Báo cáo Nghiên cứu ứng dụng công nghử phun phủ nhiệt khí để tạo bề mặt có độ chịu mài mòn và bám dính cao phục hồi các chi tiết máy có chế độ làm việc khắc nghiệt

111 trang yendo 5910

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Báo cáo Nghiên cứu ứng dụng công nghử phun phủ nhiệt khí để tạo bề mặt có độ chịu mài mòn và bám dính cao phục hồi các chi tiết máy có chế độ làm việc khắc nghiệt", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bao_cao_nghien_cuu_ung_dung_cong_nghu_phun_phu_nhiet_khi_de.pdf

Nội dung text: Báo cáo Nghiên cứu ứng dụng công nghử phun phủ nhiệt khí để tạo bề mặt có độ chịu mài mòn và bám dính cao phục hồi các chi tiết máy có chế độ làm việc khắc nghiệt

bộ công nghiệp viện nghiên cứu cơ khí báo cáo tổng kết đề tài KHCN cấp nhà n−ớc m∙ số kc 05.10 nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt khí để tạo bề mặt có độ chịu mài mòn và bám dính cao phục hồi các chi tiết máy có chế độ làm việc khắc nghiệt chủ nhiệm đề tài: KS uông sỹ áp 5848 31/5/2006 hà nội – 2006
id3915828 pdfMachine by Broadgun Software - a great PDF writer! - a great PDF creator! - bài tóm tắt Mục đích của đề tài là nghiên cứu ứng dụng những thành tựu tiên tiến nhất trên thế giới về công nghệ phun nhiệt, để xác lập quy trình công nghệ tạo lớp bề mặt có độ bám dính, độ chịu mài mòn và chịu nhiệt độ cao nhằm phục hồi các chi tiết làm việc trong điều kiện khắc nghiệt, đặc biệt là các chi tiết tuabin khí. Ph•ơng pháp nghiên cứu: kết hợp lý thuyết và thực nghiệm. Đối t•ợng nghiên cứu là công nghệ phun plasma áp dụng vào việc phục hồi các chi tiết tuabin khí bị h• hỏng d•ới dạng bong tróc lớp phủ, điển hình là cánh tuabin, ống vòi voi .v.v Bản báo cáo gồm 6 ch•ơng, 39 hình vẽ, 21 bảng biểu và 4 phụ lục và một phụ biểu kèm theo. Trên cơ sở nghiên cứu tổng quan các thành tựu khoa học công nghệ phun trên thế giới ( thông qua các tài liệu sách báo, tạp chí, patents ) và khảo sát tình hình thực tế ở nhiều nhà máy nhiệt điện phía Nam, nhóm đề tài đã xác định nhiệm vụ chính của công tác nghiên cứu là xác định chế độ phun tối •u trên máy phun hồ quang plasma để phục hồi thí điểm 2  5 chi tiết ( cùng loại ) đảm bảo các tính chất của lớp phủ làm việc trong điều kiện khắc nghiệt của tuabin khí. Lý thuyết về quá trình tạo hạt và hình thành lớp phủ, ph•ơng pháp tính toán các thông số kỹ thuật phun, các tính chất cơ, lý, hoá của lớp phun, sự chọn vật liệu phun của các lớp ( trung gian, phủ ), công nghệ chuẩn bị bề mặt, kỹ thuật phun đã đ•ợc nghiên cứu làm cơ sở cho công tác thực nghiệm. Ba đợt thí nghiệm đã đ•ợc tiến hành để xác định chế độ phun tối •u. Mỗi đợt gồm 5  7 lô, mỗi lô 6 mẫu tiêu chuẩn. Các chỉ tiêu để đánh giá là độ bám dính, độ cứng và độ xốp lớp trung gian. Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thí nghiệm, công nghệ phục hồi ống vòi voi đã đựơc xác lập, và 02 ống vòi voi đã đ•ợc phục hồi thí điểm có kết quả khả quan. Kết luận: 1. Đề tài đã đi đúng h•ớng, chọn đ•ợc ph•ơng pháp phun hợp lý và đối t•ợng nghiên cứu - các chi tiết cần phục hồi, vừa mang tính bức xúc, yêu cầu kỹ thuật cao vừa phù hợp với xu thế nghiên cứu phát triển hiện nay của các n•ớc tiên tiến trên thế giới. 2. Quá trình nghiên cứu đã kết hợp chặt chẽ với các cơ sở sản xuất, tham quan các công nghệ và thành tựu khoa học mới của n•ớc ngoài, thu thập đ•ợc nhiều tài liệu khoa học kỹ thuật quý giá liên quan đến đề tài, kể cả những vật liệu cần thiết cho công 3
tác thí nghiệm. Sự tổng hợp đầy đủ các tài liệu, các patents, lý thuyết các quá trình phun giúp đ•a ra đ•ợc kế hoạch thí nghiệm bài bản, do đó các kết quả thí nghiệm là tin cậy. 3. Tuy có chậm so với tiến độ đề ra, nh•ng đề tài đã thực hiện đầy đủ và kết quả các nhiệm vụ quy định. Các sản phẩm thu đ•ợc của đề tài bao gồm hai quy trình công nghệ, các thiết bị đồ gá và hai sản phẩm phục hồi đã đ•ợc nghiệm thu và đánh giá đạt yêu cầu. Các chỉ tiêu cơ bản của lớp phun trên bề mặt chi tiết phục hồi ( ống vòi voi ) nh• sau: - Độ bám dính với kim loại nền 378 kG/ cm2 - Độ xốp Lớp trung gian2% - Độ cứng lớp phủ RC15N 75 Sản phẩm sẽ đ•ợc lắp đặt thử nghiệm trong thời gian tới. 4. Quá trình công nghệ phun phục hồi ống vòi voi đ•ợc tiến hành theo ba công đoạn: Chuẩn bị, phun phủ và kiểm tra. Công đoạn chuẩn bị bao gồm việc làm sạch chi tiết bằng ph•ơng pháp cơ học, kiểm tra và xử lý nền, tẩy rửa hoá học, tạo nhám bề mặt bằng ph•ơng pháp phun bột oxit nhôm cỡ hạt G24. Công đoạn phun phủ đ•ợc thực hiện trên máy phun plasma SG 100 và các đồ gá tĩnh và động, chế độ phun nh• sau: a. Phun lớp trung gian ( lớp liên kết ) với bột Ni-164-2: 40 V + Điện áp phun, Up + C•ờng độ dòng điện, Ip 800A + Vận tốc di chuyển súng phun, Vp 10mm/ giây + Khoảng cách phun, lp 76 ữ 102 mm + Năng suất cấp bột, mb 23 ữ 30 g/ ph + áp suất khí argon, Par 50 Psi + áp suất khí heli, PHe 110 Psi + áp suất khí argon ( khí tải bột ), PAr 30 ữ 35 Psi + Góc phun, độ 75 ữ 900 + Nhiệt độ đốt nóng sơ bộ, 0C . 120 ữ 1600C b. Phun lớp phủ với bột ZRO -182: + Điện áp phun, UP 40V 4
+ C•ờng độ dòng điện, IP 450A + Vận tốc di chuyển súng phun, VP .10 mm/ giây + Khoảng cách phun, lP .76 ữ 102 mm . + Năng suất cấp bột, mb .38 ữ 53 g/ phút + áp suất khí argon, PAr 40 Psi + áp suất khí hydro, PH2 10/ 15 Psi + áp suất khí argon( khí tải bột ), PAr 30/ 35 Psi + Góc phun, độ 75 ữ 90 + Nhiệt độ đốt nóng sơ bộ, 0C . 120 ữ 1600C Công đoạn kiểm tra đ•ợc tiến hành trong cả quá trình phục hồi bao gồm kiểm tra chất l•ợng bề mặt tr•ớc, trong và sau khi phun, kiểm tra chiều dày lớp phun. 5. Các kết quả nghiên cứu tuy mới dừng lại trong phạm vi phòng thí nghiệm nh•ng qua kiểm tra chất l•ợng của các cơ quan khoa học ( Viện Công Nghệ Bộ Công nghiệp, Trung tâm kỹ thuật 1- Tổng cục Tiêu chuẩn Đo l•ờng Chất l•ợng, Tr•ờng Đại học Bách Khoa Hà nội), lớp phun chịu nhiệt có thể đáp ứng đ•ợc các yêu cầu làm việc của các chi tiết tuabin khí ( ống vòi voi, đế cánh và cánh tĩnh vv .). Sự phục hồi các chi tiết nói trên sẽ mang lại hiệu quả kinh tế to lớn và chủ động trong sản xuất của các nhà máy nhiệt điện hiện đang sử dụng các loại máy này. 6. Lần đầu tiên ở Việt Nam một công nghệ mới, hiện đại đã đ•ợc tiến hành nghiên cứu, đó là công nghệ phun phủ nhiệt hồ quang plasma với thiết bị hiện đại và vật liệu mới. Nó đã giúp nâng cao trình độ hiểu biết khoa học kỹ thuật và ph•ơng pháp nghiên cứu khoa học kỹ thuật cho nhiều cán bộ, đặc biệt cán bộ trẻ. 7. Trong qúa trình hội nhập khu vực và thế giới, xu thế đ•a khoa học công nghệ vào đời sống xã hội đang đ•ợc phát triển mạnh mẽ, nhiều đơn vị nghiên cứu, sản xuất trong lĩnh vực cơ khí chế tạo máy và tự động hoá đặc biệt là một số trung tâm sửa chữa của tổng Công ty Điện lực Việt Nam, Tổng cục hàng không - Bộ Quốc phòng v.v đang đẩy mạnh việc tăng c•ờng trang thiết bị phun phủ hiện đại tiếp cận và nhập khẩu công nghệ tiên tiến, thì kết quả nghiên cứu đề tài và 2 quy trình công nghệ đã xác lập sẽ góp phần tích cực với tính thực tiễn cao đẩy nhanh lộ trình ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt phục hồi các chi tiết máy có chế độ làm việc khắc nghiệt tạo nên b•ớc phát triển mới trong lĩnh vực ứng dụng công nghệ tiên tiến nói riêng và trong ngành cơ khí chế tạo máy nói chung. 5
Mục lục Trang Bài tóm tắt 3 Bảng chú giải 7 Lời mở đầu 8 Ch•ơng 1 Tổng quan 9 1.1. Tình trạng h• hỏng của tuabin nhiệt qua khảo sát 9 1.2. Tình hình nghiên cứu ngoài n•ớc 12 1.3. Các độc quyền sáng chế ( patents) 17 1.4. Tình hình nghiên cứu trong n•ớc 21 1.5. Về các lớp phun chịu nhiệt độ cao 23 Ch•ơng 2 Chọn ph•ơng pháp và đối t•ợng nghiên cứu 28 2.1. Chọn ph•ơng pháp phun để nghiên cứu 28 2.2. Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài 32 Ch•ơng 3 lý thuyết về các quá trình phun phủ nhiệt 33 3.1. Khái niệm chung 33 3.2. Cơ chế hình thành lớp phun 35 3.3. Các tính chất của lớp phủ 38 3.4. Ph•ơng pháp thử các tính chất lớp phun 48 Ch•ơng 4 thí nghiệm phun phủ nhiệt 52 4.1. Quy hoạch thí nghiệm 52 4.2. Những hiểu biết về ống vòi voi 52 4.3. Các lớp phủ chịu nhiệt trên ống vòi voi 53 4.4. Lập quy trình thí nghiệm 55 4.5. Mô tả thí nghiệm 58 4.6. Kết quả thí nghiệm 61 4.7. Phục hồi thử nghiệm ống vòi voi 78 4.8. Phân tích và đánh giá kết quả thí nghiệm 87 Ch•ơng 5 xác lập Quy trình công nghệ phục hồi các chi tiết Máy có chế độ làm việc khắc nghiệt bằng Công nghệ phun phủ nhiệt 91 5.1. Phân tích lựa chọn kết quả thí nghiệm 91 5.2. Quy trình công nghệ phun phủ phục hồi các chi tiết máycó chế làm việc khắc nghiệt 91 5.3. Quy trình công nghệ phun plasma phục hồi ống vòi voi 94 Ch•ơng 6 tổng quát hoá và đánh giá kết quả thu đ•ợc 101 Kết luận và kiến nghị 106 Lời cảm ơn 109 Tài liệu tham khảo 110 6
Bảng chú giải TBK - Tuabin khí PPN - Phun phủ nhiệt m - Khối l•ợng của phần tử phun (4-1) v - Tốc độ của phần tử khi va đập ( 4-2 ) C - Tỷ nhiệt ( 4-2 ) t1 - Nhiệt độ của phần tử khi va đập ( 4-2 ) t2 - Nhiệt độ chảy của phần tử ( 4-2 ) S - ẩn nhiệt ( 4-2 ) t - Hệ số dãn nở nhiệt của kim loại phủ ( 4-13 ) E - Modun đàn hồi ( 4-13 ) Up - Điện áp phun IP - C•ờng độ dòng điện phun VP - Tốc độ di chuyển súng phun lP - Khoảng cách phun mb - Năng suất cấp bột PAr - áp suất khí argon PHe - áp suất khí heli PH2 - áp suất khí hydro PArb - áp suất khí argon tải bột bd - Độ bám dính lớp phủ 7
Lời mở đầu Những kết quả nghiên cứu về phun phủ bằng hồ quang và khí đốt trong mấy thập niên cuối của thế kỷ tr•ớc, một vài cơ sở nghiên cứu và sản xuất ( nh• Viện Khoa học Công nghệ GTVT, Viện nghiên cứu Cơ khí, Nhà máy Cơ khí Cẩm Phả ) chỉ đ•ợc ứng dụng để phục hồi một số chi tiết máy mài mòn làm việc trong điều kiện đ•ợc bôi trơn và va đập nh• trục cam, trục khuỷu, trục bơm thuỷ lợi Những kết quả này cũng đ•ợc ứng dụng để bảo vệ các chi tiết làm việc trong môi tr•ờng xâm thực của n•ớc mặn ( nh• giàn khoan ) và n•ớc lợ ( nh• cánh cửa đập n•ớc ).v.v . Những chi tiết làm việc trong điều kiện khắc nghiệt phải có bề mặt đ•ợc bảo vệ bởi một lớp phun phủ có độ bám cao, độ bền mòn cao. Những ph•ơng pháp phun truyền thống ( phun hồ quang 2 dây, phun trong ngọn lửa oxy - acetylen ) không thể tạo đ•ợc lớp phun có các tính chất đặc biệt nh• vậy. Phải có một ph•ơng pháp phun phủ “ đặc biệt ” để tạo đ•ợc lớp phun có các tính chất “ đặc biệt ”. Đề tài KC.05.10 đ•ợc tiến hành nghiên cứu nhằm mục đích này. Để đạt đ•ợc mục đích nêu trên nhiệm vụ của Đề tài đ•ợc khái quát nh• sau: 1. Nghiên cứu tổng quan để nắm đ•ợc nhu cầu thực tế của Việt Nam, chọn đối t•ợng nghiên cứu và ph•ơng pháp nghiên cứu ( ph•ơng pháp phun phủ ). 2. Nghiên cứu lý thuyết quá trình phun phủ đ•ợc lựa chọn nhằm xác lập sơ bộ quy trình công nghệ phun phủ. 3. Thí nghiệm chọn chế độ phun phủ và thí nghiệm xác định các tính chất của lớp phun trên, đó là cơ sở chuẩn xác công nghệ phun phủ phục hồi chi tiết làm việc trong điều kiện khắc nghiệt. 4. Phun phục hồi thử nghiệm 1- 2 chi tiết nhằm ứng dụng các kết quả nghiên cứu. 8
Ch•ơng 1 Tổng quan 1.1. Tình trạng h• hỏng của tuabin nhiệt qua khảo sát 1.1.1. Công việc khảo sát thực tế đã đ•ợc tiến hành tại 4 nhà máy nhiệt điện (phụ lục 1). Kết quả khảo sát tuabin GT13E2 cho thấy: Cánh động tầng 1 ( Hình 1-1) - Toàn bộ các cánh động tầng 1 bị nứt, rạn tại phần thân và đuôi cánh, nơi áp lực dòng môi chất tác dụng vào lớn nhất. - Tại các lỗ dẫn khí làm mát, trên toàn bộ cánh động tầng 1 bị nứt rạn. - Hầu hết các cánh động tầng 1 có hiện t•ợng bị quá nhiệt ( biến mầu ). - Toàn bộ các cánh động tầng 1 bị bong tróc lớp phủ chịu nhiệt ( 60% 80%). Cánh tĩnh tầng 1 ( hình 1-2 ) - Toàn bộ 63 cánh đều có hiện t•ợng bị quá nhiệt trên vùng thân cánh với kích th•ớc 35 x 100 mm. - Có 58 cánh bị bong tróc lớp phủ với kích th•ớc từ 5 x ( 30  50 ) mm. Cánh động tầng 2 - Có hiện t•ợng quá nhiệt tại vùng đuôi cánh với kích th•ớc 20 x 40 mm, tại vùng chân cánh khoảng 30 x 50 mm. - Bong tróc lớp phủ tại thân cánh. Cánh tĩnh tầng 2 - Hiện t•ợng bị ăn mòn hóa học và quá nhiệt tại đỉnh cánh ( 1015 mm ). - Cánh số 16 bị tróc lớp phủ ( 50 mm ) tại thân cánh. - Cánh số 27 bị bong tróc lớp phủ tại thân cánh ( khoảng 4 mm ). - Cánh số 25 bị quá nhiệt tại vùng đỉnh cánh. - Cánh số 24 bị quá nhiệt tại đuôi cánh. Cánh động tầng 3 - Bị qúa nhiệt tại vùng đỉnh cánh. - Bong tróc lớp phủ tại vùng thân cánh ( khoảng 50% ). Cánh tĩnh tầng 3 - Toàn bộ 63 cánh tĩnh tầng 3 bị quá nhiệt và tại đuôi cánh bị bong tróc lớp phủ. - Toàn bộ phần đỉnh cánh cũng bị bong tróc lớp phủ và quá nhiệt. 9
