Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp phủ cacbit silic lên bề mặt thép để bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường axit chứa..

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp phủ cacbit silic lên bề mặt thép để bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường axit chứa..

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ NGÔ XUÂN CƯỜNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ PLASMA TẠO LỚP PHỦ CACBIT SILIC LÊN BỀ MẶT THÉP ĐỂ BẢO VỆ CHỐNG ĂN MÒN TRONG MÔI TRƯỜNG AXÍT CHỨA FLO NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ MÃ SỐ: 9520103 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ Hà Nội - 2023
2. Công trình được hoàn thành tại Viện nghiên cứu Cơ khí – Bộ Công thương Người hướng dẫn khoa học: 1. TS. Nguyễn Hà Tuấn 2. TS. Nguyễn Tuấn Anh Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp viện Họp tại: Viên nghiên cứu Cơ khí – Bộ Công thương Phòng 209 Tòa nhà trụ sở chính, số 4 Đường Phạm Văn Đồng Quận Cầu Giấy – Thanh phố Hà Nội Vào hồi giờ phút, Ngày Tháng Năm 2021 Có thể tìm hiểu Luận án tại các thư viên: Thư viện Quốc gia Thư viện Viện nghiên cứu Cơ khí
3. 1 GIỚI THIỆU LUẬN ÁN 1. Đặt vấn đề Mòn và ăn mòn kim loại là tình trạng phá hủy thiết bị, công trình diễn ra liên tục theo cơ chế mài mòn và ăn mòn do ảnh hưởng từ môi trường làm việc gây thiệt hại về kinh tế và sức lao động. Trong các nhà máy hóa chất, thiết bị luôn làm việc trong điều kiện khắc nghiệt bị phá hủy nhanh chóng do mòn cơ - hóa. Qua khảo sát, đánh giá tại một số nhà máy hóa chất cho thấy các thiết bị trong dây chuyền sản xuất thường rất nhanh hỏng do bị ăn mòn hóa học, đặc biệt là các thiết bị làm việc trong điều kiện khắc nghiệt chứa các yếu tố oxi hóa mạnh, các axit và nhiệt độ cao. Tại nhà máy Supe Phốt phát và hóa chất Lâm Thao các thiết bị thường bị hỏng do bị ăn mòn gây mất cân bằng, biến dạng Có thể liệt kê một số chi tiết như: Tua-bin, cánh quạt, bơm dung dịch, bồn phản ứng, thùng chứa. Chống ăn mòn là nhiệm vụ rất quan trọng và cần thiết trong công nghiệp, trong kinh tế, trong các công trình văn hóa đời sống xã hội nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động kéo dài tuổi thọ của sản phẩm trước sự phá hủy của môi trường, đặc biệt là môi trường hóa chất khắc nghiệt. Là một trong những nhiệm cụ nghiên cứu của quá khứ, hiện tại và tương lai. Một trong những phương pháp bảo vệ chống mòn và ăn mòn là lớp phủ ngăn cách. Nhiều công trình trên thế giới tập trung nghiên cứu tạo ra những lớp phun phủ nhiệt tốt hơn để bảo vệ chống mòn cơ học và chống ăn mòn hóa học. Ở Việt Nam phun phủ vẫn còn là một lĩnh vực mới. Các công trình nghiên cứu mới chỉ tập trung vào các lớp phủ phục hồi kích thước do mòn cơ học là, rất ít những công trình nghiên cứu về lớp phủ nhiệt chống mòn trong môi trường hóa chất. Cacbit silic (SiC) là vật liệu có độ cứng cao và trơ về hóa học có thể ứng dụng làm lớp phủ cho thiết bị làm việc trong môi trường ăn mòn. Luận án: “Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp phủ cacti silicleen bề mặt thép để bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường a xít chứa flo” là công trình nghiên cứu mới trong nước về lĩnh vực này, rất có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Tạo ra được lớp phủ plasma SiC-Cu lên bề mặt thép. - Nghiên cứu một số tthông sốt công nghệ chính trong phun phủ plasma SiC-Cu lên bề mặt thép ảnh hưởng tới các chỉ tiêu chất lượng lớp phủ cho việc bảo vệ chống ăn mòn cho các chi tiết máy làm việc trong môi trường chứa axit chứa flo. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu Ảnh hưởng của 3 thông số dòng điện I, khoảng cách phun L, lưu lượng cấp bột M đến chất lượng lớp phủ plasma trên cơ sở SiC lên bề mặt thép. Khả năng chống mòn của lớp phủ tạo ra 3.2. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu một số tính chất điển hình về ảnh hưởng của các thông số công nghệ phun phủ plasma đến chất lượng lớp phủ SiC – Cu trên nền thép, bao gồm: - Thông số công nghệ: - Những chỉ tiêu cơ bản của lớp phủ cần khảo sát, đánh giá: + Kích thước hạt phun - W(µm). + Chiều dày + Tỷ lệ phối trộn -S (%). + Độ bền bám dính. + Cường độ dòng điện - I (A). + Độ xốp. + Khoảng cách phun - L (mm). + Độ cứng tế vi. + Tốc độ cấp bột - M (g/ph). + Khả năng chống ăn mòn cho thép trong môi trường a xít chứa flo. 4. Tính khoa học của luận án - Nghiên cứu đưa ra được kích thước hạt và tỷ lệ phối trộn SiC-Cu đảm bảo sự hình thành lớp phủ và chiều dầy >100µm - Phân tích quá trình phủ plasma, cải tiến súng phun trong khí bảo vệ Ar, thiết kế, chế tạo thiết bị thử mòn hỗn hợp thương thích với điều kiện thực tế, xây dựng được quy trình thí nghiệm và dánh giá khả năng chống mòn của lớp phủ. - Xác lập được bộ thông số công nghệ phù hợp cho việc tạo lớp phủ plasma SiC/Cu lên bề mặt thép - Xử lý số liệu bằng kế hoạch qui hoạch thực nghiệm Taguchi, dùng ANOVA đánh giá mối quan hệ giữa các thông số công nghệ và các chỉ tiêu chất lượng đạt được. 5. Tính mới của luận án - Đây là công trình đầu tiên tại Việt Nam nghiên cứu về công nghệ tạo lớp phủ SiC/Cu plasma lên bề mặt thép. - Cải tiến phương pháp công nghệ phun plasma trong không khí bằng phun plasma trong khí bảo vệ Ar. - Hoàn thiện lớp phủ SiC/Cu trên bề mặt thép bằng thẩm thấu PTFE. - Thiết kế, chế tạo thiết bị tra mòn hỗn hợp để đưa ra phương pháp đánh giá mòn tổng hợp. 6. Ý nghĩa thực tiễn - Kết quả nghiên cứu của luận án góp phần tạo ra giải pháp bảo vệ chống mòn cho các thiết bị, công trình làm việc trong môi trường có ăn mòn hóa chất,mà đối tượng cụ thể là tạo lớp phủ bảo vệ lên cánh quạt và cánh bơm làm việc trong môi trường chứa flo tại nhà máy Supe phốt phát và hóa chất Lâm Thao. - Góp phần nâng cao trình độ, bổ sung tài liệu kỹ thuật cho nghành công nghệ phun phủ nước nhà.
4. 2 7. Bố cục luận án Chương 1: Tổng quan về lớp phủ nhiệt chống ăn mòn Chương 2: Công nghệ chế tạo lớp phủ plasma SiC trên nền thép Chương 3: Vật liệu và phương pháp nghiên cứu Chương 4: Chế tạo, phân tích, đánh giá các lớp phủ plasma SiC trên nền thép Chương 5: Xác định bộ thông số công nghệ cho phun phủ plasma SiC-50Cu trên nền thép C45 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ LỚP PHỦ NHIỆT CHỐNG ĂN MÒN 1.1. Tình hình nghiên cứu về lớp phun phủ nhiệt ở Việt Nam Ở Việt Nam, phương pháp phun phủ nhiệt đang trong giai đoạn nghiên cứu, ứng dụng các thành quả của thế giới. Đã có một số nghiên cứu và ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt như: liên doanh dầu khí Vũng Tàu; Công ty cơ khí MAR 60 - Thủy lợi, Viện nghiên cứu cơ khí; Viện năng lượng – mỏ; Viện công nghệ bộ quốc phòng, .vv đã ứng dụng công nghệ phun hồ quang điện với dây phun để tạo lớp bề mặt chống gỉ Al, Zn. Các cơ sở như công ty sửa chữa Thủy lợi. Viện kỹ thuật giao thống; Cơ khí Quang Trung; Đại học Bách khoa Hà Nội 1.2. Tình hình nghiên cứu về lớp phun phủ nhiệt trên thế giới 1.2.1. Tình hình nghiên cứu về phun phủ nhiệt trên thế giới Công nghệ phun phủ đã và đang phát triển mạnh ở các nước tiên tiến như Mỹ, Nhật, Nga, Anh, Pháp, Đức, Thụy Sĩ, Ở các nước này có những dây chuyền công nghệ cao, đã thành công trong việc tạo ra các lớp phủ có tính chất đặc biệt từ các loại vật liệu như: Gốm, các loại cacbit, hợp kim được sử dụng cho mục đích chống mòn và bảo vệ chống ăn mòn. 1.2.2. Lớp phủ SiC để bảo vệ chống mòn cho thép trong môi trường ăn mòn Cacbit silic (SiC) là một vật liệu gốm với sự kết hợp tuyệt vời của các yếu tố cơ học, hóa học: SiC có độ cứng tế vi rất cao, không tác dụng với các axit và ba zơ mạnh. SiC có khả năng chống mòn rất tốt trong các môi trường ăn mòn (Bảng 1.1). Vật liệu SiC có điểm nóng chảy 2730 °C, nên có thể làm việc ở nhiệt độ cao khoảng 1000-1500oC. Nghiên cứu chế tạo lớp phủ SiC là hướng được rất nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới thực hiện. Bảng 1.1. Khả năng chống ăn mòn của các loại vật liệu gốm trong môi trường hóa chất [2, 3]. Môi trường thử Khối lượng bị ăn mòn (mg/cm2.năm) Hóa chất Nhiệt độ(°C) Si/SiC compozit (12% Si) Cacbitvonfram (6% Co) Oxit nhôm (99%) Cacbit Silic (0% Si) 98% H2SO4 100 55,0 > 1000 65,0 1,8 50% NaOH 100 > 1000 5.0 75,0 2.5 53% HF 25 7,9 8,0 20,0 100 1000 7,0 1000 3,0 60,0 1000 > 1000 16,0 <0,2 - Bartuli và các đống nghiệp chế tạo lớp phủ bảo vệ ZrB2–SiC bằng kỹ thuật phun phủ plasma và nghiên cứu tính chất của lớp phủ này ở nhiệt độ cao đồng thời nghiên cứu đặc tính oxy hóa của compozit ZrB2-SiC trong quá trình phun plasma. - Luận án tiến sỹ của Fahmi Mubarok (2014) trường đại học Oslo Na Uy nghiên cứu về nhiệt phun các bít silic trong quá trình phủ và nghiên cứu về lớp phủ phun plasma huyền phù các hạt micro-SiC. - Samarin Peter và cộng sự ở trường đại học Bauman Maxcova [30] dùng năng lượng laser bức xạ lên lớp phủ SiC trên bề mặt hợp kim nhôm tạo thành lớp phủ composit SiC – Al để bảo vệ chống ăn mòn. Nhiều nỗ lực nhằm tạo ra lớp phủ chứa 100% SiC nhưng không thành công, do SiC dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao. - Tului và cộng sự đã chế tạo thành công lớp phủ chứa 66 % SiC (về thể tích) bởi phun phủ plasma với hỗn hợp bột SiC và ZrB2. Các tác giả công bố rằng hai hợp chất này đã tạo pha eutecticphase, ở nhiệt độ thấp hơn điểm phân hủy của SiC. 1.2.3. Nghiên cứu chế tạo lớp phủ nhiệt plasma compozit SiC Các nghiên cứu đều hướng tới 2 mục tiêu: giảm nhiệt độ phun tăng bám dình và tốc độ hình thành lớp phủ. Ibrahim cho biết khi phun phủ hỗn hợp SiC - B4C có sử dụng B2O3 như một lớp trung gian sẽ được lớp phủ có độ bám dinh cao hơn, độ xốp thấp hơn so với phun riêng rẽ SiC. Kang và cộng sự chế tạo compozit nền kim loại (metal matrix composite MMC) chứa các hạt SiC bằng phương pháp phun plasma. Các bột này có tỷ lệ phối trộn khác nhau như (Cu–27SiC, Cu–50SiC, Cu–60SiC) giữa hai loại bột SiC (<45 µm) và bột Cu (<45 µm). Các tác giả chỉ ra rằng SiC bị phân gủy thành Si và C, sau đó Si3Cu hình thành khi phun plasma. 1.3. Lớp phủ SiC và SiC compozit bảo vệ chống ăn mòn cho thép trong môi trường chứa flo Trong sản xuất thuốc trừ sâu Na2SiF6 là môi trường chứa flo: Môi trường này sẽ sinh ra axit flohydric HF tác nhân gây ăn mòn thiết bị. Đặc biệt nếu trong môi trường này lẫn các a xít khác: H2SO4, HCL, H3PO4 sẽ tạo nên những siêu axit có sức phá hủy rất mạnh đối với tất cả các kim loại, thép không gỉ kể cả thủy tinh. Lớp phủ bảo vệ phải thể hiện được 2 khả năng: - Khả năng chống mài mòn được đặc trưng bởi: Độ cứng tế vi, Độ bền bám dính.
