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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------- LÊ ĐĂNG THẮNG LÊ ĐĂNG THẮNG CÔNG NGHỆ HÀN NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ PLASMA TẠO LỚP PHỦ CERAMIC CÁCH NHIỆT CÁC CHI TIẾT MÁY LÀM VIỆC TRONG ĐIỀU KIỆN ÁP SUẤT VÀ NHIỆT ĐỘ CAO LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT CƠ KHÍ KHOÁ 2015B Hà Nội – Năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------LÊ ĐĂNG THẮNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ PLASMA TẠO LỚP PHỦ CERAMIC CÁCH NHIỆT CÁC CHI TIẾT MÁY LÀM VIỆC TRONG ĐIỀU KIỆN ÁP SUẤT VÀ NHIỆT ĐỘ CAO Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ HÀN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS,TS Nguyễn Thúc Hà Hà Nội – Năm 2017 "Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao" MỤC LỤC MỤC LỤC ...................................................................................................................1 DANH MỤC CÁC HÌNH ...........................................................................................3 DANH MỤC BẢNG ...................................................................................................5 LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................6 MỞ ĐẦU .....................................................................................................................7 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .......................................................................................9 1.1 Công nghệ phủ bảo vệ bề mặt ...........................................................................9 1.2 Công nghệ phủn phủ nhiệt ..............................................................................11 1.3 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng công nghệ phun phủ plasma tạo lớp phủ cách nhiệt ở nước ngoài và trong nước .................................................................18 1.4 Kết luận chương 1 ...........................................................................................23 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ PLASMA TẠO LỚP LÓT CHO LOA PHỤT ĐỘNG CƠ TÊN LỬA ......................................24 2.1 Điệu kiện làm việc loa phụt động cơ tên lửa đường kính trong185 mm ........24 2.2 Công nghệ phun plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt ......................................26 2.2.1 Cơ chế hình thành lớp phun.....................................................................26 2.2.2 Phun plasma và một số định nghĩa ..........................................................29 2.1.3 Kỹ thuật phun phủ plasma .......................................................................33 2.1.4 Đặc điểm áp dụng trong các biên dạng phun phủ. ..................................34 2.2.2 Lựa chọn vật liệu phủ cách nhiệt .............................................................36 2.3 Đặc tính làm việc của lớp phủ trên các nền kim loại khác nhau ....................43 2.3.1 Các lớp phủ chịu nhiệt trên bề mặt làm việc của loa phụt động cơ tên lửa ..........................................................................................................................43 2.3.2 Đặc điểm của lớp phủ ZrO2 với nền kim loại là Fe, W và Mo................45 1 "Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao" 2.4 Bài toán lực tác động và bài toán cách nhiệt ..................................................45 2.4.1 Tính toán lực tác động của dòng khí tác dụng bề mặt loa phụt ...............45 2.4.2 Tính toán khả năng cách nhiệt của lớp phủ .............................................47 2.5 Kết luận chương 2 ...........................................................................................51 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ......................................................52 3.1 Tiến trình thực