- Tại phần thân cánh bị nứt tế vi và bong tróc lớp phủ ( khoảng 40% đến 60%) trên bề mặt. Cánh động tầng 4 - Tại bề mặt chịu tác động trực tiếp của áp lực dòng môi chất bị quá nhiệt. - Toàn bộ các bề mặt bị bong tróc lớp phủ ( khoảng 50% ). - Có hiện t•ợng bị ăn mòn hóa học tại đuôi cánh. Cánh tĩnh tầng 4 - Toàn bộ 63 cánh bị bong tróc lớp phủ tại bề mặt chịu tác động trực tiếp của áp lực dòng môi chất với kích th•ớc 200 x 20 mm. - Tại đỉnh cánh bị bong tróc lớp phủ và ăn mòn hóa học ( khoảng 40 đến 60 mm ). - Tại phần đuôi cánh, nơi chịu tác động của áp lực dòng môi chất bị mòn lớp phủ ( khoảng 50 mm2 ). Cánh động tầng 5 - Tại vùng thân cánh và đuôi cánh bị bong tróc lớp phủ. - Tại vùng đỉnh cánh bị ăn mòn hóa học trên suốt chiều rộng phần đỉnh. Cánh tĩnh tầng 5 - Các cánh số 43, 60, 61 bị ăn mòn hóa học ( khoảng 8 x 4 mm ). - Toàn bộ 63 cánh bị bong tróc lớp phủ tại vùng thân cánh và nửa trên phần đuôi cánh. - Toàn bộ cánh bị bám bẩn. Các ống vòi voi ( transition pieces ) Các ống vòi voi có nhiệm vụ dẫn luồng khí nóng vào trong buồng tuabin, chịu tác dụng rất lớn của nguồn nhiệt khí đốt. Sau một thời gian làm việc có hiện t•ợng bong tróc lớp phủ chịu nhiệt và nứt thành ống. 10
Hình 1.1: Cánh động tuabin khí bị h• hỏng Hình 1-2: Cánh tĩnh tuabin khí bị bong tróc lớp phủ 11
1.1.2. Công việc khảo sát cũng đã tiến hành đối với các tổ máy tuabin khí F5, F6, GT3, GT4, GT21, GT22 tại các nhà máy nhiệt điện Phú Mỹ, Cần Thơ, Thủ Đức, Bà Rịa. Tình trạng h• hỏng của các chi tiết máy nén và tuabin khí cũng t•ơng tự nh• tổ máy GT13E2 ( Phú Mỹ ). 1.1.3. Hầu hết các tổ máy tuabin khí sau 24000h công tác phải sửa chữa đại tu, nhằm đảm bảo sự hoạt động của các tầng cánh ( động và tĩnh ) đạt 48000h. Trong các kỳ sửa chữa những cánh tuabin và các chi tiết khác bị h• hỏng đ•ợc thay mới hoặc phục hồi. Các chi tiết phục hồi đ•ợc thực hiện ở n•ớc ngoài ( Thuỵ Sỹ, Singapo ). Thời gian phục hồi ( phun phủ ) từ khi tháo đến khi lắp đặt sau phục hồi mất ít nhất 15 tuần. Ngoài ra, nhà chế tạo có toàn quyền quyết định việc phục hồi các chi tiết sau khi nhận đ•ợc. Chi phí cho mỗi kỳ đại tu máy là rất lớn. Vài ví dụ: - Tổng chi phí đại tu máy GT21 là trên 72.629.000.000 đồng. - Tổng chi phí đại tu máy GT22 là trên 47.996.000.000 đồng. Trong đó chi phí cho việc thuê phục hồi ở n•ớc ngoài chiếm tỉ lệ đáng kể. 1.1.4. Qua công tác khảo sát điều kiện làm việc và tình trạng thiết bị tuabin khí tại các nhà máy nhiệt điện phía Nam, nhóm thực hiện đề tài đã rút ra một số nhận xét chung nh• sau: - Hầu hết các nhà máy nhiệt điện sử dụng thiết bị tuabin khí, sau một chu kỳ vận hành, nhu cầu về công tác đại tu, phục hồi các chi tiết tuabin là rất lớn. điển hình là các chi tiết nh•: ống lửa, cánh tuabin ( động và tĩnh ), ống vòi voi .v.v Các chi tiết này hiện nay đều phải thuê các công ty và tập đoàn lớn, chuyên sản xuất cung cấp thiết bị tuabin khí với giá thành rất cao, vì đây là các tập đoàn độc quyền do đó không tránh khỏi tình trạng bị ép giá và chịu nhiều thiệt thòi do những yêu sách từ phía đối tác đặt ra. - Đối với các chi tiết phục hồi lại lớp phủ chịu nhiệt nh•: ống dẫn lửa, ống vòi voi, cánh tuabin có thể nghiên cứu, ứng dụng quy trình công nghệ phun phủ nhiệt khí để phục hồi lại lớp phủ chịu nhiệt tại Việt Nam mà không cần phải thuê các đối tác độc quyền n•ớc ngoài, vừa tốn kém ngoại tệ, vừa khó chủ động trong sản xuất. 1.2. Tình hình nghiên cứu ngoài n•ớc Phun phủ kim loại là lĩnh vực công nghệ còn mới mẻ so với các ph•ơng pháp công nghệ khác nh• mạ, hàn ,v.v Mặc dù nó đ•ợc phát minh ra từ năm 1919 do một 12
kỹ s• ng•ời Thụy Sĩ ( M.Shoop ) nh•ng mãi đến năm 1923 ph•ơng pháp công nghệ này mới đ•ợc ứng dụng vào sản xuất và cũng chỉ dừng lại ở mức độ trang trí. Đến chiến tranh thế giới thứ II, phun kim loại bắt đầu đ•ợc sử dụng với quy mô rộng rãi hơn, có tính vạn năng hơn, đặc biệt là trong lĩnh vực phục hồi chi tiết máy, chống gỉ v.v . Hiện nay, công nghệ phun phủ kim loại đã có tốc độ phát triển và ứng dụng mạnh mẽ trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là trong cơ khí chế tạo máy, giao thông vận tải, dầu khí .v.v . Nó dần dần trở thành một lĩnh vực chuyên môn riêng biệt, biểu hiện một mặt nh• ph•ơng pháp xử lý bề mặt, mặt khác nh• một ph•ơng pháp công nghệ trong sản xuất. Thực chất của quá trình phun phủ kim loại là phủ lên bề mặt chi tiết một lớp kim loại, hợp kim hoặc gốm kim loại nhằm nâng cao tính năng làm việc của chi tiết và thiết bị trong các điều kiện khác nhau. Quá trình công nghệ phun phủ gồm ba giai đoạn chủ yếu là: - Chuẩn bị bề mặt tr•ớc khi phun; - Phun phủ; - Xử lý nhiệt lớp phun phủ sau khi phun. Ba quá trình công nghệ này có quan hệ mật thiết, hỗ trợ lẫn nhau tạo nên chất l•ợng của lớp phủ với các chỉ tiêu chủ yếu là: - Độ bám của lớp phủ với kim loại nền; - Cơ, lý tính của lớp phun ( độ cứng, độ dai va đập, khả năng chịu nhiệt, chịu mòn .v.v ). Để đánh giá quá trình phát triển của công nghệ phun kim loại phải dựa trên cơ sở của sự phát triển về thiết bị, các ph•ơng pháp công nghệ, vật liệu phun và phạm vi ứng dụng. Với sự phát triển về công nghệ phun, ng•ời ta đã chế tạo ra các loại đầu phun khác nhau nh•: đầu phun bột kim loại, đầu phun dùng nhiên liệu khí cháy, đầu phun hồ quang điện, đầu phun bằng dòng cao tần, đầu phun plasma với dây chuyền phun tự động. Đầu phun plasma đặc chủng có thể phun đ•ợc các bề mặt chi tiết có biên dạng phức tạp, không gian thao tác và dịch chuyển đầu phun bị hạn chế ( ví dụ đầu phun SG100-2086A của hãng Praxair- Tafa- Mỹ, súng phun plasma A9 của hãng Flame-Corporation-USA, súng phun plasma PLA500 của hãng Metalisation-Anh .v.v ). Song song với các thiết bị và dây chuyền phun tự động đó, ng•ời ta đã nghiên 13
cứu thêm công nghệ phun những vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao ( vật liệu gốm- ceramic, các loại cacbit, các loại oxit kim loại khác .v.v ). Đầu phun plasma là thiết bị tiên tiến và đ•ợc dùng rộng rãi trên thế giới hiện nay. Nhiều n•ớc tiến tiến đã sản xuất thiết bị này và ứng dụng rất có hiệu quả trong công nghiệp nh• Anh, Pháp, Đức, Mỹ, Nhật, Nga, Thuỵ Sỹ, v.v Ưu điểm nổi bật của đầu phun plasma là: có thể phun đ•ợc các loại vật liệu khó nóng chảy nhờ dòng nhiệt cao của dòng plasma, có khả năng điều chỉnh nhiệt độ và tốc độ của dòng plasma bằng cách lựa chọn hình dạng và đ•ờng kính của vòi phun và chế độ phun, do đó phạm vi của vật liệu phun đ•ợc mở rộng và rất đa dạng ( kim loại, gốm, vật liệu hữu cơ .v.v ). Việc sử dụng khí trơ làm khí công tác mở ra khả năng phun trong buồng có môi tr•ờng khí trơ, lớp phun plasma có độ bám tốt với kim loại nền. Nh•ợc điểm của ph•ơng pháp phun plasma là năng suất phun t•ơng đối thấp, có tiếng ồn khi phun và quá trình phun có phát ra tia cực tím. Ngoài ra, thiết bị phun plasma có giá thành cao, chi phí vận hành lớn. Tính năng kỹ thuật của một số thiết bị phun plasma đ•ợc sử dụng trên thế giới hiện nay đ•ợc thống kê theo bảng 1.1. Bảng 1.1. Tính năng kỹ thuật của thiết bị phun plasma Tuổi Năng suất Dòng Khí tạo plasma Công thọ tối đa, kg/h Ký hiệu, hãng, n•ớc điện suất, L•u điện Bột sản xuât Imax, Thành Bột kW l•ợng, cực, h kim A phần gốm m3/h loại PAL-160-2 Tiệp khắc  160 460 H O - 3 5 56 3,2 cũ 2 mm/p METCO 3MB- Mỹ Ar, H2, 40 400 1,7 100 1,7 - He METCO 9MB- Mỹ 80 1000 Ar, N2 1,7 4 - - METCO 10MB Mỹ 80 1100 Ar, He - 12 - - PLASMAGAN 60 700 N 5 100 5,6 4,2 SYSTEM 12-92B Mỹ 2 NOBEL-BOREL Pháp 35 900 Ar, H2 3 75 1,3 - PLA-9AED Anh 11 600 Ar 1,6 200 2 1 FPV-105 Nga 80 - khí đốt - - - - 19V-B (VISP) Nga 30 600 Ar, H2 10 10 3,5 2 UPU-3 Plasma Ar, H2, 45 850 3,5 150 4 3 Technique Thuỵ Sỹ N2,He 14
Song song với quá trình nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng các loại đầu phun, các loại vật liệu phun cũng đồng thời đ•ợc phát triển càng ngày càng mạnh với những tính năng kỹ thuật, yêu cầu cao. Các loại vật liệu phun phổ biến hiện nay trên thế giới có 3 dạng chủ yếu sau: dạng dây, dạng thanh và dạng bột. Vật liệu dạng thanh và dạng dây đ•ợc dùng trong phun khí cháy, phun hồ quang và xung điện, vật liệu bột chủ yếu dùng trong công nghệ phun plasma, phun nổ và phun khí cháy. Vật liệu phun dạng bột đ•ợc sử dụng khá phổ biến và rộng rãi trong những năm gần đây vì công nghệ chế tạo chúng không đòi hỏi độ phức tạp cao và có thể chế tạo từ bất kì một loại vật liệu nào với giá thành t•ơng đối thấp. Hơn nữa, công nghệ phun plasma, phun nổ và phun khí cháy đối với một số vật liệu chỉ có thể đ•ợc thực hiện khi vật liệu phun ở dạng bột. Hiện nay, vật liệu phun dạng bột rất phong phú và đa dạng. D•ới đây là một số kim loại và hợp kim đ•ợc ứng dụng rộng rãi trên thế giới: - Bột Al: có tác dụng chống gỉ và tạo lớp phun cho dây điện. - Bột Zn: dùng để tạo lớp phun chống gỉ. - Bột hợp kim Zn-Al: Dùng để tạo lớp phun chống ăn mòn hoá học và chịu đ•ợc oxy hoá ở nhiệt độ cao. - Bột Cu và hợp kim Cu: dùng để tạo lớp phun dẫn điện. - Bột Mo: th•ờng dùng để phun tạo lớp vật liệu lót tr•ớc khi phun lớp vật liệu mong muốn lên bề mặt chi tiết. Ngoài ra, đối với các chi tiết làm việc trong môi tr•ờng axit HCl lớp phun Mo còn có tác dụng chống mài mòn và ăn mòn hoá học. - Bột vonfram ( W ): là loại vật liệu bột có nhiệt độ nóng chảy rất cao. Bột W th•ờng đ•ợc chế tạo ở dạng tinh khiết chứa rất ít tạp chất, đặc biệt là Fe. Lớp phun bột W có độ bám dính tốt với bề mặt gốm ( ceramic ). Loại bột này th•ờng đ•ợc ứng dụng để phun tạo lớp vật liệu chịu nhiệt độ cao, ma sát lớn trong các chi tiết máy có điều kiện làm việc t•ơng tự. - Bột thép chịu ăn mòn và nicrom: Lớp phun bằng vật liệu này có tính chất chống gỉ và chịu nhiệt, th•ờng đ•ợc dùng làm lớp trung gian cho lớp phủ gốm. - Các loại bột hợp kim khác nh• thiếc chì ( babit) và đồng thau chì chịu ma sát tốt, th•ờng đ•ợc dùng cho ổ tr•ợt. Vật liệu phun dạng gốm ( ceramic ) đ•ợc chế tạo d•ới dạng hợp chất của oxit kim loại, borua nitrit, silicat và cacbit. Đây là loại vật liệu có nhiệt độ nóng chảy rất 15
cao ( 30000C ) nên chỉ dùng trong công nghệ phun plasma hoặc phun kích nổ. Vật liệu phun dạng gốm đ•ợc sử dụng rộng rãi hiện nay là các oxit và cacbit. - Gốm oxit có tính dẫn nhiệt, dẫn điện thấp và có độ bền nhiệt rất cao. Có hai loại gốm oxit: gốm oxit đơn giản và gốm oxit phức tạp. Gốm oxit đơn giản là hợp chất của một kim loại với oxy, gốm oxit phức tạp là hợp chất của các oxit của hai hoặc nhiều hơn hai kim loại. - Gốm cacbit kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao hơn nhiều so với chính kim loại đó ( nhiệt độ làm mềm cacbit là hơn 30000C ). Vật liệu gốm để phun th•ờng dùng là cacbit vonfram, cacbit crôm, cacbit titan, cacbit ziriconi .v.v . Các loại gốm này th•ờng đ•ợc dùng trong công nghệ phun để tạo lớp bề mặt chịu nhiệt độ cao ( ví dụ nh• các chi tiết tuabin khí ). Bên cạnh các loại vật liệu phun trên, ngày nay trên thế giới có các loại vật liệu phun dạng tổng hợp và dạng hợp kim tự nóng chảy. Vật liệu phun dạng tổng hợp là hỗn hợp cơ học của một số thành phần nh• Ni, Cr, Al, Mo, v.v để tạo ra lớp phun có tính chất tốt hơn so với lớp phun đ•ợc phun từ mỗi thành phần riêng biệt. Nhìn chung các lớp phun dạng vật liệu tổng hợp có độ bền mòn cao. Lớp phun dạng hợp kim tự nóng chảy có đặc điểm là không có rỗ và có mật độ cao khi phun lên kim loại nền. Các hợp kim tự nóng chảy th•ờng là các hợp kim nền Ni, hợp kim Cr-Ni hoặc hợp kim Cr- Co. Lớp phun từ hợp kim tự nóng chảy có độ chịu mài mòn và ăn mòn cao, chống oxy hoá trong môi tr•ờng không khí ở nhiệt độ cao. Trên thực tế, công nghệ phun nhiệt khí đã đóng một vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp hàng đầu nh•: dầu khí, năng l•ợng, cơ khí v.v và góp phần tạo ra nhiều loại sản phẩm có chất l•ợng cao, đáp ứng đ•ợc nhu cầu hiện đại hoá và nâng cao hiệu quả kinh tế, xã hội. Một trong những ứng dụng rất quan trọng của công nghệ phun phủ nhiệt khí là việc chế tạo, sửa chữa, phục hồi các loại cánh tuabin khí làm việc trong điều kiện khắc nghiệt, chịu mài mòn lớn, nhiệt độ cao ( 850  11500C ). Trong thời gian gần đây, một số tập đoàn công nghiệp hàng đầu thế giới về lĩnh vực thiết bị điện khí nh•: SULZER ( Thuỵ Sỹ ), MITSHUBISHI ( Nhật Bản ), DONALDSON .v.v đã nghiên cứu thành công việc nâng cao tính năng của lớp phun, trên cơ sở đó chế tạo những loại tuabin mới có khả năng làm việc tới nhiệt độ 13000C góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế, kỹ thuật cuả cả hệ thống. Tuy nhiên, do tính chất độc quyền và th•ơng mại hoá cao độ của một số tập đoàn công nghiệp và các n•ớc công nghiệp phát triển nên công nghệ phun chất l•ợng 16
