Đề tài của Thạc sỹ Nguyễn Trung Kiên - Trung tâm NC ƯD&PT KHCN ĐS,  Trường Cao đẳng Nghề Đường sắt

Phun phủ kim loại bằng phương pháp phun nhiệt có thể sử dụng để phục hồi, tái tạo các lớp vật liệu kim loại bề mặt khác nhau của chi tiết. Với khả năng cơ động của thiết bị, công nghệ này có thể tạo được lớp phủ lên bề mặt các chi tiết chế tạo mới cũng như để phục hồi các chi tiết hư hỏng ngay tại hiện trường. Phương pháp phun phủ kim loại đã được nghiên cứu ứng dụng tại Việt Nam gần 20 năm nay, được ứng dụng cho rất nhiều lĩnh vực cơ khí, chế tạo máy, gia công trang trí, mỹ nghệ, chống ăn mòn, phủ chức năng bề mặt…..hiện nay, địa chỉ duy nhất được Chứng nhận triển khai là Viện Kỹ thuật nhiệt đới thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

1. KHÁI QUÁT VỀ PHUN PHỦ NHIỆT

Phun phủ nhiệt (thermal spray) là phương pháp công nghệ đưa các vật liệu rắn (dạng bột, dạng dây, dạng thanh, dạng lõi thuốc) vào dòng vật chất có năng lượng cao (dòng khí cháy hoặc dòng plasma) để nung nóng chảy một phần hay toàn bộ vật liệu; phân tán vật liệu thành các hạt dưới dạng sương mù nhỏ, tăng tốc độ hạt và đẩy hạt đến bề mặt chi tiết cần phủ đã được chuẩn bị trước. Với đặc điểm hình thành như vậy, lớp phủ sẽ có cấu trúc dạng lớp, trong đó, các phần tử vật liệu bị biến dạng và xếp chồng lên nhau (Hình 1). Tại bề mặt tiếp xúc giữa các phần tử với chi tiết và bề mặt tiếp xúc của các phần tử xảy ra các quá trình liên kết bền vững tạo nên cấu trúc lớp phủ.                                                

Hiện nay người ta đã phát triển khá nhiều loại đầu phun phủ nhiệt khác nhau: đầu phun dùng nhiên liệu khí cháy, đầu phun hồ quang điện, đầu phun plasma, đầu phun dùng nhiên liệu cháy bằng oxy tốc độ cao HVOF (high velocity oxygene fuel), đầu phun bằng dòng cao tần, đầu phun bằng kích nổ, phun lạnh ... Phun phủ nhiệt có thể phủ được các kim loại nguyên chất, các hợp kim lên bề mặt kim loại, hợp kim hay bề mặt vật khác như gỗ, vải, giấy, sứ … Có 4 ưu điểm chính của phun phủ nhiệt như sau:

1. Tiết kiệm nguyên vật liệu quý.
2. Tạo các lớp vật liệu phủ có độ dày theo ý muốn.
3. Với khả năng cơ động cao và dễ dàng điều khiển tự động, phun phủ nhiệt thích hợp cho việc chế tạo mới cũng như phục hồi chi tiết cũ; cũng có thể ứng dụng để xử lý tại chỗ, cục bộ đối với các kết cấu lớn hoặc các chi tiết phức tạp.
4. Nguồn năng lượng cách ly với bề mặt chi tiết, nhiệt độ bề mặt chi tiết khi phủ có thể giữ ở mức trên dưới 100^o Do vậy, có thể ứng dụng để phủ các loại vật liệu khác lên bề mặt các vật liệu dễ cháy như phủ lên gỗ, vải, giấy, polyme.... Đặc biệt, công nghệ này thích hợp cho việc xử lý các chi tiết dễ biến dạng do nhiệt (trục khuỷu động cơ, cánh bơm, cánh turbin ...).

