Luận án 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

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.42iv

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.83v

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

pdf140 trang | Chia sẻ: trungkhoi17 | Lượt xem: 407 | Lượt tải: 2download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận án 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, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
và vật liệu lớp phủ. Nếu hệ số giãn nở nhiệt của lớp phủ lớn hơn hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu nền (c >s) thì sẽ tạo ra ứng suất kéo bên trong lớp phủ [43], [53]. Điều này có thể làm giảm độ bám cũng như làm rạn nứt lớp phủ. Nếu các hệ số giãn nở cân bằng thì ứng suất sẽ không xảy ra. Còn nếu hệ số giãn 45 nở nhiệt của lớp phủ nhỏ hơn hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu nền (c<s) thì sẽ tạo ra ứng suất nén như trong hình 2.12. Hình 2.12: Sơ đồ ứng suất nén Ứng suất nén được tính theo công thức sau: σc = [ Ec(Tf−TR)(αc−αs) 1+2 Ectc Ests ] (2.2) trong đó: σc - Ứng suất do làm nguội (Pa); Ec - mô đun đàn hồi của lớp phủ (Pa); Es - Mô đun đàn hồi của vật liệu nền (Pa); αc - Hệ số giãn nở nhiệt của lớp phủ (/0C); αs - Hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu nền (/0C); tc - Độ dày của lớp phủ (m); ts - Độ dày của vật liệu nền (m); Tf - Nhiệt độ lắng đọng(0C); TR - Nhiệt độ môi trường (0C). 2.3.5. Độ cứng Lớp phủ phun nhiệt có cấu trúc không đồng nhất, vật liệu lớp phủ có chứa oxit và rỗ xốp. Độ cứng lớp phủ có giá trị thấp hơn so với các vật liệu tương đương như đúc hoặc rèn. Khi phun các vật liệu khác nhau có thể nhận được các lớp phủ có độ cứng khác nhau [12]. Độ cứng phụ thuộc vào nhiều yếu tố trước hết là phương pháp phun và khi phun cùng một phương pháp - các điều kiện phun như: chế độ công tác của đầu phun, khoảng cách phun, các tính chất vật lý của vật liệu nền, các tính chất của vật liệu phun, tốc độ cấp vật liệu phun, tốc độ di chuyển của đầu phun hay vật liệu nền. Điều này được giải thích bởi những ảnh hưởng của phương pháp phun và điều kiện phun đối với 46 các tính chất của lớp phun như, cấu trúc, số lượng và kích thước rỗ, các tạp chất và các liên quan khác. Độ cứng của một vật liệu thường giảm đi nếu việc phun phủ được thực hiện trong môi trường khí trơ [28]. Mặc dù quá trình oxy hóa có thể làm tăng độ cứng của lớp phủ, nhưng quá trình này lại làm giảm cường độ bền bên trong của lớp phủ, do đó có thể làm giảm hiệu quả của lớp phủ. Độ cứng của lớp phủ thường được đo trên một mẫu thử nghiệm. Thông thường độ cứng các hạt tạo thành lớp phủ cao hơn độ cứng vật liệu phun, vì vậy lớp phủ có độ chịu mài mòn tốt. 2.3.6. Độ xốp Độ xốp là một trong những tính chất quan trọng của lớp phủ phun nhiệt. Trong quá trình phun khi các hạt chưa nóng chảy hết chúng sẽ bị đông đặc và co ngót thể tích tạo thành các rỗ xốp tế vi. Ngoài ra, do các hạt phun sau không điền hết không gian,sinh rỗ xốp, độ xốp của lớp phủ thể hiện trên hình 2.13. Hình 2.13: Biểu diễn cấu trúc rỗ xốp của lớp phủ phun nhiệt Tùy thuộc vào quá trình phun, phương pháp phun mà lớp phủ có thể nhận được độ xốp khác nhau, thông thường độ xốp lớp phủ đạt giá trị trong khoảng từ 0,1% đến 15%. Độ xốp còn phụ thuộc vào việc lựa chọn tối ưu hóa các thông số phun như: kích thước hạt kim loại phun, tốc độ phun, lưu lượng phun và khoảng cách phun. Do đó, việc nghiên cứu để làm giảm độ xốp đến 47 giá trị thấp nhất đáp ứng nhu cầu sử dụng trong các ngành công nghiệp luôn được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm. Hiện nay, người ta đã nghiên cứu ra một số phương pháp phun nhiệt cho độ xốp thấp hơn so với các phương pháp phun khác, trong đó công nghệ phun nhiệt HVOF cho độ xốp thấp nhất, do vận tốc khí tác động lên các hạt phun cao, đẩy hầu hết các túi khí tích tụ ra khỏi cấu trúc của lớp phủ [21]. Trong bảng 2.2 cho thấy, sự khác nhau của độ xốp lớp phủ khi phun bằng phương pháp HVOF, sử dụng vật liệu phủ khác nhau cho chất lượng độ xốp của lớp phủ khác nhau. Bảng 2.2: Sự khác nhau của độ xốp trong lớp phủ HVOF. Vật liệu phủ Độ xốp (%) Diamalloy 1005 niken/crom molypden nền bazơ 1 Diamalloy 2003 tungsten cacbit - coban < 0,5 Diamalloy 3001 coban nền hợp kim 1,5 Diamalloy 3006 crôm cacbit / nikencrom 1-2 2.3.7. Độ bám dính Độ bám dính cao là một trong những thông số quan trọng nhất, ảnh hưởng đến hiệu suất của nhiệt phun hệ thống phủ ngoài bề mặt trong các ứng dụng thực tế của lớp phủ. Đối với nhiều ứng dụng độ bám dính của lớp phủ là rất quan trọng đối với hiệu suất của phần phủ. Sự bám dính của lớp phủ với vật liệu nền là một trong những yếu tố quan trọng nhất được nhiều nhà khoa học nghiên cứu. Do quá trình làm nguội nhanh, sự khuếch tán qua lại giữa lớp phủ và vật liệu nền chỉ xảy ra ở mức độ hạn chế, do đó sự bám dính chủ yếu mang tính chất vật lý, chứ không mang tính chất luyện kim hay hóa học. Mặc dù các hạt nóng chảy đã làm biến dạng đến độ nhấp nhô của bề mặt vật liệu nền, tạo ra một liên kết cơ học, việc phun cát làm tăng độ nhấp nhô bề mặt vật liệu nền cũng không làm tăng đáng kể 48 diện tích bề mặt cho liên kết cơ học đó [55]. Tuy nhiên, việc phun cát đã tạo ra bề mặt rất năng động. Các nghiên cứu [67] đã tính toán cho rằng khi sử dụng bột thiếc phun lên thép đã được tạo nhám bằng phun cát với vận tốc V=100 m/s thì động năng và nhiệt năng có giá trị lớn hơn ứng suất chảy dẻo. Dưới sự tác động của phun cát đã phá vỡ lớp oxit trên bề mặt, tạo ra lớp bề mặt sạch giúp cho quá trình liên kết giữa kim loại nền và vật liệu phun tốt hơn. Các nghiên cứu khác của Baxtor và Reiter cho thấy rằng phun phủ nhôm bằng plasma cũng phá vỡ lớp oxit trên bề mặt kim loại [18]. Cường độ bám dính thực tế phụ thuộc rất nhiều vào vật cần phun và các tham số của quy trình phun phủ. Một vấn đề khác liên quan đến cường độ bám dính của lớp phủ đó là sự tích tụ của các hạt riêng lẻ khi va đập vào bề mặt vật liệu nền, nhiệt độ bề mặt vật liệu nền ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình làm phẳng của các hạt nóng chảy khi va đập vào bề mặt vật liệu nền, do đó có tác động đến các đặc tính cơ học và lý học của lớp phun phủ nhiệt. Quá trình làm phẳng là một trong những quá trình quan trọng của phun phủ nhiệt, vì quá trình này quyết định các đặc tính của lớp phun phủ. Quá trình làm phẳng trên các bề mặt nhấp nhô hình 2.14 cũng đã được Moreau nghiên cứu và tác giả cho rằng tỷ lệ làm phẳng và tốc độ lan rộng sẽ giảm đi khi độ nhấp nhô bề mặt tăng lên [54]. Hình 2.14: Biểu diễn sự va chạm của hạt phun trên bề mặt nhấp nhô theo tiết diện ngang 49 Nhiều lớp mỏng phun trên một bề mặt nhấp nhô của vật liệu nền được gắn kết lại bằng một lực sinh ra bởi sự co ngót của chất lỏng bao quanh những điểm lồi lõm trên bề mặt đó. Khi lớp mỏng tiếp xúc với bề mặt vật liệu nền sự liên kết được sinh ra nhờ các cơ chế sau: Tương tác vật lý và tương tác luyện kim. Các điều kiện tiên quyết để hình thành tương tác vật lý giữa các bề mặt tiếp xúc là: Bề mặt phải được làm sạch. Bề mặt phải ở trạng thái năng lượng cao (ví dụ như trạng thái biến dạng dẻo). Tiếp xúc kín (điều này luôn xảy ra nếu lớp mỏng ở trạng thái lỏng). Có hai cơ chế có thể tương tác luyện kim đó là: Khuếch tán và phản ứng hóa học giữa tấm mỏng và kim loại nền. 2.4. Cơ sở nhiệt động lực học quá trình phun HVOF Đặc tính động lực học quá trình phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF nhằm xác định sơ bộ sự ảnh hưởng của lưu lượng phun và các tham số động lực học quá trình phun tới chất lượng lớp phủ. Quá trình phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF xảy ra như Hình 2.15 [57]. Đây là quá trình nhiệt động học xảy ra trong buồng đốt, vòi phun và sự tương tác giữa dòng phun với bề mặt được phun, mô hình vòi phun HVOF. Hình 2.15: Kết cấu vòi phun HVOF. Trong quátrình phun HVOF, hỗn hợp nhiên liệu khí gồm khí hydro và khí oxy được cấp từ buồng cấp khí, tại đây xảy ra phản ứng sinh ra khí cháy nhiệt độ cao [25],[35]. Khí thải cùng với không khí được phun vào từ các lỗ 50 phun, giãn nở trong vòi phun tới tốc độ siêu âm, buồng đốt được làm mát bằng nước và không khí. Bột được cấp vào buồng đốt có nhiệt độ cao làm các hạt bột nóng chảy và bay cùng với dòng hỗn hợp khí bắn vào bề mặt chi tiết phun tạo thành lớp phủ. Trong công nghệ HVOF, các lớp phủ rải đều lên bề mặt chi tiết phun bằng cách tạo dịch chuyển tương đối giữa chi tiết được phun và súng phun theo 2 phương như hình 2.16. Khoảng cách, tốc độ dịch chuyển súng phun và tốc độ quay của chi tiết là các tham số động học cơ bản quyết định tính chất động học quá trình phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF. Hình 2.16: Kết cấu sung và quá trình phun phủ HVOF. Ở đây, động lực học quá trình phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF là bài toán nghiên cứu các tính chất động lực học diễn ra trong súng phun, dòng hỗn hợp phun bay trong không khí tới khi va đập với bề mặt phun, bao gồm hai quá trình chính là động lực học dòng phun và sự va đập của dòng phun với bề mặt chi tiết phun. 51 2.4.1. Động lực học dòng khí Động lực học quá trình phun nhiệt khí HVOF là động lực học dòng hai pha khí và hạt (pha khí và pha rắn). Để đơn giản trong phân tích, tính toán đặc tính động lực học quá trình phun nhiệt khí HVOF, giả thiết rằng tỷ lệ hạt và không khí, hay là tỷ số giữa lưu lượng của hạt với lưu lượng khí, được xem là nhỏ khoảng 4-5%. Theo giả thiết đó, sự tồn tại của các hạt có ảnh hưởng không nhiều tới tính chất động lực và nhiệt độ dòng khí, trong khi đó động lực học của hạt khi bay được xác định theo phương trình động lực và truyền nhiệt. Mô hình động lực học dòng hai pha kết hợp giữa pha khí và pha hạt là mô hình phức tạp, nên rất khó để nghiên cứu thực nghiệm, do đó luận án chọn phương pháp phân tích động lực học dòng khí bằng mô phỏng. Dòng khí trong phun HVOF là quá trình dòng chảy bị nén đặc trưng bởi quá trình chuyển tiếp không ổn định giữa dòng tốc độ dưới âm, tốc độ âm thanh và tốc độ vượt âm. Việc mô tả đầy đủ quá trình này đòi hỏi mô phỏng số trong miền thời gian. Để đơn giản hóa việc mô phỏng, các phương trình Navier-Stokes (RANS) được sử dụng để ước lượng trung bình nhằm bỏ qua ảnh hưởng của sự pha trộn giữa các pha. Để chuyển đổi các phương trình Navier-Stokes tới dạng trung bình, theo các giả thuyết của Boussinesq ứng suất Reynolds (với điều kiện biến thiên) đồng biến với tốc độ trung bình (không có điều kiện biến động). Cụ thể, các phương trình bao gồm các thành phần khối lượng, động lượng, năng lượng, sự di chuyển của hạt, động năng hỗn loạn, tốc độ phân tán. Các phương trình viết xây dựng theo tenxo Decac là [47]: Phương trình liên tục:   0j j v t x         (2.3) trong đó,  - Mật độ khí; t- Thời gian; jv - Tốc độ theo phương jx . 52 Định luật khí lý tưởng: p RT (2.4) trong đó R là hằng số khí, hoặc hằng số phân tử khí phụ thuộc vào khối lượng phân tử của khí. Trong mô hình quá trình phun nhiệt khí HVOF, một yếu tố cần được tính đến đó là nhiệt độ cao của sản phẩm cháy, khi đó sản phẩm cháy sẽ phân tách ra thành các thành phần có phân tử khối lượng thấp như OH và H. Nhiệt độ tính toán có thể cao hơn đáng kể nhiệt độ thực tế do không kể đến sự phân ly. Tùy thuộc vào yêu cầu tính toán và mức độ chính xác cần thiết, động lực học quá trình phản ứng hóa học có thể được giản lược. Nhiều tác giả đã sử dụng các phương pháp khác nhau để xây dựng mô hình tốc độ phản ứng, bao gồm: Tốc độ phản ứng nhanh hoặc cân bằng hóa học tức thời tại cửa vào buồng đốt, Tốc độ phản ứng nhất định dưới dạng Arrhenius và Tốc độ phản ứng bị hạn chế bởi sự hỗn độn hoặc phản ứng nhanh hơn với tỷ lệ pha trộn. Trong thực tế phun nhiệt HVOF, mô hình được sử dụng phản ứng với tốc độ hữu hạn, và do đó việc xác định chính xác tốc độ Arrhenius là rất không cần thiết. Theo thời gian tác dụng, giai đoạn khí trong buồng đốt (phần hội tụ của các vòi phun) dài hơn nhiều so với các giai đoạn khác, nên có thể giả thiết rằng các phản ứng xảy ra chủ yếu trong buồng đốt trong quá trình cân bằng, có thể được xác định bằng cách giảm thiểu năng lượng Gibbs tự do theo entanpy không đổi và áp lực liên tục sử dụng hệ số cân bằng. Áp suất có thể được đo ở điều kiện trong phòng. Ngoài ra, nếu tỷ lệ oxy và lưu lượng nhiên liệu đã biết, có thể tính toán được áp suất buồng đốt. Cụ thể, với tỷ lệ oxy và lưu lượng nhiên liệu nhất định, áp suất buồng đốt được xác theo mô hình một chiều. Tỷ lệ tổng lưu lượng tại cửa ra vòi phun được xác định trên cơ sở đó áp suất được điều chỉnh cho đến khi sự chênh lệch giữa tổng mức lưu lượng định mức đạt yêu cầu công nghệ. 53 Để giải bài toán trên, luận án sử dụng phương pháp mô phỏng động lực học chất lỏng với sự trợ giúp của phần mềm Ansys. Kết quả giải bài toán là trạng thái dòng phun từ trong loa phụt và từ cửa ra loa phụt tới bề mặt cần phun bao gồm trường áp suất, trường nhiệt độ và trường tốc độ dòng. Hình 2.17 là trường nhiệt độ trong buồng đốt của loa phụt bằng vòi phun Diamond Jet 2700 Gun. Theo kết quả mô phỏng này, dòng sản phẩm nhiệt độ cao chạybao quanh dòng sản phẩm nhiệt độ thấp, vùng trung tâm và vùng sát thành loa phụt. Điều này giúp giảm tải trọng nhiệt cho thành buồng đốt và loa phụt. Hình 2.17: Ảnh đồ trường nhiệt độ trong buồng đốt Hình 2.18 là trường áp suất tĩnh mô phỏng dòng sản phẩm cháy trong loa phụt và vùng không gian giữa cửa ra loa phụt tới bề mặt phun. Theo kết quả mô phỏng, áp suất dòng phun giảm dần từ 6,2 bar trong buồng đốt đến 0,6 bar tại cửa ra của vòi phun. Hình 2.18: Trường áp suất trong quá trình phun HVOF 54 Do áp suất này nhỏ hơn áp suất môi trường nên dòng phun bị giãn nở và có dạng co bóp (tại vùng lõi) cho đến khi đạt đến áp suất môi trường. Theo kết quả mô phỏng, khoảng cách phun hiệu quả là vùng áp suất của dòng phun đang biến đổi, khoảng cách này trong khoảng từ 100 mm đến 250 mm. Khi phân tích dòng phun, giả thiết có sự cân bằng tức thời tại cửa vào buồng đốt, mô hình toán học ma sát giữa thành và dòng phun có thể được mô tả bằng phương trình [48]:     22 2 2 2 2 2 1 1 / 2 1 1 2 1 1 / 2 p MdM M M dA dx M dq M A D C TM                      (2.5)     2 2 2 2 2 1 1 21 1 p MdT dA M dx M dq T A D c TM M                 (2.6) trong đó A là tiết diện mặt cắt ngang của dòng, D là đường kính loa phụt,  là hệ số nhiệt, M là số Mach. Tại đường kính tới hạn của loa phụt số Mach =1.  là hệ số cản Darcy nó được xác định trong quan hệ với hệ số Reynolds theo phương trình cân bằng Colebrook [53]. Phương trình (2.5) và (2.6) được giải đồng thời nhờ sử dụng các phương pháp Runge-Kutta. 10 1 2,51 2log 3,72 D Re            (2.7) Để đơn giản, có thể bỏ qua ma sát hoặc sự ảnh hưởng của nước làm mát (điều này là hợp lý đối với súng phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF như Sulzer Metco Diamond Jet 2700 Sulzer Metco, Westbury, NY), các phương trình đẳng entropy dùng để tính toán trường nhiệt độ, áp suất và mật độ dọc theo vòi phun: 55     2 12 2 1 2 1 1 / 2 1 1 / 2 MT T M           (2.8)     2 1 12 2 1 2 1 1 / 2 1 1 / 2 Mp p M                  (2.9)     1 2 1 12 2 1 2 1 1 / 2 1 1 / 2 M M                  (2.10)       1 2 2 1 22 1 2 1 2 1 1 1 / 2 1 1 / 2 MA M A M M                   (2.11) Trên cơ sở quan hệ đã nói đến ở trên, tổng lưu lượng là: (2.12) trong đó, thA là diện tích mặt cắt ngang tại cửa ra (trong đó diện tích là nhỏ nhất), gR là hằng số khí, prM là khối lượng phân tử trung bình của sản phẩm cháy, T0 và p0 tương ứng là nhiệt độ và áp suất trung bình trong buồng đốt. Phương trình này cho thấy lưu lượng và áp suất dòng