cao còn bị bảo mật ch•a đ•ợc ứng dụng trong các n•ớc đang phát triển và chậm phát triển. 1.3. Các độc quyền sáng chế ( patents ) Có tất cả 12 patents đã đ•ợc s•u tầm [21], trong đó có 3 patents của Nhật Bản và 9 patents của Mỹ. Các patents giới thiệu nội dung các sáng chế về công nghệ, thiết bị và vật liệu phun nhiệt. D•ới đây trình bày tóm tắt nội dung của một số patents có liên quan nhất đến Đề tài. 1.3.1. Patent No JP2003034856 ( của Nhật Bản )- Ph•ơng pháp phun nhiệt ( Thermal Spraying Method ) * Vấn đề đặt ra: Phun nhiệt để tạo một lớp phun đồng đều về độ dày và có độ bám dính cao trên bề mặt trong của vật hình trụ. Giải pháp: Đặt chi tiết hình trụ đứng yên, gá thiết bị bên trong chi tiết trụ. Thiết bị này đảm nhận vai trò phun hồ quang plasma làm nóng chảy vật liệu phun và bắn các tia vật liệu nóng chảy lên mặt trong của chi tiết trụ theo h•ớng bán kính. Để tạo đ•ợc lớp phun đồng đều cần di chuyển thiết bị dọc theo trục của chi tiết trụ. 1.3.2. Patent No US2002164430 ( của Mỹ )- Quá trình sản xuất lớp gốm chịu nhiệt cho các chi tiết máy tuabin khí ( Process for producing a ceramic thermal barrier layer for gas turbine engine component ) * Cơ sở của sáng chế Sáng chế đề cập tới lớp phun bảo vệ các chi tiết làm việc trong môi tr•ờng xâm thực khi nóng, đặc biệt là các chi tiết máy tuabin khí. Các chất khí di chuyển qua máy tuabin với vận tốc và nhiệt độ cực cao, có thể v•ợt quá 10000C. Các yêu cầu đối với các cánh tuabin là đặc biệt nghiêm ngặt bởi chúng phải làm việc trong điều kiện chất khí nhiệt độ cao và quay với tốc độ lớn ( tới hàng ngàn vòng/phút). Cánh tuabin đặc tr•ng bởi kết cấu lá mỏng điển hình, đ•ợc làm từ hợp kim “ siêu cao ” có phủ một lớp bền nhiệt. Các hợp kim siêu cao này là những vật liệu nền coban hoặc niken. Các lớp phun có nhiều chủng loại khác nhau. Một trong những thành phần của lớp phun là hợp kim MCrAl, trong đó: Cr- crom, Al- nhôm, - ytri hoặc nguyên tố đất hiếm với chất bảo trì M đ•ợc chọn từ nhóm sắt, coban, niken hoặc hợp chất của chúng; lớp phun đó tạo nên màng oxit gốm liên kết bền nhiệt ( chịu đ•ợc nhiệt độ cao ). 17
Hợp kim MCrAl đ•ợc ứng dụng để tạo các lớp phun bảo vệ, và patent giới thiệu các lớp nh• vậy với 5  40 % crom, 8  35% nhôm, 0,1  2% nguyên tố hoạt tính oxy từ nhóm III b của bảng tuần hoàn, gồm lantan và actinid hoặc hỗn hợp của chúng, 0,1  7% silic, 0,1  3% coban, chất bảo trì là niken hoặc coban. Các hợp kim MCrAl đ•ợc phun phủ bằng ph•ơng pháp plasma. Lớp hợp kim MCrAl đặc biệt chứa 18% crom, 23% coban, 12,5% nhôm và 0,3% ytri với chất bảo trì là niken đ•ợc ứng dụng để làm vật liệu nền. Lớp hợp kim này có bề mặt nhẵn bóng và đ•ợc phun một lớp oxit nhôm và tiếp đến là lớp gốm cách nhiệt. Trong cấu trúc vi mô hình trụ của lớp phun chịu nhiệt, các tinh thể hình trụ đ•ợc sắp xếp vuông góc với mặt của kim loại cơ bản. Oxit ziriconi ổn định đ•ợc làm vật liệu gốm. * Tóm tắt patent Mục đích của patent là khắc phục những nh•ợc điểm và tồn tại về cấu trúc của các lớp phun tr•ớc đó bằng cách cung cấp cho các chi tiết máy tuabin khí nh• cánh tuabin, một lớp nh• gốm chịu nhiệt bảo vệ. Mục đích khác nữa là tạo đ•ợc một sản phẩm có nền kim loại với lớp phun bền nhiệt trên bề mặt hệ oxit kim loại hỗn hợp đ•ợc chọn từ nhóm lantan, aluminat và canxi ziriconat, trong đó canxi có thể đ•ợc thay thế từng phần bởi ít nhất một nguyên tố thay thế canxi. Nguyên tố thay thế canxi đ•ợc nêu trong patent là stroti ( Sr ) hoặc bari ( Ba ). Lantan trong lantan aluminat có thể đ•ợc thay thế từng phần bởi ít nhất một nguyên tố trong thể lantan thuộc nhóm lantanit, đặc biệt là gadoli ( Gd). Các quá trình tạo lớp phun nêu trên đ•ợc thực hiện bằng ph•ơng pháp phun plasma hoặc phun bay hơi. Patent đ•ợc áp dụng thích hợp nhất cho các chi tiết máy tuabin khí, nh• cánh tuabin, van chủ hoặc các phần tử bảo vệ nhiệt làm từ hợp kim “ siêu cao” nền niken, coban hoặc crom. 1.3.3. Patent No US2003157363 ( của Mỹ ) - Hệ thống các lớp phun plasma bền nhiệt ( Plasma Spraying Thermal Bond Coat System ) * Cơ sở của Patent Ng•ời ta luôn tìm cách tăng nhiệt độ công tác của các máy tuabin khí để nâng cao hiệu suất của chúng. Tuy nhiên, khi nhiệt độ công tác tăng thì độ bền nhiệt của các chi tiết cũng phải tăng t•ơng ứng. Việc ứng dụng các hợp kim “ siêu cao ” nền niken và coban đã mang lại những thành quả đáng kể về khả năng làm việc ở nhiệt độ cao của 18
các chi tiết máy tuabin khí, tuy nhiên bản thân các hợp kim nh• vậy thông th•ờng không thích ứng với việc tạo các phần tử nằm trong một số kết cấu của máy tuabin khí, nh• tuabin, buồng đốt và tăng áp. Giải pháp chung là làm cách nhiệt các phần tử nh• vậy khỏi các khí nóng nhằm giảm thiểu nhiệt độ công tác của chúng và ngăn ngừa tác dụng phá hoại của các khí oxy hoá hoạt tính nóng và ăn mòn. Nhằm mục đích này các hệ thống phủ bền nhiệt ( thermal barrier coating - TBC systems ) trên bề mặt các chi tiết làm việc ở nhiệt độ cao có ứng dụng rộng rãi. Để có hiệu quả, các hệ thống tuabin khí phải đ•ợc phủ lớp có độ dẫn nhiệt thấp, độ bám dính tốt với chi tiết và duy trì đ•ợc độ bám này qua các chu kỳ đốt nóng và làm lạnh. Chúng cũng phải bảo vệ đ•ợc kim loại nền ở bên d•ới khỏi sự phá huỷ của môi tr•ờng. Độ bám dính với chi tiết là một yêu cầu kỹ thuật đối với các hệ số dãn nở nhiệt khác nhau giữa các vật liệu có độ dẫn nhiệt thấp nh• vật liệu gốm th•ờng dùng để tạo ra các lớp phủ bền nhiệt, và các “ siêu ” hợp kim dùng để chế tạo các chi tiết máy tuabin. Để đáp ứng yêu cầu trên các hệ thống TBC cần có một lớp trung gian kim loại làm lớp trung gian với hệ số dãn nở nhiệt nằm giữa vật liệu cơ bản và vật liệu gốm dùng cho các lớp phủ bền nhiệt. Chính lớp trung gian này tạo nên oxit bền nhiệt ( thermally grown oxide - TGO ) nhằm nâng cao độ bám của TBC phủ lên nó. Có nhiều vật liệu gốm đ•ợc ứng dụng làm lớp gốm nh• oxit ziriconi (ZrO2) ổn định bởi oxit ytri ( 2O3), oxit mage (MgO ), oxit xeri (CeO2 ), oxit scandi (Sc2O3) .v.v Chúng đ•ợc dùng rộng rãi bởi thích hợp với công nghệ phun plasma, phun ngọn lửa và kỹ thuật phủ bốc hơi vật lý. Lớp trung gian đ•ợc tạo bởi hợp kim chứa nhôm chống oxy hoá nhằm tăng độ bám dính của lớp gốm đối với vật liệu nền. Nó còn có tác dụng nâng cao tính chống phân huỷ của TBC. Các ví dụ về lớp trung gian: MCrAl ( ở đây M là sắt, cacbon, hoặc niken ), các lớp phủ khuếch tán nh• niken aluminit, platin aluminit và pha beta NiAl là những kim loại trung gian nền nhôm chống oxy hoá. Khi đ•ợc dùng làm lớp phun bảo vệ hoặc lớp trung gian cho TBC, nhôm bị hao hụt bởi sự khuếch tán trung gian vào vật liệu “siêu ” hợp kim. Có thể l•ợng nhôm trong lớp trung gian đ•ợc dùng hết để ngăn chặn sự phát triển tiếp của lớp màng oxyt nhôm bảo vệ, ứng suất trong TGO tăng đáng kể, đồng thời có thể xảy ra sự phá huỷ tại mặt trung gian giữa lớp trung gian và lớp phun gốm. 19
Sự tăng hàm l•ợng các nguyên tố nh• niken, crom, titan, tantan và molipden trong đó TGO có thể làm tăng tốc độ phát triển của các màng oxit và tạo nên các lớp không bám dính trên mặt lớp trung gian làm mất khả năng dính bám của lớp gốm. Các ph•ơng pháp đ•ợc chọn để thực hiện hiệu quả quá trình phun tạo một lớp trung gian mỏng hơn, giá thành thấp hơn là ph•ơng pháp phun plasma không khí ( Air Plasma Spray- APS ) và ph•ơng pháp phun plasma áp suất thấp ( Low Pressure plasma Spray- LPPS). Quá trình nh• vậy chắc hẳn sẽ cải thiện đ•ợc độ bền và tuổi thọ của lớp phun bền nhiệt. * Tóm tắt patent Patent trình bày một ph•ơng pháp tạo hệ thống phun chịu nhiệt trên các chi tiết làm việc trong môi tr•ờng nhiệt độ cao của máy tuabin khí. Hệ thống phun gồm một lớp gốm và một lớp trung gian kim loại trung gian niken- nhôm pha beta ( -NiAl) làm tăng độ bám dính của lớp gốm đối với kim loại nền. Màng mỏng oxit nhôm hình thành trên bề mặt pha -NiAl trong quá trình xử lý nhiệt. Một lớp bổ sung của oxit nhôm có thể đ•ợc hình thành trên mặt chi tiết tr•ớc khi phun lớp trung gian -NiAl hoặc hình thành ngay sau khi phun lớp này, trong cả hai tr•ờng hợp nói trên oxit nhôm khuếch tán làm dính kết lớp gốm với bề mặt chi tiết. Có nhiều ph•ơng pháp phun phủ có thể thực hiện lớp phun -NiAl trên mặt chi tiết, chẳng hạn phun khí đốt oxy tốc độ cao ( High Velocity Oxyfuel - HVOF ), phun plasma không khí ( APS- Air Plasma Spraying ).v.v Ph•ơng pháp HVOF cho lớp phun ( lớp trung gian ) mịn và chặt bởi nó làm nóng chảy bột mịn và không oxy hoá chúng. Ph•ơng pháp APS sử dụng bột thô hơn nên cho lớp phun có mặt ngoài ráp hơn, có lợi cho việc nâng cao độ bám dính của TBC. Theo patent, -NiAl có thể chứa các các nguyên tố hợp kim hoá độn vào niken và nhôm để tăng độ bền trong môi tr•ờng của -NiAl. Các nguyên tố hợp kim hoá đó là crom và ziriconi.Có thể dùng coban để thay thế một phần niken. Hàm l•ợng crom và ziriconi trong -NiAl có thể thay đổi t•ơng ứng 0  20% và 0,1  2,4% trọng l•ợng. Hàm l•ợng hafini trong -NiAl có thể chứa khoảng 0,1  1,7% trọng l•ợng. Ziriconi và hafini cải thiện độ bám của lớp oxit trung gian. Việc sử dụng ph•ơng pháp phun plasma không khí ( APS ) để tạo lớp trung gian -NiAl có tính •u việt cao hơn so với ph•ơng pháp phun plasma áp suất thấp ( LPPS ) bởi thiết bị APS rẻ hơn và công nghệ đơn giản hơn rất nhiều so với LPPS. 20
Lớp bột -NiAl dùng cho APS có chiều dày từ 20  80 micron. Sau khi phun, lớp trung gian có thể đ•ợc xử lý nhiệt ở nhiệt độ 1800 - 21000F trong 14h để tạo sự liên kết hợp kim chắc hơn giữa vật liệu nền- hợp kim “ siêu cao ” nền niken và lớp phủ -NiAl. Nếu oxit nhôm khuếch tán đ•ợc ứng dụng thì sự xử lý nhiệt cũng đ•ợc tiến hành đồng thời với sự xử lý nhiệt đối với -NiAl. 1.4. Tình hình nghiên cứu trong n•ớc Từ giữa những năm 1970 công nghệ phun kim loại là một trong ba đề tài trọng điểm Nhà n•ớc ( Hàn, Phun, Mạ ) do Viện kỹ thuật Giao thông chủ trì. Công nghệ phun đ•ợc tiến hành trên máy phun hồ quang hai dây của Tiệp Khắc và của Liên Xô. Vật liệu phun là dây thép lò xo cấp II ( 0,6% C ), dây đồng, dây nhôm và dây thép hợp kim crom- niken. Kết quả nghiên cứu đã đ•ợc ứng dụng để phục hồi các chi tiết mài mòn nh• trục khuỷu bằng gang, thép, các loại trục thẳng, các quả lô, trục máy bơm thuỷ lợi. Cho đến nay công nghệ này vẫn đ•ợc ứng dụng có kết quả ổn định trong việc phục hồi các chi tiết nói trên và các chi tiết khác. Công nghệ phun hồ quang hai dây đồng, kẽm, nhôm cũng đ•ợc tiến hành nghiên cứu tại Viện kỹ thuật Giao thông ( nay là Viện khoa học công nghệ GTVT ) và đ•ợc ứng dụng để phun bảo vệ các chi tiết làm việc trong môi tr•ờng xâm thực. Sau khi đất n•ớc thống nhất ( 1975 ) ng•ời ta cũng nhìn thấy một số đầu phun khí của hãng METCO tại một số nhà máy xí nghiệp Miền Nam ( nhà máy Carip, xí nghiệp Toa Xe Sài Gòn .v.v ), nh•ng không thấy có các dấu hiệu phun ở đây. Sau năm 1975 đ•ợc sự giúp đỡ của cộng hoà liên bang Nga, Binh chủng Phòng không - Không quân đã tiến hành một số hoạt động trong lĩnh vực phun phủ nhiệt khí để phục hồi các chi tiết có chế độ làm việc khắc nghiệt mà mục tiêu chủ yếu là một số chi tiết thuộc động cơ máy bay. Công x•ởng A42 ( thuộc Binh chủng Phòng không Không quân ) đ•ợc trang bị 3 hệ thống thiết bị phun phủ nhiệt: - Phun phủ nhiệt khí dùng bột - Phun phủ nhiệt khí dùng dây - Phun phủ plasma (do Mỹ sản xuất) với: o Thiết bị xử lý bề mặt tr•ớc khi phun; o Thiết bị xử lý bột phun ; o Thiết bị phun phủ. 21
Công x•ởng A42 đ•ợc Nga hỗ trợ kỹ thuật, trang thiết bị. Vì vậy, quá trình nghiên cứu ứng dụng từ khâu kiểm tra đánh giá phân loại sản phẩm sau một số chu kỳ làm việc, đến việc xác lập quy trình công nghệ phun phủ phục hồi đều do chuyên gia Nga chỉ đạo, giám sát thực hiện. Công x•ởng A42 chủ yếu tập trung khai thác hệ thống phun phủ plasma để từng b•ớc phục hồi một số cánh tuabin động cơ máy bay sau một số chu kỳ làm việc bị bong tróc lớp phủ do làm việc trong các điều kiện áp suất lớn và nhiệt độ cao ( tới 8000C đối với cánh tuabin tầng 1 và 1200  13000C đối với cánh tầng 2 và 3 ). Song song với việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt phục hồi các chi tiết có chế độ làm việc khắc nghiệt, việc nghiên cứu chế tạo vật liệu phun phủ nh• bột, dây cũng đ•ợc chú trọng. ở một số đơn vị nh• Trung tâm kỹ thuật - Tổng cục công nghiệp Quốc phòng, Viện Viện nghiên cứu cơ khí - Bộ công nghiệp đã chế tạo một số loại bột phun nh• sau : NiCrAl, NiCr, NiCrBSo, Al2O3, ZRO2. Tuy nhiên chỉ mới dừng ở giai đoạn thử nghiệm. Song song với việc nghiên cứu công nghệ phun tiến hành trên các máy phun nhập ngoại, trong những năm 80 của thế kỷ tr•ớc một vài cơ sở nghiên cứu ( Viện nghiên cứu máy - Bộ Công nghiệp, Viện công nghệ - Bộ Quốc phòng ) cũng đã tiến hành nghiên cứu thiết kế chế tạo đầu phun plasma nh•ng kết quả hạn chế và không có ứng dụng thực tế. Trong khoảng thời gian 10 năm gần đây, khi công nghệ phun nhiệt phục hồi chi tiết máy vẫn giữ đ•ợc ở mức độ sản xuất đơn chiếc, lẻ tẻ ở một vài cơ sở nghiên cứu thì công nghệ phun bảo vệ phát triển khá mạnh mẽ. Hàng vạn mét vuông giàn khoan dầu khí đ•ợc phun bảo vệ bằng máy phun cầm tay íM-14 của Nga; Viện Nghiên cứu Cơ khí đã thực hiện công việc này. Tóm lại, các công nghệ phục hồi chi tiết máy nói chung và công nghệ phun phục hồi nói riêng, tuy đã hình thành gần nửa thế kỷ nay, nh•ng ch•a phát triển đáng kể. Hơn thế nữa, công nghệ phun đã đ•ợc nghiên cứu trong mấy chục năm qua là công nghệ truyền thống, chỉ phục hồi đ•ợc một số chi tiết máy làm việc trong điều kiện có bôi trơn. Các chi tiết máy làm việc trong điều kiện khắc nghiệt ở nhiệt độ cao trong môi tr•ờng xâm thực và ăn mòn ch•a đ•ợc nghiên cứu phục hồi bằng ph•ơng pháp này. 22
