Đang tải... (xem toàn văn)
CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ BỀ MẶT - CHƯƠNG 5: PHUN PHỦ BỀ MẶT
1 công nghệ phun Phủ bề mặt chơng p h u n p hủ bề mặt 5.1 Lịch sử phát triển phân loại Công nghệ phun phủ bột kim loại ceramic đợc đời vào năm 50 kỷ Ban đầu phun bột lửa đèn xì oxy-axêtylen Đến năm 60 ngời ta bắt đầu sử dụng plasma hồ quang Dựa sở tơng tự nh phun plasma hồ quang, ngời ta sáng tạo nhiều công nghệ phun plasma khác nh : plasma tần số radio, plasma áp suất thÊp, Hai nhãm phun phđ bỊ mỈt chÝnh hay đợc dùng : phun bột vật liệu nóng chảy phun plasma Trong nhóm phun vật liệu nóng chảy, sử dụng hỗn hợp nổ để tạo gia tốc đẩy bột đến bề mặt chi tiết ta có công nghệ phun nổ Từ ta gọi tắt hai loại phun nhóm : phun khÝ vµ phun nỉ Ngoµi ra, cã sư dơng lợng điện (hồ quang) để làm nóng chảy vật liệu phủ ta có công nghệ phun hồ quang Để nâng cao chất lợng lớp phủ nh giảm tiếng ồn, ngời ta thiết kế kiểu đầu phun siêu âm Trong công nghệ phun plasma, dựa vào kỹ thuật tạo plasma, ngời ta phân làm hai loại : Plasma hồ quang, plasma hình thành tợng phóng hồ quang điện Plasma tần số radio RF (Radio Frequancy), plasma hình thành nhờ sử dụng dòng điện cảm ứng tần số radio (vài MHz) Tuỳ theo chất khí sử dụng để tạo plasma (gọi lµ khÝ plasma) mµ ng−êi ta cã : Plasma khÝ Ar, plasma khí N2, khí H2, , plasma hỗn hợp khÝ Ar+ N2, He+N2, Tuú theo ¸p suÊt buång phun mà chia : Plasma áp suất khí quyển, plasma áp suất âm Sơ đồ phân loại công nghƯ phun phđ bỊ mỈt nh− sau : Phun phđ bề mặt Phun hồ quang Phun nổ Phun siêu âm Phun khÝ Phun vËt liƯu nãng ch¶y Phun plasma Phun plasma hå quang Phun khÝ qun Phun d−íi ¸p suÊt thÊp Phun plasma tÇn sè Radio plasma khÝ Ar plasma khÝ N2 plasma khÝ c«ng nghƯ phun Phđ bỊ mặt Ngày nay, kỹ thuật phun phủ, thông dụng phun khí : dùng hỗn hợp oxyaxêtylen phun plasma hồ quang dùng hỗn hợp khí Ar + H2 5.2 đặc điểm vai trò công nghệ phun Phủ bề mặt Kỹ thuật tạo lớp phủ công nghệ phun phủ bề mặt thực chất đa hạt rắn vào dòng vật chất có lợng cao : dòng khí cháy dòng plasma (tạo hồ quang tần số radio) nhằm : tăng tốc độ hạt rắn, nung hạt nóng chảy (có thể nóng chảy phần), đẩy hạt nóng chảy đến bề mặt chi tiết cần phủ Lớp phủ, đặc điểm hình thành, có cấu trúc dạng lớp xếp chồng chất lên Do công nghệ phun phủ bề mặt có chung đặc điểm : - Nguồn lợng cách ly với bề mặt chi tiết phủ, nhiệt độ bề mặt phủ giữ nhiệt độ 80 đến 100 oC Điều cho phép phủ ceramic lên vật liệu polyme Môi trờng phun phải đợc khống chế, để không làm hỏng bột phản ứng hoá học, nung nóng bột lên nhiệt độ đủ cao 900-1000 oC nhằm cải thiện độ bám dính tăng độ xít chặt lớp phủ - Các hạt rắn dới tác dụng vật lý, hoá học dòng phun (plasma chẳng hạn) có thành phần tính chất thay đổi, lớp phủ nhận đợc không thiết có thành phần trùng với hỗn hợp bột ban đầu - Lớp phủ có cấu trúc dạng lớp hạt nóng chảy biến mềm đập lên bề mặt phủ với động làm cho chúng dẹt - Các vật liệu phủ, nhiệt độ cao, tiếp xúc với bề mặt chi tiết đợc làm nguội nhanh Tốc độ nguội, phun plasma, ớc tính khoảng 105-107 độ/s, đó, kim loại, tạo thành pha giả ổn định, vi tinh thể cỡ hạt khoảng 0,25-0,5 àm vô định hình Công nghệ phun phủ bề mặt xem nh bao gồm công đoạn : nóng chảy, đông đặc - Có thể tạo đợc lớp phủ cho chi tiết phức tạp nhờ sử dụng tay máy, ngời máy đại - Để tạo đợc lớp phủ, tất