khí cháy là không độc lập, kéo theo áp suất buồng cháy chịu sự ảnh hưởng trực tiếp từ tốc độ cấp khí oxy và nhiên liệu cháy. 2.4.2. Động lực học hạt Mô hình động lực học hạt trong phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF được xây dựng bằng phương pháp Lagrange. Giả thiết rằng khoảng cách trung bình giữa các hạt nhân trong quá trình phun nhiệt HVOF có thể được ước tính theo phương pháp Crowe [24] theo phương trình, 56 1 31 6 d p L d           (2.13) trong đó, dL là khoảng cách giữa hai hạt và κ là tỷ số giữa lượng cấp bột và tỷ lệ mật độ hạt/khí. Trên cơ sở tỷ lệ cấp bột là 4% và tỷ lệ mật độ từ 103 đến 104, /p pL d là khoảng 20-50, trong đó bột được phân lập thành các hạt khác nhau. Bỏ qua sự kết hợp giữa các hạt và do đó sự phân bố kích thước bột không thay đổi trong suốt quá trình bay [48]. Trong mô hình động lực học hạt phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF, ngoại lực tác dụng lên các hạt chính là lực khí động. Các lực lượng khác như trọng lực, chênh lệch áp suất có thể được bỏ qua. Với những giả định, chuyển động hạt dọc theo hướng trục trong hệ tọa độ Decac được mô tả bởi:   1 , 2 p p p D g p g p g p p dv dx m C A v v v v v dt dt     (2.14) Trong đó: mp, vp, dp, và xp tương ứng là khối lượng, vận tốc, đường kính, và vị trí của hạt,. Ap là diện tích hiệu dụng của các hạt trên mặt phẳng vuông góc với hướng dòng chảy. vg và ρg là tốc độ và mật độ của khí CD là hệ số cản khí động, trong đó hệ số Reynolds riêng (Re) được xác định bởi Re = (dp/vg - vp/ρg)/μg, ở đây μg là độ cản nhớt khí. Đối với hạt có hình dạng cầu, nhiệt hạt có thể được mô tả bởi một phương trình đạo hàm riêng:            2 2 , ,1 , 0 0, 0 , , p p p p p p p p p p g p T r t T r t c r r r t r rr T t t T r t h T T r t r                      (2.15) 57 trong đó, rp là bán kính của hạt, λ là độ dẫn nhiệt của khí, và h là hệ số truyền nhiệt tương quan bằng phương trình thực nghiệm Rans-Marshall: 11 322 0,6 g p h Re Pr d           (2.16) trong đó, số Prandtl (Pr) được tính bằng / gr p g g P C   với , , gp g g C   tương ứng là nhiệt dung, độ nhớt, và tính dẫn nhiệt của chất khí. Trong quá trình xử lý của lớp phủ cấu trúc nano, các hạt thường không có dạng hình cầu và các yếu tố hình dạng tương ứng có thể được đưa vào hệ số CD. Lưu ý rằng, lực tác dụng lên các hạt theo cả ba phương tương tự như phương trình (2.15) cũng được giải theo hệ tọa độ Decac khác. Đối với những loại hạt có tính chất dẫn nhiệt tốt, phương trình (2.15) có thể được đơn giản hóa thành:        1 , , 0 , , , 0 p p p P p m p p g p m p p m p p p p m dT m c T T f dt df hA T T H m T T dt dT m c T T f dt                (2.17) trong đó, pA là diện tích bề mặt của các hạt, mT là điểm nóng chảy của các hạt, mH là entanpi của nóng chảy, và pf là tỷ lệ tan chảy, hoặc tỷ lệ khối lượng nóng chảy với tổng khối lượng của các hạt (0 ≤ f p ≤ 1). Kết quả cơ bản từ các mô hình động lực học phân tử được tóm tắt trong phần dưới đây. 58 Các hạt bị ảnh hưởng bởi trường khí với mức độ khác nhau tùy thuộc vào kích thước của chúng. Các hạt nhỏ có thể được đẩy nhanh và làm nóng lên đến