hiện.........................................................................................52 3.2 Phun phủ trên các mẫu thử, đánh giá kết quả thử nghiệm ..............................53 3.2.1 Các tiêu chí lựa chọn chế độ phun phủ....................................................54 3.2.2 Chế độ phun cho các loại bột đã được chọn ............................................55 3.2.3 Quy trình công nghệ phun thực nghiệm trên các mẫu thử ......................59 3.2.4 Thực nghiệm trên mẫu thử ......................................................................64 3.2.4 Kết quả đạt được trên mẫu thử ................................................................65 3.3 Quy trình công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt trong loa phụt động cơ tên lửa..............................................................................................72 3.3.1 Chế độ công nghệ ....................................................................................72 3.3.2 Quy trình công nghệ phun phủ plasma tạo lớp bảo vệ ZrO2 trên bề mặt loa phụt .............................................................................................................73 3.3.3 Thực nghiệm phun phủ lớp bảo vệ nhiệt lên bề mặt loa phụt động cơ tên lửa .....................................................................................................................77 3.4 Kết luận chương 3 ...........................................................................................78 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................79 A. KẾT LUẬN ......................................................................................................79 B. KIẾN NGHỊ .....................................................................................................79 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................80 2 "Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao" DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1: Ứng dụng công nghệ phủn phủ nhiệt trong phục hồi chi tiết máy ...... 9 Hình 2: Trường nhiệt độ và chiều dày lớp phủ bề mặt của một số công nghệ phủ bảo vệ bề mặt hiện nay [6] ....................................................................... 11 Hình 3: Công nghệ phun phủ nhiệt ................................................................. 11 Hình 4: Cấu tạo của lớp phủ kim loại ............................................................. 12 Hình 5: Sơ đồ hệ thống hồ quang dây ............................................................. 13 Hình 6: Sơ đồ hệ thống phun bột hồ quang khí cháy...................................... 13 Hình 7: Sơ đồ hệ thống phun dây hồ quang hai dây ....................................... 14 Hình 8: Sơ đồ hệ thống phun plasma .............................................................. 14 Hình 9: Sơ đồ hệ thống phun HVOF .............................................................. 15 Hình 10: Sự so sánh về nguồn nhiệt và động năng hạt của các phương pháp phun phủ [6] .................................................................................................... 16 Hình 11: Cấu tạo chung của động cơ tên lửa .................................................. 19 Hình 12: Buồng đốt Vympel R27 được phủ lớp ceramic cách nhiệt màu trắng ......................................................................................................................... 20 Hình 13: Loa phụt động cơ phản lực F100 của Mỹ ........................................ 21 Hình 14: Loa phụt động cơ tên lửa dạng ống Lavan [10] ............................... 24 Hình 15: Bản vẽ loa phụt tên lửa đường kính trong Ø 185mm ...................... 25 Hình 16: Đồ thị biểu diễn tốc độ của dòng khí plasma tại mỗi đoạn ống [2] . 33 Hình 17: Đặc điểm áp dụng trên các loại bê mặt chi tiết đối với công nghệ phun phủ plasma.............................................................................................. 