Tuy vậy, tiền đề cho việc nghiên cứu phục hồi các chi tiết máy nói trên đã đ•ợc xác lập. Đó là các máy phun hiện đại để tiến hành nghiên cứu công nghệ phun đã đ•ợc xây lắp tại Phòng thí nghiệm Hàn - Viện nghiên cứu Cơ khí ( Bộ Công nghiệp ). 1.5. Các lớp phun chịu nhiệt độ cao Các kết quả khảo sát thực tế ( mục 1.1 và phụ lục 1 ) cũng nh• các tài liệu đẫ dẫn ( mục 1.2 ) cho thấy tầm quan trọng của các lớp phun trên bề mặt các chi tiết làm việc trong các điều kiện khắc nghiệt ( nhiệt độ cao, ăn mòn và mài mòn ). Nhiều tài liệu n•ớc ngoài đã giới thiệu về tác dụng của các lớp phun chịu nhiệt ( Thermal Barrier Coatings - TBC ) và ph•ơng pháp hình thành chúng [9], [10], [12] Chỉ cần lấy một loại máy tuabin khí tải trọng năng MS6001 làm ví dụ so sánh cũng dễ thấy xu thế ngày càng phát triển mạnh của các máy tuabin khí làm việc ở nhiệt độ cao ( hình 1-4 và bảng 1- 2 ). Nhiệt độ cháy càng cao thì công suất ra của máy càng lớn và hiệu suất của nó càng cao. Hiện nay hiệu suất công tác của các máy tuabin đã đạt tới 60% và dự báo trong t•ơng lai gần sẽ tiếp tục xuất hiện những máy tuabin khí với nhiệt độ cháy cao hơn, áp suất công tác lớn hơn và do đó công suất ra cao hơn [3]. Để đáp ứng đ•ợc các yêu cầu ngày càng cao của các máy tuabin khí làm việc ở nhiệt độ cao và tải trọng nặng ng•ời ta đã nghiên cứu sản xuất các vật liệu mới - vật liệu “siêu hợp kim” hay hợp kim “siêu cao” với những đặc tính nổi trội: độ bền chống gỉ, chống ăn mòn, chống nhiệt. Tuy nhiên, không thể có đ•ợc một thứ vật liệu “lý t•ởng” nào lại có thể đáp ứng đ•ợc đầy đủ các yêu cầu của các máy tuabin khí hiện đại với công suất lớn nh• hiện nay, và cả trong t•ơng lai gần. Hình 1- 4 chỉ khuynh h•ớng tăng nhiệt độ của máy tuabin khí và khả năng đáp ứng của hợp kim. Thành phần của các hợp kim “siêu cao” đ•ợc giới thiệu trong bảng 1-3. Khả năng chịu đ•ợc nhiệt độ cao nhất của vật liệu cũng chỉ đạt 1600oF/870oC cho dù đ•ợc làm mát bằng mọi cách. Vì vậy không thể thiếu đ•ợc các lớp phun phủ để bảo vệ chúng. 23
Nhiệt độ, 0C Hình 1-4 : Khuynh h•ớng nhiệt độ cao và khả năng đáp ứng của vật liệu: AC - làm lạnh bằng không khí bình th•ờng; DS - làm lạnh bằng không khí gia tăng; SC- làm lạnh bằng hơi n•ớc [14]. Bảng 1-2: Xu h•ớng phát triển của tuabin khí tải trọng nặng [2] Công suất Kiểu Năm Nhiệt độ Công suất Tốc độ nhiệt Nhiệt độ dòng ra tuabin SX cháy oF/oC ra KW BTU/kwh ra, oF/oC 103lb/h MS6431A 1978 1850/1010 31,050 11,220 1,077 891/477 MS6441A 1979 1850/1010 31,800 11,250 1,112 901/483 MS6521B 1981 2020/1104 36,730 11,120 1,117 1017/547 PG6531B 1983 2020/1104 37,300 10,870 1,115 1005/541 PG6541B 1987 2020/1104 38,140 10,900 1,117 999/537 PG6551B 1995 2020/1104 39,120 10,740 1,137 1003/539 PG6561B 1997 2020/1104 39,620 10,740 1,145 989/532 PG6571B 1997 2077/1136 40,590 10,600 1,160 1005/541 PG6581B 2000 2084/1140 41,460 10,724 1,166 1016/546 Bảng 1- 3 : Thành phần hoá học (%) của các hợp kim nhiệt độ cao dùng cho đế cánh tuabin [12] Mác Cr Ni Co Fe W Mo Ti Al Cb C B Ta U500 18,5 Nền 18,5 - - 4 3 3 - 0,07 0,006 - U700 15 Nền 17 - - 5,3 3,35 4,2 - 0,07 0,02 - IN738 16 Nền 8,3 0,2 2,6 1,75 3,4 3,4 0,9 0,10 0,001 1,75 GID111 14 Nền 9,5 - 3,8 1,5 4,9 3,0 - 0,10 0,01 2,8 24
Mục đích đầu tiên của các lớp phun là bảo vệ các chi tiết và kết cấu trong máy tuabin khí tải trọng nặng khỏi gỉ, oxy hoá và sự giảm các tính chất cơ học. Rất khó có thể đáp ứng đ•ợc cả hai yêu cầu về chống gỉ, chống oxy hoá và duy trì đ•ợc độ bền cao nếu chỉ sử dụng siêu hợp kim mà không sử dụng các lớp phủ. Vì vậy xu h•ớng tăng nhiệt độ cháy đòi hỏi sự ứng dụng các lớp phủ bảo vệ. Vai trò của tất cả các lớp phun là cung cấp cho bề mặt vật liệu dự trữ các nguyên tố tạo nên các lớp phun oxit dính bám tốt để bảo vệ vật liệu nền khỏi bị oxy hoá, gỉ và sự giảm độ bền. Các lớp phun đầu tiên áp dụng trong tuabin khí máy bay đ•ợc sử dụng từ oxit nhôm khuếch tán (đầu những năm 1960). Nó đ•ợc ứng dụng trong tuabin khí tải trọng nặng nh•ng không thích ứng đ•ợc bởi các chất tạp với l•ợng lớn và l•u lại lâu trong máy, làm tăng tốc hiện t•ợng gỉ nóng. L•ợng chất tạp của dầu và không khí càng lớn thì thời gian công tác của vật liệu tuabin càng giảm [3] (hình 1 - 5). Ngoài gỉ nóng, khi nhiệt độ cháy của tuabin khí càng cao, thì sự oxi hoá ở nhiệt độ cao càng mạnh. Gỉ nóng là dạng tấn công nhanh có liên quan tới các chất tạp kiềm nh• natri và kali phản ứng với l•u huỳnh trong dầu tạo thành các sunfit lỏng. Sự có mặt chỉ vài phần triệu các chất tạp nh• vậy trong dầu hoặc % tạp chất trong không khí là đủ để Hình 1.5. ảnh h•ởng của chất tạp gây nên sự gỉ. Ngoài các dầu - không khí - n•ớc đối với độ bền chống gỉ của chi tiết [2] kim loại kiềm nh• Na và K còn có các nguyên tố hoá học khác ảnh h•ởng hoặc gây gỉ nh• vanadi và chì. Có hai dạng gỉ công nghiệp: dạng I - gỉ nóng nhiệt độ cao và dạng II - gỉ nóng nhiệt độ thấp. Gỉ nóng nhiệt độ cao là dạng oxy hoá mãnh liệt xảy ra ở nhiệt độ 816 o đến 927 C khi có mặt của sunphat natri (Na2SO4). Sunphat natri phát sinh trong quá trình cháy bởi phản ứng giữa natri, l•u huỳnh và oxy. L•u huỳnh là chất tạp tự nhiên trong dầu. Gỉ nóng nhiệt độ thấp là một cơ chế riêng biệt của tấn công gỉ. Sự tấn công đó có thể gia tăng khi có điều kiện. Nó xảy ra ở khoảng nhiệt độ 593  760oC d•ới áp suất 25
cục bộ t•ơng đối lớn của SO2. Nó gây bởi các hợp chất eutectic nóng chảy khi đốt cháy sunphat natri và một số thành phần hợp kim nh• niken và coban. Sự oxy hoá kim loại xuất hiện khi các nguyên tử oxy kết hợp với các nguyên tử kim loại tạo thành các màng oxit. Nhiệt độ càng cao thì quá trình đó xảy ra càng nhanh tạo nên tiềm lực phá huỷ kết cấu nếu vật liệu nền bị tiêu hao quá nhiều bởi các oxit đó. ở những nhiệt độ cao hơn 899oC có thể xảy ra sự oxy hoá t•ơng đối mạnh trừ khi có vật cản sự khuếch tán của oxy trên mặt kim loại. Oxit nhôm sẽ hình thành trên bề mặt siêu hợp kim ở nhiệt độ cao nếu l•ợng nhôm của siêu hợp kim đó đủ lớn. Tuy nhiên, nhiều siêu hợp kim độ bền cao đ•ợc sử dụng hiện nay không thể tạo đ•ợc đủ các màng bảo vệ bởi vì các yêu cầu về thành phần để nhận đ•ợc các tính chất khác, nh• độ bền cao và tính ổn định về luyện kim, không cho phép tối •u hoá độ bền chống gỉ và oxy hoá của các siêu hợp kim. Tóm lại, cả hai hiện t•ợng gỉ và oxy hoá đều xảy ra ở nhiệt độ cao và đặc biệt nghiêm trọng khi môi tr•ờng công tác của chi tiết máy bị nhiễm bẩn nh• tuabin khí. Điều đó, một lần nữa, nói lên vai trò cực kỳ quan trọng của các lớp phun nhiệt độ cao (hay các lớp phủ bền nhiệt - Thermal Barier Coatings - TBCs). Các lớp phun bền nhiệt TBCs đ•ợc áp dụng cho các chi tiết và kết cấu để cung cấp một lớp cách ly làm giảm nhiệt độ vật liệu nền và giảm bớt ảnh h•ởng của sự phân bố không đồng đều của nhiệt độ khí nóng. TBCs đ•ợc cấu thành từ hai lớp - lớp trung gian(lớp d•ới) và lớp phủ (lớp trên). Tuỳ thuộc vào yêu cầu về chiều dày bảo vệ của các chi tiết máy các lớp phủ đ•ợc chia thành hai loại: loại A với chiều dày lớp trung gian 0,3556mm + chiều dày lớp phủ 0,1016mm và loại B - lớp trung gian 0,508mm + lớp phủ 0,0508mm. TBCs có những đặc tính sau: - Chiều dày lớp phun 0,379  0,633 mm - Cách ly - xốp - Phun Plasma trong không khí - Hai lớp: lớp trung gianbột NiCrAlY và lớp phủ ziriconi ổn định hoá bằng ytri. Tính •u việt của TBCs: 26
- Giảm nhiệt độ kim loại của các phần tử làm lạnh. Mỗi 0,025 mm chiều dày lớp phủ giảm đ•ợc 4,3  7,00C. - Chống oxy hoá của môi tr•ờng và chống nhiệt độ cao. Từ các khảo sát trên có thể kết luận: * Các chi tiết và kết cấu máy tuabin khí tải trọng nặng cần đ•ợc phun phủ một lớp bảo vệ chống gỉ, chống oxy hoá và bảo vệ các tính chất cơ học. * Lớp bảo vệ chịu nhiệt độ cao tạo bởi Lớp trung gianNiCrAl và lớp phủ ziricon ổn định hoá bởi ytri, hoặc các chất khác có đặc tính chịu nhiệt cao. 27
Ch•ơng 2 chọn ph•ơng pháp và đối t•ợng nghiên cứu 2.1. Chọn ph•ơng pháp phun để nghiên cứu Sự chọn ph•ơng pháp phun nhiệt để nghiên cứu phải dựa trên ba yếu tố cơ bản: 1- Nhu cầu và tính chất công tác của sản phẩm ( phục hồi ). 2- Khả năng cung ứng thiết bị và vật liệu đảm bảo cho công việc nghiên cứu và ứng dụng có kết quả. 3- Trình độ sử dụng máy móc và khả năng nghiên cứu của các đơn vị thực hiện đề tài. D•ới đây sẽ phân tích các yếu tố nói trên. 2.1.1. Nhu cầu về tính chất công tác của sản phẩm Không phải bất kỳ chi tiết máy nào h• hỏng và mài mòn cũng có thể phục hồi đ•ợc, hơn thế nữa lại phục hồi bằng ph•ơng pháp phun. Do đặc tính công nghệ của mình ( sẽ đ•ợc trình bày ở ch•ơng 3 ), ph•ơng pháp phun nhiệt cho phép nhận đ•ợc lớp kim loại đắp ( lớp phun ) có các tính chất cơ lý thấp. Nh•ng bù vào đó, lớp phun- tuỳ thuộc vào vật liệu phun- có những tính chất đặc biệt mà các lớp đắp thực hiện bằng các ph•ơng pháp khác ( nh• mạ, hàn.v.v ) không có đ•ợc do tính phức tạp của quá trình công nghệ. Các chi tiết máy có thể đ•ợc phục hồi bằng phun nhiệt bao gồm: a. Các chi tiết dạng trục làm việc trong điều kiện bội trơn ( nh• trục khuỷu, trục cam.v.v ) và không bôi trơn ( trục máy bơm thuỷ lợi, cổ trục lắp bi .v.v ). b. Các chi tiết dạng lỗ làm việc trong điều kiện chịu áp lực nén ( lỗ lắp bi ) và xâm thực ( buồng công tác của máy bơm thuỷ lợi ). c. Các chi tiết làm việc trong điều kiện khắc nghiệt ở nhiệt độ cao ( cánh tuabin khí, ống vòi voi .v.v ) và môi tr•ờng ăn mòn ( cánh tuabin n•ớc, đế giàn khoan .v.v ). Tài liệu đã dẫn [1.4] cho thấy hầu hết các chi tiết nhóm a và nhóm b đã đ•ợc nghiên cứu phục hồi có kết quả, các chi tiết nhóm c ch•a đ•ợc đề cập đến nhiều, đặc biệt là các chi tiết làm việc trong điều kiện khắc nghiệt ở nhiệt độ cao ( cánh tuabin khí, ống vòi voi ). D•ới đây chúng ta sẽ tìm hiểu thêm về nhu cầu phục hồi của các chi tiết này. 28
Hiện nay, tổng công suất tuabin khí ( TBK ) và chu trình hỗn hợp trong các nhà máy nhiệt điện tại Việt Nam là 1826 MW, bao gồm các TBK loại 701F2 ( MHI Nhật Bản ), GT13E2 ( Alsstoms- ABB- Thuỵ Sỹ ), V94.2 ( Siemens, Đức), F5,F6 ( GE- Mỹ ). Ước tính trong vòng một vài năm tới, công suất các nhà máy TBK và chu trình hỗn hợp sẽ tăng gấp hai lần. Trung bình mỗi tổ máy TBK có 300  585 cánh tuabin. Tính đặc thù của hệ thống TBK ( Gas- Tuabin ) là các bộ phận chi tiết bên trong làm việc trực tiếp với khí nóng ở nhiệt độ cao và áp lực lớn. Nhiệt độ đầu vào của TBK ( tại Việt Nam hiện nay ) cao nhất là hệ thống TBK701F2 ( 13730 ), các TBK khác từ 11000  12000C. Nhiệt độ ra khỏi tầng cánh cuối cùng của các TBK từ 4500  5500C. Do phải làm việc trong điều kiện khắc nghiệt nh• vậy ( nhiệt độ môi chất và áp lực làm việc rất cao ) nên bề mặt các chi tiết nh• buồng đốt, các ống dẫn lửa, các loại chèn nhiệt và đặc biệt là các tầng cánh TBK đ•ợc phun một lớp vật liệu bảo vệ nhiệt ( gốm hoặc các kim loại hợp kim chịu nhiệt ). Các lớp phun này phải đảm bảo khả năng bền nhiệt rất cao ( hàng nghìn độ C ), khả năng chịu mài mòn và bám dính cao trong chu kỳ vận hành của tổ máy. Mặc dù đ•ợc thiết kế bảo vệ nhiệt cao nh•ng các chi tiết phần nóng của TBK vẫn bị h• hỏng nặng nề sau một chu kỳ làm việc ( từ 24.000h  33.000h vận hành t•ơng đ•ơng EOH ). Sau khoảng thời gian đó, các chi tiết máy đ•ợc tháo ra, tiến hành sửa chữa phục hồi để tiếp tục sử dụng cho một chu kỳ vận hành mới. Các công đoạn sửa chữa phục hồi th•ờng bao gồm các b•ớc sau: Kiểm tra phân loại sản phẩm thành hai nhóm: Phục hồi đ•ợc và không phục hồi đ•ợc ( đối với chi tiết tuabin khí hiện nay vẫn phải thuê n•ớc ngoài kiểm tra đánh giá phân loại ). Nhóm nằm trong diện phục hồi tiếp tục lấy mẫu kiểm tra kim t•ơng bằng máy cắt điện cực hoặc lade, kính hiển bi điện tử, bằng thí nghiệm không phá huỷ. Làm sạch bề mặt bằng công nghệ phun cắt kim loại bảo vệ chống han gỉ và công nghệ bốc hơi dầu mỡ. Hàn các vết nứt tế vi bằng công nghệ hàn đặc biệt trong môi tr•ờng bảo vệ, hàn áp lực hoặc hàn đồng. Phục hồi cấu trúc tế vi của kim loại bằng công nghệ nhiệt luyện trong lò nung chân không, kiểm tra bằng kính hiển vi điện tử, siêu âm, chụp ảnh x-quang hoặc thí nghiệm không phá huỷ. 29
