên kết giữa các lớp và giữa các hạt được xác định bởi khoảng thời gian chúng tồn tại trong khí quyển. Cấu trúc và tính chất của lớp phủ còn phụ thuộc vào thành phần cỡ hạt bột phun. Hình 1.2. Sơ đồ cấu trúc lớp phun 4.3. Các phương pháp phun kim loại Dựa vào nguồn nhiệt lượng làm nóng chảy kim loại phun, các thiết bị phun hiện tại có thể chia làm hai nhóm chính: nhiệt khí và điện năng. 4.3.1. Phương pháp phun phủ nhiệt khí Phương pháp phun phủ nhiệt khí có ứng dụng rộng rãi. phương pháp này sử dụng nhiệt năng ngọn lửa cháy làm nóng chảy các các vật liệu phủ 18 a) Phun khí cháy Hình 1.3. Sơ đồ phun nhiệt khí dùng dây kim loại Hỗn hợp khí (khí cháy và oxy) được dẫn qua miệng phun, tại đầu miệng phun hỗn hợp khí này được đốt cháy tạo nên ngọn lửa khí có nhiệt năng cao. Dây phun được dịch chuyển bằng cặp con lăn cấp dây, nếu dùng bột phun có thể được dẫn qua miệng phun hoặc cấp trực tiếp vào ngọn lửa từ đầu miệng phun. Vật liệu phun qua miệng phun đến gặp ngọn lửa khí, tại đây ngọn lửa có nhiệt độ cao làm nóng chảy vật liệu. Vật liệu liên tục được cấp với vận tốc phù hợp với quá trình phun (hình 1.3) – Ưu điểm: Chi phí trang thiết bị thấp, hệ thống đơn giản. – Nhược điểm: Năng suất thấp, đặc biệt khi phun phủ dùng vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao, chất lượng lớp phủ không cao và hệ số hiệu dụng vật liệu thấp khi dùng các vật liệu bột. Hình 1,4 là hệ thống thiết bị phun khí cháy. 19 b) Vật liệu bột a) Vật liệu dây Hình 1.4. Thiết bị phun khí cháy b) Phun nổ Trong buồng cháy một lượng hỗn hợp khí (khí cháy và oxy) sẽ được nạp qua hệ thống nạp. Nhờ tác động của bộ phận phóng điện (buji), hỗn hợp khí sẽ cháy, kết quả là xuất hiện sóng nhiệt và sóng nổ. Trong kênh sóng nổ lan truyền gây ra sự cháy của hỗn hợp khí, đồng thời với sự nổ là việc cấp vật liệu phủ (dạng bột) vào buồng nổ, tại đây dòng phần tử phun được tạo ra. Việc cung cấp bột có thể theo chiều trục và cũng có thể theo hướng kính. Sau mỗi chu kỳ nổ, nitơ sẽ được cấp vào buồng phun để thổi sạch buồng phun. Xung quanh đầu phun có hệ thống tuần hoàn nước làm mát bảo vệ đầu phun. Quá trình này được lặp đi lặp lại (Hình 1.5). Hình 1.5. Sơ đồ phun nổ 20
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan