Nhận viết luận văn Đại học , thạc sĩ - Zalo: 0917.193.864 Tham khảo bảng giá dịch vụ viết bài tại: vietbaocaothuctap.net Download luận án tiến sĩ ngành kĩ thuật cơ khí với đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của lưu lượng và tốc độ chuyển động tương đối giữa đầu phun với chi tiết đến chất lượng bề mặt phun phủ bằng công nghệ phun nhiệt khí tốc độ cao-HVOF

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT
NGUYỄN CHÍ BẢO
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LƯU LƯỢNG VÀ TỐC ĐỘ
CHUYỂN ĐỘNG TƯƠNG ĐỐI GIỮA ĐẦU PHUN VỚI CHI TIẾT
ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT PHUN PHỦ BẰNG CÔNG NGHỆ
PHUN NHIỆT KHÍ TỐC ĐỘ CAO – HVOF
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI – NĂM 2017

2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT
NGUYỄN CHÍ BẢO
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LƯU LƯỢNG VÀ TỐC ĐỘ
CHUYỂN ĐỘNG TƯƠNG ĐỐI GIỮA ĐẦU PHUN VỚI CHI TIẾT
ĐẾN CHẤT LƯỢNG BỀ MẶT PHUN PHỦ BẰNG CÔNG NGHỆ
PHUN NHIỆT KHÍ TỐC ĐỘ CAO – HVOF
Ngành : Kỹ thuật Cơ khí động lực
Mã số : 62 52 01 16
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS. ĐINH VĂN CHIẾN
2. PGS. TS. TRIỆU HÙNG TRƯỜNG
HÀ NỘI - NĂM 2017

3. LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu khoa học của
riêng tôi. Các số liệu trình bày trong luận án được phản ánh hoàn toàn trung
thực. Các kết quả nghiên cứu trong luận án chưa có ai công bố trong bất kỳ
công trình nghiên cứu nào.
Hà Nội, ngày 20 tháng 6 năm 2017
Tác giả luận án
Nguyễn Chí Bảo

4. ii
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc và chân thành nhất đến hai thầy hướng
dẫn khoa học là PGS.TS. Đinh Văn Chiến và PGS.TS. Triệu Hùng Trường là
cán bộ giảng dạy Trường Đại học Mỏ - Địa chất. Các thầy đã tận tình hướng
dẫn, chỉ bảo và động viên trong suốt quá trình nghiên cứu để tôi có thể hoàn
thành luận án này.
Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy, cô giáo Bộ môn
Máy và Thiết bị mỏ; Khoa Cơ điện; Phòng Đào tạo Sau đại học; Ban lãnh đạo
Trường Đại học Mỏ - Địa chất; Trường Đại học công nghiệp Hà Nội đã tạo
mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt thời gian làm luận án cũng như các đóng
góp quý báu về luận án.
Tôi cũng xin được gửi lời cám ơn các nhà khoa học, tập thể giảng viên
bộ môn: Công nghệ, sức bền vật liệu, Máy và thiết bị cơ khí - Khoa Cơ khí;
và đồng nghiệp Trung tâm cơ khí Trường Đại học công nghiệp Hà Nội và
Viện Khoa học Vật liệu, đã đóng góp ý kiến, tư vấn, hỗ trợ, tạo điều kiện
thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình làm thực nghiệm của luận án.
Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn đến sự giúp đỡ quý báu của Công ty
TNHH Dịch vụ Kỹ thuật Quang Khánh - TP. Vũng Tàu đã tạo điều kiện giúp
đỡ tôi làm thực nghiệm theo đúng quy trình yêu cầu của luận án.
Cuối cùng tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới gia đình, bố, mẹ,
vợ, con, anh, chị, em và các bạn đồng nghiệp đã luôn động viên, giúp đỡ tôi
về vật chất và tinh thần trong thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận án.
Tác giả luận án

5. iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ..............................................................................................i
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT......................................vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ..................................................viii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ....................................................................xi
MỞ ĐẦU........................................................................................................... 1
Chương 1: TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP PHUN NHIỆT........................... 6
1.1. Công nghệ phun kim loại .......................................................................6
1.2. Các phương pháp phun nhiệt................................................................11
1.2.1. Các phương pháp phun nhiệt .........................................................11
1.2.2. Ứng dụng của các phương pháp phun nhiệt ..................................15
1.3. Các nghiên cứu về phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF trên thế giới......16
1.4. Các nghiên cứu về phun nhiệt ở Việt Nam ..........................................21
1.5. Những vấn đề đặt ra cần nghiên cứu....................................................24
Kết luận chương 1 .......................................................................................28
Chương 2: CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA PHƯƠNG PHÁP PHUN NHIỆT
KHÍ VÀ ĐỘNG LỰC HỌC QUÁ TRÌNH PHUN HVOF ................29
2.1. Lý thuyết về sự hình thành lớp phủ......................................................29
2.2. Quá trình phun HVOF..........................................................................33
2.2.1. Quá trình cháy và lưu lượng khí của hệ thống phun HVOF..........34
2.2.2. Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống phun HVOF ......................36
2.2.3. Đặc điểm của lớp phủ phun bằng công nghệ HVOF.....................37
2.3. Tính chất của lớp phủ...........................................................................38
2.3.1. Cấu trúc lớp phủ.............................................................................40
2.3.2. Thành phần của lớp phủ phun nhiệt...............................................41
2.3.3. Sự lắng đọng của lớp phủ...............................................................42

6. iv
2.3.4. Ứng suất dư....................................................................................43
2.3.5. Độ cứng..........................................................................................45
2.3.6. Độ xốp............................................................................................46
2.3.7. Độ bám dính...................................................................................47
2.4. Cơ sở nhiệt động lực học quá trình phun HVOF .................................49
2.4.1. Động lực học dòng khí...................................................................51
2.4.2. Động lực học hạt............................................................................55
2.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ bằng công nghệ HVOF
......................................................................................................................60
2.5.1. Ảnh hưởng của dịch chuyển tương đối giữa đầu phun và chi tiết.60
2.5.2. Ảnh hưởng của các tham số động học phun..................................63
2.5.3. Ảnh hưởng của vật liệu phun và lưu lượng cấp bột.......................65
Kết luận chương 2 .......................................................................................66
Chương 3: VẬT LIỆU, TRANG THIẾT BỊ, PHƯƠNG PHÁP PHUN VÀ
XÁC ĐỊNH ĐẶC TÍNH LỚP PHỦ ...................................................67
3.1. Vật liệu phun phủ .................................................................................67
3.1.1. Vật liệu nền ....................................................................................67
3.1.2. Vật liệu bột phun............................................................................68
3.2. Lập quy trình thử nghiệm.....................................................................70
3.3.1. Thiết bị phục vụ thực nghiệm ........................................................74
3.3.2. Thiết bị phun ..................................................................................74
3.4. Phun phủ thực nghiệm..........................................................................78
3.4.1. Kế hoạch thực nghiệm ...................................................................78
3.4.2. Tiến hành thực nghiệm...................................................................79
3.4.3. Xây dựng hàm hồi quy thực nghiệm..............................................81
3.4.4. Hình ảnh các mẫu thực nghiệm......................................................82
3.5. Thiết bị đánh giá chất lương lớp phủ....................................................83

7. v
3.6. Phương pháp đánh giá chất lượng lớp phủ...........................................84
3.6.1. Phương pháp xác định độ cứng lớp phủ ........................................84
3.6.2. Phương pháp xác định độ xốp lớp phủ ..........................................86
3.6.3. Phương pháp xác định độ bền bám dính lớp phủ...........................87
3.6.4. Phương pháp chụp ảnh SEM..........................................................94
Kết luận chương 3 .......................................................................................95
Chương 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ ............................96
4.1. Kết quả thực nghiệm.............................................................................96
4.2. Kết quả và ảnh hưởng của các thông số đến độ xốp lớp phủ...............98
4.2.1. Ảnh hưởng của lưu lượng cấp bột phun tới độ xốp lớp phủ..........99
4.2.2. Ảnh hưởng của tốc độ quay chi tiết tới độ xốp lớp phủ ..............101
4.2.3. Ảnh hưởng của dịch chuyển súng phun tới độ xốp lớp phủ........102
4.3. Kết quả và ảnh hưởng của các thông số đến độ bám dính lớp phủ....105
4.3.1. Ảnh hưởng của lưu lượng cấp bột phun tới độ bám dính lớp phủ
................................................................................................................106
4.3.2. Ảnh hưởng của tốc độ quay của chi tiết tới độ bám dính lớp phủ108
4.3.3. Ảnh hưởng của lượng dịch chuyển đầu phun tới độ bám dính lớp phủ
................................................................................................................109
4.4. Kết quả và ảnh hưởng của các thông số đến độ cứng lớp phủ...........112
4.5. Phân tích tổ chức tế vi và liên kết biên giới 2 lớp..............................114
Kết luận chương 4 .....................................................................................117
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.......................................................................119
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ....................................120
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................121
PHỤ LỤC......................................................................................................127

8. vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu và
chữ viết tắt
Ý nghĩa từ viết tắt
αc Hệ số giãn nở nhiệt của lớp phủ (/0
C)
αs Hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu nền (/0
C)
APS Phun Plama không khí (Air Plasma Spray)
CFD Động lực học dòng tính toán (Computational FluidDynamics)
CS Phun lạnh (Cold Spray)
D Đường kính ngoài của mẫu thực nghiệm (mm)
d Đường kính trong của mẫu thực nghiệm (mm)
d1, d2 Đường chéo vết lõm (µm)
DGun Phun nổ
Ec Mô đun đàn hồi của lớp phủ (Pa)
Es Mô đun đàn hồi của vật liệu nền (Pa)
F Diện tích tiếp xúc giữa lớp phủ và mẫu (mm2
)
h Chiều cao lớp phủ, (mm)
HVAF Phun tốc độ cao khí nhiên liệu (High Velocity Air - Fuel)
HVOF Phun nhiệt khí tốc độ cao (High Velocity Oxygen-Fuel)
L Khoảng cách từ đầu súng phun đến bề mặt kim loại nền (mm)
LPG Hỗn hợp nhiên liệu ở thể khí (Liquefied Petroleum Gas)
LPPS Phun Plama áp suất thấp (Low Pressure Plasma Spray)
M Số MACH (trong điều kiện tiêu chuẩn M = 346 m/s).
m Lưu lượng cấp bột phun (gam/phút)
n Tốc độ quay của chi tiết khi phun (vòng/phút)
P
Lực nén tiếp tuyến giữa mặt tiếp xúc của lớp phủ và bề mặt
kim loại nền (KN).
QHTN Quy hoạch thực nghiệm

9. vii
Ký hiệu và
chữ viết tắt
Ý nghĩa từ viết tắt
Ra
Sai lệch trung bình số học các giá trị tuyệt đối của profile
trong khoảng chiều dài chuẩn (µm)
S
Lượng dịch chuyển súng phun sau 1 vòng quay của chi tiết
(mm/vòng)
SEM Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope)
SVL Diện tích quy ước vết lõm (µm2
)

Ứng suất bám dính của lớp phủ hợp kim với kim loại nền
(MPa)
σc Ứng suất do làm nguội (Pa)
σq Ứng suất do tôi (Pa)
tc Độ dày của lớp phủ (m)
Tf Nhiệt độ lắng đọng (0
C)
Tm Nhiệt độ nóng chảy của một lớp mỏng (°C)
Ts Nhiệt độ của vật liệu nền (°C)
ts Độ dày của vật liệu nền (m)
TR Nhiệt độ môi trường (0
C)
 Ứng suất bám trượt (MPa)
Vct Tốc độ chuyển động của bề mặt chi tiết khi phun (m/phút)
VPS Phun Plama chân không (Spray Plasma Vacuum)
γ Độ xốp lớp phủ (%)

10. viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Lịch sử phát triển của công nghệ phun phủ...................................... 6
Hình 1.2: Ứng dụng của công nghệ HVOF trong các lĩnh vực ........................ 9
Hình 1.3: Quá trình phun nhiệt và phân loại theo nguồn nhiệt.......................12
Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý các phương pháp phun nhiệt................................13
Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF.........................14
Hình 1.6: Phạm vi ứng dụng các phương pháp phun......................................15
Hình 1.7: Sơ đồ tương tác hình thành lớp phủ................................................25
Hình 1.8: Sơ đồ biểu diễn các yếu tố trong quá trình phun. ...........................26
Hình 2.1: Các giai đoạn quá trình phun nhiệt .................................................30
Hình 2.2: Phân bố mật độ chùm hạt và sự chồng chất các chùm hạt phun ....32
Hình 2.3: Hình ảnh hạt bột phun khi tiếp xúc với bề mặt nền........................32
Hình 2.4: Sơ đồ dòng vật liệu phun va đập hình thành lớp phủ .....................33
Hình 2.5: Vận tốc dòng khí trong hệ thống HVOF theo áp suất buồng súng.34
Hình 2.6: Sự hình thành sóng xung kích của dòng phun có áp suất cao hơn áp
suất môi trường.....................................................................................35
Hình 2.7: Sơ đồ trạng thái của lớp kim loại mỏng rơi trên bề mặt.................39
Hình 2.8: Sơ đồ mặt cắt cấu trúc của lớp phủ phun nhiệt...............................39
Hình 2.9: Sơ đồ cấu trúc lớp phủ. ...................................................................40
Hình 2.10: Mặt cắt ngang của cấu trúc tấm mỏng sau khi đông đặc..............42
Hình 2.11: Sơ đồ ứng suất kéo........................................................................44
Hình 2.12: Sơ đồ ứng suất nén........................................................................45
Hình 2.13: Biểu diễn cấu trúc rỗ xốp của lớp phủ phun nhiệt........................46
Hình 2.14: Biểu diễn sự va chạm của hạt phun trên bề mặt nhấp nhô theo tiết
diện ngang.............................................................................................48
Hình 2.15: Kết cấu vòi phun HVOF. ..............................................................49
Hình 2.16: Kết cấu sung và quá trình phun phủ HVOF. ................................50

11. ix
Hình 2.17: Ảnh đồ trường nhiệt độ trong buồng đốt ......................................53
Hình 2.18: Trường áp suất trong quá trình phun HVOF ................................53
Hình 2.19: Tốc độ và nhiệt độ của hạt............................................................58
Hình 2.20: Phân bố hạt trong quá trình phun..................................................59
Hình 2.21: Tốc độ và nhiệt độ theo cỡ hạt......................................................59
Hình 2.22: Mô tả quá trình chuyển động hình thành lớp phủ.........................62
Hình 2.23: Hình ảnh tốc độ dòng phun theo từng vị trí..................................64
Hình 2.24: Mô tả lượng dịch chuyển tương đối giữa súng phun với chi tiết..64
Hình 3.1: Mẫu phun bằng thép 40Cr...............................................................68
Hình 3.2: Hình ảnh bột phun Cr3C2– NiCr .....................................................69
Hình 3.3: Quy trình phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF....................................71
Hình 3.4: Thiết bị thực nghiệm phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF .................75
Hình 3.5: Mẫu trong khi phun.........................................................................83
Hình 3.6: Kiểm tra nhiệt độ mẫu.....................................................................83
Hình 3.7: Các mẫu thực nghiệm thép 40Cr phun phủ bộtcác bít Cr3C2-NiCr
bằng phương pháp HVOF ....................................................................83
Hình 3.8: Vết đo độ cứng Vicker....................................................................85
Hình 3.9: Ảnh chụp kết quả đo độ xốp lớp phủ..............................................87
Hình 3.10: Nguyên lý xác định độ bền bám dính theo ASTM C633-13........88
Hình 3.11: Nguyên lý xác định độ bền bám dính theo JIS-H-8666-1980......89
Hình 3.12: Sơ đồ mẫu thử bền bám dính theo JIS H 8666 - 1980..................90
Hình 3.13: Sơ đồ mô tả trình tự xác định độ bám dính lớp phủ .....................91
Hình 3.14: Kích thước khuôn ép và mẫu thử..................................................92
Hình 3.15: Đồ thị biểu diễn giá trị lực nén khi đo độ bám dính lớp phủ........93
Hình 4.1: Đồ thị 3D biểu diễn mối quan hệ (m) đến độ xốp lớp phủ...........100
Hình 4.2: Đồ thị 2D biểu diễn mối quan hệ (m) đến độ xốp lớp phủ...........100
Hình 4.3: Đồ thị 3D biểu diễn mối quan hệ (n) đến độ xốp lớp phủ............101

12. x
Hình 4.4: Đồ thị 2D biểu diễn mối quan hệ (n) đến độ xốp lớp phủ............101
Hình 4.5: Đồ thị 3D biểu diễn mối quan hệ (S) đến độ xốp lớp phủ............103
Hình 4.6: Đồ thị 2D biểu diễn mối quan hệ (S) đến độ xốp lớp phủ............103
Hình 4.7: Ảnh chụp đo độ xốp mẫu số 110. .................................................104
Hình 4.8: Đồ thị 3D biểu diễn mối quan hệ (m) đến độ bám dính lớp phủ..107
Hình 4.9: Đồ thị 2D biểu diễn mối quan hệ (m) đến độ bám dính lớp phủ..107
Hình 4.10: Đồ thị 3D biểu diễn mối quan hệ (n) đến độ bám dính lớp phủ. 108
Hình 4.11: Đồ thị 2D biểu diễn mối quan hệ (n) đến độ bám dính lớp phủ. 109
Hình 4.12: Đồ thị 3D biểu diễn mối quan hệ (S) đến độ bám dính lớp phủ. 110
Hình 4.13: Đồ thị 2D biểu diễn mối quan hệ (S) đến độ bám dính lớp phủ. 110
Hình 4.14: Ảnh chụp đo lực để tính độ bám mẫu số 110 .............................111
Hình 4.15: Ảnh vết đo độ cứng tại cáclớp. ...................................................114
Hình 4.16: Ảnh soi vùng biên giới liên kết...................................................115
Hình 4.17: Ảnh SEM liên kết lớp phủ. .........................................................116

13. xi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Đặc tính của một số phương pháp phun........................................... 8
Bảng 1.2: Sự khác biệt giữa các thế hệ của hệ thống HVOF..........................10
Bảng 2.1: Phạm vi áp dụng phương pháp phun phủ HVOF trong các ngành
công nghiệp...........................................................................................38
Bảng 2.2: Sự khác nhau của độ xốp trong lớp phủ HVOF.............................47
Bảng 3.1: Thành phần hoá học của thép 40Cr................................................67
Bảng 3.2: Cơ tính của thép 40Cr.....................................................................67
Bảng 3.3: Thành phần của bột phủ Cr3C2 – NiCr theo nhà cung cấp.............69
Bảng 3.4: Bảng hoạch đồ thực nghiệm phun HVOF......................................79
Bảng 3.5: Giá trị của các yếu tố và tên mẫu thực nghiệm ..............................80
Bảng 4.1: Kết quả đo lực và tính độ bám τ theo công thức (3.7)...................96
Bảng 4.2: Kết quả các thông số đo độ xốp lớp phủ ........................................97
Bảng 4.3: Sai số độ xốp giữa hàm thực nghiệm và hàm quy hoạch...............98
Bảng 4.4: Sai số độ bám giữa hàm thực nghiệm và hàm quy hoạch............105
Bảng 4.5: Kết quả đo độ cứng lớp phủ theo các thông số. ...........................112

14. 1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Phun phủ nhiệt khí tốc độ cao (High Velocity Oxygen-Fuel, viết tắt là
HVOF) là một kỹ thuật phun nhiệt được ứng dụng từ những năm 1980. So
sánh với các phương pháp phun nhiệt khác (phun hồ quang điện, phun plasma,
phun khí cháy, phun nổ,…), phun phủ nhiệt khí tốc độ cao HVOF có các đặc
trưng nổi bật như mật độ, độ bền bám dính và độ cứng tốt hơn. Do đó, công
nghệ này tạo được lớp phủ sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp
mang lại hiệu quả kinh tế cao.
Hiện nay, nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt khí tốc độ cao
HVOF trên thế giới được phát triển mạnh nhằm tạo lớp phủ kim loại và hợp
kim có chất lượng tốt, nâng cao tuổi thọ của các chi tiết máy dạng trục bị mòn
trong công nghiệp. Tại Việt Nam, một số cơ sở nghiên cứu và doanh nghiệp
sản xuất cơ khí đã đầu tư thiết bị phun phủ nhiệt khí tốc độ cao HVOF. Tuy
nhiên, các nghiên cứu về công nghệ HVOF chưa nhiều.
Gần đây có một số nghiên cứu trong nước như: “Nghiên cứu ảnh hưởng
của một số yếu tố công nghệ đến độ bền bám dính của lớp phủ kim loại được
phun bằng phương pháp nhiệt khí” đã nghiên cứu ảnh hưởng của khoảng cách
phun, áp suất khí thổi, áp suất oxy đến độ bền bám dính, độ bền bám trượt, độ
bền kéo lớp phủ Ni-Cr-Si-B trên thép C45 thực hiện bằng công nghệ phun
nhiệt khí oxy axetylen; “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun phủ để nâng
cao chất lượng bề mặt chi tiết máy” nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ trung
bình dòng kim loại phun (v), lưu lượng cấp bột phun (m) và khoảng cách
phun (L) đến độ cứng, độ xốp, độ bám dính và độ mài mòn lớp phủ bột hợp
kim 67Ni18Cr5Si4B trên nền thép C45 bằng công nghệ phun plasma. Và
“Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến chất lượng phục
hồi bề mặt trục có hình dạng phức tạp bị mòn bằng công nghệ phun phủ”

15. 2
nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ như khoảng cách phun,
tốc độ dòng phun khi phun bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B trên nền trục thép
C45.
Ngoài ra, một số đề tài khoa học công nghệ cấp Bộ, Ngành về công nghệ
HVOF cũng đã được thực hiện. Tuy nhiên, hiện chưa có các nghiên cứu
chuyên sâu về ảnh hưởng của lưu lượng cấp bột phun và tốc độ chuyển động
tương đối giữa đầu phun với chi tiết tới chất lượng lớp phủ bề mặt sau khi phu
bằng công nghệ HVOF.
Xuất phát từ lý do trên NCS đặt vấn đề “Nghiên cứu ảnh hưởng của lưu
lượng và tốc độ chuyển động tương đối giữa đầu phun với chi tiết đến chất
lượng bề mặt phun phủ bằng công nghệ phun nhiệt khí tốc độ cao-HVOF ”
làm hướng nghiên cứu của đề tài luận án.
2. Mục đích nghiên cứu
Đưa ra phương pháp tính toán xác định được ảnh hưởng của lưu lượng
cấp bột và tốc độ chuyển động tương đối giữa đầu phun với chi tiết đến chất
lượng lớp phủ bột hợp kim Cr3C2-NiCr trên nền trục thép 40Cr bằng công
nghệ HVOF.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
* Đối tượng nghiên cứu:
Bề mặt trụ ngoài thép 40Cr có kích thước 60, 70 và 80 kích thước
đường kính trong 30, chiều dài 60 mm được phủ lớp bột hợp kim Cr3C2-
NiCr dày 0,6 mm bằng công nghệ HVOF.
* Phạm vi nghiên cứu:
Nghiên cứu ảnh hưởng của lưu lượng cấp bột phun (m gam/phút) và tốc
độ chuyển động của phôi (n vòng/phút), tốc độ dịch chuyển của đầu phun (S
mm/vòng) đến chất lượng lớp phủ bột các bít Cr3C2-NiCr trên nền trục thép
40Cr bằng phương pháp phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF như sau:

16. 3
Thông số công nghệ
Mức thay đổi
0 1 2
m (gam/phút) 25 35 45
n (vòng/phút) 57 130 170
S (mm/vòng) 3 6 9
4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm.
Về lý thuyết: Ứng dụng các lý thuyết, các tài liệu khoa học liên quan đến
sự hình thành và tính chất lớp phủ bột hợp kim trên nền thép bằng công nghệ
HVOF. Lý thuyết về xử lý số liệu thực nghiệm, các phần mềm tính toán.
Về thực nghiệm: Tạo mẫu thực nghiệm, thiết kế và chế tạo đồ gá, phun
trên mẫu thực nghiệm; xác định độ xốp, độ bám dính, độ cứng của lớp phủ
với bề mặt nền thép 40Cr. Tạo cơ sở để xây dựng phương trình toán học, các
đồ thị dạng 2D, 3D phản ánh mối quan hệ giữa độ xốp, độ bám dính, độ cứng
với các thông số công nghệ (m, n và S) đến chất lượng lớp phủ.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Ý nghĩa khoa học:
Đã xây dựng được mô hình thí nghiệm bằng phương pháp quy hoạch
thực nghiệm để phân tích đánh giá sự ảnh hưởng của 3 thông số công nghệ
chính quá trình phun HVOF gồm: lưu lượng cấp bột phun (m, gam/phút), tốc
độ dài của vết phun tại tâm điểm va đập của chùm vật liệu phun trên bề mặt
chi tiết hình trụ quay ( n vòng/phút hoặc Vct, mm/phút) và tốc độ di chuyển
của đầu súng phun theo phương dọc tâm trục chi tiết phun (S mm/vòng hoặc
mm/giây) đến tính chất cơ lý của lớp phủ bề mặt sau khi phun.
Đã nghiên cứu khảo sát đánh giá các mẫu phun bằng phương pháp
HVOF nhận được theo quy hoạch thực nghiệm và tính toán xây dựng mô hình
toán học mô tả quan hệ giữa 3 thông số đầu vào và các hàm mục tiêu đầu ra

17. 4
gồm độ xốp lớp phủ, độ bền bám dính lớp phủ, độ cứng tế vi của lớp phủ
Cr3C2-NiCr với nền thép 40Cr.
Đã nghiên cứu khảo sát và chụp ảnh tổ chức tế vi vật liệu lớp phủ trên
một số mẫu thí nghiệm điển hình nhận được theo quy hoạch thực nghiệm,
phân tích đánh giá đặc tính của chúng để làm rõ ảnh hưởng của 3 thông số
phun đã chọn (m, V, S) đến chất lượng lớp phủ HVOF trong phạm vi miền
khảo sát lựa chọn của luận án.
Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu có thể làm tài liệu tham khảo
trong việc lựa chọn công nghệ, thiết bị để phục hồi hoặc chế tạo mới các chi
tiết máy trong khai thác mỏ, máy công cụ nhằm đáp ứng kịp thời sản xuất,
hạn chế nhập ngoại góp phần giảm giá thành sản phẩm, cải thiện đời sống
người lao động.
6. Bố cục của luận án
Luận án gồm phần mở đầu, bốn chương và phần kết luận.
Chương 1: Tổng quan phương pháp phun nhiệt;
Chương 2: Cơ sở khoa học của phương pháp phun nhiệt khí và động lực
học quá trình phun HVOF ;
Chương 3: Vật liệu, trang thiết bị, phương pháp phun và xác định đặc tính
lớp phủ;
Chương 4: Kết quả thực nghiệm và đánh giá.
7. Luận điểm bảo vệ
Bằng thực nghiệm làm rõ sự hình thành lớp phủ bột hợp kim Cr3C2-NiCr
trên nền trục thép 40Cr và liên kết giữa lớp phủ với kim loại nền.
Bằng phương pháp lý thuyết và thực nghiệm đã xác định được mối quan
hệ ảnh hưởng của các thông số công nghệ (m, n và S) đến độ xốp, độ bám
dính và hình ảnh biên giới liên kết giữa lớp phủ với kim loại nền khi sử dụng
phương pháp phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF.

18. 5
Đã đưa ra vùng thông số công nghệ phun (m, n và S) hợp lý để cho độ
xốp lớp phủ nhỏ nhất và độ bám dính lớp phủ lớn nhất khi phun bằng phương
pháp phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF:
m (gam/phút) n (vòng/phút) S (mm/vòng)
35 130 3
8. Điểm mới của luận án
Xác định được quy luật ảnh hưởng của một số thông số công nghệ phun
(m, n và S) đến chất lượng lớp phủ, tạo cơ sở khoa học cho việc đánh giá ảnh
hưởng của các thông số công nghệ này đến độ xốp, độ bám dính, độ cứng lớp
phủ bột hợp kim Cr3C2-NiCr trên nền trục thép 40Cr bằng công nghệ phun
nhiệt HVOF. Có thể làm tài liệu tham khảo trong giảng dạy, nghiên cứu và là
cơ sở để lựa chọn các loại vật liệu phủ và kim loại nền khác nhau trong công
nghệ phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF.

19. 6
Chương 1: TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP PHUN NHIỆT
1.1. Công nghệ phun kim loại
Công nghệ phun phủ kim loại đã được một kỹ sư người Thụy Sỹ tên là
Max Ulrich Schoop phát minh ra từ những năm đầu của thế kỷ 20 [16], [53].
Nguyên lý của công nghệ này là dùng nguồn nhiệt (hồ quang, khí cháy,
plasma) làm nóng chảy kim loại. Sau đó, kim loại lỏng được dòng không khí
nén thổi mạnh làm phân tán thành các hạt (sương mù) rất nhỏ, bắn vào bề mặt
chi tiết đã được chuẩn bị sẵn (làm sạch, tạo nhám) tạo ra một lớp phủ kim loại
có độ dày theo yêu cầu, trong đó các hạt kim loại đè lên nhau theo từng lớp.
Lúc đầu, phun phủ kim loại chỉ dùng cho mục đích trang trí. Đến chiến tranh
thế giới lần thứ hai, công nghệ này bắt đầu được sử dụng với quy mô rộng ở
hầu hết các nước châu Âu và càng ngày càng tỏ ra có nhiều tính ưu việt trong
các lĩnh vực như bảo vệ bề mặt, phục hồi, trang trí thay cho kim loại quý
hiếm. Đến những năm 1980 phun phủ kim loại đã trở thành một lĩnh vực khoa
học công nghệ riêng được biểu hiện như một công nghệ xử lý bề mặt, mặt
khác nó cũng giống như một phương pháp công nghệ chế tạo mới trong sản
xuất.
Hình 1.1: Lịch sử phát triển của công nghệ phun phủ

20. 7
Để đánh giá sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ phun phủ kim loại, có
thể dựa trên cơ sở sự phát triển của thiết bị và phạm vi ứng dụng trong lĩnh
vực công nghiệp và đời sống. Lịch sử phát triển của công nghệ phun phủ
được thể hiện ở sơ đồ hình 1.1 [11].
Công nghệ phun kim loại ngày càng được quan tâm do có ý nghĩa quan
trọng và quyết định đến tính chất của vật liệu lớp phủ vì nó tạo ra một lớp bề
mặt có khả năng đáp ứng các điều kiện làm việc như chịu mài mòn, chống ăn
mòn, chịu nhiệt... Công nghệ phun phủ kim loại còn được sử dụng trong
nhiều lĩnh vực với các mục đích khác nhau như:
- Bảo vệ chống gỉ, chống ăn mòn trong môi trường khí quyển, môi
trường đất và nước.
- Tạo ra lớp dẫn điện trên bề mặt không dẫn điện, dùng cho trang trí cho
các công trình kỹ thuật.
- Phục hồi các chi tiết máy bị mài mòn.
- Sửa chữa khuyết tật cho vật đúc hoặc các khuyết tật xuất hiện khi gia
công cơ khí, tiết kiệm được các kim loại quý hiếm.
Hiện nay công nghệ phun phủ kim loại nói chung và phương pháp phun
nhiệt khí nói riêng tuy còn rất mới so với các công nghệ khác nhưng đã được
ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là trong cơ khí chế
tạo máy, giao thông vận tải, dầu khí, hàng không... và đã trở thành một công
nghệ không thể thiếu trong quá trình phục hồi chi tiết bị mài mòn.
- Phun nhiệt có thể sử dụng vật liệu có cơ lý hóa tính khác nhau: kim
loại, hợp kim, các bít kim loại, ô xít gốm, vật liệu chịu nhiệt, các vật liệu có
nhiệt độ nóng chảy khác nhau, nhiệt độ làm việc không quá 800o
C;
- Thiết bị phun nhiệt có thể tạo ra các tốc độ phun khác nhau phù hợp với
các loại vật liệu phun và yêu cầu bám dính khác nhau;
- Có thể phủ được các chiều dày khác nhau từ 10 m đến 10 mm;

21. 8
- Nhiệt độ bề mặt chi tiết được nung nóng do vật liệu phủ truyền nhiệt
sang, không vượt quá nhiệt độ chuyển biến pha, nên không gây chuyển biến
tổ chức, bảo đảm tổ chức và tính chất ban đầu của vật liệu nền;
- Lớp phủ có độ bám dính với kim loại nền tốt, độ xốp nhỏ và ứng suất
dư âm, nên được sử dụng cho nhiều chi tiết chịu tải trọng phức tạp và chịu
mỏi tốt;
Đặc tính của các phương pháp phun được hình thành từ việc tạo ra nhiệt
độ của ngọn lửa làm nóng chảy của các vật liệu phun và tốc độ phun của hạt
ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ. Các số liệu trong bảng 1.1 [8], [10] cho
thấy khả năng tạo nhiệt độ trong buồng đốt và tốc độ bay của các hạt phun
ứng với các phương pháp phun khác nhau.
Bảng 1.1: Đặc tính của một số phương pháp phun
Phương pháp
phun
Nhiệt độ khí
cháy, 0
C
Tốc độ hạt
phun, m/s
Độ bền bám
dính, MPa
Độ xốp,
% thể
tích
Phun hồ quang -
dây
4000 100-240 10-15 10-20
Phun khí cháy 500-700 40-180 10 10-15
Phun Plasma 5500-12000 200-600
Không quá
70
2-5
Phun HVOF 2500-3100 500-800 Có thể >70 1-10
Phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF là phương pháp ưa thích để tạo lớp phủ
với độ xốp thấp và độ bám dính cao, trong quá trình phun nhiệt khí tốc độ cao
HVOF nhiên liệu và oxy được đưa vào buồng đốt cùng với phun bột tạo ra
nhiệt độ và áp suất cao trong buồng thông qua các vòi phun tạo ra các dòng
chảy siêu âm của khí. Nhiệt độ ngọn lửa nằm trong khoảng 2500 °C - 3100 °C,
phụ thuộc vào nhiên liệu, tỷ lệ nhiên liệu khí /oxy và áp suất khí và phụ thuộc
vào thiết kế kết cấu súng phun của hệ thống phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF
[16], [27], [28].

22. 9
Do có những ưu điểm vượt trội so với các phương pháp tạo lớp phủ khác
về độ bám dính, độ xốp... Phun phủ nhiệt khí tốc độ cao HVOF không ngừng
được phát triển và mở rộng về quy mô, cải thiện về chất lượng lớp phủ đã
được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như hình 1.2.
Các chi tiết làm việc trong nhà máy
nhiệt điện
Các chi tiết làm việc trong ngành ô
tô và khai thác
Các chi tiết làm việc trong dây
chuyền cán thép
Các chi tiết trục và cánh tua bin
Các chi tiết làm việc trong lĩnh vực
dầu khí
Các chi tiết làm việc trong lĩnh vực
hàng không
Hình 1.2: Ứng dụng của công nghệ HVOF trong các lĩnh vực

23. 10
Hệ thống phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF có nhiều thiết kế khác nhau,
các loại có sự khác biệt thể hiện trong thiết kế kết cấu súng phun, nhưng tất cả
đều dựa trên các nguyên tắc cơ bản giống nhau đó là sự kết hợp áp lực và lưu
lượng khí cao tạo ra vận tốc khí siêu thanh. Các hệ thống này có thể được chia
thành các thế hệ đầu tiên, thứ hai và thứ ba như bảng 1.2.
Bảng 1.2: Sự khác biệt giữa các thế hệ của hệ thống HVOF
TT Ký hiệu Kiểu súng
Mức
điện
năng
Áp suất
buồng
chứa
Lưu
lượng
cấp
bột
Thế hệ 1
Jet Kote
(a) 80 kW 35 bar
2 6
kg/h
Thế hệ 2
Top Gun
(b)
80120
kW
5 10
bar
210
kg/h
Diamond
Jet
(c)
Thế hệ 3
JP 5000
(d)
100
300
kW
8 12
(lên đến
25) bar
Đến12
kg/h

24. 11
TT Ký hiệu Kiểu súng
Mức
điện
năng
Áp suất
buồng
chứa
Lưu
lượng
cấp
bột
Diamond
Jet 2700
(e)
Sự khác biệt cơ bản giữa thế hệ đầu tiên và thứ hai là thiết kế kết cấu của
vòi phun. Trong thế hệ đầu tiên của hệ thống HVOF có buồng đốt thường
tương đối lớn và một vòi phun thẳng, với cách thiết kế này cho dòng tốc độ
khí tối đa lên tới khoảng 1 M.
Các thế hệ thứ hai là dựa trên cơ sở của ống Laval phân kỳ của các vòi
phun cho phép tạo ra vận tốc hơn 1 Mach với điều kiện phun tiêu chuẩn của
hệ thống hoạt động ở mức điện năng tiêu thụ khoảng 100 KW và có khả năng
phun với lưu lượng cấp bột khoảng 2-10 kg/h.
Các hệ thống thế hệ thứ ba là có các mức công suất khác nhau từ 100-
300 kW và cho áp lực buồng cao hơn từ 8 bar lên đến 25 bar, có khả năng
cung cấp bột phun lên đến trên 10 kg/h.
Tất cả các kết cấu súng phun đều gồm có một buồng đốt áp lực, một ống
trụ hoặc phân kỳ Laval. Một số thậm chí còn có một thùng sau những vòi
phun, một phần cấp bột trong súng phun và một phần cấp bột ngoài.
1.2. Các phương pháp phun nhiệt
1.2.1. Các phương pháp phun nhiệt
Các phương pháp phun nhiệt thường sử dụng hai nguồn nhiệt chính đó là
nguồn nhiệt sinh ra từ oxy - khí cháy và nguồn điện qua hệ thống phun tạo ra

25. 12
dải nhiệt độ rất cao làm nóng chảy hầu hết các loại vật liệu. Quá trình phun
nhiệt và phân loại theo nguồn nhiệt được mô tả trên hình 1.3 [21], [53].
Hình 1.3: Quá trình phun nhiệt và phân loại theo nguồn nhiệt
Hiện nay phương pháp phun phủ nhiệt khí được sử dụng rộng rãi và
đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như vũ trụ, hàng
không, quốc phòng, giao thông, chế tạo máy... Một số phương pháp phun
nhiệt khác nhau để tạo nên lớp phủ như hình 1.4.
- Phương pháp phun phủ bằng ngọn lửa thông thường (Hình 1.4 a,b)
Phương pháp phun dây, dây được nấu chảy bên trong bằng ngọn lửa khí
oxy. Các khí nhiên liệu này có thể là khí axetylen, khí propan hoặc hydro, dây
sẽ bị nung chảy và bị đẩy về phía bề mặt phôi nhờ áp lực nén của dòng khí.
Phương pháp phun bột dựa trên các nguyên tắc hoạt động giống như quá
trình phun dây, tuy nhiên có sự khác biệt là các vật liệu phủ là loại bột. Như
vậy, một sự lựa chọn rộng lớn hơn của các loại vật liệu phun vì không phải tất
cả các vật liệu phun đều có thể được sản xuất ở dạng dây.