Phun lớp vật liệu chịu nhiệt bằng công nghệ phun plasma đối với các chi tiết chịu nhiệt độ cao. Kiểm tra chất l•ợng, bao gói xuất x•ởng. Hiện nay, các TBK của các nhà máy nhiệt điện chạy bằng nhiên liệu dầu DO, khí gas và khi không đủ khí, một số TBK ( F6, V94.2 ) đ•ợc vận hành hỗn hợp nhiên liệu khí- DO. Trong thời gian tới, các nhà máy nhiệt điện dùng TBK sẽ đ•ợc cấp khí thiên nhiên khai thác từ các vùng biển của Việt Nam. Việc sử dụng dầu DO làm nhiên liệu đốt th•ờng có nhiệt độ khí nóng cao hơn khí đốt. Ngoài ra, trong thành phần dầu DO vẫn tồn tại thành phần kim loại vanadi và l•u huỳnh cao hơn nhiều so với khí đốt, do đó tác động ăn mòn kim loại ở nhiệt độ cao nhanh hơn. Chính vì vậy, hiện nay các chi tiết trong tổ hợp TBK rất nhanh bị bong tróc lớp vật liệu phủ và từ đó sẽ tác động gây ra các vết nứt tế vi trên bề mặt các chi tiết- đặc biệt là chi tiết cánh TBK. Để nâng cao hiệu suất, giảm tổn thất nhiệt, công nghệ TBK th•ờng áp dụng kỹ thuật đốt có ngọn lửa ngắn, nhanh chóng chuyển tiếp từ buồng đốt tới tầng cánh sinh công thứ nhất của tuabin và tăng nhiệt độ khí cháy đầu vào tuabin. Công nghệ này càng đòi hỏi vật liệu cánh, công nghệ làm mát và công nghệ vật liệu phun cao hơn, nếu không tuổi thọ chi tiết sẽ giảm và chi phí bảo d•ỡng, sửa chữa cao hơn. Vấn đề nổi cộm nhất đối với TBK trong ngành điện hiện nay là chi phí bảo d•ỡng rất cao. Việc cung cấp phụ tùng thay thế và việc phục hồi sửa chữa các chi tiết hầu nh• phụ thuộc hoàn toàn vào các nhà cung cấp thiết bị và có thể coi đây là sự độc quyền của họ. Ng•ời sử dụng hầu nh• không thể kiểm soát đ•ợc giá cả và chất l•ợng của các dịch vụ đó. Hậu quả là, cứ mỗi kỳ sửa chữa cấp đại tu phải chi phí hàng chục tỷ đồng cho một cỗ máy tuabin khí ( ch•ơng 1). Trong quá trình khảo sát thực tiễn tại các nhà máy điện đang sử dụng tổ hợp thiết bị TBK, nhóm thực hiện đề tài đã xác định và thống kê đ•ợc các dạng hỏng chủ yếu của chi tiết cánh tuabin ( phụ lục 1). Nh• vậy, nhu cầu phục hồi các chi tiết TBK là hết sức to lớn và bức xúc. Việc phục hồi thành công các chi tiết nói trên có ý nghĩa to lớn về khoa học và kinh tế kỹ thuật, đồng thời giúp ng•ời tiêu dùng chủ động trong việc khai thác máy móc không phụ thuộc vào các nhà máy cung cấp thiết bị nh• hiện nay. 2.1.2. Khả năng cung ứng thiết bị và vật liệu phun Các số liệu đã dẫn [1-4] cho thấy trong khoảng 35 năm qua Nhà n•ớc ta ch•a 30
nhập đ•ợc một thiết bị phun nào có đủ các yêu cầu cần thiết cho việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun phục hồi các chi tiết máy làm việc trong điều kiện khắc nghiệt nh• đã trình bày. Có thể nói, đó là một điều đáng tiếc dẫn đến tình trạng bị động nh• hiện nay. Điều kiện làm việc cực kỳ khắc nghiệt của TBK đòi hỏi các chi tiết phải có đầy đủ các tính chất về cơ- lý- hoá ( độ bền, khả năng chịu nhiệt độ cao, độ bền chống ăn mòn .v.v ). Các nhà khoa học và sản xuất luôn bức xúc nghiên cứu tìm tòi các vật liệu đáp ứng các yêu cầu đó. Các vật liệu “ siêu hợp kim ” đã đ•ợc đ•a vào ứng dụng để sản xuất các chi tiết máy tuabin khí nh• cánh, đế cánh, khớp nối, hệ thống ống xả ( ống chuyển tiếp ) .v.v Tuy nhiên, không thể có đ•ợc một vật liệu “ lý t•ởng ” nào đáp ứng đ•ợc đầy đủ các yêu cầu của TBK. Độ bền lâu dài của các chi tiết TBK do đó giảm, hiệu suất công tác của TBK không cao. Để cải thiện tình hình đó các nhà khoa học đã nghiên cứu những công nghệ mới nhằm bảo vệ các chi tiết TBK. Một trong những công nghệ đó là phun phủ một lớp hợp kim đặc biệt. Lớp phun này không những phải có độ bám cao với kim loại nền, độ chặt ( độ liên kết giữa các hạt ) lớn, mà còn cả độ bền nhiệt cao ( lên tới 10000C và cao hơn ). Đây là lớp phủ bề mặt với hai loại vật liệu khác nhau - vật liệu liên kết và bảo vệ ( lớp d•ới ) và vật liệu chịu nhiệt ( lớp trên ) đ•ợc hình thành nhờ công nghệ phun plasma ( 1-5 ). Tất cả các yêu cầu nói trên về thiết bị và vật liệu phun đều đ•ợc đáp ứng bởi phòng thí nghiệm trung tâm của Viện nghiên cứu Cơ khí- Bộ Công nghiệp. Tại đây, có đầy đủ các thiết bị hiện đại về hàn và phun, cùng các vật liệu đặc biệt mới đ•ợc cung ứng đảm bảo phục hồi hoàn chỉnh các chi tiết máy làm việc trong điều kiện khắc nghiệt nh• cánh tuabin khí. 2.1.3. Trình độ cán bộ nghiên cứu Trên thực tế, cán bộ chuyên ngành phun không có nhiều. Một số cán bộ có trình độ tiến sĩ KHKT về phun tập trung ở tr•ờng ĐHBK Hà Nội. Có thể coi đây là một tiền đề cho sự hợp tác nghiên cứu có hiệu quả của đề tài. Tuy nhiên, lực l•ợng cán bộ nghiên cứu chính vẫn là Viện nghiên cứu Cơ khí- Phòng gia công áp lực và phòng thí nghiệm trung tâm, trong đó số cán bộ nghiên cứu trong cùng một lĩnh vực hàn và phun có tới vài chục ng•ời trình độ TS và KS, đã từng tham gia nghiên cứu nhiều năm. Trên cơ sở phân tích ba yêu tố trên và trong điều kiện thuận lợi hiếm có hiện nay về các chủng loại thiết bị và vật liệu, có thể chọn ph•ơng pháp phun nhiệt hồ 31
quang plasma với vật liệu phun dạng bột để tiến hành các nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài. 2.2. Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài Có thể nói “ Nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun nhiệt khí để tạo bề mặt có độ chịu mài mòn và độ bám cao phục hồi các chi tiết làm việc trong điều kiện khắc nghiệt ” là một đề tài lớn với nhiều nội dung phong phú và để hoàn thành mỹ mãn, phải tiến hành trong nhiều năm. Trong khoảng thời gian 3 4 năm đề tài cần đ•ợc giới hạn bởi các nhiệm vụ nghiên cứu. Trên cơ sở nhiệm vụ đ•ợc giao của Bộ Khoa học Công nghệ và kết quả khảo sát thực tế trong n•ớc nhóm đề tài đã xác định nhiệm vụ nghiên cứu nh• sau: a) Nghiên cứu tổng quan bao gồm việc tổng hợp tình hình nghiên cứu trong và ngoài n•ớc, các patents để xác định ph•ơng pháp công nghệ phun, xác định nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài. b) Nghiên cứu lý thuyết về các quá trình phun các quá trình tạo hạt và lớp phun bằng các công nghệ phun nhiệt, đặc biệt chú trọng công nghệ phun plasma là ph•ơng pháp đ•ợc chọn để tiến hành công tác nghiên cứu Đề tài; giới thiệu các ph•ơng pháp thí nghiệm xác định các tính chất của lớp phun. c) Thí nghiệm xác định chế độ phun tối •u trên máy phun hồ quang plasma và xác định các tính chất cơ lý của lớp phun. d) Phun phục hồi thử nghiệm trên một số chi tiết của tuabin khí - bao gồm việc tiến hành công nghệ phun plasma phục hồi 1 2 chi tiết ( thuộc một loại chi tiết), tiến hành lắp đặt chạy thử và báo cáo kết quả thí nghiệm của đề tài. 32
Ch•ơng 3 lý thuyết về các quá trình phun phủ nhiệt 3.1. Khái niệm chung Phun phủ nhiệt ( PPN ) là một nhóm các quá trình trong đó vật liệu phun d•ới dạng dây, thanh hoặc bột, đ•ợc đốt nóng chảy và d•ới tác dụng của luồng khí nén tạo thành các hạt nhỏ chuyển động với tốc độ cao tới bề mặt đ•ợc phun ( gọi là vật liệu cơ bản hoặc vật liệu nền ). Nguồn nhiệt đốt nóng vật liệu phun có thể là ngọn lửa oxy khí đốt, hồ quang điện plasma hoặc năng l•ợng nổ của hỗn hợp khí cháy. Đôi khi PPN còn đ•ợc gọi là “ phun kim loại ” ( metallizing, metal spraying ) hay “ phun ngọn lửa ” ( flame spraying ). Sơ đồ hệ thống phun phủ nhiệt khí đ•ợc giới thiệu trên hình 3.1 Vật phun Không khí nén lọc Tia phun Cơ cấu cấp dây Súng phun Oxi Khí đốt Hình 3.1. Sơ đồ hệ thống phun phủ nhiệt khí Thông th•ờng vật phun ( vật liệu cơ bản ) đ•ợc làm nhám tr•ớc khi phun bằng ph•ơng pháp phun bột oxit nhôm hoặc bột sắt. Khi các phần tử kim loại nóng chảy đập vào vật phun, chúng biến thành các phiến mỏng có dạng hình học khác nhau. Các phiến mỏng nhanh chóng nguội và đông cứng. Các lớp phiến mỏng liên tục đ•ợc tạo thành tới độ dày yêu cầu và chuyển thành cấu trúc lá mỏng. Sự liên kết giữa vật liệu cơ bản và vật liệu phun có thể là liên kết cơ học, hoá học hoặc sự kết hợp của chúng. Sự xử lý nhiệt sau khi phun cho phép tăng độ bền của lớp phun nhờ sự khuếch tán hoặc nhờ phản ứng hoá học giữa lớp phun và vật liệu cơ bản. 33
Độ chặt ( mật độ ) của lớp phun phụ thuộc vào vật liệu phun, ph•ơng pháp phun, điều kiện phun và sự xử lý nhiệt sau khi phun. Nói chung độ chặt của lớp phun bằng khoảng 85  90% độ chặt của vật liệu phun. Các tính chất của lớp phun phụ thuộc vào các yếu tố nh• độ xốp, độ dính giữa các hạt ( phần tử ) phun, độ bám của lớp phun với vật liệu cơ bản và thành phần hoá học của vật liệu phun. Các quá trình phun phủ nhiệt có thể phân thành hai nhóm trên cơ sở các ph•ơng pháp cấp nhiệt: Nhóm 1: sử dụng các khí cháy làm nguồn nhiệt, nhóm 2: sử dụng nguồn điện ( bảng 3.1 ). Bảng 3.1. Các nhóm phun phủ nhiệt Nhóm 1: Khí cháy Nhóm 2: Nguồn điện 1. Ngọn lửa d•ới âm tốc 1. Hồ quang điện 2. Ngọn lửa siêu âm 2. Hồ quang plasma 3. Plasma cảm ứng ghép Nhóm 1: Nhóm này gồm hai ph•ơng pháp phun: a. Phun ngọn lửa d•ới âm tốc ( subsonic ) và b. phun ngọn lửa siêu âm ( hypersonic ). Trong ph•ơng pháp a vật liệu phun đ•ợc nung chảy bởi ngọn lửa oxy- khí cháy. Nếu vật liệu phun là dây, thanh hoặc bột thì các phần tử nóng chảy đ•ợc đẩy tới vật phun bởi lực của ngọn lửa. Vật liệu phun đ•ợc phun lên vật phun theo từng lớp, mỗi lớp dày tới 130 m. Tổng chiều dày cho phép của lớp phun phụ thuộc vào nhiều yếu tố nh•: loại vật liệu phun và tính chất của chúng, dạng hình học của vật phun, các yêu cầu công tác của sản phẩm, xử lý nhiệt của sản phẩm sau khi phun .v.v Ph•ơng pháp phun siêu âm ( phun nổ ) khác nhiều so với ph•ơng pháp phun d•ới âm tốc về nguyên lý. ở đây các phần tử bột đ•ợc đốt nóng nhiều lần và phóng tới mặt vật phun bởi sự kích nổ nhanh và liên tục của hỗn hợp khí nổ oxy - acetylen trong buồng súng phun. Có thể sử dụng nhiều loại khí cháy nh• propylen, hydro, propan, etylen. Tốc độ di chuyển của các hạt phun cao hơn rất nhiều so với các ph•ơng pháp khác, do vậy lớp phun có độ chặt và độ bám cao. Nhóm 2: Nhóm này gồm phun hồ quang, phun hồ quang plasma và phun plasma cảm ứng ghép. Trong phun hồ quang ( th•ờng gọi là: “ phun hồ quang điện” ) vật liệu phun là kim loại hoặc hợp kim d•ới dạng dây. Hai dây phun đ•ợc cấp liên tục vào vùng hồ quang hoạt động giữa hai đầu dây. Kim loại nóng chảy ở hai dầu dây bị ion hoá và phóng tới vật phun nhờ luồng không khí chuyển động với tốc độ cao và áp lực lớn. 34
Phun plasma ( hay phun hồ quang plasma ) là quá trình phun phủ nhiệt trong đó súng phun hồ quang plasma không phụ thuộc ( nontransfered arc ) đ•ợc dùng để tạo plasma hồ quang làm nóng chảy và phóng vật liệu phun tới chi tiết phun. Thuật ngữ “nontransfered arc” có nghĩa là hồ quang plasma đ•ợc duy trì trong súng, vật phun không phải là một bộ phận của mạch điện. Hồ quang đ•ợc giữ giữa catot vonfram và đầu bép thu hẹp làm anot. Khí trơ hoặc khí hoàn nguyên d•ới áp lực đi vào giữa khoảng không catot và anot, bị ion hoá, tạo nhiệt độ tới 30000F (1.7000C). Khí plasma nóng di chuyển qua miệng phun với tốc độ cao. Vật liệu phun d•ới dạng bột đ•ợc phun vào chùm ( tia ) khí nóng, bị nóng chảy và phóng tới vật phun. Phun chân không là một dạng phun plasma đ•ợc thực hiện trong buồng chân không. Ưu điểm của nó là loại trừ đ•ợc sự oxy hoá vật liệu phun. Điều này đặc biệt có •u thế trong ứng dụng chế tạo động cơ máy bay. Giá thiết bị phun chân không bằng khoảng m•ời lần giá thiết bị phun plasma bình th•ờng. Giá vận hành cũng rất cao. Phun plasma cảm ứng ghép có vùng hồ quang với nhiệt độ siêu cao. Đ•ờng kính vùng hồ quang là khoảng 50 mm và chiều dài của nó tới 150 mm do đó bột phun đ•ợc đốt nóng trên một khoảng khá dài của cột hồ quang. Thời gian l•u lại dài của bột phun cho phép sử dụng bột có kích th•ớc lớn hơn, đảm bảo sự nóng chảy của các hạt và nhận đ•ợc lớp phun bền chắc hơn. Các quá trình và quy trình phun phủ nhiệt đã đ•ợc xác lập và ứng dụng rộng rãi trong chế tạo và phục hồi phụ tùng. Trong ngành chế tạo máy bay có hàng trăm ứng dụng phun phủ. Trong các ngành công nghiệp khác nh• đóng tàu, mỏ, thực phẩm, đầu máy, dầu khí, điện lực, hoá học, điện tử các lớp phun phủ nhiệt bảo vệ đã làm việc hiệu quả hơn bất cứ một sản phẩm nào không đ•ợc phun phủ. 3.2. Cơ chế hình thành lớp phun 3.2.1. Những quan điểm về sự hình thành lớp phun Có nhiều lý thuyết về sự hình thành lớp phun: - Lý thuyết của Pospisil- Sehyl. - Lý thuyết của Shoop. - Lý thuyết của Shenk. - Lý thuyết của Karg, Katsch, Reininger. Theo Pospisil- Sehyl, lớp phun bằng kim loại xuất hiện là do các giọt kim loại lỏng bị phun bằng một dòng khí nén với tốc độ rất cao ( trung bình khoảng 20m/giây ). Các giọt này bị phá vỡ thành rất nhiều hạt nhỏ. Dạng của các hạt này đặc tr•ng bởi kim loại của nó. Theo bản chất có thể chia thành hai nhóm: 35