vật liệu phun phải có nhiệt độ chảy nhiệt độ phân huỷ bay chênh 300 độ, để vật liệu không bị phân huỷ bay hết trớc đến bề mặt chi tiết Công nghƯ phun phđ cã thĨ thùc hiƯn ®èi víi nhiỊu loại chi tiết, xử lý chỗ, cục kết cấu lớn Nhờ lựa chọn chất phủ công nghệ phủ thích hợp, ngời ta thực công nghệ phun phủ lên vật liệu phi kim loại nh : ceramic, giấy, gỗ vật liệu polymer khác Sự phát triển công nghệ phun phủ bề mặt, ngày đà më réng nhiỊu lÜnh vùc ¸p dơng kh¸c nh : khí động học, hạt nhân, khí để tạo lớp phủ chống mài mòn, chống ăn mòn, tạo lớp phủ ngành điện, lớp cách nhiệt, Ví dụ, năm 1987, lớp phủ ceramic tạo công nghệ phun plasma Mỹ có giá trị tài 1,2 tỷ đô la, năm tăng khoảng 12%, khoảng 75% giành cho ngành hàng không (khoảng 256 chi tiết động máy bay) Trong năm qua, công nghệ phun plasma đạt đợc tiến nhờ tiến đo lờng dòng hạt laser Trong trình phun phủ, phun plasma, có tới 50 thông số ảnh hởng, việc tối u hoá dễ Ngày nay, nhờ kỹ thuật đo lờng đại, ngời ta khẳng định rằng, chất lợng lớp phủ phụ thuộc chủ yếu vào yếu tố sau : a- Trạng thái nóng chảy vận tốc hạt ®Ëp tíi bỊ mỈt chi tiÕt cịng nh− cÊu tróc lớp phủ, để thay đổi, thông số cần điều chỉnh : công nghệ phun Phủ bề mặt Vận tốc hạt : lu lợng khí phun, tỷ lệ bột, khối lợng riêng, cỡ hạt bột, chiều dài phun Nhiệt độ hạt : hệ số truyền nhiệt dòng phun hạt, hệ số dÉn nhiƯt cđa vËt liƯu h¹t, thêi gian l−u cđa hạt dòng phun Cấu trúc lớp phủ : vận tốc hạt, nhiệt độ hạt, chất, lu lợng, kích thớc phân bố hạt, vị trí đầu phun (khoảng cách phun, độ nghiêng đầu phun) b- Phản ứng hoá học hạt với dòng phun, với môi trờng Sự phân ly hạt chất vật liệu hạt trao đổi nhiệt hạt dòng phun định c- Sự nung nóng chi tiết phủ phụ thuộc vào chuyển động tơng đối đầu phun chi tiết, phụ thuộc vào tản nhiệt môi trờng xung quanh, định cấu trúc lớp phủ, ứng suất hình thành vết nøt líp phđ CÊu tróc vµ tÝnh chÊt cđa lớp phủ phụ thuộc vào nhiều thông số, ngợc lại, thông số ảnh hởng đến nhiều tính chất lớp phủ, chồng chéo tác dụng đối ngợc Vì vậy, việc mô hình hoá để tìm tối u điều cần thiết 5.3 Các phơng pháp đo mô hình hoá 5.3.1 Các điểm chung Nh đà nêu trên, dòng phun sản phÈm ch¸y cđa khÝ cã chøa c¸c khÝ : CO2, CO, H2O, H2, O2, N2, H, O, N cã thÓ plasma hình thành dới tác dụng từ trờng dòng điện chiều, dòng điện tần số radio có áp suất nằm khoảng từ 6.103 đến 105Pa Khí plasma thờng hỗn hợp khí Ar-H2, Ar-He N2-H2 Tận dụng lợng hỗn hợp nổ xu hơng đợc nhiều ngời quan tâm chất lợng lớp phủ cao ( xít chặt, bám dính tốt ) phủ nhanh Sơ đồ làm việc ba loại đầu phun đợc trình bày hình 5.1a- đầu phun khí, 5.1b- đầu phun hồ quang 5.1c đầu phun nổ Khi phun plasma, hình 5.1c., lửa phun dài, đờng cong biểu thị đờng đẳng nhiệt vận tốc chuyển động dòng phun Nhiệt độ cao trục đạt tới 14000K Mật độ lợng plasma hồ quang khoảng 102 KWh/kg khí Bột đợc đa vào ống phun cuối bên ống theo phơng vuông góc nghiêng chút so với trục đầu phun Đối với đầu phun tần số radio (RF), đờng kính plasma to nhiều (20-40mm), mật độ lợng trung bình nhỏ đầu phun hồ quang từ 10-20 lần (khoảng 15-10 KWh/kg khí) Bột phải đa vào tâm dòng phun để không làm đảo lộn dòng phun Khi sử dụng đầu phun RF, hình thành plasma phụ thuộc vào chất khí, vào tần số vào công suất đầu phun RF, vào vị trí, vào bớc vòng cảm ứng cách dẫn khí đầu phun RF Khác với phun plasma hå quang, phun plasma RF, nhiƯt ®é cao nhÊt không 10.000K, vận tốc nhỏ 50 m/s gradient nhiệt độ vận tốc khí theo phơng pháp tuyến nhỏ hơn, khí dùng phổ biến hỗn hợp Ar-He, áp dụng chủ yếu phủ hợp kim MCrAlY (M=Ni, Co, Ni-Co, Fe, ), phđ ceramic cßn ch−a hoàn toàn ổn định Các phân tích sau dây chủ yếu dựa vào kết nghiên cứu dòng phun plasma, dòng phun khí, đơn giản hơn, đợc suy tơng tự 4 công nghệ phun Phủ bề mặt Hình 5.1a Sơ đồ đầu phun khí 1- ngän löa phun 2- cÊp bét 3- khÝ nÐn 4- khí cháy Hình 5.1b Sơ đồ đầu phun plasma 1- dòng plasma 2- nớc làm nguội 3- khí plasma 4- cấp bột 5- cách điện Hình 5.1c Sơ đồ đầu phun nổ - khí mang bét - thïng chøa bét - bu gi - nòng phun - đờng dẫn khí cháy 5.3.2 Các phơng pháp đo đạc phân tích công nghệ phun Phủ bề mặt Nhiệt độ, vận tốc plasma, bột 5.3.3 Mô hình hoá trình phun plasma 5.3.3.1 Phun plasma Có nhiều mô hình đợc đề : mô hình chảy tầng, mô hình chảy rối Đối với đầu phun hồ quang : cho phép thiết lập quan hệ phân bố nhiệt độ vận tốc với điều kiện biết phân bố nhiệt độ trớc đa bột vào Các trình điện cực hầu nh cha có mô hình Ngợc lại, plasma RF, ngời ta hoàn toàn lập đợc mô hình dự kiến đợc phóng ®iƯn xÈy nµo Ng−êi ta cịng ®· thiÕt lập mô hình truyền nhiệt trao đổi chất phun phủ bề mặt từ xác định phân bố nhiệt độ dòng phun hạt nh ảnh hởng thông số công nghệ đến phân bố nhiệt độ Từ kết này, ngời ta đà xác định đợc thông số hợp lý cho trình phun phủ bề mặt Tuy nhiên phức tạp biến đổi theo điều kiện thực tiễn kết trình bày sau để tham khảo 5.4 Sự hình thành lớp phủ 5.4.1 Trạng thái tiếp xúc hạt lên bề mặt chi tiết Quá trình hình thành lớp phủ bao gồm bớc : tạo dòng phun có lợng cao, đa bột vào dòng phun, nung nóng chảy bột, phủ lên bề mặt chi tiết, đông đặc hình thành lớp phủ Chuyển động hạt dòng phun ngắn ( từ 10-5 đến 10-3 s) chi điều khiển đợc nhờ mô hình hoá thực tự động Khi phun hạt lên bề mặt phẳng, tỷ lệ đờng kính phủ hạt lên bề mặt (D) so với đờng kính hạt ban đầu d xác định theo công thức : D/d = k ( Vd à)0,2 (5.2) Trong : khối lợng riêng hạt độ sệt hạt tới bề mặt Vd vận tốc hạt đập vào bề mặt k hệ số phụ thuộc vào cấu trúc bề mặt, vào công nghƯ phun Khi phun h¹t Al2O3 plasma hå quang, khí plasma sử dụng hỗn hợp khí Ar + 10% H2, công suất 29 kW k = 1,29 xác định thực nghiệm, D/d = đến Khi hạt nóng chảy (T > To) nhỏ tỷ lệ D/d cao, cần tăng vận tốc hạt để giảm thời gian lu hạt giảm nhiệt độ hạt Khi hạt đập lên bề mặt, có ba khả tiếp xúc hạt bề mặt (hình 5.2.) : a) b) c) Hình 5.2 Trạng thái tiếp xúc hạt phun lên bề mặt chi tiết a- phun dính, b- phunbám dính phần, c- phun không bám dính (tung toé) - Phun dính, hình 5.2a, hạt bám dính tốt lên bề mặt, thờng xẩy phun hạt lên bề mặt trớc đà đợc phủ lớp phủ bám dính tốt bề mặt chi tiết 6 công nghệ phun Phủ bề mặt - Phun bám dính phần, hình 5.2b, bám phần giữa, xung quanh không bám dính cong lên nh cánh hoa - Phun tung toé, hình 5.2c, hạt có nhiệt độ cao đập lên bề mặt vỡ làm nhiều mảnh nhỏ Chất lợng lớp phủ trạng thái tiếp xúc hạt lên bề mặt định, tốt phun dính Nhiệt luyện lớp phủ cải thiện đáng kể tính chất lớp phủ: tăng bám dính, tăng độ xít chặt lớp phủ, Tuy nhiên loại vấn đề cha đợc giải là: chi tiết phủ thông thờng có bề mặt bất kỳ, trình nguội nhanh lớp phủ (cỡ 107độ.s), có ảnh hởng đến công nghệ phun nh chất lợng líp phđ 5.4.2 Sù b¸m