vận tốc và nhiệt độ rất cao. Tuy nhiên, vì sự cuốn theo không khí môi trường xung quanh, vận tốc và nhiệt độ khí bị giảm xuống ở tâm dòng. Kết quả là, vận tốc và nhiệt độ của các hạt nhỏ cũng giảm nhanh hơn so với các hạt cỡ lớn hơn. Trong một số trường hợp, các hạt nhỏ có thể đạt điểm nóng chảy trong một khoảng thời gian ngắn và tan chảy hoàn toàn trong quá trình bay. Tuy nhiên, chúng có thể ở trạng thái lỏng/rắn hoặc thậm chí rắn khi va đập vào bề mặt phun. Đối với các hạt có kích thước lớn, thời gian tăng tốc và gia nhiệt đều dài, còn biên dạng vận tốc (hoặc nhiệt độ) gần như phẳng sau khi vận tốc và nhiệt độ của chúng cao hơn so với không khí. Các đặc tính của vận tốc hạt, nhiệt độ và độ nóng chảy được thể hiện trong hình 2.19. Hình 2.19: Tốc độ và nhiệt độ của hạt Sự phân tán vị trí của các hạt theo quỹ đạo bay được thể hiện trên hình 2.20. Biểu đồ này cho biết quỹ đạo hạt trong các trường dòng chảy thu được bằng cách cho 100 hạt có cỡ từ 1 và 20 µm được phun trong cùng một hệ thống phun nhiệt HVOF. 59 Hình 2.20: Phân bố hạt trong quá trình phun Có thể thấy rằng, mặc dù hầu hết các hạt đều tập trung ở vùng lõi trong dòng phun HVOF, các hạt có xu hướng mở rộng theo hướng kính khi chúng tiếp cận với bề mặt phun, do đó vận tốc ở lõi cao hơn đáng kể. Hạt nhỏ có xu hướng bị ảnh hưởng lớn hơn khi gần bề mặt phun. Chúng cũng chịu ảnh hưởng lớn hơn từ pha khí trên toàn quỹ đạo chuyển động. Một số trong số các hạt thậm chí còn bay khỏi dòng phun dẫn đến không thể lắng đọng trên bề mặt. Vì lý do này, cỡ hạt là yếu tố rất quan trọng trong việc hình thành lớp phủ trong quá trình phun HVOF. Hình 2.21: Tốc độ và nhiệt độ theo cỡ hạt Vận tốc và nhiệt độ hạt khi va chạm với bề mặt phun phụ thuộc rất lớn và kích cỡ hạt và dạng quỹ đạo của hạt. Vận tốc và nhiệt độ lớn nhất đạt được với các hạt có cỡ trung bình. Khi các hạt có cỡ tương tự nhưng với quỹ đạo 60 khác nhau (do sự phân bố vị trí khác nhau) thì tốc độ và nhiệt độ khi va chạm với bề mặt phun cũng khác nhau. Kết quả này đã được minh chứng bằng các thực nghiệm của Zioli và cộng sự [51] (Hình 2.21), theo đó cỡ hạt phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF hiệu quả được chọn trong khoảng từ 20 m đến 30 m. 2.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ bằng công nghệ HVOF Trong quá trình phun có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ như: Nhiệt độ bề mặt, tốc độ chuyển động của hạt phun, nhiệt độ của hạt phun, kích thước hạt phun, áp suất khí thổi, áp suất khí oxy, tốc độ quay của chi tiết và lượng dịch chuyển của đầu phun, lưu lượng cấp bột phun, độ nhấp nhô bề mặt, góc độ phun, khoảng cách phun,... [1], [3], [34]. Tuy nhiên, chất lượng lớp phủ còn phụ thuộc vào loại vật liệu bột phun và vật liệu nền. Các yếu tốnêu trên có những ảnh hưởng nhất định đến chất lượng lớp phủ. Trong khuôn khổ của luận án tác giả tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến chất lượng lớp phủ như: Tốc độ di chuyển vết phun (Vct) nó phụ thuộc vào số vòng quay (n) đối với chi tiết dạng trục, tốc độ chuyển động tương đối giữa súng phun với chi tiết (S) và lưu lượng cấp bột phun (m). 