- Các kim loại mà oxit của nó khi phun ở thể lỏng luôn tạo thành các hạt có dạng hình cầu. - Các kim loại mà oxit của nó khi phun ở thể rắn sẽ tạo thành những hạt có dạng không đồng đều ( đa cạnh ). Dạng của các hạt khi bay hoàn toàn không thay đổi mà chủ yếu xảy ra hiện t•ợng oxy hoá. Sự oxy hoá kim loại thực chất bắt đầu xảy ra từ quá trình làm chảy dây phun và trong thời điểm tạo ra các hạt nhỏ một phần lớn các oxit sinh ra trong quá trình bay của các hạt. Nghĩa là khi các giọt kim loại lỏng bắt đầu tách thành các hạt nhỏ thì bề mặt của các hạt cũng bắt đầu tăng lớp oxit. Số l•ợng oxit nhiều hay ít là nhân tố chính ảnh h•ởng đến chất l•ợng lớp phun. Từ các thực nghiệm tác giả lý thuyết này kết luận rằng các phần tử kim loại trong thời điểm va đập trên bề mặt phun là chất lỏng. Lý thuyết của Shoop cho rằng động năng của các hạt kim loại khi bay đ•ợc cung cấp bằng dòng khí nén, nên khi va đập lên bề mặt phun thực tế có sự thay đổi nhiệt. Thực nghiệm đã xác định rằng những hạt kim loại khi rơi khỏi miệng vòi phun bắt đầu bị nguội và đông đặc rất nhanh do tác dụng của dòng khí nén. Trong thời điểm va đập chúng sẽ bị biến dạng dẻo, do vậy chúng liên kết với nhau thành những Lớp trung gian. Theo Shenk thì nhiệt độ của các hạt phun phải ở trên nhiệt độ chảy lỏng để xảy ra sự hàn chặt chúng lại với nhau. Theo Karg, Kastsch, Reininger thì những hạt kim loại bị nguội và đông đặc là do tác động của các nguồn động năng của khí nén. Mặt khác trong quá trình đi từ vòi phun các hạt đã ở trạng thái nguội nh• vậy sẽ không xảy ra hiện t•ợng biến dạng dẻo. 3.2.2. Cơ chế hình thành lớp phun Trên cơ sở phân tích các lý thuyết trên, cơ chế hình thành lớp phun có thể mô tả nh• sau: Pha đầu của quá trình phun kim loại đặc tr•ng bởi sự chảy của đầu dây phun. Pha thứ hai là sự tách các hạt kim loại từ đầu dây, tiếp đó là quá trình bay và va đập của các hạt kim loại trên bề mặt đ•ợc chuẩn bị và cuối cùng là sự hình thành lớp phun kim loại bằng mối liên kết của chúng với bề mặt kim loại nền. a. Quá trình chảy và sự phân tán kim loại phun Khi phun dây kim loại bằng hồ quang điện, đầu tiên xảy ra sự tiếp xúc của hai dây kim loại ( điện cực ). Sự đoản mạch gây tác dụng nung nóng đáng kể kim loại ở vị trí tiếp xúc. Kim loại đ•ợc nung nóng tới nhiệt độ cao hơn nhiệt độ chảy của chúng. Giọt kim loại xuất hiện sau khi nóng chảy phủ trên mặt điện cực. Giữa kim loại lỏng và 36
môi tr•ờng khí xảy ra quá trình khuếch tán và tác dụng hoá lý với nhau nh• ứng suất bề mặt, nội năng, nhiệt độ và hệ số dẫn nhiệt, khả năng co ngót, gây ảnh h•ởng đến cấu trúc bên trong và các tính chất khác của giọt kim loại lỏng. Sự lớn lên của một l•ợng kim loại lỏng trên đầu dây tồn tại cho đến khi lực động học của dòng không khí nén lớn hơn ứng suất bề mặt của kim loại lỏng làm tách các giọt kim loại. Giọt kim loại bị áp lực của dòng khí nén phân tách thành nhiều hạt nhỏ, những hạt này tạo ra tia phun kim loại. b. Quá trình bay của các hạt Toàn bộ quá trình bay của các hạt từ lúc hình thành giọt kim loại đến khi va đập trên bề mặt vật phun xảy ra rất ngắn ( khoảng 0,002  0,008 giây ). Trong quá trình bay của các hạt chủ yếu chỉ xẩy ra sự oxy hoá, do vậy các phần tử phun kim loại bị bao bọc bằng một lớp oxit, lớp này sẽ lớn dần theo khoảng cánh bay. Các hạt kim loại chảy lỏng di động trong luồng không khí nén có tốc độ rất lớn. Ngoài ra các phần tử còn bị ảnh h•ởng của rất nhiều yếu tố, biểu hiện ở những phản ứng không đồng nhất. Khi phun kim loại cần l•u ý những vấn đề sau: 1- Các hạt kim loại bay ra ở trạng thái lỏng hay trạng thái đông đặc. 2- Các phần tử phun luôn bị thay đổi tốc độ bay trong tr•ờng gia tốc. 3- Các hạt luôn phản ứng với môi tr•ờng xung quanh chứa oxy, nitơ, hyđro, hơi n•ớc và các thành phần hóa học khác. 4- Khả năng hoà tan khí phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ và áp lực riêng của nó. c. Sự hình thành lớp phun Quá trình tạo thành lớp phun bằng phun kim loại t•ơng đối phức tạp. Trên cơ sở thực nghiệm ng•ời ta xác định rằng: các phần tử kim loại trong thời điểm va đập lên bề mặt vật phun ở trạng thái lỏng và bị biến dạng rất lớn. Để hiểu đ•ợc sự hình thành lớp phun cần chú ý tới các hiện t•ợng xẩy ra khi va đập của các phần tử lên bề mặt ( vật liệu nền), cụ thể là hai vấn đề sau: - Thứ nhất là động năng của các phần tử va đập lên bề mặt phun gây biến dạng rất nhanh và mạnh. Năng l•ợng này đ•ợc xác định bằng tốc độ của các phần tử và khối 1 2 l•ợng của chúng: E = m.V . Bởi vậy, các phần tử có độ lớn khác nhau sẽ có động k 2 năng khác nhau ( khi chúng có cùng một tốc độ ). Tốc độ bay của các phần tử là yếu tố chính để xác định sự biến dạng của các phần tử. Arnold đã tính toán tốc độ cần thiết cho một vài kim loại khi va đập lên bề mặt chi tiết phun theo ph•ơng trình: 37
mV 2 C.(t2 t1 ) S ( 3-1 ) 2x427 G ở đây m ; khi G= 1g thì tốc độ cần thiết cho việc tan vỡ khi va đập là: g V 91. C.(t2 t1 ) S (3-2) ở đây: + m: khối l•ợng của phần tử phun + V: tốc độ của các phần tử khi va đập, m/giây + c: tỷ nhiệt, calg-1 0C-1 0 + t1: nhiệt độ của phần tử kim loại tại thời điểm va đập bề mặt chi tiết, C 0 + t2: nhiệt độ chảy của các phần tử kim loại, C + s: ẩn nhiệt cal/g - Thứ hai là khả năng biến dạng của các phần tử. Lớp oxit trên bề mặt các phần tử có ảnh h•ởng rất lớn đến tính chất này. Điều cần khẳng định là tại thời điểm va đập lớp oxit phải là lỏng. Nh• vậy, trong tr•ờng hợp này không thể giữ đ•ợc sự biến dạng của các phần tử và ng•ợc lại, ở các phần tử có lớp vỏ cứng; khả năng biến dạng của nó chủ yếu xác định bằng lớp vỏ bọc này. Khả năng biến dạng của phần tử thép với lớp màng mỏng oxit ở trạng thái lỏng phụ thuộc vào sự biến dạng của các phần tử tr•ớc nó không kết thúc ngay mà còn tiếp diễn do tác dụng của các phần tử sau, giống nh• tác dụng của quá trình rèn. Sự biến dạng của các phần tử xẩy ra rất nhanh. Bởi vậy, khi các phần tử sau va đập lên các phần tử tr•ớc thì các phần tử này còn ở trạng thái lỏng hoặc trạng thái sệt, do đó giữa chúng dễ dàng xảy ra sự liên kết với nhau. 3.3. Các tính chất của lớp phun Chất l•ợng và các tính chất của các lớp phun nhiệt chủ yếu đ•ợc xác định bởi kích th•ớc, nhiệt độ và tốc độ di chuyển giữa các giọt kim loại khi va chạm vật phun, và bởi mức độ oxy hoá của các giọt kim loại và bề mặt vật phun trong thời gian phun. Các yếu tố này rất khác nhau khi sử dụng các ph•ơng pháp và quy trình phun khác nhau. Các lớp phun bằng kim loại và hợp kim tạo bởi quá trình phun nhiệt không còn giữ nguyên các thành phần hoá học ban đầu của chúng trừ khi ứng dụng các kỹ thuật đặc biệt. Các tính chất của lớp phun có thể thay đổi nhiều tuỳ thuộc vào ph•ơng pháp phun đ•ợc sử dụng. Khi phun plasma và phun hồ quang các nguyên tố có điểm nóng 38
chảy thấp bị bay hơi với khối l•ợng đáng kể, các giọt kim loại cũng bị oxy hoá khi di chuyển trong luồng không khí nén. 3.3.1. Cấu trúc của lớp phun Lớp phun bằng kim loại có tính chất khác hẳn với vật liệu ban đầu ( hình 3.3 ). Đặc tr•ng cơ bản của cấu trúc này là những phiến kim loại với kích th•ớc từ 0,1  0,2 mm và dày 0,005  0,01 mm. Các phần tử này có độ biến dạng khác nhau và bị phân cách với nhau bằng một lớp oxit mỏng với chiều dày 0,001 mm. Cấu trúc của lớp kim loại phun đặc tr•ng cho cấu trúc nguội lạnh đột ngột. ở lớp thép cacbon ( có thành phần cacbon cao ) th•ờng có cấu trúc mactenxit cho đến cấu trúc bainit. Ngoài những phần tử nền này ra, trong lớp phun còn chứa các phần tử nhỏ không biến dạng, những phần tử này khi va đập lên vật liệu nền đã ở trạng thái rắn. Sự nguội lạnh của các phần tử này xảy ra rất nhanh và bị tác động bởi tốc độ nguội lạnh rất lớn, nên trong cấu trúc ngoài dung dịch đặc Fe-C còn có dung dịch đặc của Fe-oxit. Do vậy, khi đông đặc sẽ xuất hiện trong mạng những trung tâm lệch mạng ảnh h•ởng đến độ bám của lớp phun. Trong lớp thép có hai loại oxit, một loại oxit đ•ợc hình thành riêng biệt, loại khác bao bọc xung quanh các phần tử kim loại biến dạng. Loại thứ nhất làm xấu tính chất cơ học của lớp phun, loại thứ hai đóng vai trò liên kết các phần tử kim loại riêng biệt. Bên cạnh các cấu trúc trên, trong thành phần cấu trúc lớp phun phải kể đến một l•ợng khá lớn các lỗ xốp. Các lỗ xốp này sẽ cho lớp phun những tính chất tốt khi nó làm việc trong điều kiện bôi trơn. Hình 3.3 thể hiện cấu trúc kim t•ơng của một số lớp phun. Hình 3.3. Cấu trúc kim t•ơng của một số lớp phun 39
3.3.2. Độ bám của lớp phun Trong lĩnh vực khoa học công nghệ phun nhiệt khí, vấn đề độ bám của lớp phun là một trong những yếu tố quan trọng nhất đ•ợc nhiều nhà khoa học trên thế giới ( Rukalin.N.N, Kast N.V, Kapek.A, Corttell.A.H.v.v ) nghiên cứu và đã đ•a ra các luận điểm về độ bám dính của lớp phun nh• sau: 1- Lực bám dính của các kim loại lỏng lên trên bề mặt các vật rắn 2- Lực bám dính Vandervan 3- Lực bám dính của kim loại với kim loại 4- Lực liện kết do tác động của sự co ngót 5- Lực liên kết do tác động của trạng thái bề mặt cơ sở ( lệch mạng, độ sạch, độ nhấp nhô v.v ) 6- Lực bám dính của vật liệu phun và vật liệu nền 7- Tác động của nhiệt độ bề mặt a. Lực bám dích của các kim loại lỏng lên bề mặt các chất rắn Giả thiết kim loại phun khi va đập vào bề mặt chi tiết đang ở trạng thái lỏng, lúc đó sẽ xuất hiện hiện t•ợng dính bám của một giọt lỏng lên bề mặt của chất rắn dựa vào lực căng bề mặt của giọt lỏng trên bề mặt của chất rắn và dựa vào lực căng bề mặt của giọt lỏng đó và môi tr•ờng xung quanh nó ( hình 3.4). Để giọt lỏng giữ lại ở trạng thái cân bằng thì: 13= 12 + 23.Cos (3.3) Từ đó ta có ph•ơng trình: 13 13 12 Cos (3.4) 23 Góc  phụ thuộc vào bản chất của ba thể và thay đổi theo trạng thái và độ sạch của bề mặt. Nếu góc căng của thể khí lớn hơn so với thể lỏng thì góc 00 0 giọt lỏng có 23 dạng hình bán cầu (hình 3.5a ) và khi 12 Hình 3.4. Sự bám dính của giọt lỏng lên vật đó giọt lỏng dính •ớt bề mặt chất rắn. rắn 0 1- chất rắn; 2- chất lỏng; 3- Không khí Khi góc  > 90 tức là 13 > : góc giữa giọt lỏng và chất rắn. 40
12 giọt lỏng có dạng hình quả trám ( hình 3.5b ). Trong tr•ờng hợp này giọt lỏng không dính •ớt bề mặt chất rắn vì Cos không lớn nên ta có: 13 12 23 (3.5) 12: lực căng giữa giọt lỏng và chất rắn. 23: lực căng giữa giọt lỏng và không khí. 13: lực căng giữa chất rắn và không khí. Đây là điều kiện dính •ớt đối với bề mặt nhẵn. a b Hình 3.5. Hình dáng giọt lỏng Với bề mặt nhám thì ph•ơng trình ( 3.3 ) phải có dạng ( 3.7 ) và có tính đến hệ số K. Hệ số này tỷ lệ giữa diện tích bề mặt nhám và diện tích bề mặt nhẵn: S n K S p Trong đó: Sn: diện tích mặt nhám Sp: điện tích mặt nhẵn Từ ph•ơng trình ( 3.3 ) ta có: K. 13 K. 12 23.cos (3.6) Khi đó  có giá trị là 1: K. 13 K. 12 23.cos1 (3.7) Hay: K.( 13 . 12 ) 23.cos1 (3.8) Từ ph•ơng trình ( 3.4 ) suy ra: ( 13 12 ) 23.cos (3.9) Hay: 23 .cos1 23 .cos cos1 K.cos (3.10) K Khi: + K  ==> dính •ớt kém hơn. + K > 1  1 dính •ớt tốt hơn. 41
Nhờ quá trình làm nhám mà diện tích dính •ớt tăng lên K lần, do đó K luôn luôn lớn hơn 1 và góc  nhỏ hơn nên điều kiện dính •ớt tốt hơn. b. Lực Vandervan Khi một phân tử hay nguyên tử va vào bề mặt kim loại, giữa chúng có lực liên kết phân tử Vandervan. Lực này do tác động t•ơng hỗ giữa hai momen l•ỡng cực của hai phân tử hay nguyên tử. Giá trị và h•ớng của momen thay đổi theo thời gian và giá trị trung bình theo thời gian bằng không. Nếu một nguyên tử hay phân tử có momen l•ỡng cực rơi vào tr•ờng của phân tử hay nguyên tử khác cũng có momen l•ỡng cực thì giữa chúng có lực tác dụng. Theo Debai thì năng l•ợng trao đổi giữa chúng là: 2 . 1 E . 1 2 . ƯW 6 (3.11) 3 r0 KT Trong đó: 1, 2- momen l•ỡng cực r0- khoảng cách giữa hai nguyên tử T- nhiệt độ Nếu coi kim loại nh• một vật phân cực hoàn toàn thì có thể tính đ•ợc năng l•ợng trao đổi theo công thức của Dzon nh• sau: me .C.X E1 3 (3.12) 2.N a .r Trong đó: X- hệ số hấp thụ khí me- khối l•ợng điện tử Na- số Avogadro C- Tốc độ ánh sáng. Công thức tính năng l•ợng trao đổi này t•ơng ứng với bề mặt đồng nhất của kim loại. Nh•ng trong thực tế cho thấy lực liên kết của những nguyên tử nằm ở chỗ lõm cao hơn lực liên kết của những nguyên tử nằm trên bề mặt và những nguyên tử nằm ở những hố sâu còn cao hơn ở những chỗ lõm, đặc biệt lực liên kết ở những đỉnh nhấp nhô là thấp nhất. Điều này có thể giải thích đ•ợc vì những nguyên tử nằm ở chỗ lõm liên kết đ•ợc nhiều hơn so với khi chúng nằm trong mạng tinh thể, do đó chúng có lực liên kết lớn hơn. c. Lực bám dính của kim loại với kim loại Khi hai kim loại tiếp xúc với nhau, d•ới ảnh h•ởng của các yếu tố nhiệt động, các nguyên tử của chúng khuếch tán vào mạng của nhau tạo thành vùng chuyển tiếp. 42