dÝnh cđa líp phđ Sù bám dính đặc tính quan trọng lớp phủ, chế bám dính lớp phủ lên chi tiết nh sau: a, Móc nối học, chế bám dính quan trọng đặc biệt với lớp phủ ceramic Sự phun cát làm bề mặt trớc phủ tạo nhấp nhô bề mặt (hình 5.3.) nơi bám dính móc nối học lớp phủ lên bề mặt Sự bám nối tăng tăng số lợng nhấp nhô bề mặt Tuy nhiên phải ý tăng thời gian phun cát làm để tăng số lợng nhấp nhô bề mặt Hình 5.3 Bám dính học lớp phủ Để bám dính tốt, nh đà nêu trên, hạt phải đợc phủ dính bề mặt, độ nhớt phải nhỏ tính thấm ớt phải cao Để bám dính tốt hệ số dÃn nở nhiệt lớp phủ phải sai khác với vật liệu chi tiết Đối với lớp phủ chất lợng cao, lực bám dính tối thiểu phải từ 30-50 MPa đạt yêu cầu Đối với lớp phủ ceramic lên vật liệu ceramic, lên cacbon lên vật liệu compozit sử dụng nhiều lĩnh vực: hàng không, vũ trụ hạt nhân, nhiều vấn đề cần hoàn chỉnh b, Bám dính nhờ liên kết nguyên tử phân tử với nhau, lực liên kết hình thành trình khuếch tán tạo hợp kim hỗn hợp, có độ bền định Quá trình khuếch tán xẩy đáng kể nhiệt độ bề mặt chi tiết đủ cao Ví dụ phun bột siêu hợp kim dới áp suất âm Nhiệt độ bề mặt trình phun 950 oC hồ quang điện nung nóng Hoặc phun Al lên bề mặt Ni nhờ phản ứng toả nhiệt tạo hợp kim Al-Ni c, B¸m dÝnh ho¸ häc, ¸i lùc ho¸ học lớp phủ với vật liệu tạo thành hợp chất hoá học, ví dụ phủ Mo lên chi tiết thép Do Mo có lực hoá học lớn với Fe chúng phản ứng tạo thành hợp chất liên kim nh FeMo, Fe2Mo Các phản ứng toả nhiệt làm nóng chảy lớp vật liệu sát phía dới làm cho phản ứng xẩy mạnh, Ni Al xẩy tợng tơng tự Các hợp chất hoá học bền vững nhng hay bị giòn Trong chế bám dính nêu trên, bám dính nhờ liên kết nguyên tử phân tử cho độ bền cao Sự bám dính đợc cải thiện ta tạo sơ lớp ăn chân trung gian có chiều dày từ 0,05 đến 0,2 mm có tác dụng : - Cải thiện tính thấm ớt hạt lên chi tiết - Lớp chuyển tiếp để giảm chênh lệch đột ngét vỊ hƯ sè d·n në nhiƯt - B¶o vƯ bề mặt chi tiết trớc phủ (khỏi oxy hoá) Các lớp trung gian ăn chân thờng đợc dùng nhiệt độ oxy hoá tối hạn : Mo (315oC), NiAl20 (620 oC), NiAl5 (1010 oC), NiCr20 (1260 oC), NiCr20Al6 (980 oC) Các chi tiết có lớp phủ sơ phải đợc giữ nhiệt độ trớc phủ không đợc vợt nhiệt độ công nghệ phun Phủ bề mặt oxy hoá tới hạn, mặt khác phải tránh trình ăn mòn khác, ví dụ ăn mòn NiAl6 dung dÞch mi Líp phđ trung gian quan trọng MCrAlY (trong M Ni, Co, Fe, Ni-Co, ) có tác dụng tránh va đập nhiệt (biến đổi nhiệt đột ngột) cho siêu hợp kim 5.4.3 øng st líp phđ Hai lo¹i øng st : ứng suất vi mô ứng suất vĩ mô - ứng suất vi mô, hình thành nhỏ co lại khi làm nguội (vì lớp phủ có cấu trúc lớp, lớp ghép lại) Các nhỏ nằm mặt tiÕp xóc víi vËt liƯu nỊn cã thĨ n»m lớp phủ cấu tạo nên lớp phủ Thông thờng c¸c øng st kÐo cđa c¸c tÊm nhá tù triƯt tiêu xuất vết nứt Các vi ứng suất sinh cân mặt phân cách lớp phủ chi tiết, có thĨ ë chÝnh líp phđ V× thÕ, vi øng suất ảnh hởng đến hệ số giÃn nở nhiệt tơng đối lớp phủ nền, ảnh hởng đến biến dạng chi tiết, lớp trung gian có vai trò quan trọng cân vi øng st - øng st vÜ m«, xt hiƯn cân toàn chi tiết lớp phủ Nguyên nhân hệ số co làm nguội lớp phủ chi tiết khác a) b) Hình 5.4 Trạng thái bề mặt ứng suất Đặc biƯt víi líp phđ ceramic, vËt liƯu ceramic chÞu nén cao nhiều chịu kéo, trình phủ phải tạo lớp ăn chân trớc tạo ứng suất nén lên lớp phủ Ví dụ làm nguội nớc phía đối