5. 3 - Khả năng chống ăn mòn ngăn cách được đặc trưng bởi: tính chất điện hóa, độ xốp, chiều dày và bản thân vật liệu phun phải có khả năng chống ăn mòn. SiC với các đặc tính: độ cứng cao (28 GPa) và trơ với mọi môi trường hóa học nên được chọn để nghiên cứu chế tạo lớp phun phủ nhiệt plasma làm nhiệm vụ chống mòn . Nhưng SiC nóng chảy ở nhiệt độ rất cao 2730°C mà lại dễ bị phân hủy ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ chảy nên việc tạo ra lớp phun phủ nhiệt SiC là một thách thức, hướng nghiên cứu sẽ tập trung vào lớp phủ với vật liệu tổ hợp (compozit SiC). Một trong những vấn đè khác xảy ra: khi phun plsma ngoài không khí Qin và các cộng sự [85] cho rằng có sự tạo thành Cu3Si ở dưới 900°C tại biên giới sau khi phân hủy SiC như sau: SiC + 3Cu → C + Cu3Si (1.5) Ngoài ra đặc tính cố hữu của lớp phủ là tồn tại các rỗ xốp ảnh hưởng tới khả năng ngăn cách với môi trường ngoài Vì vậy tác giả đề xuất giải pháp công nghệ cho lớp phủ plasma compozit SiC - Phun trong khí bảo vệ: nhằm cách ly luồng phun SiC–Cu khỏi bị oxy hóa do cả Cu và SiC dễ bị oxy hóa trong không khí. - Thẩm thấu chèn, lấp lỗ xốp: nhằm cách ly tuyệt đối giữa nền với môi trường ngoài qua lớp phủ. Giải pháp được đưa ra: thẩm thấu gia nhiệt PTFE vào lớp phủ plasma SiC-Cu nhằm chèn lấp, điền đầy các rỗ xốp và đường dẫn để làm kín lớp phủ nâng cao hiệu quả chống ăn mòn. Một số công trình nghiên cứu cũng đã dùng lớp màng PTEF để bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường hóa chất. PTFE được lựa chọn để thẩm thấu lớp phủ vì: đặc tính trơ với mọi loại hóa chất (xem cột đỏ) bảng 1.2. Bảng1.2. Khả năng làm việc của một số vật liệu polyme trong các môi trường ăn mòn hóa học [110] GF GF - - 8S 8S - - PP PP PVC PVC FPM FPM Titan Titan 18 18 316SS 416SS 316SS 416SS PVDF PVDF Monel Monel CPVC CPVC EPDM EPDM Buna N Buna N PTFE PTFE Ultem Ultem PVC PVC Hastelloy Hastelloy H3PO4 10% A A A A A A A A A C A A A B H 2SO4 (95%) A x A x x A x x A x x x x H3PO4 100% A A A A A B A x A A B B H2SO4 (98%) A x B x x A x x x x H3PO4 20% A A A A A A A A A C A A HNO3 (10%) A A A A A A A B A x B x A A B A H3PO4 40% A A A A A A B A x A A A A HNO3 (20%) A A A A A A x A x B x A B H3PO4 50% A A A A A A A A A C A A B B HNO3 (30%) A A A A A B A B A x B x A B H3PO4 80% A A A A A A A A A A AB HNO3 (40%) A C A A B A x A x B x A C H3PO4 85% A A A A A B A A A C A AB B C HNO3 (50%) A C A A A B x A x B x A x HCl 20% A x A A A HNO3 (60%) A x A x x x A x C x B x A x HCl A A A A x AB x x x x HNO3 (70%) A x A x x x x C x B x A C Dung dịch HCl B A C A Ch Hỗn hợp HNO3 A C A A B A x A x B x A C Chlorine Dioxide A C A A A A x A A x x x xlori AB (10%)Heptane A B A A A A x A A A A A A nat Fluoboric Acid A A A A A B A A B A A B x Hexane A B A x x A A x A A A A A A ed Fluorine Gas (Wet) A B A A C A A A x A A Gl Hexene Fluorine Liquid x B C x A C B x x ue x Hexyl Alcohol Fluosilicic Acid 25% A A A A A A A A B A x B C Honey Hydrochloric Acid A A A A A A A A A B x x C Hydraulic Oil x C A C A A A A 10%Hydrochloric Acid A A A A A A A A A B x x x C (Synth.)Hydraulic Oil A A x A A A A A Hydrochloric20% Acid A A A A A A A A A C x Hydrazine x x A x x x A x C A A 25%Hydrochloric Acid A A A A A A A C A C x x x C Hydrobromic Acid A A A A A A A A x x x A Freon37% TF Hydrobromic20% Acid A B A A A A A A x x C x x HF A A A A A B x x A Hydrobromic50%H Acid A B A A A A A A x A x x x x A HF 10% A A A A C A A A B x x Hydrochloricy Acid A A A A A A A A A B x x C d HF 20% A A A A C A A x x x x x Hydrochloric10% Acid A A A A A A A A A B x x x C r 20% HF 30% A A A A C A A A x x Hydrochlorico Acid A A A A A A A A A C x x HF 40% C A A B C A A A x x 25%Hydrochloricc Acid A A A A A A A C A C x x x C HF 50% C A A x x B A A A C x x x 37%Hydrochlorich Acid A A A A A B x x A HF 65% C A B A x x x HydrocyaniclH Acid A A A A A A A A B x x o HF 75% C A A x x A x A x A A x x x 10%Hydrocyanicy Acid A A A A A A A A B A AB A A B A rd H2SO3 A x A A A A C A C A BC A Hydrofluoric Acid A A A A C A A A B x x ir 10% H2SO4 (10%) A A A A A A A B A C C x A Hydrofluoricco Acid A A A A C A A x x x x x A H2SO4 (100%) A x B x x C x C x C C x 20%Hydrofluoricf Acid A A A A C A A A x x c H2SO4 (30%) A A A A A A A A C x x C Hydrofluoric30%l Acid C A A B C A A A x x iu H2SO4 (50%) A A A A A A B A C x x C Hydrofluoric40% Acid C A A x x B A A A C x x x do 50% H2SO4 (60%) A A A A A B B A x x x C Hydrofluoricr Acid C A B A x x x H2SO4 (70%) A C A A A A A A C x x C 65%Hydrofluorici Acid C A A x x A x A x A A x x x H2SO4 (80%) A A A x x A A A C x x X 75%Hydrofluosilicc A A A A A A A A A B A x x x A A H2SO4 (90%) A C A x x A A A C x x X HydrofluosilicicAcid A A A A A A A B x x X Acidc 20% i A: Tuyệt vời B: Tốt C: Khá, được sử dụng dưới khuyến cáo X: Khôngd được khuyên dùng 6 5 %