Đó là dung dịch rắn giữa hai kim loại. Khí đó giữa chúng hình thành mối liên kết kim loại. Mối liên kết này phụ thuộc vào nhiệt độ tiếp xúc và trạng thái bề mặt của kim loại. Qua rất nhiều quá trình nghiên cứu và thực nghiệm, các nhà nghiên cứu đã đ•a ra kết luận về độ bám dính của lớp phun với kim loại nền nh• sau: - Liên kết bằng sự hàn hoặc hàn tế vi với nhau; - Liên kết bằng các phản ứng hoá học; - Liên kết bằng lực của sự co rút kim loại khi kết tinh; - Liên kết bằng độ bám cơ học. Độ bám cơ học biểu thị nh• sự giữ chặt các phần tử kim loại đập vào những vị trí nhấp nhô của bề mặt kim loại nền. Độ bám này là nhân tố quan trọng đối với toàn bộ độ bám của lớp phun. Khi các bề mặt không đ•ợc làm sạch bụi kim loại, các oxit và bám bẩn khác, hoặc có độ nhấp nhô khác nhau .v.v thì sự liên kết hoá học hoặc cơ học cũng khác nhau. Trong những điều kiện phun thích hợp và hình thái không gian của bề mặt thích hợp, ở một vài kim loại có thể đạt đ•ợc sự hàn ở từng điểm giữa kim loại nền và các phần tử phun. Trong qúa trình nghiên cứu độ bám của lớp phun kim loại với vật liệu nền bằng ph•ơng pháp phun, N.N. R•kalin đã chứng minh rằng, ở từng vùng của bề mặt có thể chia làm ba giai đoạn sau: 1- Tạo nên một mặt tiếp xúc, nghĩa là tạo nên sự dịch lại gần nhau của các nguyên tử kim loại đến một khoảng cách đủ để có tác dụng hóa học; 2- Hoạt tính và tác dụng hoá học của các nguyên tử gần nhau dẫn đến sự hình thành một mối liên kết hoá học bền vững; 3- Các quá trình phục hồi ( kết tinh lại, khuếch tán tạo pha mới .v.v ) xảy ra tiếp theo có thể làm tăng hoặc giảm sức bền của mối liên kết. Hai giai đoạn đầu biểu thị sự biến đổi bề mặt, giai đoạn ba biểu thị sự thay đổi tính chất bên trong. Để tạo đ•ợc liên kết bền vững giữa lớp phun với vật liệu đ•ợc phun thì phải thực hiện tốt hai giai đoạn đầu, còn sự khuếch tán không nhất thiết phải thực hiện ở giai đoạn ba vì giai đoạn này th•ờng do kết quả của gia công nóng ở nhiệt độ cao ( hoặc ủ sau khi phun ). 43
d. ảnh h•ởng của lực co rút kim loại Lực co rút kim loại có ảnh h•ởng đáng kể đến độ bám dính của lớp phun. Những phần tử kim loại sau khi va đập với bề mặt cơ sở sẽ nguội dần và kèm theo đó là sự xuất hiện ứng suất do sự co rút của kim loại phun. ứng suất này có thể làm tăng hoặc giảm độ bám của lớp phun. Đối với những chi tiết dạng hình trụ ( thí dụ các loại trục ) lực sinh ra do sự co rút của lớp phun là nội lực nên rất yếu do đó không ảnh h•ởng nhiều đến độ bám dính của lớp phun. Hình 3.6. ứng suất trong lớp phủ Tr•ờng hợp phun với lớp dày và kim loại phun có độ co rút lớn ( thí dụ thép 0,1%C ) có thể dẫn tới hiện t•ợng nứt dọc trên lớp phun. Hình 3.6 a,b cho thấy nội lực sinh ra do sự co rút có ảnh h•ởng xấu đến độ bám của lớp phun. Trong tr•ờng hợp này, sự co rút tác dụng theo h•ớng tâm gây ra sự tách rời lớp phun với bề mặt nền. Để khắc phục hiện t•ợng này có thể có nhiều biện pháp nh•: phải nung nóng sơ bộ vật phun, làm nguội lớp phun từ từ hoặc phun với lớp mỏng từ 0,05  0,1 mm và ứng với mỗi lớp phải làm nguội từ từ. Khi phun trên bề mặt phẳng, ứng suất sinh ra do sự co rút kim loại phun có thể dẫn đến sự biến dạng kim loại nền hoặc làm bong lớp phun ( Hình 3.6.c.d,e ). Để minh chứng cho điều này ta làm một thí nghiệm và xét một phần tử nhỏ lớp phun AB, có chiều dài l, chiều cao h với diện tích tiết diện S, có thể coi nh• một thanh đ•ợc gắn trên AB ( hình 3.7). 44
h h l A l B S Hình 3.7. Mô hình phần tử phun Giả thiết nhiệt độ của phần tử trong thời gian va đập là t2, nhiệt độ của môi tr•ờng xung quanh là t3. ứng suất sinh ra trong lớp phun là: 2  t .(t2 t3 ).E (N / m ) (3.13) ở đây t: hệ số giãn nở nhiệt của kim loại phun, l/độ E: mođun đàn hồi của kim loại phun, N/m2 Những biến dạng tiếp theo có thể bỏ qua vì lớp phun có chiều dày nhỏ hơn nhiều so với mặt đáy. Do đó sự co ngắn của lớp kim loại phun khi làm nguội sẽ là: l .l.(t2 t3 ) (3.14) Do có sự co ngắn của l cho nên trong lớp phun sẽ sinh ra ứng suất kéo: E. l 2  .N.l (3.15) l và lực tách lớp phun ( theo các mép ) khỏi bề mặt chi tiết là: P=. S (N) (3.16) Thay các giá trị vào ph•ơng trình ( 3.16 ) ta có: P = t.(t2-t3). S (3.17) Từ ph•ơng trình (3.17) ta thấy khi tăng nhiệt độ của các phần tử tr•ớc lúc va chạm thì ứng lực có xu h•ớng làm tách lớp phun ra khỏi nền cơ sở sẽ tăng. e. ảnh h•ởng của trạng thái bề mặt vật phun Hoạt tính của bề mặt nền là nhân tố ảnh h•ởng rất lớn đến độ bám của lớp phun kim loại với vật liệu nền. Nó đặc tr•ng bởi trạng thái vật lý và năng l•ợng. Trong tr•ờng hợp lý t•ởng thì nguyên tử trong kim loại đ•ợc bố trí trong các mạng và dao động xung quanh vị trí của nó. Tuy nhiên, nếu xét về vị trí của nó thì các nguyên tử trên bề mặt khác với các nguyên tử bố trí ở phía trong ( hình 3.8). 45
3 2 2 1 4 3 3 2 Hình 3.8. Sự bố trí nguyên tử trong mạng Hình 3.8 cho thấy 4 nguyên tử ở mặt cấu trúc không bị phá vỡ, có năng l•ợng thoát lớn nhất. Ng•ợc lại, những nguyên tử ở trong những lớp không liên tục, nguyên tử 1 có giá trị năng l•ợng nhỏ nhất. Nguyên tử trên bề mặt liên kết với nhau có năng l•ợng thoát tăng khi tổng số các nguyên tử xung quanh giảm. Do sự không đồng đều về năng l•ợng nên xuất hiện ứng suất bề mặt. ứng suất bề mặt sinh ra có liên quan đến sự phát sinh và tồn tại ứng suất của các lớp xung quanh của mạng. Ngoài ra, các nguyên tử bên ngoài còn có mối tiếp xúc với các nguyên tử ngoại lai kể cả trong tr•ờng hợp là phân tử. Từ những đặc điểm của lớp bề mặt ta thấy rằng: năng l•ợng toàn bộ của tất cả những phần tử bề mặt sẽ tham gia vào các phản ứng với các nguyên tử ở trong các môi tr•ờng gần với bề mặt ( nh• lớp phun ). Nguyên nhân là do có sự không đồng đều về năng l•ợng trên bề mặt kim loại, những khu vực có năng l•ợng thấp và năng l•ợng cao sẽ có hiện t•ợng chênh lệch về năng l•ợng. Vùng năng l•ợng cao có hoạt tính cao hơn và tự phản ứng với môi tr•ờng. Sau đó sẽ sinh ra sự hấp thụ, sự dính và các phản ứng hoá học khác. Các khuyết tật trong mạng có thể bao gồm: 1. Khuyết tật điểm: + Các vị trí rỗng trong mạng; + Các nguyên tử thay thế. 2. Khuyết tật đ•ờng ( lệch mạng ): + Lệch mạng đ•ờng; + Lệch mạng xoắn. 3. Vị trí khuyết tật dạng mặt (theo hai chiều ): + Bề mặt biên giới. + Biên giới hạn. + Biên giới song tinh. 4. Vị trí khuyết tật theo kích th•ớc ba chiều: 46
+ Các lỗ xuất hiện do bên ngoài tác dụng ở gần bề mặt hoặc phía trong. + Các khe hở tế vi, các lỗ xốp tế vi. Hình 3.9. Quan hệ giữa độ bám và độ nhấp nhô bề mặt f. ảnh h•ởng của việc chuẩn bị bề mặt vật phun Sự chuẩn bị bề mặt là yếu tố quyết định ảnh h•ởng đến chất l•ợng của lớp phun kim loại. Công việc chuẩn bị bề mặt tr•ớc khi phun chủ yếu là làm sạch dầu mỡ và tạo nhấp nhô bề mặt, vì những kết quả nghiên cứu trên đây cho thấy: độ bám dính phụ thuộc rất nhiều vào hình dáng và lớp tế vi bề mặt. Độ nhấp nhô này sẽ có tác dụng giữ chặt các phần tử kim loại, làm tăng độ bám dính của vật liệu phun với vật liệu nền. Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, độ bám dính phụ thuộc trực tiếp vào độ nhấp nhô bề mặt ( hình 3.9 ), ngoài ra còn phụ thuộc vào khoảng cách phun, độ biến cứng bề mặt cơ bản, mật độ lệch mạng .v.v ( các hình 3.10, và 3.11 ). Hiệu quả của sự chuẩn bị bề mặt bằng các ph•ơng pháp cơ học đ•ợc quyết định bởi các yếu tố sau: 1- Tạo bề mặt có hoạt tính cao; 2- Tạo độ nhấp nhô tế vi Rz; 3- Tạo biến dạng dẻo  và độ biến cứng H/H; 4- Tạo mật độ lệch mạng - 0. 47
Hình 3.10. ảnh h•ởng của khoảng cách phun đến độ bám dính Hình 3.11. ảnh h•ởng của độ biến cứng đến độ bám dính 3.4. Ph•ơng pháp thử các tính chất lớp phun 3.4.1. Thử độ cứng Cấu trúc không đồng nhất của lớp phun nói chung có độ cứng vi mô thấp hơn độ cứng của dây hoặc thanh cấp cho đầu phun. Tuy nhiên, độ cứng của từng hạt riêng lẻ ( độ cứng vi mô ) có thể cao hơn nhiều so với độ cứng lớp phun. Chiều dày lớp phun cũng cần đ•ợc tính đến khi chọn kiểm thử nghiệm. Nếu lớp phun quá mỏng, mũi thử có thể xuyên thấu lớp phun và tới kim loại cơ bản, kết quả thử độ cứng sẽ sai lệch. 48
Các ph•ơng pháp thử độ cứng Brinell và Rockwell có thể dùng để xác định độ cứng lớp phun kim loại t•ơng đối dày. Ph•ơng pháp thử độ cứng Rocwell đ•ợc dùng thích hợp cho các lớp phun kim loại chiều dày nhỏ. Tiêu chuẩn ASTM quy định các yêu cầu thử độ cứng lớp phun theo các ph•ơng pháp khác nhau. Bảng 3.2 giới thiệu chiều dày tối thiểu của lớp phun khi thử theo ph•ơng pháp Rockwell Bảng 3.2. Chiều dày tối thiểu của lớp phun khi thử độ cứng Rockwell. Chiều dày tối thiểu Thang Rockwell in mm 15 N 0,015 0,38 30 N 0,025 0,64 45N 0,035 0,89 A 0,040 1,00 B 0,060 1,50 C 0,070 1,80 D 0,050 1,30 Các ph•ơng pháp thử độ cứng bằng mũi kim c•ơng không hoàn toàn phù hợp với việc xác định chính xác độ cứng các lớp phun phun không đồng nhất, song chúng có thể dùng để kiểm tra sơ bộ. Ph•ơng pháp thử độ cứng tế vi dùng để xác định độ cứng của từng hạt riêng lẻ. Vì các hạt phun khá mỏng nên việc thử độ cứng phải đ•ợc tiến hành trên mặt cắt của lớp phun. Trong tr•ờng hợp này thích hợp nhất là dùng ph•ơng pháp thử của Knoop. 3.4.2. Thử độ bám Độ bám lớp phun thử theo ph•ơng pháp ASTM C633 ( Standard Test Method for Cohesive Strength of Flame Sprayed Coating ). Hình 3.12 mô tả nguyên lý thí nghiệm xác định độ bám lớp phun. Mẫu thử bao gồm hai bộ phận: a. vật liệu cơ bản đ•ợc phun phun và b. cơ cấu gá thử. Vật liệu cơ bản sau khi chuẩn bị đ•ợc phun phun tới chiều dày cần thiết. Sau đó lớp phun đ•ợc gia công cơ khí để có độ dày đồng đều. Mẫu thử đ•ợc đem kéo hoặc xoắn. Độ bám của lớp phun đ•ợc tính trên cơ sở đo lực tác dụng và tiết diện lớp phun bị phá huỷ. Ph•ơng pháp trình bày trên cho phép thử độ bám lớp phun với chiều dày từ 0,4 mm trở lên bởi nếu ng•ợc lại, các phần tử lớp phun có thể thâm nhập vào bề mặt mẫu phun ( kim loại cơ bản ), kết quả thử do đó sẽ thiếu chính xác. 49
P P P P (1) P P P P P P P M P P P (2) M P P Hình 3.12. Sơ đồ mẫu thử độ bám: (1) Độ bám theo ph•ơng pháp tuyến. (2) Độ bám theo ph•ơng tiếp tuyến. 3.4.3. Tỉ trọng Các lớp phun nhiệt có tỉ trọng nhỏ hơn tỉ trọng vật liệu phun bởi chúng có độ xốp và chứa các oxit. Bảng 3.3 giới thiệu tỉ trọng của các lớp phun và vật liệu phun của một số kim loại. Bảng 3.3. Tỉ trọng của các lớp phun nhiệt khí và dây phun. Tỉ trọng kG/m3 Kim loại Lớp phun Dây phun Nhôm kiểu 1100 2408 2713 Đồng 7501 8968 Molipđen 9024 10214 Thép AISI 1025 6754 7861 Thép không gỉ 304 6892 8027 Kẽm 6839 7141 50
Lớp phun chứa những lỗ xốp. Việc xác định chính xác số l•ợng của chúng gặp khó khăn. Tuy nhiên, có nhiều ph•ơng pháp để đánh giá độ xốp của lớp phun. Ph•ơng pháp đơn giản nhất là quan sát cấu trúc vi mô của lớp phun và tính số l•ợng rỗ trên những phần tử ảnh mẫu. Các ph•ơng pháp khác bao gồm nhúng n•ớc hoặc toluin hấp thụ paraphin. Tuy nhiên, không có ph•ơng pháp nào là hoàn hảo cả. 51
Ch•ơng 4 thí nghiệm phun phủ nhiệt 4.1. Quy hoạch thí nghiệm Mục đích thí nghiệm là nhằm chọn đ•ợc công nghệ phun phủ hợp lý đảm bảo cho lớp phun có các tính chất t•ơng ứng với lớp phun nguyên thuỷ của chi tiết đã cho, trên cơ sở đó xác lập các quy trình công nghệ phục hồi hoàn chỉnh bằng ph•ơng pháp phun plasma. Đối t•ợng thí nghiệm là lớp phun chịu nhiệt độ cao trên bề mặt các chi tiết tuabin khí ( cánh, đế, ống vòi voi .v.v ). Chi tiết thử nghiệm là ống vòi voi ( ống chuyển tiếp - transition piece ). Quá trình thí nghiệm bao gồm những b•ớc sau: - Tìm hiểu thông tin về ống vòi voi; - Tìm hiểu thông tin về các loại bột phun phủ trên ống vòi voi; - Lập quy trình thí nghiệm; - Tiến hành thí nghiệm xác định các tính chất lớp phun; - Tổng hợp các kết quả thí nghiệm; - Thử nghiệm; - Đánh giá các kết quả thí nghiệm. 4.2. Những hiểu biết về ống vòi voi Mặc dầu ống vòi voi ( transition piece ) có cấu tạo không phức tạp nh•ng lại đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cao [8]. Vì vậy ống vòi voi luôn có khuynh h•ớng làm bằng vật liệu mới. Từ những năm 50 của thế kỷ tr•ớc ống vòi voi đ•ợc làm từ ống thép không gỉ AISI309. Vào đầu những năm 60 vật liệu này đ•ợc thay thế bằng các hợp kim nền niken Hastelloy-X và RA-333. Bắt đầu từ 1970 các hợp kim này đ•ợc tiêu chuẩn hoá cho ống vòi voi. Đầu những năm 80 vật liệu mới Nimonic 263 đ•ợc đ•a vào sản xuất ống vòi voi MS7001 và MS9001. Vật liệu này đ•ợc tăng bền bằng ph•ơng pháp lắng và có độ bền cao hơn Hastelloy-X. ống vòi voi Nimonic 263 làm việc tốt trong 25.000 giờ của các máy MS7001. Cũng từ đấy Nimonic 263 ( N263 ) đ•ợc ứng dụng rộng rãi để sản xuất ống vòi voi và nhiều chi tiết khác của máy tuabin khí. Thành phần hoá học của vật liệu ống vòi voi ( bảng 4.1 ) 52