35 Hình 18: Lớp phủ bề mặt ZrO2 và lớp lót Niken [2] ...................................... 44 Hình 19: Chu trình nhiệt động động cơ tên lửa .............................................. 46 Hình 20: Hình biểu diễn trạng thái thay đổi áp suất trong ống Lavan............ 46 3 "Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao" Hình 21: Sơ đồ khối quy trình thực hiện......................................................... 53 Hình 22: Chuẩn bị các mẫu thử trước khi phun cát ........................................ 64 Hình 23: Các mẫu thử sau khi phun cát .......................................................... 64 Hình 24: Phun thực nghiệm lên các mẫu thử .................................................. 65 Hình 25: Các mẫu thí nghiệm sau khi hoàn thành lớp phủ bảo vệ ................. 65 Hình 26: Mẫu thử độ bám dính bề mặt ........................................................... 66 Hình 27: Ảnh chụp tổ chức tế vi độ phóng đại 1:100 ..................................... 67 Hình 28: Ảnh chụp tổ chức tế vi độ phóng đại 1:200 ..................................... 67 Hình 39: Mẫu thử mài mòn sau khi kết thúc thử nghiệm ............................... 69 Hình 30: Sơ cấp nhiệt cho mẫu thử ................................................................. 70 Hình 31: Quá trình thử nghiệm nhiệt độ ......................................................... 71 Hình 32: Quá trình hạ nhiệt độ mẫu thử nhiệt ................................................ 71 Hình 33: Phun lớp phủ ceramic cách nhiệt trên sản phẩm loa phụt động cơ tên lửa .................................................................................................................... 77 Hình 34: Loa phụt sau khi được phủ lớp phủ ZrO2 - 8Y2O3........................... 78 4 "Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao" DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Các loại công nghệ phủ bảo vệ bề mặt đang sử dụng hiện nay [6]: ............10 Bảng 2: Bảng so sánh tính chất của các lớp phun [12] .............................................16 Bảng 3: Thời gian hấp thụ nhiệt và thời gian cung cấp nhiệu cho hạt ZrO2 có đường kính từ 22-45 μm [2] .................................................................................................30 Bảng 4: Các loại bột gốm dựa trên nền cơ sở là ôxít nhôm [12] ..............................36 Bảng 5: Các loại bột gốm dựa trên nền ôxít crôm [12].............................................37 Bảng 6: Các loại bột gốm dựa trên nền cơ sở ôxít ytri [12] ......................................39 Bảng 7: Bột gốm dựa trên nền cơ sở ôxít zirconi [12] ..............................................40 Bảng 8: Những đặc điểm của Ni-164 [2] ..................................................................44 Bảng 9. Đặc tính vật lý bề mặt các loại vật liệu [2] ..................................................45 Bảng 10: Bảng lựa chọn thông số chế độ phun phủ đối với loại súng SG 100 [5] ...57 Bảng 11: Kết quả đo các mẫu thử độ bám dính bề mặt ............................................66 Bảng 12: Kết quả thử nghiệm độ mài mòn ...............................................................68 5 "Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao" LỜI CAM ĐOAN Trong quá trình thực hiện nhiệm vụ luận văn tốt nghiệp, học viên Lê Đăng Thắng đã nhận được nhiệm vụ nghiên cứu với tiêu đề tiếng Việt: “Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao”, tiêu đề tiếng Anh là: “Research of plasma thermal spraying technology to make the ceramic coating layer used in high pressure and temperature condition”. Tác giả xin cam đoan kết quả nghiên cứu của bài luận văn này không vi phạm bản quyền của bất cứ tài liệu nào. Mọi sao chép đều có những trích dẫn về tài liệu tham khảo kèm theo. Xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS,TS Nguyễn Thúc Hà – Bộ môn Hàn và Công nghệ Kim loại – Viện Cơ khí– trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã luôn và định