6. 4 Việc thẩm thấu PTFE cho lớp phủ chỉ là giải pháp nhằm khắc phục rỗ xốp trong phun phủ nhằm đạt được độ kín tuyệt đối cho lớp phủ. Quá trình thẩm thấu PTFE cho các mẫu thí nghiệm được kế thừa, thực hiện và áp dụng theo quy trình thẩm thấu trong tài liệu tham khảo. Trong luận án này không nghiên cứu sâu về cơ chế, cấu trúc và công nghệ thẩm thấu mà chỉ tập trung vào công nghệ phun phủ plasma để tạo ra lớp phủ SiC-Cu đạt các chỉ tiêu chất lượng cần thiết. Nhận xét: - SiC bị phân hủy mạnh khi phun plasma ở nhiệt độ cao (khoảng nhiệt độ 900°-1100oC). Mặt khác nhiệt độ chảy của SiC lại rất cao (2730°C). Đây chính là thách thức cho lớp phủ plasma SiC. - Việc tạo lớp phủ Plasma SiC đơn hoàn toàn không khả thi mà chỉ có thể thực hiện được bằng tổ hợp bột compozit SiC như: SiC/Ni60; SiC - B4C; SiC-Cu SiC- ZrB2 - Lớp phủ bảo vệ trong môi trường chứa flo sẽ tập trung vào nghiên cứu lớp phủ plasma SiC-Cu. Kết luận chương 1 - Phân tích tìm hiểu những nghiên cứu về các lớp phủ chống ăn mòn trên thế giới. SiC là loại vật liệu có Độ cứng tế vi cao và trơ trong các môi trường hóa học và là mục tiêu nghiên cứu của lớp phủ chống mòn trong môi trường axit chứa flo. - Ở Việt Nam chưa chế tạo được hay ứng dụng được lớp phun phủ SiC để bảo vệ chống ăn mòn/mài mòn cho các chi tiết máy móc, thiết bị. - Xác định phương pháp plasma với đặc điểm chính: nguồn nhiệt hồ quang plasma không dùng khí cháy nên giảm mức độ oxy hóa đối với bột phun và các biện pháp công nghệ hoàn thiện là nội dung nghiên cứu để tạo lớp phủ SiC/Cu lên bề mặt thép. Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ PLASMA Phun phủ plasma là một dạng của phun phủ nhiệt, đặc điểm chính là không dùng khí cháy mà dùng hồ quang plasma làm nguồn nhiệt nung nóng bột. Vì vậy lý thuyết chung về phun phủ nhiệt phù hợp với phun phủ plasma. 2.1. Lý thuyết về sự hình thành lớp phủ 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. Các nhà khoa học trên thế giới có thể mô tả về sự hình thành lớp phủ là: giai đoạn nung 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 nền để hình thành lớp phủ (hình 2.1). Hình 2.1. Các giai đoạn quá trình phun nhiệt. 2.2. Công nghệ phun phủ plasma 2.2.1. Cấu trúc hệ thống phun phủ plasma Plasma là trạng thái thứ tư của vật chất đã được ứng dụng nguồn năng lượng này để phun phủ. Sơ đồ thiết bị quá trình phun plasma thể hiện trên Hình 2.5 và Hình 2.6. Hình 2.5. Thiết bị phun plasma hệ hở APS Hình 2.6. Cấu tạo của súng phun plasma Luồng plasma có nhiệt độ rất cao tới 10.000OC, có thể lên tới 30.000 oC tại tâm ngọn lửa nên dùng phun plasma để tạo lớp phủ từ tất cả các loại vật liệu khó nóng chảy là một trong những ưu điểm nổi bật của phương pháp này. Thiết bị phun plasma sử dụng năng lượng điện kết hợp cùng các loại khí Hidrogen, Heli, Argon, Nitrogen.
7. 5 2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ plasma cácbit SiC Khi phun phủ plasma có rất nhiều thông số công nghệ ảnh hưởng tới chất lượng lớp phủ nhưng có thể thấy rằng những thông số ảnh hưởng chính đến hình thái và chất lượng lớp phủ như sau: - Các thông số về bột: - Các thông số về phun: - Các chỉ tiêu khảo sát: + Kích thước hạt) + Cường độ dòng điện I, + Khoảng cách phun L + Chiều dầy, + Độ bền bám dính, + Độ xốp, + Tỷ lệ thành phần bột + Lưu lượng cấp bột M + Độ cứng tế vi, + Thành phần lớp phủ 2.4. Phun phủ plasma cácbít Silic Phun phủ plasma SiC là thách thức lớn nhất vì SiC bị phân hủy mạnh trong môi trường plasma khiphun. Các chế độ phun SiC được nhiều nghiên cứu áp dụng trên cơ sở vật liệu gốm (đối với phun plasma SiC đơn) hoặc theo chế độ phun của chất liên kết (đối với vật liệu phun compzit SiC). Kết luận chương 2 Đã trình bày về phương pháp công nghệ phun phủ plsma, quá trình hình thành lớp phủ. Đã phân tích làm nổi bật các yếu tố công nghệ ảnh hưởng, đưa ra các thông số kỹ thuật khảo sát chính và các chỉ tiêu chất lượng cần đạt. - Các thông số kỹ thuật phun: Cường độ plasma được đặc trưng bởi cường độ dòng điện I (A); Khoảng cách phun L(mm); Lưu lượng cấp bột M(g/ph) - Các thông số về bột: Độ hạt (kích thước bột phun); Tỷ lệ thành phần bột trộn - Các chỉ tiêu: Chiều dầy lớp phủ; Độ bền bám dính; Độ xốp; Độ cứng tế vi; Thành phần lớp phủ Chương 3. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1. Vật liệu phun phủ plasma 3.1.1. Bột phun Hình 3.1. Ảnh chụp bột SiC (trái) và bột Cu(phải). Hình 3.2. Phổ XRD của mẫu bột SiC (trái); bột Cu (phải). 3.1.1.1. Đặc tính bột SiC trong quá trình phun phủ plasma Hình 3.1 Bột SiC (SiC > 80%, 50 µm, tỷ trọng = 3.2 g.cm-3. Đối với cacbit silic khi tiếp xúc với nhiệt độ cao trong môi trường plasma có không khí thì sự oxy hóa bề mặt của SiC ở nhiệt độ cao tạo thành SiO2. Hahnel và cộng sự [82, 83] đưa ra chi tiết mô hình 4 giai đoạn hình thành lớp tiếp giáp giữa SiC và oxy: 2SiC + 3O2 = 2SiO2 + 2CO (1.1) SiC + O2 = SiO + CO 2SiO + O = 2SiO2 (1.2) 2SiC + O2 = 2SiO + 2C SiC +O2 = SiO2 + C 2C + O2 = 2CO (1.3) 2CO = C+CO2 3.1.1.2. Đặc tính của bột Cu trong quá trình phun phủ plasma Khi xem xét tính toán phối trộn hai loại bột Cu và SiC cho nguyên liệu đầu vào của thiết bị phun phủ plasma thì nhận thấy sự khác nhau khá xa về tỷ khối của chúng Cu (ρ = 8,96g/cm3) so với SiC (ρ = 3,2 g/cm3). Do vậy cần chọn kích thước bột: Cu (30 µm) và SiC (50 µm) nhằm tăng cường sự đồng tốc trong quá trình phun. Với nhiệt độ nóng chảy của Cu (1085°C) thấp hơn nhiều so với SiC (2730°C) thì trong ngọn lửa phun plasma thì đồng dễ hình thành lớp phủ, nhanh đạt được chiều dày và khả năng bám dính cao hơn. Khi tăng hàm lượng Cu thì sẽ tăng tốc độ hình thành lớp phủ nhưng chất lượng lớp phủ sẽ giảm Độ cứng tế vi, độ chịu mòn. 3.1.2. Vật liệu nền Mẫu thép nền C45 có kích thước 50×50×4 mm.
8. 6 Hinh 3.3. Mẫu thép C45 trước và sau phun làm sạch tạo nhám Trước khi tiến hành phun phủ, bề mặt thép C45 cần được làm sạch và được tạo nhám. 3.2. Thông số công nghệ và thiết bị thí nghiệm 3.2.1. Lựa chọn các thông số công nghệ và cácchỉ tiêu kỹ thuật chính - Thông số đặc trưng về vật liệu - Thông số công nghệ phun - Các chỉ tiêu chất lượng lớp SiC/Cu bột + Cường độ dòng điện: I (A) + Độ bền bám dính; + Độ xốp; + Độ cứng tế vi tế vi + Kích thước hạt SiC; Cu: W (µm) + Khoảng cách phun: L (mm) + Hàm lượng SiC trong lớp phủ + Tỷ lệ thành phần bột: S (%) + Tốc độ cấp bột: Mcb (g/ph) + Khả năng chịu mòn 3.2.2. Thiết bị đo - Máy đo Độ cứng tế vi lớp phủ HH 401 (Mitutoyo – Japan) (hình 3.4 a) - Máy đo độ dày lớp phủ (hình 3.4 b): DIGI – DERM 745 (Mitutoyo – Japan) - Máy đo Độ bền bám dính (POSITEST - AT – M, Defelsko – USA) (hình 3.4 c). - Kính hiển vi quang học AXIOKOP 2 MAT MOT (hình 3.4 d) (Germany) dùng phần mềm AxioVision phân tích thành phần pha của lớp phủ để xác định độ xốp lớp phủ bằng phương pháp phân tích ảnh. a)Máy đo Độ cứng tế vi b) Máy đo độ dầy lớp phủ c) Máy đo bám dính d) Kính hiển vi e)Kính hiển vi điện tử quét Hình 3.4. Các thiết bị kiểm tra chất lượng lớp phủ 3.2.3. Mẫu thí nghiệm a) b) c) Hình 3.5. Mẫu thí nghiệm 1) Mẫu kiểm tra tế vi, thành phần, đo độ xốp, đo Độ cứng tế vithử nghiệm ăn mòn, mài mòn (hình 3.5 a) 2) Mẫu kiểm tra bám dính (hình 3.5 b) 3) Mẫu kiểm tra mòn, ăn mòn (hình 3.5 c) Vật liệu: SUS 304; C45. Dùng trong thí nghiệm các lớp phủ SiC đơn và SiC – Cu 3.2.4. Thiết bị phun phủ Hình 3.6.Thiết bị phun phủ plasma PRAXAIR 3.2.5. Súng phun plasma trong khí bảo vệ Ar Sự cải tiến bằng phương pháp công nghệ phun plasma trong khí bảo vệ Ar nhằm giải quyết vấn đề oxi hóa của luồng bột phun trong không khí (Hình 3.7) a) b) c) d) a)- Súng SG100; b) Mô hình khí bảo vệ; c) Chụp lắp trên súng; d) Ngọn lửa plasma trong chụp khí Ar. Hình 3.7. Súng phun cải tiến trong khí bảo vệ
9. 7 Nguyên lý: khi làm việc khí argon 5Psi (0,04 MPa) cấp vào sẽ tạo ra chụp khí hình nón bao lấy luồng plasma và bề mặt nền trong quá trình phun, ngăn cách luồng bột và vật phun với không khí bên ngoài. Hình 3.7d là ảnh chụp súng phun có chụp khí Ar bảo vệ. Ngọn lửa plasma màu trắng, vòng khí bảo vệ ngăn cách màu xanh. 3.3. Các phương pháp phân tích, đánh giá 3.3.1. Đo chiều dày và độ xốp của lớp phủ Chiều dày lớp phủ được đo bởi thiết bị Digi-Derm (Model DGE-745, Mituyo, Japan). Độ xốp khả kiến (apparent porosity) của các lớp phủ được xác định bới kính hiển vi quang học AXIOKOP 2 MAT MOT (Germany): dùng phần mềm phân tích thành phần pha AxioVision để xác định độ xốp lớp phủ bằng phương pháp phân tích ảnh. Tiêu chuẩn áp dụng ASTM B276. 3.3.2. Phân tích hình thái bề mặt lớp phủ bằng kinh hiển vi điện tử quét Hình thái học bề mặt các mẫu được phân tích bởi kính hiển vi điện tử quét FEI Nova Nano SEM 450 Scanning Electron Microscope (Japan), phân tích tán xạ tia X năng lượng (Energy-dispersive X-ray spectroscopy EDX). 3.3.3. Phân tích thành phần pha bằng nhiễu xạ tia X (XRD) Máy phân tích thành phần pha D8 Advance của hãng Brucker (Đức). Các thông số đo gồm nhiệt độ 25°C, góc 2θ quét từ 15˚ to 65˚. Sau khi thu giản đồ XRD, số liệu được phân tích bằng phần mềm chuyên dụng (dùng phần mềm Eva software) và đánh giá bán định lượng (dùng phần mềm Dquant software với sai số ± 3%). 3.3.4. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của chế độ công nghệ đến cơ tính lớp phủ Luận án dùng thiết kế thực nghiệm được phát triển bởi Genichi Taguchi trên cơ sở lý thuyết thiết kế bền vững (Robust Design). Mục đich là điều chỉnh các thông số đến mức tối ưu để quá trình/sản phẩm ổn định ở mức chất lượng tốt nhất. 3.3.5. Phương pháp đánh giá khả năng bảo vệ chống ăn mòn Để đánh giá khả năng bảo vệ chống ăn mòn của lớp phù, luận án sử dụng phương pháp phân tích điện hóa và phương pháp đo tổn hao khối lượng. Nội dung các phương pháp như sau: 1) Phương pháp phân tích điện hóa a. Chuẩn bị mẫu đo điện hóa: Các mẫu sau khi đã được phun phủ SiC lên nền thép C45 được hàn dây điện ở góc của mẫu (Hình 3.8). Hình 3.8. Các mẫu đo điện hóa Hình 3.9. Đo điện hóa b. Thiết bị đo điện hóa Tính chất ăn mòn của lớp phủ được khảo sát bằng các phương pháp đo điện hóa: đo đường cong phân cực Tafel