Bảng 4.1: Thành phần hoá học (%) của vật liệu ống vòi voi [10] N. tố Cr Ni Co Fe W Mo Ti Al Cb V C B Ta V. Liệu SS309 23 13 - Nền - - - - - - 0,1 - - HAST x 22 Nền 1.5 1.9 0.7 9 - - - - 0.07 0.005 - N- 263 20 Nền 20 0.4 - 6 2.1 0.4 - - 0.06 - - HA- 188 22 22 Nền 1.5 14 - - - - - 0.05 0.01 - 4.3. Các lớp phủ chịu nhiệt trên ống vòi voi Từ đầu những năm 80 các lớp phun chịu nhiệt ( TBC ) đã đ•ợc ứng dụng cho ống vòi voi của các kiểu máy tuabin khí nhiệt độ cao. Hàng ngàn giờ làm việc của các lớp phun chứng minh độ bền tốt của chúng. Các kêt quả nghiên cứu tổng quan ( 1-5 ) cho thấy để chịu đ•ợc nhiệt độ cao và môi tr•ờng ăn mòn các chi tiết máy tuabin khí nói chung đ•ợc phun hai lớp: a) lớp trung gian chống oxy hoá và chống ăn mòn nhiệt và b) lớp phun ( lớp trên ) chống nhiệt độ cao ( bền nhiệt ). Theo K.J.Pallos [9] các lớp phun nhiệt ( TBC ) đ•ợc phân thành hai loại tuỳ thuộc vào chiều dày của chúng: loại B ( class B ) có chiều dày lớp trung gian là 0,3556 mm và lớp phun là 0,1016 mm; loại C ( class C ) có chiều dày lớp trung gian là 0,508 mm và lớp phun là 0,0508 mm. Cả hai loại này có thể áp dụng cho ống vòi voi và cánh tuabin. Các loại bột dùng để phun các lớp phun bền nhiệt nh• sau [9]: * Cho lớp trung gian ( underlay, bondlay ): Ni-164-2 Đây là bột hợp kim NiCrAlY hình cầu ( hình 4.1a). Thành phần hoá học của bột Ni-164-2 (%): Crom (Cr):2123; nhôm (Al): 9  11; ytri (Y): 0,8  1,2; niken (Ni): nền; nhiệt độ nóng chảy: 25600  26100F ( 1404  14320C ); độ chặt ( mật độ ): 3,74 g/cm3. Lớp phun bằng bột Ni-164-2 ( hình 4.1b ) có độ cứng Rockwell 15T là 75 ( ~ 60 RB ) và bộ bám tối thiểu là: 2750 Psi ( 18,96 Mpa = 193,2 kG/cm2). Bột Ni-164-2 là hợp kim nền niken chứa nhôm, crom và ytri. Nó thuộc nhóm hợp kim NiCrAlY đ•ợc sử dụng rất nhiều trong máy tuabin khí. Độ bền chống oxy hoá có đ•ợc là nhờ nhôm và crôm tạo nên một màng kín trên mặt của lớp phun. Màng này đ•ợc bảo trì bởi ytri bổ sung. 53
a) b) Hình 4.1: a) Bột Ni-164-2 b) Lớp phủ bằng bột Ni-164-2 NiCrAlY áp dụng tốt cho kim loại nền làm việc ở nhiệt độ 18000F (9820C) với chiều dày lớp phun tới 0,35 mm. Do có độ mịn cao và diện tích bề mặt lớn nên các bột phun nhiệt dễ bị hấp thụ ẩm. Độ chảy của chúng đ•ợc cải thiện khi bảo quản bột trong buồng khô ráo hoặc sấy tr•ớc khi dùng 2 giờ ở 1750F  2000F. * Cho lớp phủ ( overlay, toplay outerlay ): ZRO-182 Là bột hình bán cầu ( hình 4.2a ) chứa 8% oxit ytri Y2O3 đ•ợc ổn định bởi 0 0 dioxit ziriconi ( ZrO2- nền ); nhiệt độ nóng chảy: 4876 F ( 2691 C ); độ chặt 1,83 g/cm3 . Lớp phun bằng bột ZRO-182 ( hình 4.2b ) có độ cứng Rockwell 15N là 75  80 ( 30  40 Rc ) và độ bám dính là 3500 Psi ( 24,133 Mpa = 245,91 kG/cm2 ). Sự sử dụng ytri thay vì canxi, magiê làm tăng tuổi thọ và công dụng của ZRO- 182 trong các lớp phun bền nhiệt. Trong khi phun phủ cần giữ chi tiết ở nhiệt độ d•ới 3500F ( 1770C ) giới hạn chiều dày mỗi l•ợt phun là 0,0254 mm. Lớp phủ có độ xốp thích hợp, độ cứng, độ bền nhiệt và độ bền ăn mòn rất cao. Cách bảo quản và chuẩn bị bột ZRO-182 tr•ớc khi phun giống nh• bột Ni-164-2. a) b) Hình 4.2: a) Bột ZRO-182 b) Lớp phủ bằng bột ZRO-182 54
4.4. Lập quy trình thí nghiệm Mục đích xác định quy trình công nghệ thí nghiệm là tạo cơ sở tiến hành các thí nghiệm phun phủ nhiệt, từ đó phân tích lựa chọn xác lập quy trình công nghệ phục hồi bằng phun phủ nhiệt tạo đ•ợc lớp phun có tính chất t•ơng ứng với lớp phun của chi tiết nguyên thuỷ, đáp ứng đ•ợc yêu cầu làm việc trong điều kiện khắc nghiệt. Quy trình đ•ợc xáp lập trên cơ sở sau: - Xuất phát từ điều kiện làm việc của chi tiết trong môi tr•ờng nhiệt độ cao, áp suất lớn, mài mòn nhiều để lựa chọn các chỉ tiêu kỹ thuật chủ yếu của lớp phun cần đạt đ•ợc là: + Độ bám dính + Độ xốp lớp trung gian( đối với bề mặt chi tiết phun 2 lớp ) + Độ cứng lớp phun - Độ bám dính có tính chất quyết định độ bền của lớp phun, chống lại hiện t•ợng bong tróc, rạn, nứt, mòn vẹt. Trị số cần đạt của độ bám dính đ•ợc lựa chọn theo tiêu chuẩn đối với từng loại bột do nhà sản xuất giới thiệu. - Độ xốp lớp trung gian có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với chi tiết làm việc trong tr•ờng nhiệt độ cao, ngăn chặn sự xâm nhập của khí nóng và các tạp chất ăn mòn, bảo vệ vật liệu nền không bị phá huỷ. Tiêu chuẩn về độ xốp của lớp trung gian và lớp phun đ•ợc giới thiệu trong tài liệu của GE [12]. - Đối với các chi tiết làm việc trong điều kiện ma sát khô độ cứng của lớp phun đặc tr•ng cho khả năng chống mài mòn của sản phẩm. Tiêu chuẩn về độ cứng đ•ợc các nhà sản xuất bột quy định làm cơ sở đánh giá tính hợp lý của công nghệ. - Khả năng chịu nhiệt của lớp phun chủ yếu do chủng loại bột của lớp phun quy định, dựa trên cơ sở phân tích thành phần lớp phun và vật liệu nền của chi tiết nguyên thuỷ kết hợp với đặc tính kỹ thuật các loại bột phun do hãng Praxair Tafa sản xuất để lựa chọn loại bột dùng trong phun thí nghiệm. - Chế độ công nghệ phun: trên cơ sở phân tích lý thuyết về phun kết hợp với việc tổng hợp các chế độ phun phủ giới thiệu trên nhiều tạp chí, patents, catalo thiết bị và vật liệu phun để lựa chọn giới hạn cần thiết cho quá trình thí nghiệm. - Công nghệ phun thí nghiệm mang tính thiết thực, phù hợp với khai thác khả năng thiết bị hiện có trong n•ớc ta hiện nay. 55
Quy trình công nghệ phun phủ thí nghiệm Tên B•ớc thực Ph•ơng TT công Thiết bị và chế độ công nghệ hiện pháp đoạn 1. Làm B•ớc 1: - Bằng cơ + Máy mài cầm tay. sạch phá bỏ lớp học: mài, cạo, + Dụng cụ cà, cạo mẫu và phun cũ rà Phá bỏ lớp phun cũ khi thấy bề mặt kim chi tiết trên chi loại sáng bóng đồng đều là đ•ợc. ống vòi tiết ống vòi voi cũ voi đã qua không sử dụng nằm B•ớc 2: - Tẩy bằng - Dung dịch HCl ( 20%)+HNO3 (5%). trong Tẩy oxit và dung dịch - Nhiệt độ 70800C diện tạp chất axit loãng. - Thời gian 57 phút phục trên bề mặt - Rửa n•ớc sạch nhiều lần. hồi. chi tiết cũ B•ớc 3: Ngâm trong Dung dịch hỗn hợp: Tẩy sạch dung dịch tẩy - NaOH nồng độ 20g/l dầu mỡ rửa hỗn hợp - Na2CO3 nồng độ 50g/l trên mẫu - Na2Sio3 nồng độ 5g/l và chi tiết - Na3Po4 nồng độ 50g/l ống vòi voi - Nhiệt độ dung dịch 801000C Rửa sạch bằng n•ớc lã. - sấy bằng không khí nóng 400C 2. Phun thí B•ớc 1: Phun hạt oxit Phun trên máy phuncó thiết bị thu hồi hạt nghiệm Tạo nhám nhôm Al2O3 sau khi phun. Bột oxit nhom cỡ hạt G18  bề mặt cỡ hạt G32. G18G32 - áp lực khí nén 4  8 atm. - Khoảng cách phun 70  120mm. - Góc phun 75 900. - Máy đo độ nhám Mitutoyo ( Nhật ) - Sau khi phun hạt phai bọc nilong và tiến hành phun phủ không quá 2 giờ sau đó. B•ớc 2: Xử Dùng nhiệt - Nung nóng chi tiết lên 100  1800C lý nhiệt của súng bằng hồ quang plasma. tr•ớc khi phun plasma - Súng đo nhiệt độ 800047 ( Trung Quốc phun để nung nóng sản xuất ) sơ bộ. B•ớc 3: Phun bằng - Hệ thống phun plasma Model 3710 và Phun thử súng phun súng phun kéo dài SG100, máy đo độ nghiệm kéo dài nhám Mitutoyo ( Nhật ). SG100 Thông số công nghệ phun lớp trung gian ( bột Ni-164-2 ): + Điện áp phun, UP: 40 V + C•ờng độ dòng điện, IP: 700820 A 56
+ Vận tốc di chuyển súng phun, VP: 812 mm/ giây + Khoảng cách phun, lP: 76  120 mm + Năng suất cấp bột, mb: 23  30 g/ph + áp suất khí argon, PAr: 50 Psi. + áp suất khí hêlli, PHe: 110 Psi. + áp suất khí argon (khí tải bột ), PAr: 3035Psi + Nhiệt độ đốt nóng sơ bộ,0C: 100  1800C Thông số công nghệ phun lớp phun ( bột ZRO-182 ): + Điện áp phun, UP: 40 V. + C•ờng độ dòng điện, IP: 400500 A. + Vận tốc di chuyển súng phun, VP: 815 mm/ giây. + Khoảng cách phun, lP: 76  120 mm. + Năng suất cấp bột, mb: 3853 g/phút. + áp suất khí argon, PAr: 40 Psi. + áp suất khí hydro, PH2: 10/15 Psi. + áp suất khí argon (khí tải bột ), PAr: 30/35 Psi. + Góc phun: 75  900 + Nhiệt độ bề mặt phun giữ trong qúa trình phun 1001800C 3. Kiểm tra B•ớc 1: Kiểm tra mẫu Máy thử độ kéo: STIB 200/100 chất Kiểm tra trên các lô thí Các chỉ tiêu cần đạt đ•ợc: l•ợng độ bám nghiệm - Lớp trung gian Ni164-1, độ bám dính lớp phun dính 193,1 kG/cm2. - Lớp phun ZRO-182 độ bám dính 245,9 kG/cm2 B•ớc 2: Kiểm tra độ Thiết bị: Máy Neophot21 ( CHLBĐ), máy Kiểm tra xốp lớp phun đo độ cứng: Duramin ( Đan Mạch) độ xốp trên các mẫu - Chỉ tiêu độ xốp: 2% đối với lớp trung thí nghiệm gian. 57
B•ớc 3: Kiểm tra độ Chỉ tiêu cần đạt đ•ợc ( Đo độ cứng tế vi): Kiểm tra cứng trên các -Lớp trung gian Ni-164-2 Rockwell,15T độ cứng mẫu thử lớp phun 75 - Lớp phun ZRO-182 Rockwell,15N 7580 4.5. Mô tả thí nghiệm 4.5.1. Chỉ tiêu đánh giá Các chỉ tiêu đánh giá chất l•ợng lớp phun nhiệt bao gồm: độ cứng, độ bám và độ nhấp nhô bề mặt ( phụ lục 3). * Tiêu chuẩn cuả lớp trung gianbằng bột Ni-164-2: + Độ cứng Rockwell 15T: 75 (~ 60 RB ); + Độ bám ( trên bề mặt phun cát nhẹ ): min 2750 Psi ( 18,96 Mpa = 193,2 kG/cm2 ); + Độ nhấp nhô bề mặt: 300  400 Ra. * Tiêu chuẩn của lớp phun bằng bột ZRO-182: + Độ cứng Rockwell 15N: 75  80 (~ 30  40 RC ). + Độ bám ( trên bề mặt phun cát nhẹ ): min 3500 Psi ( 24,133 Mpa = 245,91 kG/cm2 ). + Độ nhấp nhô bề mặt: 400  600 Ra. Độ cứng lớp phun đ•ợc kiểm tra theo tiêu chuẩn E18-02 ASTM và E384-99 ASTM, độ bám theo tiêu chuẩn C633-01 ASTM ( phụ lục 3 ). 4.5.2. Thiết bị thí nghiệm Hệ thống phun phủ plasma Model 3710 - Hãng sản xuất Praxair - Tafa ( USA ) - Đặc tính kỹ thuật: + Công suất bộ nguồn: 60 kW + Cỡ bột phun: 40  120 m + Năng suất phun: Qkim loại: 210 kG QCacbit: 16 kG QCeramic: 16 kG - Các bộ phận chủ yếu: + Súng phun SG100 kéo dài + Bộ phận phân phối khí 58
+ Bộ điều khiển quá trình công nghệ 3710 + Bộ nguồn điện PS100 + Bộ khởi động cao tần HF2200 + Bộ cấp bột phun 1264 + Hệ thống làm mát 7508 + Cáp nối, ống nối, các van điều khiển. 4.5.3. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm Quá trình thí nghiệm đ•ợc chia thành 2 giai đoạn: - Giai đoạn 1: Tiến hành trên các mẫu thử để xác định các tính chất của các lớp phun và chế độ công nghệ phun tốt nhất. - Giai đoạn 2: Tiến hành phun thử nghiệm trên đối t•ợng ứng dụng kết quả nghiên cứu để xác định sự đồng đều của các lớp phun và cấu trúc kim loại của chúng. * Mẫu thử tiêu chuẩn: - Vật liệu để làm mẫu kim loại là thép hợp kim X24H14C2 ( t•ơng đ•ơng với thép SS-309). - Công nghệ chuẩn bị mẫu tiến hành nh• sau: + Chế tạo mẫu theo tiêu chuẩn [10] ( hình 4.3) 5 0 , 0 - b) a) Hình 4.3: Mẫu thử độ bám lớp phủ theo W.Milevxki a) Sơ đồ thử b) Kích th•ớc mẫu thử + Làm sạch: Sau khi gia công xong tiến hành làm sạch dầu mỡ bằng cách ngâm các mẫu thử trong hỗn hợp dung dịch NaOH 20g/lít; Na2CO3 50g/lít; Na2SiO3 5g/lít; 59
0 Na3PO4 50g/lít. Nhiệt đô dung dịch 50-80 C ngâm trong 2-3 h. Sau đó rửa sạch bằng n•ớc lã, sấy khô bằng không khí sạch nhiệt độ 400  500C. + Tạo nhám bề mặt: Trong các ph•ơng pháp tạo nhám bề mặt thì ph•ơng pháp phun hạt kim loại đ•ợc sử dụng rộng rãi, có khả năng tạo độ nhám tốt đồng thời thực hiện đ•ợc với nhiều loại chi tiết có hình dạng kết cấu phức tạp. Vì vậy, tạo nhám bằng phun hạt kim loại đ•ợc chọn làm ph•ơng pháp công nghệ chuẩn bị bề mặt phun phủ mẫu thí nghiệm và phun phủ phục hồi thử nghiệm ống vòi voi. Chuẩn bị bề mặt bằng ph•ơng pháp cơ học phun hạt kim loại tạo độ nhấp nhô tế vi Rz với chế độ thích hợp nó sẽ làm tăng độ bám dính giữa vật liệu phun phủ với vật liệu nền. Để có độ bám dính cao cần tiến hành nghiên cứu thử nghiệm một số chế độ công nghệ tạo nhám bề mặt từ đó xác định chế độ công nghệ tốt nhất để tạo độ nhám bề mặt phù hợp với đối t•ợng ứng dụng kết quả nghiên cứu là phun phủ phục hồi thử nghiệm ống vòi voi. + Chế độ tạo nhám 1 ( CĐ1 ): 3 - Máy nén khí: Engasson Range: Q 5m /h, Pmax 8bar, Plv 5 bar - Vòi phun: ( Idnozzle ) D0 12 mm, d 6 mm - Bình chứa hạt phun và hệ thống ống dây, van đóng mở - Vật liệu tạo nhám: Hạt oxit nhôm Al2O3 cỡ hạt G18 ( d= 0,6- 0,8 mm ) - Nhiệt độ môi tr•ờng: 330C, độ ẩm không khí 70% - Ph•ơng pháp phun: phun súng cầm tay - Thông số phun: áp suất khí nén: 4 atm Khoảng cách phun: 100  120 mm Góc phun 75  900C - Số l•ợng mẫu tạo nhám: 15 mẫu phân làm 2 lô thí nghiệm L1.1 6 mẫu, L1.2 8 mẫu 1 mẫu có khuyết tật không sử dụng. - Máy đo độ nhám Mitutoyo ( Nhật ) + Bảo quản mẫu sau khi tạo nhám: Bọc mẫu phun trong nilông và tiến hành phun ngay sau đó không quá 2h. * Mẫu ống vòi voi: + Các ống vòi voi đ•ợc đem làm mẫu là những ống không phục hồi đ•ợc, do bị nứt rạn hoặc bị ăn mòn nghiêm trọng. 60
+ ống vòi voi đ•ợc làm sạch bằng ph•ơng pháp mài. Lớp phun cũ đ•ợc mài hết khỏi vật liệu nền sau đó đ•ợc rửa bằng dung dịch giống khi rửa mẫu thử tiêu chuẩn. + Sự tạo nhám bề mặt đ•ợc tiến hành bằng phun bột oxít nhôm cỡ hạt G24, máy phun có thiết bị thu hồi hạt sau khi phun. Chế độ phun: áp suất khí nén 6 atm; khoảng cách phun 100 mm góc phun 75900. 4.5.4. Điều kiện thí nghiệm - Nhiệt độ: 310  340C - Độ ẩm: 70  74 % - Chiều dày lớp phun: + Lớp trung gian: 0,25  0,35 mm ( tuỳ theo mục đích thí nghiệm ) + Lớp phun: 0, 1  0,15 mm ( tuỳ theo mục đích thí nghiệm ) - Nhiệt độ đốt nóng sơ bộ: 150  2200C. Sự đốt nóng thực hiện bằng hồ quang plasma. - Chế độ phun ( thay đổi theo từng lô thí nghiệm - trình bày trong phần kết quả thí nghiệm ). 4.6. Kết quả thí nghiệm 4.6.1. Đợt I: Gồm 42 mẫu đ•ợc chia thành 7 lô mỗi lô 6 mẫu, ký hiệu từ L1.1  L1.6, đ•ợc phun bằng vật liệu Ni-164-2. Chế độ phun 2 lô L1.1 và L.1.2 đ•ợc gọi là CĐI ( chế độ I ) còn lại đ•ợc gọi là CĐII ( chế độ II ). * L1.1. Các thông số phun - Điện áp hồ quang, V 40 - C•ờng độ dòng điện, A 800 - Tốc độ di chuyển súng phun, mm/giây 10 - Khoảng cách phun, mm 80  120 - Năng suất cấp bột g/phút 25 - áp suất khí argon , Psi 35 - áp suất khí hêli, Psi 35 - áp suất khí argon tải bột, Ps 25 - Chiều dày lớp phun, mm 0,7 - Nhiệt độ đốt nóng sơ bộ, 0C 120  180 Kết quả thí nghiệm ( bảng 4.3 ) 61