2.5.1. Ảnh hưởng của dịch chuyển tương đối giữa đầu phun và chi tiết Để nghiên cứu ảnh hưởng của dịch chuyển tương đối giữa đầu phun và chi tiết, xét các chuyển động hình thành lớp phủ được mô tả trên hình 2.22. Chuyển động tương đối giữa đầu phun với chi tiết là chuyển động có tính chất liên quan đến quá trình hình thành lớp phủ đối với chi tiết dạng phẳng thì chuyển động tương đối là: Sự dịch chuyển của chi tiết so với súng phun hoặc chuyển động của súng phun với chi tiết trên mặt phẳng hình 2.22a. Đối với chi tiết dạng trục thì chuyển động của chi tiết là chuyển động quay tròn so với súng phun (Tốc độ dịch chuyển vết phun Vct hay số vòng quay n và ứng với đường kính của chi tiết) hình 2.22b. Đồng thời đầu phun lại chuyển động tịnh tiến theo hướng song song với đường tâm chi tiết (S) để kết 61 hợp tạo thành đường xoắn trên bề mặt trụ của chi tiết phun làm cho các lớp phủ đan xen và chồng chất lên nhau tạo thành lớp phủ sau mỗi lần phun và cứ nhiều lần phun sẽ tạo được độ dày lớp phủ theo mong muốn như hình 2.22d-f. Vận tốc dài của chi tiết khi quay được tính theo công thức Vct = Dnπ/1000 m/phút. Trong đó Vct là vận tốc dài (m/ph), D là đường kính chi tiết (mm), n là số vòng quay của chi tiết (vòng/phút). 62 a- Mô tả di chuyển súng phun đối với chi tiết dạng phẳng; b- Mô tả di chuyển súng phun đối với chi tiết trụ; c- Mô tả chùm tia phun lên mặt trụ; d- Mô tả lớp phủ hình thành trên bề mặt theo tốc độ và dịch chuyển súng phun; e- Mô tả lớp phủ theo mặt cắt vuông góc với chi tiết trụ; f- Mô tả lớp phủ theo mặt cắt dọc chi tiết trụ Hình 2.22: Mô tả quá trình chuyển động hình thành lớp phủ 63 Mức độ ảnh hưởng của chuyển động tương đối giữa đầu phun với chi tiết phun là sự ảnh hưởng của việc tạo nên các lớp phủ chồng chất lên nhau dày hay mỏng, liên tục hay không liên tục, nó sẽ làm ảnh hưởng đến sự liên kết giữa các giọt kim loại chồng chất lên nhau để tạo thành lớp phủ. Bởi mỗi loại bột khác nhau thì việc nóng chảy hoàn toàn hoặc không hoàn toàn là khác nhau, mật độ bột được cung cấp và buồng đốt cũng làm ảnh hưởng đến khả năng nung nóng của hạt kim loại. Mặt khác với mỗi sự dịch chỉnh của đầu phun cũng tạo nên sự ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ (Độ bám dính, độ xốp, độ cứng lớp phủ). Nếu tốc độ dịch chuyển tương đối giữa đầu phun với chi tiết quá nhanh sẽ làm cho các hạt phủ không phủ hết được bề mặt cần phủ hoặc tốc độ dịch chuyển tương đối giữa đầu phun với chi tiết quá chậm sẽ làm cho các hạt phủ chồng chất lên nhau quá dày sẽ làm ảnh hưởng đến độ xốp và năng suất khi phủ. Mong muốn lựa chọn tốc độ dịch chuyển tương đối giữa đầu phun với chi tiết là hợp lý để các chùm tia phun có sự đan xen phù hợp đảm bảo được chất lượng lớp phủ và đạt hiệu quả về kinh tế. 2.5.2. Ảnh hưởng của các tham số động học phun Trên thực tế khi dòng hạt phun tương tác với bề mặt được phủ là sự va đạp của các hạt bột dưới tác động của dòng hỗn hợp với tốc

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfluan_an_nghien_cuu_anh_huong_cua_luu_luong_va_toc_do_chuyen.pdf
Tài liệu liên quan