và tổng trở điện hóa. (Hình 3.9). c. Phương pháp đo đường cong phân cực tafel So sánh với phương pháp đo điện trở phân cực tuyến tính thì phương pháp này cung cấp nhiều thông tin hơn trong một khoảng rộng các điện thế. Số liệu thu được nhiều hơn và hữu ích hơn như: cung cấp thông tin về tốc độ ăn mòn, giải thích cơ chế ăn mòn và dự báo hành vi ăn mòn khi điện thế thay đổi. d. Phương pháp đo tổng trở điện hóa (EIS) Quá trình ăn mòn thép trong dung dịch 3,5 % NaCl có thể được đánh giá bằng phép đo phổ tổng trở điện hóa tại điện thế hở mạch (Eoc) của thép nền. Phổ tổng trở là tập hợp tất cả các giá trị Z đo được ở các tần số khác nhau. Hình 3.10. Giản đồ Nyquist với vectơ tổng trở của Z /dung dịch điện ly (thép C45/NaCl) Mạch điện tương đương sử dụng khi phân tích EIS cho các mẫu trong dung dịch 3,5% NaCl Hình 3.11 sơ đồ mạch tương đương cho mẫu SiC-Cu/thép trong NaCl, với Rs là điện trở dung dịch điện ly (là điện trở giữa điện cực làm việc-thép C45, với điện cực so sánh. Cdc là điện dung lớp điện tích kép hình thành trên ranh giới bề mặt thép
10. 8 và dung dịch điện ly. Rct là điện trở chuyển dịch điện tích ở tiếp giáp bề mặt thép và dung dịch. Rp là tổng các điện trở trên bề mặt che chắn. Hình 3.11 Mạch tương đương cho mẫu SiC-Cu/thép trong NaCl Khi có mặt PTFE, sơ đồ mạch tương đương của lớp phủ PTFE/SiC-Cu/thép được trình bầy trong hình 3.12. Hình 3.12. Mạch tương đương cho mẫu PTFE/SiC-Cu/thép trong NaCl. Trong đó Rseal và Cseal điện trở và điện dung của lớp phủ/bọc bịt PTFE tương ứng. Cseal phụ thuộc vào hằng số điện môi, chiều dày, diện tích lớp PTFE. Điện trở Rseal liên quan tới sự thâm nhập của chất điện ly 2) Phương pháp đo tổn tổn hao khối lượng bằng thiết bị kiểm tra mòn hỗn hợp Thiết bị (Hình 3.13) là sản phẩm nghiên cứu, thiết kế và chế tạo của tác giả dùng để đánh giá khả năng chống ăn mòn và mài mòn của lớp phủ trong môi trường tương thích với điều kiện thực tế (môi trường ăn mòn điển hình tại Công ty Supe phốt phát và hóa chất Lâm Thao). Thiết bị thí nghiệm tạo ra trạng thái làm việc tương đồng với chi tiết cánh bơm và cánh quạt. Hai khoang gá mẫu thử. Khoang dưới là dung dịch hóa chất 10% HF(30%); 20% H2SO4(98%) và có chứa hạt mài SiC kích thước 0.2 - 0.25mm, Khoang trên là hơi hóa chất bốc lên khi bị đun nóng. Nhiệt độ thử 70oC; Tốc độ khuấy 1000 v/phút; Chu kỳ kiểm tra: 124h. Các mẫu thử: Mẫu thép SUS304, mẫu thép C45, SiC/C45, PTFE/SiC/C45; SiC-30Cu/C45, PTFE/SiC-30Cu/C45; SiC- 50Cu/C45, PTFE/SiC-50Cu/C45. Phương pháp đo: cân trọng lượng mẫu theo thời gian. 1. Thùng đựng hóa chất; 2. Mẫu thử; 3. Bộ phân quay ly tâm Hình 3.13. Thiết bị thử mòn hỗn hợp 3.4. Tiến trình trình thí nghiệm - Chuẩn bị mẫu, làm sạch và tạo nhám bề mặt nền thép, - Thực hiện thí nghiệm theo hai bước: + Khảo sát thăm dò lớp phủ plasma SiC và SiC - Cu nhằm tạo ra được lớp phủ SiC đủ độ dầy >100µm và đạt được hàm lượng SiC cao trong lớp phủ . Từ đó xác lập và cố định các thông số bột: tỷ lệ phối trộn (S) và kích thước hạt (H). + Khảo sát sự ảnh hưởng của 3 thông số công nghệ phun plasma: I, L, M đến chất lượng lớp phủ. Kết luận chương 3 - Phân tích đưa ra giải pháp tạo ra được lớp phủ plasma SiC bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường HF. Việc thêm đồng (Cu) vào bột phun là điều kiện khả thi cho việc hình thành lớp phủ tổ hợp SiC-Cu. - Đưa ra được các thông số công nghệ chính cho lớp phủ plasma SiC-Cu. Xây dựng mô hình toán học mô phỏng chất lượng lớp phủ theo Quy hoạch thực nghiệm Taguchi để xác định tỷ lệ phối trộn và kích thước hạt. - Phân tích đưa ra các chỉ tiêu đánh giá chất lượng lớp phủ. - Thiết kế chế tạo 02 nhóm mẫu lớp phủ phục vụ nghiên cứu; - Đưa ra giải pháp công nghệ: thiết kế, chế tạo chụp khí bảo vệ luồng phun plasma cách ly khỏi không khí ngoài. - Phân tích và đưa ra được phương pháp đánh giá khả năng bảo vệ chống mòn cho lớp phủ thông qua tính chất điện hóa và tổn hao khối lượng. Thiết kế chế tạo được thiết bị thử mòn hỗn hợp để đánh giá độ mòn lớp phủ và khả năng bảo vệ chống ăn mòn tổng hợp. - Vạch ra tiến trình thí nghiệm theo 2 bước: + Khảo sát thăm dò tạo lớp phủ SiC – Cu, cố định các thông số bột S, H để khảo sát chế độ phun. + Khảo sát sự ảnh hưởng của 3 thông số công nghệ phun plasma: I, L, M đến chất lượng lớp phủ.