II. NGHIÊN CỨU TRIỂN KHAI ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ NHIỆT.

2.1. Lớp phủ bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường khí quyển, môi trường nước.

Vật liệu phủ bảo vệ được chia làm 2 nhóm, bao gồm nhóm các lớp phủ có tác dụng như vật liệu anốt hy sinh, tan dần ra để bảo vệ nền thép (Zn, Al, Mg và các hợp kim) và nhóm các lớp phủ có tác dụng như lớp màng barrier ngăn cản sự thâm nhập của các tác nhân ăn mòn tới bề mặt thép (thép không gỉ, hợp kim Ti, Mo, Pb, Sn ....). Các lớp phủ Zn-Al được đặc biệt chú ý nghiên cứu - ứng dụng do khả năng bảo vệ và ứng dụng đa dạng của chúng trong thực tế. Bảng 1 dưới đây tóm tắt các kết quả quan trọng của các nghiên cứu liên quan đến các lớp phủ bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường khí quyển, môi trường nước.

Bảng 1. Nghiên cứu về các lớp phủ bảo vệ

2.2. Lớp phủ chức năng

Thực tế cho thấy, các nhu cầu về vật liệu rất đa dạng: chịu nhiệt, bền hóa chất, bền mài mòn, dẫn điện, khả năng chống nhiễu điện từ, trang trí …. Thông thường, tương tác giữa môi trường với vật liệu chủ yếu xảy ra ở lớp bề mặt. Trong nhiều trường hợp, vật liệu phải làm việc dưới tác động đồng thời của nhiều yếu tố: môi trường hóa chất kết hợp với các tác nhân gây mài mòn (erosion-corrosion), ăn mòn nhiệt độ cao … Để thực hiện các yêu cầu sản xuất đơn chiếc hoặc xử lý các chi tiết máy chưa thể sản xuất trong nước, giải pháp đưa ra là tạo các lớp phủ chức năng lên bề mặt các vật liệu nền là gang thép rẻ tiền, dễ kiếm. Các yêu của đơn vị sản xuất thường yêu cầu đưa ra nhanh các giải pháp xử lý bề mặt và chế tạo lớp phủ, không có nhiều thời gian để nghiên cứu hay chế thử.

Nghiên cứu trong lĩnh vực các lớp phủ chức năng, đến thời điểm này, vẫn tiếp tục được nghiên cứu ứng dụng và triển khai thử nghiệm. Một số nghiên cứu - ứng dụng tiềm năng được tổng hợp ở Bảng 2.

Bảng 2. Các nghiên cứu - ứng dụng của các lớp phủ chức năng trong thực tế.

2.3. Lớp phủ phục hồi mài mòn

Các lớp phủ phục hồi mài mòn được đặc biệt quan tâm. Đây là một dạng đặc biệt trong nhóm các lớp phủ chức năng do chúng thường hay gặp nhất trong thực tế đối với các chi tiết máy khai thác trong các điều kiện như mài mòn khô, mài mòn có bôi trơn, mài mòn dưới tải trọng lớn, mài mòn trượt tốc độ cao … Để phục hồi kích thước bị hao mòn, tùy theo điều kiện khai thác của chi tiết, sử dụng các vật liệu là một số mác thép cacbon, thép hợp kim và hợp kim CrNi. Một số nghiên cứu - ứng dụng tiềm năng cho các mục đích phục hồi mài mòn được tổng hợp ở Bảng 3.

Bảng 3. Các nghiên cứu - ứng dụng của các lớp phủ phục hồi mài mòn thực tế.

III. GIỚI THIỆU MỘT SỐ THÀNH TỰU CỦA ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ TẠI VIỆT NAM.

Từ năm 1995 khi 2 cụm thiết bị phun phủ nhiệt được trang bị cho Viện Kỹ thuật nhiệt đới, đó là thiết bị phun kim loại dùng hồ quang điện OSU Hessler 300A (xuất xứ CHLB Đức) và đầu phun kim loại dùng khí cháy Metallisation MARK-61 (Anh quốc). Đến năm 2000-2002, Viện tiếp tục được đầu tự hoàn thiện các thiết bị phục vụ việc đo đạc, đánh giá, kiểm định, pha trộn vật liệu…..hoàn chỉnh các công nghệ phun phủ nhiệt, cho phép có thể triển khai công nghệ này trên rất nhiều các lĩnh vực ngành công nghiệp Việt Nam.

Sau đây là một số thành tựu đã đạt được khi bước đầu áp dụng tại Việt Nam trong thời gian qua.