diện với lớp phủ, trình phủ, lớp phủ chịu ứng suất nén triệt tiêu phần hoàn toàn ứng suất kéo làm nguội toàn lớp phủ, lớp phủ không bị nứt Điều khiển tốc độ nguội líp phđ b»ng c¸c biƯn ph¸p sau : a, Thỉi lên bề mặt trớc trình phủ khí CO2, không khí khí hoá lỏng b, Thổi khí nén vuông góc với dòng plasma sát với mặt chi tiết để dòng plasma không trực tiếp nung nóng bề mặt chi tiết c, Tăng tốc độ quét đầu phun bề mặt chi tiết để làm giảm chiều dày phủ lần quét, quét nhiều lần để tạo líp phđ dµy VÝ dơ, phđ ZrO2 + 8% Y2O3 (theo khối lợng) dày 0,4 mm Nếu phun bình thờng ứng suất d lớn Nếu tìm cách để giữ nhiệt độ chi tiết lớp phủ thấp (ví dụ phun nớc làm nguội mặt đối diện) øng st líp phđ lµ øng st nÐn vµ nguy hiểm Đối với lớp phủ ZrO2, lớp ăn chân trung gian hầu nh không ảnh hởng đến ứng suất d ZrO2, nhng lại làm giảm rõ nét tính không liên tục ứng suất bề mặt phân cách 5.4.4 Cấu trúc lớp phủ công nghệ phun Phủ bề mặt Do đợc làm nguội nhanh từ trạng thái lỏng sang trạng thái đặc (107 độ/s) hạt vật liệu trạng thái không ổn định vô định hình Khi đợc làm nguội nhanh hạt tinh thể nhỏ mịn, tính cao 5.4.5 Đô xốp lớp phủ Do chất hình thành lớp phủ phun plasma, tốc độ làm nguội mà lớp phủ luôn có độ xốp định, thờng từ đến 20% Sự hình thành lỗ xốp lớp phủ hình dung hình 5.5 Khi hạt nóng chảy hoàn toàn, đợc đập vào bề mặt với vận tốc lớn độ xốp nhỏ Để tăng vận tốc hạt ngời ta thiết kế loại đầu phun siêu âm, đầu phun công suất lớn (80 kW) Hình 5.5 Sự hình thành lỗ xốp lớp phủ a,b- hạt nóng chảy không liên kết, c- hạt không nóng chảy, d- phun tung toé Cấu trúc lớp phủ định tính chất cơ, điện, tính chất nhiệt lý cuối tính chất sử dụng vật liệu Trên hình 5.6 tập hợp dạng khuyết tật lớp phủ bao gồm: a- Không bám dính, không cấu kết lớp phủ chi tiết đầu phun di chuyển bề mặt chi tiết không hợp lý b- Sự phân tầng c- Nứt tế vi, hình thành ứng suất kéo nhỏ tạo thành d- Các lỗ hổng, chế hình thành nh nêu hình 5.5 e- Các vết nứt vuông góc với bề mặt, lớp phủ co lại làm nguội f- Bọt khí nằm lớp phủ phun g- Hạt không nóng chảy Để giảm khuyết tật lớp phủ cần có biện pháp phối hợp : chọn loại bột (cỡ hạt, phân bố cở hạt), chế độ công nghệ phun (nhiệt độ chi tiết, lu lợng ,khí plasma, áp suất phun, lu lợng bột, ) Hình 5.6 Các d¹ng kht tËt cđa líp phđ TÝnh chÊt cđa líp phủ ceramic, nói chung thay đổi ngẫu nhiên, chế ngự đợc, ngợc lại lớp phủ kim loại phần chế ngự đợc Ví dụ, lớp phủ MCrAlY lên siêu hợp kim, phủ áp suất âm, nhiệt ®é chi tiÕt phđ gi÷ ë 950-1000 oC Sau phủ, đem nhiệt luyện để cải thiện liên kết khử ứng suất Kết quả, nhận đợc lớp phủ xít chặt tính tốt không nhiệt luyện công nghệ phun Phủ bề mặt Để cải thiện tính chất lớp phủ ceramic phức tạp nhiều Vì phải ủ nhiệt độ 1400 oC hàng 100h, mà chi tiết, có vật liệu chịu đợc điều kiện Ngày ngời ta đà phải dùng chiếu tia laser để cải thiƯn tÝnh chÊt cđa líp phđ ceramic Líp phđ sau sử lý xít chặt nhng lại xuất nhiều vết nứt vuông góc với bề mặt Gần đây, đà xuất lớp phủ compozit ceramic sợi tế vi Sợi đợc trộn lẫn phun Độ cứng đạt 2000HV Bề mặt chi tiết trớc phủ phải đợc phun cát làm nhám với Ra 0,4 àm, không, ứng suất lớp phủ gây nhiều vết nứt làm bong lớp phủ 5.5 Công nghệ phun bột vật liệu nóng chảy Là phơng pháp đợc sử dụng rộng rÃi công nghiệp để tạo lớp phủ Zn, Cd, Pb, Al, Sn, Ni, Cu, chống ăn mòn, mài mòn