11. 9 Chương 4. CHẾ TẠO VÀ PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ CÁC LỚP PHỦ PLASMA SiC TRÊN NỀN THÉP 4.1. Chế tạo lớp phủ đơn SiC trên nền thép 4.1.1. Chế độ công nghệ phun plasma SiC trên nền thép Chế độ công nghệ phun plasma cho SiC được tham khảo phun plasma cho các loại vật liệu gốm: Bảng 4.1. Chế độ công nghệ phun plasma SiC/Thép. Thông số WC-20Ni ZrB2-SiC-ZrC Ni-Al-SiC SiC Cường độ dòng điện, A 600 450 - 600 600 600 Điện áp, V 70 64 28 44,5 Tốc độ dòng khí sơ cấp (Ar), L/phút 40 35 Tốc độ dòng khí thứ cấp (khí H2), L/phút 12 12 Tốc độ dòng khí mang (Ar), L/phút 5 2 Áp suất khí mang, kPa 30 30 Tốc độ cấp bột, g/phút 90-100 60 30 Khoảng cách phu, mm 40-60 100-125 40 Kích thước hạt, m 22-45 20-45 4.1.2. Cấu trúc và cơ tính của lớp phun phủ plasma SiC trên nền thép C45 Kết quả: Giá trị Độ cứng tế vi tế vi (HV) - Độ dầy SiC 8- 10 µm của lớp phủ SiC trên thép C45 - Đo EDS, lệ thành phần các nguyên Tải trọng 10g; vết đo theo thứ tự tố là C (5.95 %), O(7.11 %), Al(4.50 (từ trong ra ngoài) %), Si (6.93 %), Ca (1.33 %), Cr Vị trí (HV) trung bình Hình 4.2. Ảnh SEM (2.00 %), Fe (58.47 %), Co (3.33 %), 1 412,7 bề mặt lớp phủ Hình 4.4. Phổ nhiễu Hình 4.5. Phổ tán xạ tia Ni (4.33 %), W (6.04 %). Kết hợp 2 411,0 SiC/thép C45 (độ xạ tia X (XRD) của X (EDS) của của lớp với phổ XRD của hình 4.4, thành phóng đại 2000 lần) lớp phủ SiC/C45 phủ SiC/C45. phần SiC ở lớp phủ (7-10%). 3 420,7 Từ kết quả thí nghiệm cho thấy việc phun tạo lớp phủ đơn SiC bằng plasma là rất khó khăn và không bảo toàn được hàm lượng SiC trong lớp phủ. Điều này phù hợp với kết quả của nhiều công trình nghiên cứu trên thế giới về lớp phủ SiC plasma. 4.1.3. Phân tích điện hoá của lớp phun phủ plasma SiC/thép 1) Kết quả đo đường cong phân cực Hình 4.8 mô tả đường cong phân cực của mẫu thép C45 có hay không có lớp phủ bảo vệ trong dung dịch 0.1 M K2SO4 (~1,7% K2SO4). Giá trị điện thế ăn mòn, hệ lớp phủ PTFE/SiC-Cu làm dịch chuyển điện thế của thép về phía dương hơn, thể hiện khả năng cách ly tốt hơn kim loại (thép C45) khỏi dung dịch ăn mòn. Hình 4.8. Đường cong phân cực của mẫu thép C45 trong dung dịch 0.1 M K2SO4 Bảng 4.5. Giá trị điện thế ăn mòn và mật độ dòng ăn mòn của các mẫu lớp phủ và nền thép C45(diện tích mẫu 7,5 cm2, điện cực so sánh MSE: Mercury/Mercury sulfate) Mẫu Điện thế ăn mòn Dòng ăn mòn 2 Ecorr (mV/MSE) Ecorr (mV/SCE) I corr (µA) I corr (µA/cm ) Nền thép C45 -1026 -626 63,29 8,44 SiC/thép -1177 -777 99,93 13.32 PTFE/SiC/thép -861 -461 59,90 7,99 Dòng ăn mòn của thép C45 từ 8,44 xuống 7,99 µA. Khi so sánh dòng ăn mòn của 2 hệ lớp phủ, sự có mặt của PTFE làm giảm dòng ăn mòn từ 13,32 µA xuống 7,99 µA, có thể tính hiệu quả ức chế là 40%. 2) Kết quả đo tổn hao khối lượng Bảng 4.6. Kết quả đo giảm trọng lượng trong môi trường axit (10% HF(30%); 20% H2SO4(98%) Thời gian (giờ) Giảm trọng lượng mẫu SUS304 (mg/cm2) Giảm trọng lượng mẫu PTFE/SiC/ C45 (mg/cm2) 8 41,6 0 16 45,0 2,1 24 43,1 4,34 32 46,0 6,65 Kết quả đo tổn hao khối lượng các mẫu thép ngâm trong môi trường axit (10% HF(30%); 20% H2SO4(98%): mẫu thép SUS 304 bị mất tới 45g, trong khi nếu thép C45 được phủ bởi hệ PTFE/SiC thì chỉ mất đi 5mg. Do lượng SiC trên bề mặt lớp phủ rất thấp (7-13% khối lượng) nên sự bảo vệ chống ăn mòn này là bởi lớp PTFE bên ngoài.