26. 13
- Phương pháp phun phủ bằng hồ quang
Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý các phương pháp phun nhiệt
Phương pháp phun bằng hồ quang điện (Hình 1.4 c) [8], [26], khi hai đầu
dây điện cực này gặp nhau thì chúng sẽ phóng hồ quang và nóng chảy ở trong
phần đầu của vòi phun, vật liệu nóng chảy này sẽ được tăng tốc và bắn vào bề
mặt phôi nhờ dòng khí nén có áp lực cao.
- Phương pháp phun phủ bằng Plasma
Phun Plasma (Hình 1.4 d) là một tần số hồ quang cao được tạo ra bằng
sự đánh lửa giữa 2 cực anode và cathode. Các dòng khí chảy qua giữa các
điện cực (ví dụ: khí He, H2, N2 hoặc hỗn hợp khí) sẽ bị ion hóa và tạo thành
một chùm plasma. Nhiệt độ trong chùm plasma rất cao các vật liệu phun được
cung cấp từ bên ngoài vào dưới dạng bột qua các ống dẫn và hòa lẫn vào
chùm plasma, tại đó chúng sẽ bị nóng chảy bởi chùm plasma này. Sau khi hỗn
hợp này hòa lẫn vào nhau và tan chảy thì chúng sẽ được đẩy đi và bắn vào bề
mặt phôi nhờ dòng khí nén có áp lực cao.
Đối với các ứng dụng chuyên ngành, quá trình này còn có thể phun dưới
một môi trường khác đó là phun plasma trong một bầu không khí được kiểm

27. 14
soát dưới áp suất thấp (phun trong môi trường chân không), nó ngược lại với
phun trong không khí (phun plasma trong khí quyển, hoặc APS), các hạt tan
chảy và oxy hóa ít hơn nên lớp phủ khi phun trong chân không có chất lượng
cao hơn đáng kể.
- Phương pháp phun bằng nhiên liệu-khí với vận tốc cao (HVOF)
Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF
Công nghệ HVOF (hình 1.5) [3] là một sự bổ sung rất tốt vào các quá
trình phun nhiệt vì được sử dụng nhiều so với các quá trình phun nhiệt khác.
Quá trình HVOF, có động năng cao và năng lượng nhiệt tương đối thấp, thuận
lợi cho các vật liệu phun như phủ vonfram các bít.
Nguyên lý phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF như sau: Hỗn hợp của nhiên
liệu ở thể khí (khí hydro, khí mê-tan, propan, propylen, axetylen, khí tự
nhiên,...) hoặc các chất lỏng (dầu lửa...) và oxy được đưa vào buồng đốt
chúng được đốt cháy và cháy liên tục tạo thành khí nóng với áp suất cao
khoảng 10 bar qua vòi phun hội tụ - phân kì và đi qua một đoạn ống thẳng với
vận tốc vượt quá tốc độ của âm thanh, bột phun được hòa trộn vào trong dòng
khí đạt tốc độ lên đến trên 800 m/s. Hỗn hợp dòng khí nóng và bột kim loại
tan chảy trong dòng khí nóng và được phun lên bề mặt kim loại nền. Kết quả
là hình thành các lớp phủ có độ xốp thấp và lực liên kết cao.

28. 15
So sánh các phương pháp phun phủ cơ bản khác nhau bởi nhiệt năng và
động năng truyền cho các hạt của quá trình phun. Năng lượng nhiệt được xác
định bởi nhiệt độ ngọn lửa đạt được và động năng của các hạt phun được vận
tốc khí tạo ra. Sự so sánh năng lượng của các quá trình phun để ứng dụng vào
việc lựa chọn vật liệu phun như nhiệt độ cao của phương pháp phun plasma
đặc biệt thích hợp cho các vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao, chẳng hạn như
kim loại gốm.
1.2.2. Ứng dụng của các phương pháp phun nhiệt
Phun nhiệt có thể ứng dụng rộng rãi với các loại vật liệu, bất kỳ vật liệu
nào tan ra mà không phân hủy đều có thể được sử dụng.
Các phương pháp phun phủ nhiệt được ứng dụng trong hầu hết các lĩnh
vực của đời sống xã hội. Hình 1.6 [21], [26], [39] cho ta thấy phạm vi ứng
dụng của các phương pháp phun với các điều kiện ứng dụng các loại bột phun
khác nhau.
Hình 1.6: Phạm vi ứng dụng các phương pháp phun
Thực tế để chế tạo chi tiết có yêu cầu làm việc trong điều kiện khắc
nghiệt như: Chịu nhiệt độ cao, chịu xói mòn tốt, tính cách nhiệt tốt... cần sử
dụng vật liệu phức hợp và tổ hợp nhiều công nghệ đặc biệt. Trong nhiều năm
qua, công nghệ hóa nhiệt luyện, thấm trên bề mặt các kim loại và phi kim,
công nghệ điện hóa, công nghệ sơn phủ... đã giải quyết được một phần yêu
cầu làm việc của chi tiết nhưng công nghệ này có một số nhược điểm về kinh

29. 16
tế - kỹ thuật và môi trường. Công nghệ phun phủ kim loại ra đời đã đáp ứng
được cơ bản các vấn đề trên, bằng phun phủ kim loại có thể tạo ra lớp: Chịu
nhiệt, chịu mài mòn, dẫn điện, chống ăn mòn… cho các kết cấu thép làm việc
trong môi trường, điều kiện khác nhau có thể làm tăng tuổi thọ mà không thay
đổi công nghệ chế tạo trước đó hoặc phục hồi được hình dáng kích thước của
các chi tiết mà không cần phải chế tạo lại chi tiết mới hoàn toàn.
1.3. Các nghiên cứu về phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF trên thế giới
Hiện nay, trên thế giới nhiều nước tiên tiến đã hình thành các Viện, các
trung tâm hay hiệp hội để nghiên cứu và ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt:
Hiệp hội phun phủ nhiệt Nhật Bản - JTSS, Hiệp hội phun phủ nhiệt Mỹ -
ATSS; viện Công nghệ Bombay (Ấn Độ); Viện Khoa học vật liệu quốc gia
Tsukuba, Ibaraki (Nhật Bản)... Hàng năm, đều có các Hội thảo quốc tế về lĩnh
vực này. Các hiệp hội có các tạp chí riêng và xây dựng tiêu chuẩn cho lĩnh
vực này. Ngoài ra, còn có các hãng thiết kế, sản xuất thiết bị và ứng dụng
công nghệ phun phủ kim loại như: Hãng Plasma Technique, Castolim (Thụy
sĩ); Metco Plasmaday, Dressez, Avko (Mỹ); Nobel-Brocl (Pháp); Ecia Ghiken
(Nhật); Arcosse (Bỉ); Volvoflemotor (Thụy Điển)...với các dây chuyền công
suất cao.
Để nâng cao năng suất, chất lượng trong quá trình phun, người ta đã chế
tạo ra các loại đầu phun khác nhau như: 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. Song song với sự phát
triển của các thiết bị và dây chuyền phun tự động đó người ta còn nghiên cứu
về công nghệ phun với những vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao (như vật liệu
gốm Ceramic, các loại cacbit, các loại oxit kim loại khác...).
Một trong những phương pháp phun nhiệt được ứng dụng rộng rãi đó là
công nghệ phun nhiệt HVOF. Về bản chất, các lớp phun nhiệt khí tốc độ cao

30. 17
HVOF rất đa dạng phức tạp, các đặc tính và cấu trúc tế vi của lớp phủ phụ
thuộc rất nhiều vào thông số của quá trình phun. Mặc dù lớp phủ phức tạp,
nhưng công nghệ HVOF vẫn được sử dụng rộng rãi trong thực tế, cho phép sử
dụng các loại vật liệu khác nhau để tạo lớp phủ trong điều kiện khác nhau,
môi trường làm việc khắc nghiệt như: ăn mòn, mài mòn và nhiệt độ cao... Sự
phát triển của phương pháp này là một bước tiến quan trọng trong các ngành
công nghiệp và đây cũng là lĩnh vực có những bước tiến mới với tốc độ phát
triển nhanh chóng, điều này đã tác động tới nhiều lĩnh vực trong các ngành
công nghiệp và đã mang lại hiệu quả trong ứng dụng thực tiễn [54].
Trong thực tế các chi tiết, thiết bị làm việc trong môi trường điều kiện
khắc nghiệt như: Nhiệt điện, lò hơi, tua bin khí, động cơ đốt trong và các chi
tiết trong công nghiệp, lò đốt chất thải... trong quá trình vận hành sử dụng sẽ
chịu ảnh hưởng thường xuyên bởi tình trạng xói mòn, ăn mòn, mài mòn dẫn
đến các chất có tính ăn mòn sẽ thâm nhập với bề mặt làm giảm hiệu suất làm
việc của chi tiết, thiết bị. Những giải pháp để che chắn bảo vệ tạo lớp phủ
phần nào đó đã giảm chi phí bảo trì của các thiết bị này mang lại hiệu quả tốt
về mặt kinh tế và đã có các nhà nghiên cứu về lĩnh vực này như:
Guilemany JM [31] khảo sát vai trò độ dày của lớp phủ trong các tác
động bảo vệ ăn mòn thép khác nhau của công nghệ HVOF với lớp bột phủ
Cr3C2-NiCr. Các ứng dụng cho thấy độ dày của lớp phủ tăng không ảnh
hưởng lớn đến đặc tính chống ăn mòn lớp phủ, trong quá trình phun sự lắng
đọng của lớp phủ đóng vai trò quan trọng trong khả năng chống lại hiện tượng
ăn mòn của thép.
Wang BQ và đồng tác giả [67] thực hiện các thực nghiệm kiểm tra mức
độ xói mòn ở nhiệt độ cao đối với các lớp phủ phun HVOF bao gồm:
75Cr3C2-25NiCr gốm kim loại, Cr3C2, Cr2O3 phủ gốm thấp và phủ lớp
FeCrSiB. Khi thử nghiệm đã mô phỏng các điều kiện xói mòn và đã xác định