trang trí Ngoài ra, phun phủ bề mặt có tác dụng đặc biệt khác nh : tăng điện trở, sửa chữa khuyết tật bề mặt, Ngời ta thờng thiết kế lỗ phun có góc mở khoảng 25o để đảm bảo khả dẫn bột tốt bị không khí thâm nhập vào phun Tuỳ theo loại loại khí cháy sử dụng, ngời ta tính toán thông số phun để số Râynol nằm khoảng thích hợp Ví dụ: khí cháy H2 Re 2200, axêtylen khí đốt chọn Re khoảng 8900 đến 10400 Bột đợc đa vào tâm dòng phun, nhiệt độ lửa dùng hỗn hợp oxyaxêtylen lên tới 3200 oC , tốc độ trung bình khoảng 150 - 160 m/s Do bột đợc nóng chảy (bột có nhiệt độ chảy cao, đợc nóng chảy lớp bề mặt), đợc dòng khí dẫn tới đập lên bề mặt tạo thành lớp phủ Ngoài vật liệu phủ dạng bột, kim loại (Zn, Sn, ) ngời ta sử dụng dới dạng dây Ưu điểm công nghệ phun bột vật liệu nóng chảy : Có thể phủ đợc hầu hết vật liệu có nhiệt độ chảy dới 3000 oC Tốc độ phđ nhanh (tõ ®Õn 10 kg/h) hƯ sè sư dụng vật liệu cao (có thể đạt tới 95%) Có khả phủ cục phần bề mặt chi tiết, phủ chỗ không cần tháo lắp chi tiết Dễ thực hiện, giá đầu t thiết bị nhỏ, dễ thay đổi Nhợc điểm chủ yếu công nghệ : Chỉ phủ đợc vật liệu có nhiệt độ chảy không cao (chủ yếu vật liệu kim loại) Độ xốp lớp phủ lớn (5-25%) chất lợng lớp phủ không cao (độ bền không vợt (5-25) MPa Hiệu suất nhiệt dòng phun thấp, đạt khoảng (2-12)% Khi phủ phơng pháp phun bột vật liệu nóng chảy, ngời ta thờng tạo gia tốc chuyển động cho hạt vật liệu nóng chảy nhờ khí nén dới áp suất từ 4,2 đến 4,5 at Trong trình phun, vật liệu dạng bột đợc nung nóng nhờ sản phẩm cháy khí nh : axêtylen (C2H2), khí đốt ( C3H8 + C4H10), khí mêtal (CH4), đốt cháy oxy khí nén Các khí phải đợc làm dầu mỡ ẩm Khi phun, tỷ lệ lu lợng khí phải nằm giới hạn thích hợp nhiệt độ cao, tốc độ dòng phun bị hạn chÕ Khi phun vËt liƯu nãng ch¶y, chđ u dựa vào lợng dòng khí phun khí, nhiệt độ hạt, khả bám dính chất lợng lớp phủ thấp phun plasma Chiều dài lửa phun plasma lớn Nói chung, để lớp phủ đồng đều, bám dính tốt bề mặt chi tiết phải sạch, phẳng dễ bám dính lớp phủ, tốt sau đợc phun cát làm Vật liệu phủ dạng bột, dạng sợi Năng lợng làm nóng chảy vật liệu phủ nhiệt đốt cháy nhiên liệu khí, có sử dụng lợng điện chất lợng lớp phủ tốt 10 công nghệ phun Phủ bề mặt Khi cần tạo lớp phủ dày, nên phủ làm nhiều lần, lần phun với chiều dày từ 0,3 đến 0,5mm, để nhiệt độ bề mặt (T) trình phun không cao (T/Tf < 0,45, xem mục 0.7) dễ tạo thành tinh thể thô to làm xấu tính chất lớp phủ Công nghệ phun bét vËt liƯu nãng ch¶y cã thĨ thùc hiƯn Polyme Khi phun hạt vật liệu Polyme nóng chảy liên kết với lớp bề mặt lớp vật liệu Polyme có sẵn bề mặt Trớc phun, bột Polyme phải đợc sấy từ ®Õn h ë (50-60) oC, bỊ mỈt chi tiÕt phải đợc nung đến nhiệt độ sát nhiệt độ chảy Polyme Chi tiết lớn, không đa vào lò sấy đợc dùng hệ thống mỏ đốt đặt phía trớc đầu phun bột để nung nóng sơ trình phủ Nhiệt độ chi tiết đồng xấp xỉ nhiệt độ chảy Polyme chất lợng lớp phủ cao Trờng hợp không nung nóng trớc bề mặt (nhất chi tiết hình khối lớn mà không đợc trang bị hệ thống mỏ đốt để nung nóng sơ bộ) phải sơn vài lớp lót ăn chân trớc phun Lớp lót ăn chân thờng dung môi sơn (hay dầu sơn) Sau lớp lót ăn chân khô se bề mặt phun Bảng nêu thành phần số hỗn hợp phun phủ polyme hay dùng : Bảng 5.1 Thành phần số bột phun polyme Stt Thành phần 55% Polyvinylbutyran + 19,8% PEHD* + 18% nhùa phenol-formadehyt + 10% graphit 40% etylxenlulo + 60% s¸p 90% polyvinylbutyran + 10% graphit 50% polyvinylbutyran + 23% graphit + 21 iditol + 2% urotropyl 33% PE + 16% PS + 15% xerezin + 30% bét Al + 6% bét Fe 50% PEHD + 35% PS 15% phấn chì bạc * - PEHD- polyetylen (PE) tỷ trọng cao, PS- polystyren Để cải thiện tính chất lớp phủ, ngời ta cho thêm vào chất độn nhằm cải thiện tính chất học, vật lý hoá học lớp phủ Đặc biệt, đa vật liệu sợi vào để tạo lớp phủ compozit hớng đợc nhiều ngời quan tâm hiƯn C¸c khut tËt chđ u cđa líp phđ lµ : phång rép tõng vïng vµ bät khÝ Mét số kiểu đầu phun đặc tính kỹ thuật đợc nêu bảng 5.2 Hình 5.1a sơ đồ hoạt động loại thiết bị phun khí dùng bột Tốc độ cực đại tâm dòng phun khoảng từ 600 đến 800 m/s Tiêu thụ khí cháy (propan (C3H8)) khoảng 7-10 m3/h, tiêu thụ oxy 28-40 m3/h, chiều dài lửa khoảng 300 mm, chiều dài phun hữu ích khoảng 150 mm Bảng 5.2 Một số kiểu đầu phun khí Ký hiƯu Vbét dm3 dbét µm PO2 MPa PC2H2 MPa QO2 m3/h QC2H2 m3/h C«ng suÊt kg/h YΠH8.68 30-150 0,4 2,2 1,7 Zn=7 polyme=11 YΠTP178M 0,66 30-160 0,15 0,030,05 0,095 1,75 0,95 Ni=9,6 Al2O3=1,5 OAM (Ph¸p) - 30-150 - - 28-40 7-10 2-12 Hiệu suất % 70 Đầu phun kg 1,7 95-98 1,3 95-98 - c«ng nghƯ phun Phđ bề mặt 11 5.6 Công nghệ phun nổ Trong công nghệ phun nổ, ngời ta sử dụng lợng hỗn hợp khí cháy có nhiệt độ áp suất cao, tho¸t khái bng nỉ, cn theo bét, đợc dẫn qua nòng phun tới bề mặt chi tiết Sơ đồ thiết bị phun nổ đợc trình bày hình 5.1c Bao gồm nòng phun hình trụ côn loe với góc nhỏ, có trang bị hệ thống đóng mở supáp để cung cấp bột, cung cấp hỗn hợp khí đánh lửa bugi theo chu kỳ để đốt cháy hỗn hợp nổ Khi dùng công nghệ phun nổ, vận tốc hạt lớn nhiệt hạt cao Tốc độ lan truyền phản ứng nổ vào khoảng từ 2000 đến 4000 m/s, nhiệt độ khoảng 2200 đến 5500 oC (tuỳ thuộc vào hỗn hợp nổ sử dụng), tốc độ hạt tới bề mặt đạt 600-1000 m/s Ưu điểm công nghệ : Chất lợng lớp phủ cao (độ bền lớp phủ đạt từ 10 đến 160 MPa độ xốp nhỏ (khoảng 0,5-1%) Phủ đợc lớp phủ phức tạp nh: thép, Ni hợp kim Ni không đòi hỏi làm tốt bề mặt Cấu trúc thiết bị tơng đối đơn giản Nhợc điểm công nghệ Gây tiếng ồn lớn (125-140 dB) phải làm việc vùng cô lập Sản phẩm nỉ lµ: CO2, CO, H2O, H2, O2, N2, H, O, N dễ phản ứng với vật liệu phủ làm xấu tính chất lớp phủ Dễ gây biến dạng phá huỷ chi tiết, trờng hợp chi tiết không đủ cứng vững Chu kỳ hoạt động thiết bị gồm giai đoạn : 123456- Điền đầy hỗn hợp nổ Định lợng đa bột vào nòng phun ( đa với hỗn hợp nổ ) Đánh lửa để đốt hỗn hợp nổ Tạo dòng hỗn hợp cháy bột nóng chảy phân bố Đẩy toàn dòng hỗn hợp theo nòng phun Thời gian chờ khoảng 0,01s để hỗn hợp đến bề mặt chi tiết (thông thờng thời gian tiếp xúc hỗn hợp nổ bột) 7- Va đập dòng hỗn hợp nổ bột lên bề mặt, đẩy hết hỗn hợp cháy bột khỏi nòng phun Thông thờng nòng phun đợc điền đầy khí N2 để làm nguội Khi nổ, tốc độ khí nòng phun khoảng - Km /s Khi dùng hỗn hợp nổ oxy - axetylen tốc độ tới 3Km/s , nhiệt độ vùng nổ lên tới 3300 oC Bằng cách điều chỉnh hỗn hợp nổ , ngời ta thay đổi đợc nhiệt độ , tốc độ hạt đập lên bề mặt ( khoảng 600 - 1000 m/s) để nhận đợc lớp phủ mong muốn tuỳ theo chất vật liệu bột sử dụng Nhợc điểm phun nổ nung nóng mạnh bề mặt chi tiết phủ dễ gây ứng suất biễn đổi cấu trúc lớp bề mặt vật liệu Kích thớc hình dạng chi tiết ảnh hởng lớn tới chất lợng lớp phủ Chi tiết hình dạng