hướng nghiên cứu cho tác giả hoàn để thành bài luận này. 6 Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao MỞ ĐẦU Mỗi chi tiết máy có những yêu cầu kỹ thật khác nhau làm việc trong những điều kiện khác nhau. Những nguyên nhân chính gây hỏng của các chi tiết máy thường là : độ bền mỏi (quá trình làm việc lâu của chi tiết trong điều kiện chịu lực cao), ăn mòn hóa học (do môi trường làm việc của chi tiết máy mà bề mặt liên tục phải tiếp xúc với các chất hóa học có khả năng ăn mòn cao), ăn mòn cơ học (gây ra do hiện tượng ma sát tại các bề mặt tiếp xúc với nhau), nhiệt độ làm việc quá cao gây ra hiện tượng ô xy hóa bề mặt chi tết… Để nâng cao độ bền và tuổi thọ của chi tiết và kết cấu, nhiều giải pháp đã được đưa ra: gia công nhiệt để cải thiện các tính chất của vật liệu; sản xuất vật liệu mới và hợp kim. Trong nhiều trường hợp, bề mặt vật liệu được phủ một lớp bảo vệ chống ăn mòn, mài mòn và chịu nhiệt. Một vấn đề được đặt ra kèm theo yêu cầu nâng cao tuổi thọ chi tiết máy là hiệu suất sử dụng của các loại máy. Hiệu suất nguồn động lực của các động cơ như là động cơ khí gas, động cơ diesel, và các lò nung có thể được cải thiện bằng việc tăng nhiệt độ buồng đốt. Để bảo vệ các chi tiết kim loại trong động cơ trong quá trình tăng nhiệt độ thì cần có một lớp vật liệu cách nhiệt, lớp vật liệu này có thể được chế tạo bằng phương pháp phun phủ. Lớp phun bảo vệ được ứng dụng để bảo vệ bộ phận với nhiệt độ cao như là các buồng đốt, các đường dẫn khí thải, van cấp khí, van xả khí, piston … trong các động cơ. Lớp phun nhiệt bảo vệ thông thường chứa một lớp lót loại hợp kim MCrAlY (M thông thường là Fe, Ni, Co hoặc là NiCo) và một lớp ceramic tăng cứng. Cả hai loại này được sản xuất ở dạng bột phun plasma, HVOF. Tác dụng lớn của việc cách nhiệt độ giữa buồng đốt và vật liệu vỏ buồng đốt bằng sử dụng lớp là có thể kéo dài tuổi thọ của các loại vật liệu đắt tiền trong công nghệ chế tạo máy. Từ khi công nghệ phun phủ lớp ceramic cách nhiệt ra đời nó đã có rất nhiều ứng dụng thực tiễn. Ứng dụng trong công nhệ chế tạo buồng đốt máy động cơ 7 Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao máy bay một ứng dụng trong rất nhiều các ứng dụng của lớp phun phủ ceramic cách nhiệt. Ứng dụng thành công công nghệ phun phủ lớp ceramic cách nhiệt lên các động cơ, tuabin là bảo vệ các piston và các van dẫn. Do vậy mà có thể tăng nhiệt độ buồng đốt cũng như giảm tải cơ cấu làm mát. Phạm vi nghiên cứu của luận văn này đi sâu vào nghiên cứu đặc điểm hệ lớp phủ có khả năng làm việc ở nhiệt độ cao, cách nhiệt tốt, ứng dụng trong loa phụt động cơ tên lửa đường kính trong 185 mm. 8 Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Công nghệ phủ bảo vệ bề mặt Những yêu cầu cần thiết về điều kiện làm việc phụ thuộc vào môi trường làm việc một cách đa dạng. Trong thực tế, rất nhiều bề mặt chi tiết cần được bảo vệ chống lại sự mài mòn, ăn mòn, cách nhiệt, và thời tiết. Trong công nghệ chế tạo máy, việc sử dụng một loại vật liệu để đáp ứng nhiều yêu cầu làm việc là không phổ biến và giá thành cao. Cần thiết phải kết hợp nhiều loại vật liệu để vừa đảm bảo cơ tính làm việc cũng như cải thiện khả năng làm việc của bề mặt vật liệu. Những bộ chi tiết máy công nghiệp, các bộ phận khác ứng dụng trong công nghiệp ngày nay thường ứng dụng rộng rãi công nghệ phun phủ nhiệt để nâng cao tuổi thọ làm việc cũng như dễ dàng hơn trong công nghệ chế tạo. Hình 1: Ứng dụng công nghệ phủn phủ nhiệt trong phục hồi chi tiết máy Hiện nay, có nhiều công nghệ phủ bảo vệ bề mặt, vật liệu lựa chọn cũng rất đa dạng về chủng loại. Đối với mỗi điều kiện làm việc khác nhau cũng như hiệu quả kinh tế, cần lựa chọn các loại vật liệu phủ cũng như công nghệ phủ phù hợp. Bảng 1 thể hiện một số công nghệ phủ bề mặt và các loại vật liệu phổ biến chống mài mòn, ăn mòn. 9 Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao Bảng 1: Các loại công nghệ phủ bảo vệ bề mặt đang sử dụng hiện nay [6]: Loại lớp Chiều dày Vật