31. 18
khả năng chống xói mòn của các lớp phủ có liên quan chặt chẽ đến vi cấu trúc
của lớp phủ, thành phần và tính chất của các hạt.
Stein KJ và đồng tác giả [61] đã nghiên cứu xác định tối ưu cho khả
năng chống xói mòn. Mức các bít thấp hơn trong lớp phủ quá trình oxy hóa
của các hạt các bít giảm dẫn đến sự hình thành của các oxit khác nhau và các
kim loại các bít giàu. Những oxit có thể có chặn các lỗ rỗng giữa ranh giới
lớp nền với lớp phủ, và tác động như những rào cản khuếch tán đến sự khuếch
tán vào bên trong của lớp oxy hóa.
Kamal S và đồng tác giả [41] đã nghiên cứu khả năng tác động của quá
trình oxy hóa theo chu kỳ của lớp phủ Cr3C2-NiCr trên các hợp kim khác
nhau. Nó đã được quan sát thấy rằng tất cả các hợp kim tuân theo một quy
luật tỷ lệ parabol của quá trình oxy hóa. Các kết quả trên lớp phủ Cr3C2-NiCr
cho thấy khả năng chống oxy hóa tốt hơn do sự hình thành của Cr2O3 mỏng
nhỏ gọn và chất kết dính trên bề mặt của lớp phủ trong quá trình oxy hóa.
Souza RC [58] đã so sánh ảnh hưởng của lớp phủ Cr3C2-25NiCr và WC-
10Ni áp dụng quá trình HVOF và mạ crom cứng vào khả năng chống biến
dạng, mài mòn và chống ăn mòn của thép cho thấy khả năng chống mỏi trục
cao và hiệu suất tốt hơn so với mạ crom.
Đã có nhiều công trình nghiên cứu về công nghệ phun nhiệt khí tốc độ
cao HVOF được cấp bằng sáng chế như: Edward Miller và cộng sự đã nghiên
cứu công nghệ phun nhiệt HVOF, vật liệu nóng chảy được phun với tốc độ
cao, kết quả cho thấy lớp phủ có độ bám dính tốt và độ cứng cao [26].
Warren Nelson và cộng sự đã nghiên cứu về độ xốp khi phủ 2 lớp vật
liệu MCrAlY/Polyester bằng công nghệ phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF, kết
quả cho thấy khi phủ 2 lớp sẽ làm tuổi thọ của lớp phủ và tuổi thọ của vật liệu
nền tăng [29], [39].
Để có cường độ liên kết cao nhằm nâng cao tuổi bền, đáp ứng yêu cầu

32. 19
làm việc của chi tiết và bảo vệ các kết cấu làm việc trong môi trường xâm
thực, các đặc tính của lớp phủ cũng được quan tâm nghiên cứu Theo Parker
và Kutner cho rằng chất lượng lớp phủ khi phun bằng phương pháp phun
nhiệt khí tốc độ cao HVOF có cường độ liên kết, độ cứng cao hơn và độ xốp
thấp hơn so với lớp phủ khi phun bằng phương pháp phun Plasma [55].
Picas và cộng sự đã nghiên cứu và so sánh lớp phủ CrNi20 khi thực hiện
bằng công nghệ HVOF lên piston và van so với phương pháp mạ crom cứng
thông thường, kết quả cho thấy độ cứng tế vi của lớp phủ tốt hơn so với mạ
Cr, các kết quả về cấu trúc tế vi lớp phủ và khả năng chịu ứng suất là rất khả
quan và có thể thay thế cho phương pháp mạ crom truyền thống [38].
Lima và cộng sự đã nghiên cứu độ bám dính lớp phủ khi phun bằng công
nghệ phun nhiệt HVOF giữa kim loại và gốm, đã tiến hành đo các thông số về
cấu trúc tế vi, độ cứng, độ nhám và độ bám dính, kết quả cho thấy độ bám
dính với bề mặt là gốm thấp còn độ bám dính với bề mặt nền là kim loại cao
hơn [23].
Jie Chen và cộng sự [37] nghiên cứu lớp phủ thép không gỉ 316L bằng
công nghệ phun nhiệt HVOF, hệ thống phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF áp
suất cao với áp suất buồng đốt lên đến 3,0 MPa sử dụng ngọn lửa thấp và tốc
độ cao thực hiện lớp phủ thép không gỉ 316L, kết quả cho thấy áp suất buồng
đốt cao hơn khi vận tốc cho phép của hạt cao hơn. Tỷ lệ oxy nhiên liệu và
khoảng cách phun có ảnh hưởng nhiều tới trạng thái nóng chảy của hạt.
Shukla và cộng sự [65] nghiên cứu tuổi thọ của lớp phủ Cr3C2-25%NiCr
khi tiếp xúc với môi trường nhiệt độ cao, các tác giả đã nghiên cứu tuổi thọ
của lớp phủ trong một chu kỳ, sự thay đổi chất nền và bề mặt phủ được xem
xét trong các khoảng thời gian 10, 30, 50 giờ, kết quả cho thấy tuổi thọ của
lớp phủ tuân theo quy luật parabol.

33. 20
Ngoài ra, trong báo cáo của Parker [52] đã cho thấy sự phát triển của
việc sử dụng công nghệ phun nhiệt HVOF trong các ngành công nghiệp, đặc
biệt là trong ngành công nghiệp hàng không và trong lĩnh vực quốc phòng
ngành công nghiệp dầu khí, ngành công nghiệp ô tô, ngành công nghiệp
giấy/bột và các ngành công nghiệp chế tạo máy. Tác giả Tan. J,C [62] đã chỉ
ra quá trình phun nhiệt bằng công nghệ HVOF có khả năng tạo nên các thành
phần khác biệt. Nó đã được công nhận rằng các đặc tính chịu mài mòn của
lớp phủ được phun bằng công nghệ HVOF là vượt trội so với phương pháp
khác như APS. Li [46] đã so sánh khả năng chống mài mòn của lớp phủ
Cr3C2-25 NiCr được phun bởi công nghệ APS và HVOF. Họ nhận thấy rằng
sức chống mài mòn của Cr3C2-25 NiCr trong điều kiện tác động khác nhau
tăng theo thứ tự của APS áp suất thấp, APS áp suất không khí đến HVOF.
Các hệ thống phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF Cr3C2-25 NiCr cho thấy tác
động chống mài mòn là tốt hơn do cấu trúc dày đặc hơn và độ xốp nhỏ. Kết
quả tương tự đã được thực hiện bởi tác giả V.V Sobolev và các cộng sự [66]
nghiên cứu lớp phủ HVOF và ứng dụng.
Phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF đã được nghiên cứu rộng rãi để phủ lớp
chống ăn mòn mài mòn, có khá nhiều công trình nghiên cứu về các tính chất
ăn mòn và hiệu suất của lớp phủ HVOF. Sức chống mài mòn của lớp phủ
McrAlY, oxy hóa trong môi trường, oxy hóa khác nhau đã được nghiên cứu
và so sánh với các VPS phủ bởi Pawlowski [53] .
J A. Picas và các cộng sự [38] cũng đã nghiên cứu tác dụng ảnh hưởng
của nhiệt độ cao tới lớp phủ CrC-NiCr được phun bằng phương pháp HVOF
kết quả từ nghiên cứu này đã chứng minh rằng các loại bột CrC-NiCr được
phun bằng phương pháp HVOF có thể là một giải pháp hy vọng để cải thiện
cho các chi tiết thiết bị làm việc tốt cải thiện khả năng chống mài mòn ở nhiệt
độ khoảng 900°C.

34. 21
Dominique Poirier và các cộng sự [27] đã nghiên cứu kỹ thuật phun
nhiệt khí tốc độ cao HVOF khi phun bột Cr3C2 NiCr trên nền thép và đã đưa
ra kết luận ảnh hưởng của khoảng cách phun (khoảng 200 mm), tốc độ phun
(khoảng 750- 850m/s) và nhiệt độ hạt (khoảng 18000
C) là điều kiện thông số
phù hợp để giảm ứng suất và độ xốp.
Qua nghiên cứu tìm hiểu về công nghệ phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF
trên thế giới thấy rằng đã có rất nhiều nhà khoa học nghiên cứu về lĩnh vực
này, nhưng để tạo thành lớp phủ có chất lượng tốt thì còn tùy thuộc vào điều
kiện và rất nhiều yếu tố công nghệ ảnh hưởng tới sự hình thành lớp phủ. Các
nghiên cứu trên chủ yếu nghiên cứu về ảnh hưởng của tốc độ phun, lưu lượng
khí, nhiên liệu, nhiệt độ hạt, khoảng cách phun,... trên một số vật liệu nền và
vật liệu phủ đến chất lượng lớp phủ và nghiên cứu mức độ bám dính, độ xốp,
chịu nhiệt chịu mài mòn, chịu tác động môi trường của lớp phủ.. nhưng chưa
có công trình nào nghiên cứu ảnh hưởng của chuyển động tương đối giữa chi
tiết và súng phun bằng công nghệ HVOF.
1.4. Các nghiên cứu về phun nhiệt ở Việt Nam
Ở Việt Nam, công nghệ phun phủ nhiệt đang trong giai đoạn nghiên cứu,
ứng dụng các thành quả của thế giới. Đã có một số đề tài cấp Bộ, cấp Nhà
nước được triển khai nghiên cứu và ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt
mang lại hiệu quả kinh tế cao như:
Đề tài, mã số KHCN 05 – 07 – 03, nghiên cứu xác định độ cứng, độ bám
dính, độ bền uốn lớp phủ bột hợp kim Ni-Cr-B-Si trên nền thép CT38, kết quả
nghiên cứu ứng dụng vào phục hồi trục pit tông thủy lực, đế pit tông bơm tại
công ty kỹ nghệ hàn Việt Nam đảm bảo yêu cầu đề ra [10].
Đề tài, mã số KC 05.10, nghiên cứu xác định độ chịu mài mòn và độ
bám dính lớp phủ bột hợp kim ZRO-182 trên nền vật liệu Nimonic 263 (được
sử dụng chế tạo ống vòi voi trong các nhà máy nhiệt điện) có lớp phủ trung

35. 22
gian bột hợp kim NiCrAlY, kết quả cho thấy độ bám dính với kim loại nền
đạt 378 kG/cm2
, độ xốp lớp trung gian 2%, tuy nhiên các kết quả nghiên cứu
mới chỉ dừng lại ở mức phòng thực nghiệm [1].
Đề tài, mã số: 01C-01/04-2009-2, nghiên cứu ảnh hưởng của khoảng
cách phun, vận tốc phun, lưu lượng phun đến độ xốp, độ bám dính lớp phủ
bột hợp kim Cr20Ni3 trên nền trục thép 40Cr bằng phương pháp phun nổ,
ứng dụng kết quả nghiên cứu vào phục hồi trục khuỷu xe tải CAT 773E tập
đoàn than - khoáng sản Việt Nam làm cho tuổi thọ tăng gấp 4 lần so với mua
mới và giá thành chỉ bằng 30% mua mới [2].
Đề tài, mã số 256-08 RD/HĐ-KHCN, nghiên cứu độ cứng, độ chịu mài
mòn lớp phủ bột cacbit crom 75Cr3C2-25NiCr bằng phương pháp phun
Plasma với tốc độ quay của lô sấy khoảng 39,93 m/phút, tốc độ dịch chuyển
đầu phun 2,5 mm/ vòng quay lô sấy, kết quả so sánh các tính chất của lớp phủ
bằng vật liệu cácbit crom với lớp mạ crom cứng cho thấy độ cứng tế vi bề mặt
lớp phủ, khả năng gia công sau khi phủ, cũng như khả năng chịu mài mòn của
lớp phủ tốt hơn nhiều so với lớp mạ crom cứng, đồng thời có khả năng chịu
mài mòn gấp 2,5 lần so với lớp mạ crom cứng [14].
Một số nghiên cứu khác theo hướng ứng dụng cũng được đề cập trong
các công trình nghiên cứu như: nghiên cứu xác định độ cứng, độ xốp, độ bám
dính và độ chịu mài mòn của lớp phủ hợp kim 67Ni18Cr5Si4B trên nền thép
C45 bằng phương pháp Plasma [5], kết quả nghiên cứu cho thấy độ bám dính
của lớp phủ hợp kim 67Ni18Cr5Si4B có lớp lót trung gian (Ni5Al) tăng 25%
so với trường hợp phun phủ không có lớp lót trung gian; nghiên cứu ảnh
hưởng của khoảng cách phun, áp suất khí thổi, áp suất oxy đến độ bền bám
dính, độ bền bám trượt, độ bền kéo lớp phủ Ni-Cr-Si-B trên thép C45 phun
theo phương pháp ngọn lửa oxy axetylen [6], kết quả cho thấy chế độ phun tối
ưu của 3 thông số bằng phương pháp ngọn lửa oxy axetylen là: khoảng cách