đơn giản kích thớc lớn dễ phủ Ngợc lại chi tiết phức tạp, có lỗ lớp phủ khó đồng Công nghệ phun nổ cho phép phủ đợc lỗ đờng kính 10 mm chiều sâu lỗ không vợt 1,5 lần đờng kính Ngày nay, kỹ thuật đánh lửa bán dẫn điện tử đợc áp dụng vào thiết bị phun nổ làm giảm nhẹ kết cấu n©ng cao hiƯu st phun nỉ Song g©y tiÕng ồn hiệu suất sử dụng bột thấp nên việc áp dụng kỹ thuật phun nổ ngày bị hạn chế công nghệ phun Phủ bề mặt 12 5.7 công nghÖ Phun Plasma 5.7.1 Plasma hå quang 5.7.1.1 Plasma phun áp suất khí Nguyên lý làm việc đầu phun đợc giới thiệu hình 5.7 bao gồm catôt (K) anôt (A) dới dạng hình ống Hồ quang đợc hình thành dòng vật liệu chảy catôt anôt Dòng khí plasma chảy rối chảy tầng miễn tạo hồ quang ổn định, tạo đợc mạch dẫn anôt sản phẩm plasma chảy ống anôt, thông thờng anôt đợc làm nguội mÃnh liệt nớc Hình 5.7 Sơ đồ đầu phun plasma hå quang A- an«t, K- cat«t, HBL- líp giới hạn nóng, CBL- lớp giới hạn lạnh Sự hình thành plasma hình dung nh sau : ban đầu số electron phát từ vùng hẹp nóng chảy, diện tích vùng nóng chảy khoảng vài phần mời mm2 miệng ống catôt (catôt hợp kim W-Th dạng ống) Các electron vừa hình thành, đợc gia tốc điện trờng, ion hoá tiếp phần tử khí, tạo thành plasma trải rộng dần bề mặt catôt Cơ chế cho phép giải thích hình thành ban đầu plasma Tiếp theo, plasma tiếp tục phát triển theo chế : - Khi hỗn hợp bột chuyển động tới vùng anôt, có tợng phóng điện, xuất hồ quang điện Hồ quang tạo thành gọi hồ quang sơ cấp, dới tác dụng hồ quang điện số nguyên tử khí số nguyên tử kim loại bị ion hoá tạo thành plasma - Một số điện tử bị giữ lại anôt hỗn hợp plasma tiếp tục chuyển động, bị số electron nên plasma trở nên giầu ion dơng lớp phủ trở thành anôt, đợc gọi anôt thứ cấp, anốt đầu phun trở thành catôt thứ cấp Hồ quang sinh catôt thứ cấp anôt thứ cấp gọi hồ quang thứ cấp Nhờ cã hå quang thø cÊp mµ ngän lưa plasma kÐo dài ra, có tác dụng vừa nung nóng bột vừa nung nóng chi tiết trình xẩy nhanh, chất lợng lớp phủ tốt Cơ chế phù hợp với nhiều công nghệ phun phủ plasma hồ quang Bán kính điện ro Bán kính điện ro cuả dòng plasma bán kính cột hồ quang (trong dòng (cột) plasma có hồ quang nhỏ), xác định nơi có áp suất khí quyển, có nhiệt độ 6000K Bán kính điện ro phụ thuộc vào yếu tố : - Cờng độ dòng điện I (ro tăng I tăng) - Tốc độ làm nguội ngoại biên cột plasma ống anôt (hình dạng ống, đờng kính ống, tốc độ làm nguội nớc) T¶n nhiƯt cđa plasma : hƯ sè dÉn nhiƯt trung bình plasma, nh nêu : H2 > λN2 > λAr ®ã ta cã roAr > roN2 > roH2 với đờng kính đầu phun nh 13 công nghệ phun Phủ bề mặt Truyền nhiệt đối lu, tuỳ thuộc vào việc dẫn khí lạnh vào trờng hồ quang, tốc độ khí, thông thờng không đợc 50 m/s vùng lân cận catôt để không thổi mát làm vùng nóng chảy Cần tính toán tốc độ phơng dẫn khí lạnh nh để không xoáy toé làm giảm nhanh chiều dài cột hồ quang (cột plasma) Bán kính điện ro giảm lu lợng khí plasma (Qo) tăng, điện áp cần thiết để tạo hồ quang tăng lên Khi hồ quang tạo thành co thắt trờng điện dọc trục tăng, lửa plasma dài Hơn nữa, co thắt hồ quang làm tăng nhiệt độ vËn tèc cđa plasma CÊu tróc cđa cét plasma vµ xói mòn anôt Cấu trúc dòng phun: Dòng plasma gåm hai phÇn : mét phÇn n»m cét plasma (T > 6000, V > 400 m/s) cã mËt ®é thấp (bằng 1/10 đến 1/20 khí lạnh), phần thứ hai khí lạnh vùng ngoại biên plasma, có vận tốc nhỏ nhiều (