liệu Đặc tính Ứng dụng PVD 1 – 5 μm Ti(C,N) Chịu mài mòn Dụng cụ cắt CVD 1 – 50 μm SiC Chịu mài mòn Lo cuốn sợi Phủ Polyme 1 – 10 μm Polymers Chịu ăn mòn Trong công hóa học nghiệp ô tô phủ Phun phủ nhiệt Lớp phủ 0.04 – 3 mm gốm và Chịu mài mòn và ăn mòn ổ bi… hợp kim Tấm crom cứng Công nghệ hàn đắp Mạ kẽm 10 – 100 μm 0.5 – 5 mm Chrome Bảo vệ mài Thép, hợp Bảomòn vệ mài kim thép mòn Zinc Bảo vệ ăn mòn 1 – 5 μm Con lăn Van Thép tấm Ứng dụng của mỗi lớp phủ còn được lựa chọn dựa vào đặc tính nhiệt độ cũng như chiều dày yêu cầu của lớp phủ. Công nghệ mạ ion thực hiện ở nhiệt độ thấp, giảm biến dạng, tuy nhiên lớp phủ lại mỏng. Công nghệ hàn đắp cho được chiều dày đắp cao tuy nhiên lượng nhiệt cấp vào lớn. Hình 2 thể hiện trường nhiệt độ và chiều dày lớp phủ của các loại công nghệ phủ bề mặt hiện nay. 10 Nhiệt độ bề mặt [°C] Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao Chiều dàu lớp phủ [μm] Hình 2: Trường nhiệt độ và chiều dày lớp phủ bề mặt của một số công nghệ phủ bảo vệ bề mặt hiện nay [6] 1.2 Công nghệ phun phủ nhiệt Công nghệ phun phủ nhiệt được mô tả ngắn gọn qua sơ đồ như hình 3. Trong đó, việc phân loại công nghệ phun phủ nhiệt phụ thuộc vào năng lượng cấp vào để nung nóng vật liệu Hình 3: Công nghệ phun phủ nhiệt 11 Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao  Vật liệu nền Vật liệu nền thích hợp trong phun phủ nhiệt là loại vật liệu có khả năng tạo nhám bề mặt. Thông thường, vật liệu nền thích hợp trong phun phủ có độ cứng dưới 55 HRC. Trước khi phun phủ, cần có phương pháp để chuẩn bị bề mặt tạo độ nhám theo yêu cầu nhất định để đảm bảo độ bám dính bề mặt. Sự bám dính bề mặt của lớp phun và kim loại nền chủ yếu là lực bám dính cơ học, do đó, việc chuẩn bị bề mặt đảm bảo độ sạch và độ nhám cần thiết là yêu cầu rất quan trọng. Quá trình tạo nhám bề mặt hiện nay thường được sử dụng bằng hai phương pháp: phương pháp hóa học và phương pháp cơ học. Tạo nhám bề mặt có tác dụng dễ dàng phân tán các hạt phun dạng lỏng được gia tốc ở tốc độ cao và tăng diện tích tiếp xúc của bề mặt lớp phun. Dòng hạt phun di chuyển tới bề mặt kim loại nền có hai dạng: dạng hạt lỏng và dạng chảy dẻo. Quá trình va dập giữa các hạt và bề mặt nền dưới động năng lớn tạo ra các lớp xếp chặt vào nhau. Nhiệt độ các hạt nóng truyền sang kim loại cơ bản và được làm mát. Khi nhiệt độ giảm xuống, các hạt nhỏ xếp chặt co lại liên kết với các hạt kim loại thô. Do đó, độ bám dính lớp phủ chủ yếu là độ bám dính cơ học. Ôxít lô rỗng kim loại nền Hạt phun Hình 4: Cấu tạo của lớp phủ kim loại 12 Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao  Các quá trình phun phủ nhiệt thông dụng - Phun hồ quang dây Phương pháp phun hồ quang dây khí cháy được mô tả ngắn gọn theo hình 5. Trong đó, ngọn lửa hồ quang là ngọn lửa khí cháy và ô xy. Vật liệu phun bằng dây đi qua tâm ngọn lửa hồ quang bị nóng chảy tạo thành chùm hạt phun dây Khí cháy bép Lớp phủ Khí cháy Oxy Phôi Khí làm mát Điện cực Hình 5: Sơ đồ hệ thống hồ quang dây - Phun bột hồ quang khí cháy Vật liệu phun đầu vào được cấp qua đường cấp bột. Bột phun qua ngọn lửa hồ quang tạo bị nung chảy tạo ra chùm hạt phun vào bề mặt chi tiết như hình 6: Đầu cấp bột Khí cháy Bép phun Lớp phủ Ô xy phôi Hình 6: Sơ đồ hệ thống phun bột hồ quang khí cháy 13 Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao - Phun dây hồ quang hai dây: Hệ thống phun hồ quang hai dây được thực hiện thông qua hai dây mang hai điện cực trái dấu. Tia lửa điện từ hai điện cực trái dấu tạo ra ngọn lửa hồ quang đốt chảy dây kim loại. Hạt kim loại lỏng được gia tốc bởi đường khí cấp vào tạo ra chùm hạt phun phủ như hình 7: Điện áp Lớp phủ Khí mang Kim loại nền Con lăn Dây phun Hình 7: Sơ đồ hệ thống phun dây hồ quang hai dây - Phun phủ plasma: Bột phun được đưa qua ngọn lửa hồ quang plasma được gia tốc bởi khí mang tạo ra chùm hạt phun plasma. Ngọn lửa hồ quang plasma có nhiệt độ lên tới khoảng 15000 0C có thể làm nóng chảy các loại vật liệu đi