36. 23
phun: 170 - 200mm; áp suất khí thổi: 0,3 - 0,4 MPa và áp suất khí oxy: 0,20 -
0,22 MPa.
Đã có một số cơ sở sản suất ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt như:
Liên doanh dầu khí Vietsopetro; Viện nghiên cứu cơ khí; Viện Cơ khí
Năng lượng và Mỏ; Viện Công nghệ Bộ Quốc phòng, Công ty Cơ khí sửa
chữa Thủy Lợi; Viện Kỹ thuật giao thông; Cơ khí Quang Trung; Đại học
Bách khoa Hà Nội; Nhà máy Cơ khí Đạm Hà Bắc.
Công xưởng A42 phục hồi một số cánh tuabin động cơ máy bay bằng công
nghệ phun Plasma; Viện nghiên cứu máy - Bộ Công Thương, Viện Công nghệ -
Tổng cục công nghiệp quốc phòng đã tiến hành nghiên cứu thiết kế đầu phun
plasma nhưng kết quả hạn chế và chưa đưa vào ứng dụng thực tế; Viện nghiên
cứu Cơ khí thực hiện phun bảo vệ hàng vạn mét vuông giàn khoan dầu bằng
máy phun cầm tay ЭM-14 của Nga.
Trong những năm gần đây, Công ty TNHH dịch vụ kỹ thuật Quang Khánh
- Vũng Tàu đã sử dụng công nghệ HVOF phục hồi thành công nhiều chi tiết máy
có giá trị kinh tế cao như thân tuabin, Turbine thủy lực 10-HT-3001A, cánh
bơm, trục bơm 8002A, nhà máy đạm Phú mỹ; Trục phân phối bia Dung Quất;
Trục khuỷu tàu HQ-957-X51- Bộ Quốc Phòng; Trục bơm ép vỉa Đại Hùng...
Hiện nay, ở Việt Nam đã có nhiều ngành, đơn vị đầu tư thiết bị để
nghiên cứu: phun phủ Plasma (Viện Công nghệ - Tổng cục công nghiệp quốc
phòng; Viện nghiên cứu cơ khí); Phun nổ (Viện Cơ khí Năng lượng và Mỏ);
phun phủ nhiệt khí (Đại học Bách Khoa Hà Nội; Viên Nghiên cứu cơ khí;
Viện Công nghệ - Tổng cục công nghiệp quốc phòng...). Nghiên cứu phun
phủ trong chân không PVD (Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội). Nghiên cứu
phun phủ Plasma – chân không – TINA (Viện nghiên cứu và ứng dụng công
nghệ). Phun nhiệt khí tốc độ cao (HVOF) - Công ty TNHH dịch vụ kỹ thuật
Quang Khánh - Vũng Tàu; Xí nghiệp cơ điện – Vietsovpetro.

37. 24
Công trình của tác giả Phạm Văn Liệu [8] đã nghiên cứu ảnh hưởng của
một số thông số công nghệ như khoảng cách phun, tốc độ dòng phun... khi
phun bột hợp kim 67Ni18Cr5Si4B trên nền trục thép C45 đến chất lượng lớp
phủ bằng phương pháp HVOF.
Hiện nay, công nghệ phun phủ nhiệt được ứng dụng rộng rãi, bởi việc
lựa chọn vật liệu phun và vật liệu nền trong phạm vi rộng. Vật liệu được sử
dụng chủ yếu trong phun nhiệt là kim loại và các bít. Lớp phủ phun nhiệt chủ
yếu được sử dụng để bảo vệ các chi tiết hoặc phục hồi từ các dạng mòn khác
nhau như: bảo vệ bề mặt chi tiết trong ngành khai thác dầu mỏ, bảo vệ các kết
cấu trong môi trường xâm thực, ngành công nghiệp ô tô và các ngành công
nghiệp hàng không, vũ trụ.
Từ xu hướng nghiên cứu và những thành tựu đạt được của phương pháp
phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF cho thấy rằng hướng nghiên cứu của các tác
giả đã tập trung vào việc nâng cao chất lượng lớp bề mặt của chi tiết bằng
cách phủ lên bề mặt của chi tiết một lớp kim loại hoặc hợp kim có tính chịu
nhiệt, chịu mài mòn cao, nhằm đáp ứng các điều kiện làm việc khác nhau.
Tuy nhiên chưa có tác giả nào nghiên cứu, ứng dụng lớp phủ bột các bít
Cr3C2 - NiCr lên bề mặt trục thép 40Cr bằng công nghệ HVOF với các chế độ
công nghệ như lưu lượng cấp bột phun (m), chuyển động tương đối giữa chi
tiết và đầu phun (n, S) để đánh giá mức độ ảnh hưởng chế độ phun đến chất
lượng của lớp phủ. Hơn nữa, trong các ngành công nghiệp có rất nhiều chi tiết
bị mòn, đặc biệt là các chi tiết dạng trục được chế tạo từ thép 40Cr hoặc
những vật liệu có cơ tính tương đương cần được phục hồi.
1.5. Những vấn đề đặt ra cần nghiên cứu
Phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF là một quá trình rất phức tạp, trong đó
có một lượng lớn các thông số ảnh hưởng đến việc hình thành lớp phủ. Những
thông số này bao gồm đặc điểm phần cứng (kết cấu hình học súng phun) và

38. 25
thông số quá trình phun như: khí đốt, mật độ dòng khí, và bột nguyên liệu,
chế độ phun (khoảng cách, góc phun, tốc độ di chuyển giữa chi tiết với súng
phun, dịch chuyển giữa các lớp phun…). Trong quá trình phun, các hạt bột
được đưa vào vùng nhiệt độ rất cao và tốc độ lớn nên đã nhanh chóng nóng
lên đến nhiệt độ nóng chảy của nó hoặc cao hơn. Nhiệt độ cao này có thể gây
ra sự bay hơi của bột hoặc một số thành phần của nó thậm chí có thể dẫn đến
sự chuyển đổi thành phần. Do tính chất phức tạp này của kỹ thuật phun nhiệt
khí tốc độ cao HVOF nên để đạt được lớp phủ với đặc tính mong muốn là một
việc rất phức tạp như hình 1.7 [48] mô tả sự tương tác trong quá trình phun để
hình thành lên lớp phủ.
Hình 1.7: Sơ đồ tương tác hình thành lớp phủ
Từ sơ đồ hình 1.7 cho thấy, để hình thành được lớp phủ như mong muốn
ta phải quan tâm rất nhiều yếu tố liên quan đến quá trình hình thành lớp phủ từ
điều kiện hoạt động của hệ thống đến quá trình bay của hạt đến lớp nền để tạo
thành lớp phủ. Đã có khá nhiều cách khác nhau của việc tối ưu hóa và phân
tích các quá trình phun nhiệt và tạo lớp phủ. Chúng bao gồm các phương pháp
thống kê thử nghiệm, mô hình hóa và mô phỏng số,... mức độ ảnh hưởng của

39. 26
các thông số trong qui trình phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF đối với từng
trường hợp cụ thể là hoàn toàn khác nhau.
Chất lượng lớp phủ tốt với các đặc tính phù hợp và hiệu quả cần thiết
cho các ứng dụng cụ thể là các mục tiêu trong sản xuất của quá trình phun
nhiệt. Để đạt được mục tiêu này cần một sự tìm hiểu sâu hơn về các phương
pháp phun. Bắt đầu từ nguyên liệu, quá trình phun và các hạt, chất nền tương
tác với nhau có ảnh hưởng đến sự hình thành của lớp phủ với vi cấu trúc khác
nhau. Để kiểm soát tốt hơn về phun nhiệt, các thiết bị khác nhau đã được phát
triển trong thập kỷ qua, những công cụ chẩn đoán đã được phát triển giúp điều
chỉnh tốt hơn và đo lường các quá trình phun đồng thời hỗ trợ để hiểu được
tác động của các tham số quá trình khác nhau về tình trạng hạt trong quá trình
bay tạo nên lớp phủ (lưu lượng khí, nhiệt độ hạt và vận tốc).
Quá trình phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF được biểu diễn bằng sơ đồ
trên hình 1.8 [50].
Hình 1.8: Sơ đồ biểu diễn các yếu tố trong quá trình phun.
Kết cấu thiết
kế súng phun
(Nhiên liệu,
pha trộn, tốc
độ,nhiệt độ
buồng đốt)
Hình thành lớp phủ:
tạo các lớp hạt nóng
chảy chồng chất lên
nhau (Sự dịch
chuyển tương đối
của chùm tia phun
với bề mặt phun
theo các chiều để
hình thành lớp phủ)
Quá trình bay
của hạt trong
dòng khí,
tương tác với
môi trường
(Nhiệt độ hạt
tốc độ hạt,
khoảng cách
bay)

40. 27
Từ sự tương tác trong phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF theo hình 1.8
thấy rằng, để đạt được lớp phủ theo yêu cầu thì phải kết hợp rất nhiều yếu tố:
từ vật liệu nền, vật liệu phun, kết cấu súng phun, nhiên liệu phun, áp suất
buồng đốt, nhiệt độ hạt, tương tác của hạt trong quá trình bay với môi trường,
nhiệt độ hạt, khoảng cách bay,tương tác của dòng hạt lên bề mặt nền. Do vậy
việc nghiên cứu chế độ công nghệ như lưu lượng cấp bột phun (m), chuyển
động tương đối giữa chi tiết và đầu phun (n, S) để xác định mức độ ảnh
hưởng chế độ phun đến chất lượng của lớp phủ là cần thiết trong quá trình
thực hiện phun HVOF.
Công nghệ HVOF có nhiều ưu điểm nổi bật mà các công nghệ khác
không có được. Công nghệ này được nhập ngoại, trong quá trình tiếp nhận và
sử dụng thiết bị, về tính năng cơ bản của thiết bị đã được các nhà cung cấp
khuyến cáo và đưa ra hướng dẫn sử dụng. Nhưng khi sử phải lựa chọn điều
chỉnh các thông số chế độ phun cho phù hợp với các điều kiện thực tiễn như
(tốc độ phun, khoảng cách phun, góc phun...) đã có các nhà nghiên cứu tìm
hiểu và đã đưa ra khuyến cáo còn mức độ ảnh hưởng của dịch chuyển tương
đối giữa súng phun với bề mặt chi tiết cần phun để tạo ra lớp phủ sau mỗi lát
phun đến chất lượng lớp phủ thì chưa có khuyến cáo mà người sử dụng thiết
bị hầu hết dựa vào kinh nghiệm để điều chỉnh sự di chuyển của súng phun
trong quá phun nên việc đó có ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất và chất
lượng lớp phủ.
Để cho quá trình khai thác sử dụng thiết bị phun nhiệt khí tốc độ cao
HVOF ứng dụng vào thực tiễn có hiệu quả thì việc nghiên cứu các thông số
chế độ công nghệ trong quá trình phun nhằm đạt được chất lượng tốt hơn là
việc làm hết sức có ý nghĩa góp phần thúc đẩy sự phát triển của công nghệ
phun phủ tại Việt Nam.

41. 28
Kết luận chương 1
Từ việc nghiên cứu tổng quan về lĩnh vực phun phủ HVOF trên thế giới
và Việt Nam, luận án đã chọn chi tiết thép 40Cr làm thép nền để phủ lớp bột
các bít Cr3C2 - NiCr bằng phương pháp HVOF làm đối tượng nghiện cứu.
Với mục đích là xác định ảnh hưởng của lưu lượng cấp bột phun và chuyển
động tương đối giữa đầu phun với chi tiết đến chất lượng lớp phủ được phun
bằng phương pháp HVOF, để lựa chọn vùng các thông số công nghệ phun
hợp lý khi áp dụng vào thực tế nhằm đảm bảo chất lượng lớp phủ có độ xốp
nhỏ nhất, độ bám dính lớn nhất, tạo cơ sở khoa học cho việc hình thành lớp
phủ đáp ứng yêu cầu kịp thời trong sản xuất, hạ giá thành sản phẩm hạn chế
nhập ngoại phù hợp với điều kiện Việt Nam.