qua nó Điện cực catot Đường làm mát Lớp phủ Dây phun Đường cấp bột Kim loại nền Hình 8: Sơ đồ hệ thống phun plasma 14 Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao - Phun phủ HVOF: Nhiên liệu và khí cháy đi vào buồng phản ứng cháy, bột phun được gia tốc bởi dòng khí mang ở tốc độ cao đi qua ngọn lửa khí cháy tạo ra ngọn lửa với chùm tia kình kim cương. Sơ đồ hệ thống phun HVOF được mô tả như hình 9: Đầu bép Nhiên liệu Nhiên liệu Lớp phủ Ngọn lửa kim cương Khí làm mát Bột và khí mang Kim loại nền Hình 9: Sơ đồ hệ thống phun HVOF  So sánh các phương pháp phun phủ, phạm vi áp dụng Ứng với mỗi phương pháp phun phủ, năng lượng nhiệt và động năng của các hạt được thể hiện như hình 10. Trong đó, phương pháp phun phủ plasma thường được áp dụng cho các loại vật liệu phun phủ khó nóng chảy như bột gốm. 15 Nhiệt năng Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao Động năng Hình 10: Sự so sánh về nguồn nhiệt và động năng hạt của các phương pháp phun phủ [6] Sự so sánh cụ thể đối với các loại vật liệu và tính chất của lớp phủ có thể được xem xét thông qua bảng 2 dưới đây. Bảng 2: Bảng so sánh tính chất của các lớp phun [12] Đặc điểm Loại lớp phủ Phun khí cháy Phun hồ quang điện Phun Phun plasma HVOF Hợp kim Fe Nhiệt độ khí Hợp kim màu (0C) Gốm 3000 4000 14 – 21 28 - 41 12000 -16000 2600-3000 Cácbit Độ bám dính Hợp kim Fe 21 – 34 48 - 62 16 Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao (MPa) Hợp kim màu 7 -34 14 - 48 14 - 48 48 - 62 Gốm 14 -34 - 21 - 41 - Cácbit 34 - 48 55 - 69 < 83 Hợp kim Fe 0,05 - 2,0 0,1 - 2,5 0, 4 - 2, 5 0,05 - 2,5 Chiều dày Hợp kim màu 0,05 - 5,0 0,1 - 5,0 0,05 - 5,0 0,05 -2,5 (mm) Gốm 0,25 - 2,0 - 0,1 - 2,0 - Cácbit 0,15 - 0,8 - 0,15 - 0,8 0,002-0,200 Hợp kim Fe 35 40 40 45 Hợp kim màu 20 35 50 55 Gốm 40 - 65 - 45 - 65 - Cácbit 45 - 55 - 50 - 65 55 – 72 Hợp kim Fe 3 - 10 3 - 15 2-5 <2 Hợp kim màu 3 - 10 3 - 15 2-5 <2 Gốm 5 - 15 - 1-2 - Cácbit 5 – 15 - 2-3 <1 Độ cứng (HRC) Độ xốp (%) Dựa vào hình 10 và bảng 2 chúng ta có thể nhận thấy, đối với công nghệ phun phủ ceramic, lựa chọn công nghệ phun phủ plasma là phương pháp phun phủ tối ưu. Tùy vào điều kiện làm việc của chi tiết, người ta chọn lựa các loại vật liệu phun thích hợp để phun lên bề mặt chi tiết. Những loại bột phun được dùng hiện nay là: - Nhóm I: Bột đơn kim loại, hoặc tổ hợp kim nhiều lớp gồm các vật liệu như:  Bột trên cơ sở nền nhôm Al;  Bột trên cơ sở nền Cô ban Co;  Bột trên cơ sở nền Đồng Cu; 17 Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao  Bột trên cơ sở nền Sắt Fe;  Bột trên nền cơ sở Mô líp đen Mo;  Bột trên cơ sở nền Niken Ni. - Nhóm II: Bột hợp kim dạng MCrAlY gồm hai nhóm vật liệu chính gồm:  Hợp kim bột trên nền cơ sở Cô ban Co;  Hợp kim bột trên nền cơ sở Niken Ni. - Nhóm III: Bột gốm  Bột dựa trên nền cơ sở là ô-xít nhôm;  Bột dựa trên nền cơ sở là ô-xít Crom;  Bột dựa trên nền cơ sở là ô-xit Zirconi. - Nhóm IV: Bột các bít  Bột các bít Crom là nền cơ sở;  Bột các bít Tungsten là nền cơ sở; Vật liệu dùng cho phun nhiệt khí tạo lớp ceramic cách nhiệt là những loại bột có thành phần ZrO2 cố định hoặc là thay đổi. Vật liệu ZrO2 là vật liệu có hệ số dẫn nhiệt thấp dưới 1 W/mK và đúng hơn là đối với lớp phủ bề mặt thì hệ số tỏa nhiệt chỉ khoảng 10 E-6 W/mK [2]. Hệ số dẫn nhiệt của ZrO2 gần như ổn định trong khoảng nhiệt độ làm việc rộng lớn. Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, đề tài đi sâu vào nghiên cứu lớp phủ ceramic bằng loại bột này ứng dụng trong công nghệ chế tạo loa phụt động cơ tên lửa. 1.3 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng công nghệ phun phủ plasma tạo lớp phủ cách nhiệt ở nước ngoài và trong nước 1.3.1 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng công nghệ phun phủ plasma tạo lớp phủ cách nhiệt ở nước ngoài. Công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt bắt đầu được phát triển những năm 1970, đang được nghiên cứu ứng dụng rộng rãi trong các chi tiết máy. Lớp 18