42. 29
Chương 2: CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA PHƯƠNG PHÁP PHUN NHIỆT
KHÍ VÀ ĐỘNG LỰC HỌC QUÁ TRÌNH PHUN HVOF
2.1. Lý thuyết về sự hình thành lớp phủ
Trong quá trình phát triển công nghệ phun phủ nhiệt, nhiều nhà khoa học đã
xây dựng các lý thuyết về sự hình thành lớp phủ, trong đó các lý thuyết đóng
vai trò quan trọng gồm: Lý thuyết của Pospisil- Sehyl, Schoop, Karg, Katsch,
Reininger và Schenk đã được các tác giả trích dẫn [3],[8],[39],[53].
Lý thuyết Pospisil - Sehyl cho rằng: lớp phủ được hình thành do các giọt
kim loại lỏng bị dòng khí nén thổi với một tốc độ rất cao (trung bình khoảng
200 m/s). Các giọt này bị phá vỡ thành nhiều hạt rất nhỏ dạng sương mù có
dạng là hình cầu hoặc dạng không đồng đều, đa dạng.
Sự oxy hóa kim loại thực chất bắt đầu từ quá trình chảy và tiếp tục diễn
ra trong quá trình bay của các hạt cho đến khi va đập vào bề mặt phun, số
lượng oxít nhiều hay ít là nhân tố ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ.
Theo thuyết này các phần tử kim loại trong thời điểm va đập trên bề mặt
phun là ở thể lỏng.
Lý thuyết Schoop cho rằng: khí nén cung cấp năng lượng cho các hạt
kim loại khi va đập lên bề mặt bị phun có sự thay đổi nhiệt. Khi rời khỏi
miệng phun bắt đầu bị nguội và đông đặc rất nhanh do tác dụng của dòng khí
nén. Trong thời điểm va đập chúng sẽ biến dạng dẻo do vậy chúng liên kết
với nhau thành những lớp liên kết khá chắc. Nhiệt độ của tia kim loại bị giảm
xuống rất thấp còn khoảng 50 0
C đến 100 0
C. Nên có thể phủ lên chúng vật
liệu dễ cháy mà không xảy ra sự cháy vật liệu nền.
Lý thuyết Karg, Katsch và Reininger lại đưa ra quan điểm: Những hạt
kim loại bị nguội và đông đặc là do tác dụng của nguồn năng lượng động
năng và khí nén. Mặt khác trong quá trình bay từ vòi phun các hạt đã ở trạng
thái nguội nên không xảy ra sự biến dạng dẻo khi va đập.

43. 30
Lý thuyết Schenk lại đưa ra nhìn nhận khác: tác giả cho rằng nhiệt độ
của các hạt phun phải ở nhiệt độ chảy lỏng để xảy ra sự hàn chặt giữa chúng
với nhau. Có nghĩa là, ở thời điểm va đập trên bề mặt bị phun sẽ bị đốt nóng
đến nhiệt độ chảy để xảy ra sự hàn gắn giữa các phần tử phun với kim loại
nền cơ sở, nhưng thực tế không hoàn toàn như vậy.
Từ những quan điểm lý thuyết về sự hình thành lớp phủ của các nhà
khoa học trên thế giới thấy rằng, đã có những quan điểm khác nhau về trạng
thái của các hạt phun tại thời điểm va đập, tuy nhiên theo tác giả [3] đã trích
dẫn có thể mô tả về sự hình thành lớp phủ được đặc trưng bởi 4 giai đoạn đó
là: giai đoạn nung nóng và làm nóng chảy vật liệu phun, giai đoạn phân tán
hình thành giọt kim loại lỏng, giai đoạn bay của các giọt kim loại, giai đoạn
va đập của các giọt kim loại vào bề mặt kim loại nền để hình thành lớp phủ ,
bằng hình ảnh được mô phỏng như hình 2.1 và được phân tích cụ thể dưới
đây:
Hình 2.1: Các giai đoạn quá trình phun nhiệt
- Giai đoạn nung nóng và làm nóng chảy vật liệu phun: nhiên liệu khí
cháy axetylen, oxy và không khí nén được cung cấp vào súng phun tại buồng
đốt của súng phun. Chúng được trộn lẫn với nhau tạo thành hỗn hợp khí cháy
có nhiệt độ và áp suất cao. Vật liệu phun dạng bột hòa trộn với khí nitơ (được
gọi là khí mang), được hút vào buồng đốt sau mỗi xung nổ vật liệu được nung
nóng đến trạng thái chảy và bị nén với áp suất cao, dịch chuyển theo dòng khí
cháy với tốc độ siêu âm và vượt âm nhờ kết cấu ống Laval.

44. 31
- Giai đoạn phân tán hình thành giọt kim loại lỏng: khi dòng khí mang
vật liệu phun nóng chảy ra khỏi miệng súng phun, các giọt nóng chảy có áp
suất cao tiếp xúc với khí quyển có áp suất thấp, làm áp suất bên trong các giọt
nóng chảy bị giảm đột ngột và chúng bung ra thành nhiều hạt nhỏ dạng sương
mù, theo nguyên lý tạo hạt phun. Sự phân tán của các giọt kim loại dưới tác
dụng của áp suất và nhiệt độ khí tùy thuộc vào áp lực dòng khí cháy và đường
kính của miệng phun.
- Giai đoạn bay của các giọt kim loại: tốc độ bay của các hạt tăng dần từ
vùng đốt đến miệng phun, nhưng khi ra khỏi miệng phun tốc độ giảm dần do
lực cản của không khí. Các giọt kim loại nóng chảy ở nhiệt độ cao phân tán
thành chùm hạt nhỏ tương tác hóa học vật lý với môi trường xung quanh, vật
liệu phun bị oxy hóa và hòa tan khí. Quá trình oxy hóa tùy thuộc vào thành
phần khí cháy. Độ hòa tan khí phụ thuộc sức căng bề mặt giọt kim loại, sức
hút của các nguyên tử chất phun, hệ số dẫn nhiệt của vật liệu. Trong quá trình
bay, do chênh lệch về áp suất bên trong hạt với áp suất môi trường xung
quanh, các hạt tiếp tục vỡ phân tán thành nhiều hạt nhỏ. Dòng phun có dạng
hình phễu, góc loe của phễu phụ thuộc góc loe của ống Laval, tốc độ phun và
đường kính của đầu phun.
- Giai đoạn va đập của các giọt kim loại vào bề mặt kim loại nền để hình
thành lớp phủ: Các hạt vật liệu phủ mang động năng và nhiệt năng bay đến va
đập vào bề mặt nền. Khi va đập, động năng của hạt chuyển thành nhiệt năng,
truyền năng lượng cho bề mặt nền làm tăng nhiệt độ bề mặt nền, khi tiếp xúc
với bề mặt nền các hạt kim loại lỏng bị biến dạng từ tròn thành dẹt và bám
chắc trên bề mặt gồ ghề của kim loại nền. Do kết quả của sự truyền nhiệt, các
hạt phủ biến dạng và nguội, kèm theo thể tích giảm, đại bộ phận các hạt bám
chắc vào bề mặt nền, một bộ phận nhỏ bị bắn ra khỏi bề mặt. Tùy sự dịch

45. 32
chuyển của đầu phun hoặc vật được phun, chùm tia hạt phủ được bắn vào bề
mặt nền theo từng lớp, chồng chất lên nhau tạo thành lớp phủ theo yêu cầu.
Sự phân bố các hạt phun tại điểm đến của dòng phun và sự chồng chất
các lớp khi phun được biểu diễn trên hình 2.2 và hạt phun tiếp xúc với bề mặt
nền được biểu diễn trên hình 2.3 và hình 2.4
Hình 2.2: Phân bố mật độ chùm hạt và sự chồng chất các chùm hạt phun
Bột phun inox
V = 600 m/s
σ = 120 MPa
Bột phun WC/CO
V = 500 m/s
σ = 200 MPa
Hình 2.3: Hình ảnh hạt bột phun khi tiếp xúc với bề mặt nền

46. 33
Hình 2.4: Sơ đồ dòng vật liệu phun va đập hình thành lớp phủ
Khi các giọt kim loại lỏng bay đến va đập lên bề mặt nền, chúng sẽ bám
và đông đặc, lần lượt từng nhóm hạt, từng lớp và hình thành lớp phủ.
2.2. Quá trình phun HVOF
Quá trình phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF là sự kết hợp của nhiệt năng
và động năng làm tan chảy và tăng tốc các hạt bột, bay tới bám vào bề mặt
kim loại nền tạo thành lớp phủ [34],[41],[42]. Khí cacbua hydro (propan,
propylen, axetylen) hoặc hydro tinh khiết được dùng làm khí nhiên liệu, nhiệt
độ khí cháy phụ thuộc vào việc lựa chọn khí và tỷ lệ lưu lượng giữa dòng khí
oxy và dòng khí nhiên liệu. Vật liệu phủ, dưới dạng bột hoặc dây được cung
cấp vào dòng khí nóng, bị nung nóng đến trạng thái chảy và phun lên bề mặt
nền. Súng phun gồm có ba bộ phận: vùng trộn, vùng đốt và vòi phun. Trong
quá trình hoạt động, thân súng phun được làm mát bằng khí nén hoặc bằng
nước. Nhiên liệu và oxy được trộn trong vùng trộn và được dẫn vào vùng đốt;
sử dụng ngọn lửa mồi hoặc đầu đánh lửa ngoài để đốt cháy hỗn hợp khí.
Trong quá trình đốt cháy, khí giãn nở và tăng tốc trong vòi phun. Bột phun
được tăng tốc nhờ vào luồng khí mang hút vào vùng đốt. Khi đi các hạt bột bị
hút vào vùng đốt và ra khỏi vòi phun, chúng bị nung nóng và được tăng tốc
nhanh hơn. Do các hạt bột bị phun với vận tốc lớn và va đập mạnh, tạo thành
lớp phủ có độ xốp thấp và khả năng bám dính cao hơn so với các phương
pháp khác [50].

47. 34
2.2.1. Quá trình cháy và lưu lượng khí của hệ thống phun HVOF
Để tạo hỗn hợp khí và bột phun, các loại khí được sử dụng như: Khí
propylen, khí propan hoặc axetylen và oxy, khi bột phun được hút vào vùng
khí đốt gây ra phản ứng hóa học để giải phóng năng lượng nhiệt, quá trình
này diễn ra liên tục làm cho áp suất trong buồng đốt tăng. Khi phun sử dụng
khí propylen và oxy, nitơ làm khí vận chuyển, theo Kowalsky [42] phản ứng
hóa học của các chất khí như sau:
C3H6 + 3,43O2 + XN21,29H2O + 3,14CO2 + XN2
Việc cân bằng hóa học (về mặt lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn)
tỷ lệ nhiên liệu - oxy là từ 1 đến 4,5. Năng lượng được giải phóng nhờ các
phản ứng hóa học của các chất khí được sử dụng để làm nóng và tăng tốc độ
khí và bột phun. Do nhiệt độ lắng đọng quá cao, các phần tử nước bị đốt và
bay hơi. Kết quả là vận tốc khí là đặc trưng của áp suất, nhiệt độ, mật độ,
thành phần khí và diện tích mà có khí đi qua.
Hình 2.5 cho thấy sự biến đổi của vận tốc dòng khí so với áp suất buồng
súng [44], buồng súng thường được duy trì ở một áp suất nhất định tùy theo
thiết kế của từng hệ thống phun HVOF.
Hình 2.5: Vận tốc dòng khí trong hệ thống HVOF theo áp suất buồng súng

48. 35
Trong thiết bị phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF do nhiệt độ tăng dẫn đến
lực ma sát dọc theo bề mặt của ống phun tăng, làm cho dòng chảy có xu
hướng bị nghẽn tại đầu của miệng phun, ống phun bị giãn nở nhiệt do áp suất
tĩnh lớn hơn áp suất môi trường xung quanh, quá trình giãn nở nhiệt và nén
sóng xảy ra trong ống phun như hình 2.6. Sự giao thoa của các sóng tạo thành
vùng sáng trong dòng phun thường gọi là vùng Shock [39], [53], [55].
Hình 2.6: Sự hình thành sóng xung kích của dòng phun có áp suất cao hơn áp
suất môi trường
Trong quá trình cháy, các hạt bột được phun vào trung tâm của bồng đốt
nhờ luồng khí vận chuyển và được làm nóng chảy, sau đó hỗn hợp bột, khí
nóng được phun ra từ đầu phun với vận tốc cao. Vì các hạt bột được phun với
tốc độ siêu âm, do đó gây ra hiện tượng sóng sốc. Từ kết quả tính vận tốc của
các hạt bột có kích thước và vật liệu khác nhau như hìnhcho thấy, vận tốc lớn
nhất tại đường tâm và giảm dần từ trong ra ngoài [44]. Việc giảm vận tốc của
các hạt bột là do lực cản giữa chùm tia và môi trường xung quanh.
Việc lựa chọn khí nhiên liệu phụ thuộc vào chi phí vật liệu phủ và yêu
cầu về chất lượng lớp phủ. Khí propan thường được sử dụng để làm khí nhiên
liệu. Tuy nhiên, với vật liệu dễ phản ứng với oxy, có thể chọn khí hydro làm
khí nhiên liệu do có ưu điểm là độ hấp thụ oxy thấp. Nếu cần nhiệt lượng lớn
để làm nóng chảy các hạt bột phun thì sử dụng khí propylen. Còn vật liệu

49. 36
gốm gốc oxit có nhiệt độ nóng chảy cao thì nên sử dụng khí nhiên liệu là
axetylen.
2.2.2. Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống phun HVOF
Vận tốc hạt là yếu tố quan trọng trong quá trình phun nhiệt, chất lượng
của lớp phủ được cải thiện phụ thuộc nhiều vào vận tốc của hạt phun. Sử dụng
súng phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF vận tốc hạt có thể đạt 800 m/s, cao hơn
đáng kể so với quá trình phun nhiệt khác
* Ưu điểm của công nghệ phun nhiệt HVOF :
- Nâng cao khả năng chống mài mòn cơ học và chống ăn mòn hóa học –
điện hóa.
- Nâng cao khả năng chịu nhiệt và cách nhiệt;
- Thành phần oxit thấp do thời gian tiếp xúc nhiệt ngắn;
- Thành phần hóa học của kim loại phun không thay đổi do thời gian tiếp
xúc nhiệt ngắn;
- Chiều dày lớp phủ cao do ít suất dư;
- Bề mặt lớp phủ láng mịn do vận tốc phun cao.
Tất cả các ưu điểm trên đã làm cho lớp phủ có mật độ cao hơn, cải thiện
khả năng chống ăn mòn, độ cứng cao, chịu mài mòn tốt, hàm lượng oxít thấp,
tỷ lệ hạt không nóng chảy ít, độ dày lớp phủ lớn và mịn hơn so với các
phương pháp phun nhiệt khác.
* Nhược điểm của công nghệ phun phủ HVOF :
- Công nghệ cực kỳ phức tạp, phụ thuộc nhiều vào sự thay đổi các thông
số trong quá trình phun;
- Đòi hỏi nhân viên có nhiều kinh nghiệm, để đảm bảo hoạt động an toàn
và để đạt được chất lượng phủ phù hợp;
- Phải được thực hiện trong một phòng phun đặc biệt, với các thiết bị bảo
vệ âm thanh và xử lý bụi phù hợp;

50. 37
- Khó áp dụng cho việc phun bề mặt bên trong các hình trụ tròn đường
kính nhỏ, do khoảng cách phun tối thiểu là 80 mm.
2.2.3. Đặc điểm của lớp phủ phun bằng công nghệ HVOF
Các loại cacbit (WC-Co, Cr3C2 - NiCr) đóng vai trò quan trọng trong
lĩnh vực phun phủ nhiệt, chiếm khoảng 70% các loại vật liệu phủ được sử
dụng trong công nghệ HVOF. Các kim loại cứng được phun phủ bằng công
nghệ HVOF tạo ra lớp phủ có mật độ cao (thường là > 97%), phân bố các giai
đoạn đồng nhất hơn và ít có các cấu trúc cacbit giòn so với các phương pháp
phun phủ nhiệt khác tạo ra [61].
Hiệu quả lắng đọng, khi sử dụng công nghệ HVOF có thể lên tới mức từ
70% đến 80%. Một số công nghệ HVOF sử dụng axetylen có thể tạo ra lớp
phủ gốm có chất lượng rất cao, ví dụ như lớp phủ crom (Cr203). Chất lượng
của lớp phủ crom nhờ vào động năng cao kết hợp với nhiệt độ hạt trung bình
dẫn đến hình thành nên một cấu trúc có mật độ cao với mức thoát oxy thấp do
nhiệt gây ra.
Cũng như các phương pháp phun phủ nhiệt khác, công nghệ HVOF cho
phép xử lý kết hợp các loại vật liệu, còn được gọi là giả hợp kim.
Bản thân chất trợ dung hợp kim niken cơ bản thường được trộn lẫn với
kim loại cứng, cũng giống như phun đồng thời WC-Co, với mục đích kết hợp
khả năng chịu ăn mòn của hợp kim gốc niken và khả năng chịu mài mòn của
các kim loại cứng.
Mặc dù quá trình phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF có thể tạo ra các lớp
phủ có mật độ cao, đôi khi lớp phủ vẫn bị lẫn một số chất tạo gỉ, cần phải có
phương pháp phủ đặc biệt để tăng cường hơn nữa các đặc tính bảo vệ của lớp
phủ để phòng ngừa sự tác động của gỉ sét.
Chiều dày lớp phủ cho các kim loại cứng thường ở mức từ (0,1 ÷ 0,2
mm). Nếu phun chiều dày lớp phủ lớn hơn 0,3 mm, sẽ gây ra hiện tượng ứng

51. 38
suất dư bên trong lớp phủ, do vậy không nên phun lớp phủ có chiều dày lớn
hơn 0,3 mm. Tuy nhiên, trong thực tế đã có nghiên cứu thực hiện thành công
lớp phủ dày 10mm, với hệ thống làm mát sử dụng CO2 lỏng. Độ nhấp nhô bề
mặt của lớp phủ phụ thuộc phần lớn vào việc sử dụng loại bột phun. Nếu sử
dụng bột phun mịn, độ nhấp nhô bề mặt sau khi phun rất thấp, ở mức Ra =
1÷2 µm, thậm chí còn nhỏ hơn 1m sau khi được xử lý đánh bóng bằng máy
mài kim cương. Các lớp phủ bằng công nghệ HVOF có thể được áp dụng
trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, như trong bảng 2.[39], [55].
Bảng 2.1: Phạm vi áp dụng phương pháp phun phủ HVOF trong các ngành
công nghiệp.
Ngành công nghiệp Chi tiết, máy Vật liệu phun
Công nghiệp giấy Con lăn WC-Co-Cr
Lưỡi cạo Cr2O3
Công nghiệp thép Con lăn lò nung Cr3C2 -NiCr
Con lăn băng tải Cr3C2 -NiCr
Công nghiệp in Con lăn mực in Cr2O3
Công nghiệp may Galettes Al2O3-TiO2
Điện tử Băng dẫn điện Cu
Xây dựng nhà máy Máy nghiền A1203,Mo, các loại thép
Máy tuyển quặng Al203,Mo, các loại thép
Thiết bị ngành hóa chất Al203,Mo, các loại thép
Công nghiệp ô tô Đĩa ma sát Mo
2.3. Tính chất của lớp phủ
Trong lớp phủ phun nhiệt tồn tại oxit và độ xốp. Trong quá trình bay từ
súng đến bề mặt nền, các hạt có sự tương tác hóa học và vật lý với môi trường
xung quanh. Lớp phủ phun nhiệt được cấu tạo gồm các lớp mỏng có đường
biên nằm song song với bề mặt nền. Mỗi lượt phun thường có từ 5 đến 15 lớp

52. 39
mỏng, tùy thuộc vào các thông số phun (lưu lượng cấp bột phun, khoảng cách
phun, kích thước hạt bột phun, tốc độ di chuyển của đầu phun)
Các điều kiện hình thành biên liên kết giữa các lớp và giữa các hạt được
xác định bởi khoảng thời gian chúng tồn tại trong khí quyển.
Trong khi phun, thời gian tương tác giữa các hạt với môi trường xung
quanh rất ngắn, sau đó bị đông đặc và nguội đi nhanh chóng làm mất khả
năng tương tác. Do thời gian ngắn như vậy nên quá trình khuếch tán không
sâu và ít ảnh hưởng tới độ bám của hạt. Sự gắn kết của hạt với nền, chủ yếu
phụ thuộc vào mức độ liên kết vật lý, mà biểu hiện bề ngoài của nó là sự xuất
hiện những khoảng bám dính trên mặt tiếp xúc. Sự hình thành lớp phun là quá
trình xếp vô số và liên tiếp các hạt phun bị biến dạng lên bề mặt nền, khi các
các hạt phun tiếp xúc với nhau hoặc tiếp xúc với bề mặt mà không điền đầy
khít không gian sẽ gây ra hiện tượng rỗ xốp trong lớp phủ. Quá trình tiếp xúc
vật lý không hạn chế sự tương tác bởi vì dưới tác động xung lực thì các hạt
nóng chảy sẽ nhanh chóng bị dàn mỏng ra và bị ép vào mặt lớp nền. Dưới đây
là hình ảnh về hình thái của lớp kim loại mỏng va đập trên bề mặt kim loại
nền được biểu diễn trong hình 2.7 và hình 2.8, sơ đồ mặt cắt cấu trúc tế vi của
lớp phủ phun nhiệt được thấy rõ.
Hình 2.7: Sơ đồ trạng thái của lớp
kim loại mỏng rơi trên bề mặt
Hình 2.8: Sơ đồ mặt cắt cấu trúc
của lớp phủ phun nhiệt

53. 40
Chất lượng và các tính chất của các lớp phun nhiệt chủ yếu phụ thuộc
vào kích thước hạt phun, nhiệt độ hạt, tốc độ di chuyển giữa các giọt kim loại
va chạm vào vật liệu nền và vào mức oxy hóa của các giọt kim loại với bề
mặt vật liệu nền khi phun. Các yếu tố này rất khác nhau khi sử dụng các quy
trình phun khác nhau.
Các lớp phun kim loại và hợp kim tạo bởi bằng quá trình phun nhiệt khí
tốc độ cao HVOF không còn giữ nguyên các thành phần hóa học ban đầu của
chúng. Các tính chất lớp phun có thể thay đổi nhiều tùy thuộc vào quy trình
phun.
2.3.1. Cấu trúc lớp phủ
Cấu trúc lớp phủ được hình thành từ những khối nhỏ kim loại phủ, được
bồi đắp sát nhau và chồng chất lên nhau. Khi phun, dòng chất phun được gia
tốc liên tục đến bề mặt kim loại nền, các phần tử phun khi va đập với kim loại
nền, ở nhiệt độ nóng chảy, chúng bị biến dạng. Việc liên kết với vật liệu nền
và với phần vật chất đã được phủ từ trước, trước hết là sự bám dính cơ học,
sau là nhờ nhiệt độ cao nên xảy ra quá trình khuyếch tán, tạo thành khối vật
liệu phủ tương đối đồng nhất.
Trong lớp phủ luôn có lỗ xốp, ngậm khí và các tạp chất như ở hình 2.9.
Lỗ xốp hình thành do những khoảng trống không được điền đầy và do khí tích
tụ. Các tạp chất chủ yếu là các oxit hình thành trong quá trình phun.
Hình 2.9: Sơ đồ cấu trúc lớp phủ.

54. 41
Đặc trưng cấu trúc của lớp phủ là: do kim loại phun ở trạng thái lỏng khi
va chạm với vật liệu nền bị nguội nhanh, nên tổ chức kim loại không phải tổ
chức cân bằng. Nếu kim loại phủ là thép thì thường có tổ chức maxtenxit và
bâynit. Chính vì vậy, lớp phủ thường có độ cứng bề mặt cao.
Trên thực tế chi tiết có 2 dạng chủ yếu đó là: chi tiết dạng phẳng và chi
tiết dạng tròn. Khi phủ chi tiết dạng phẳng, đầu phun chuyển động theo đường
thẳng và di chuyển hết chiều dài chi tiết, sau đó, dịch chuyển ngược lại, quá
trình dịch chuyển của đầu phun sao cho lớp đầu phủ hết diện tích cần phủ, sau
đó phủ tiếp lớp thứ 2, cứ như vậy cho đến khi đạt chiều lớp phủ theo yêu cầu
Đối với chi tiết tròn xoay, chi tiết được gá trên đồ gá quay với một tốc độ
nhất định, đầu phun được gá lên cơ cấu dịch chuyển ngang. Tốc độ quay của
chi tiết và tốc độ dịch chuyển của đầu phun sao cho các lớp phủ tạo thành một
đường xoắn, yêu cầu đường xoắn phải chồng chất lên nhau, không có khoảng
trống để tránh hình thành lỗ xốp. Như vậy, tốc độ quay của chi tiết và tốc độ
dịch chuyển của đầu phun phải được tính toán chính xác, sao cho tạo lớp phủ
đều, có độ bám dính tốt và độ rỗ xốp rất nhỏ.
2.3.2. Thành phần của lớp phủ phun nhiệt
Trong quá trình phun nhiệt, thành phần của lớp phủ có thể khác biệt với
vật liệu dùng để phun phủ, do phản ứng của các hạt nóng chảy với môi trường
khí. Cụ thể, mức độ oxy hóa rất quan trọng đối với đặc tính của lớp phủ.
Nghiên cứu của Datta [23], [60] về tác động của oxy hóa đối với lớp đồng và
nhôm cho thấy rằng chỉ cần mức độ oxy hóa rất nhỏ trong quá trình kết tụ
cũng làm suy giảm cường độ chịu nén theo chiều vuông góc và song song với
bề mặt. Tuy nhiên, các hạt oxit riêng lẻ không chỉ tăng cường độ cứng lớp
phủ mà còn tăng thêm khả năng chịu mài mòn. Sự thoát cacbon trong lớp phủ
tungsten cacbit cũng đã được các tác giả [17], [20] nghiên cứu, các lớp phủ
kim loại hoặc kim loại gốm cũng có thể tương tác với không khí, hình thành