12. 10 Nhận xét Khi phun plasma với SiC đơn thì: SiC khó nóng chảy, khó tạo thành lớp phủ; SiC dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao. Để giải quyết các khó khăn này cần kết hợp giữa bột SiC với chất kết dính chống ăn mòn (Cu) nhằm mục đích: Hạ nhiệt độ phun để giảm sự phân hủy và tăng khả năng bám dính với nền. Với vật liệu bột SiC/Cu chất kết dính là bột Cu do khả năng khó bị oxy hóa trong môi trường HF, khả năng bám dính và liên kết cao; nhiệt nóng chảy (10500C) thấp hơn nhiều so với nhiệt độ nóng chảy của SiC. Vì khối lượng riêng của Cu và SiC khác nhau nên chọn kích thước hạt SiC lớn hơn Cu để đảm bảo đồng tốc nhằm: + Tránh phân tầng trong quá trình bay do động năng của hai loại hạt vật liệu khác nhau. + Tăng mật độ phân tán của phần tử đồng trong SiC, tăng sự liên kết trong quá trình hinh thành lơp phủ + Giảm cường độ plasma mà vẫn đảm bảo tốc độ hình thành lớp phủ. 4.2. Chế tạo lớp phủ compozit SiC-Cu trên nền thép 4.2.1. Phân tích các yếu tố công nghệ bột SiC-Cu khi phun plasma trên nền thép C45 4.2.1.1. Kích thước hạt: Tham khảo một số bột phun phủ plasma tương tự như: AL2O3 và Cr3C2 là 45 +15 µm. Kang cũng đã chế tạo bột phun plasma SiC/Cu với cỡ hạt tương ứng 45/45µm. Để tránh phân ly luồng bột phun plasma do Cu nặng hơn SiC hơn 2 lần nên chọn kích thước hạt Cu nhỏ hơn SiC từ 2 ÷ 3 lần.Vậy có thể chọn cỡ hạt SiC và Cu cho thí nghiệm: SiC: 25 ÷ 65 µm; Cu: 20 ÷ 50 µm. 4.2.1.2. Tỷ lệ phối trộn Tỷ lệ phối trộn nhằm đáp ứng: Hình thành lớp phủ đạt chiều dày > 100 µm; đảm bảo hàm lượng cần thiết của SiC trong lớp phủ. Tham khảo đối với một số bột phun hai hoặc nhiều thành phần dùng cho phun phủ plasma [107].Có thể dẫn ra với các bột: Ni - 20Cr; Cr- 50Co. Ở đây Ni, Co hay Cu đều đóng vai trò chất kết dính. Kang [55] cũng đưa ra tỷ lệ cho bột phun plsma SiC/Cu: Cu–27SiC, Cu–50SiC, Cu–60SiC. Từ đó chọn tỷ lệ bột SiC-Cu để khảo sát: SiC-20Cu; SiC-30Cu; SiC50Cu 4.2.1.3. Chế độ công nghệ phủ compozit SiC-Cu trên nền thép Phương án tạo lớp phủ tổ hợp plasma SiC-Cu nhằm giải quyết 2 mục tiêu: - Chiều dầy lớp phủ > 100 µm. - Hàm lượng SiC trong lớp phủ được tăng cao. Chế độ phun plasma (SiC-Cu) áp dụng theo bột đồng Cu để chọn chế độ công nghệ phun plasma SiC – Cu: Bảng 4.7. Chọn sơ bộ chế độ công nghệ phun SiC-Cu trên nền thép. Thông số Phun SiC-Cu Cường độ dòng điện, A 400 Điện áp, V 58 Tốc độ dòng khí sơ cấp (Ar), L/phút 35 Tốc độ dòng khí thứ cấp (khí H2), L/phút 12 Tốc độ dòng khí mang (Ar), L/phút 2 Tốc độ cấp bột, g/phút 42 Khoảng cách phu, mm 50 Kích thước hạt, m 50 (SiC); 30 (Cu) Tỷ lệ trộn bột, % Cu (theo khối lượng) SiC–20Cu ; SiC–30Cu; SiC-50Cu) 4.2.2. Hiệu quả của phun plsma SiC/Cu trong khí bảo vệ Ar a) Phun SiC-30Cu không có khí bảo vệ Trên hình 4.11 và 4.12 là ảnh SEM và phổ EDS của lớp phủ SiC-30 Cu khi phun không có khí bảo vệ Argon. Hình 4.11. Ảnh SEM bề mặt lớp phủ SiC-30Cu/C45 – Hình 4.12. Phổ tán xạ tia X (EDS) lớp phủ SiC-30Cu/C45 – phun không có khí bảo vệ (độ phóng đại 750 lần) phun không có khí bảo vệ. Bảng 4.8. Kết quả phân tích EDS cho mẫu SiC-30Cu trên nền thép C45 không có khí bảo vệ. Nguyên tố C K O K Si K Ca K Cr K Fe K Ni K Cu K % Khối lượng 6.30 7.09 3.66 0.09 0.20 0.26 1.28 81.13 % Nguyên tử 18.79 16.86 5.42 0.09 0.16 0.19 0.9 53.04
13. 11 a) Phun khi có chụp khí Ar bảo vệ Hình 4.13. Ảnh SEM lớp phủ SiC-30Cu/C45. Phun có khí bảo Hình 4.14. Chiều dầy lớp phủ SiC-30Cu/C45. Hình 4.15. Phổ tán xạ tia X (EDS lớp phủ vệ (độ phóng đại 1000 lần) Phun có khí bảo vệ SiC-30Cu / C45 – có khí bảo vệ. Bảng 4.9. Kết quả phân tích EDS cho mẫu SiC-30Cu trên nền thép C45 - có khí bảo vệ Ar Nguyên tố C K O K Si K Cl K Cu K % Khối lượng 32,41 9,32 35,49 0,41 22,37 % Nguyên tử 54.38 11,26 27,03 0,23 7,09 Phân tích nguyên tố bởi phổ EDS (hình 4.15và bảng 4.9) cho thấy C (32,41 %); Si (33,49 %); O (11,32 %); Cl (0,41 %); Cu (22,37 %). SiC chiếm tới 66% khối lượng lớp phủ. c) Kết quả chiều dày và hàm lượng thành phần các lớp phủ SiC/Cu (bảng 4.10) Bảng 4.10. Kết quả đo chiều dày lớp phủ, hàm lượng SiC trong lớp phủ. Tỷ lệ Cu/SiC H Kích thước hạt (m) Hàm lượng SiC trong Thí nghiệm Chiều dày lớp phủ, (µm) (%wt) WSiC WCu lớp phủ, (%) 1 20 25 20 106 41,3 2 30 45 20 178 58,6 3 50 65 20 287 59,5 4 20 25 35 104 68,4 5 30 45 35 193 68,7 6 50 65 35 292 47,8 7 20 25 50 100 64,5 8 30 45 50 186 56,4 9 50 65 50 209 37,6 Phun plasma SiC/Cu trong khí bảo vệ làm giảm mức độ oxy hóa đồng thời nâng cao hàm lượng SiC trong lớp phủ thu được. 4.2.3. Xác lập thông số bột hợp lý cho bột phun plasma SiC-Cu. Từ kết quả thu được có thể lập phương án thực nghiệm để xác định thông số bột (tỷ lệ phối trộn H và kích thước hạt S) cho 2 chỉ tiêu: Chiều dầy lớp phủ (δ) và hàm lượng SiC (H) trong lớp phủ. Trên cơ sở lý thuyết và kết quả nghiên cứu thăm dò, chế độ công nghệ được xác lập như bảng 4.11. Bảng 4.11. Chọn chế độ công nghệ thí nghiệm phun SiC-Cu trên nền thép. Thông số Phun SiC-Cu Cường độ dòng điện, A 400 Điện áp, V 58 Tốc độ dòng khí sơ cấp (Ar), L/phút 35 Tốc độ dòng khí thứ cấp (khí H2), L/phút 12 Tốc độ dòng khí mang (Ar), L/phút 2 Tốc độ cấp bột, g/phút 42 Khoảng cách phu, mm 50 Kích thước hạt, m 20 - 70 (SiC); 15 - 55 (Cu) Tỷ lệ trộn bột, % Cu (theo khối lượng) SiC–20Cu ; SiC–30Cu; SiC-50Cu) Sử dụng phương pháp Taguchi, nghiên cứu ảnh hưởng của 3 yếu tố (Kích thước hạt Cu, kích thước hạt SiC và tỷ lệ trộn Cu/SiC theo khối lượng) đến 2 chỉ tiêu: Chiều dầy lớp phủ và hàm lượng SiC trong lớp phủ. Bảng 4.13. Kết quả phân tích tỷ lệ SN chiều dày và hàm lượng SiC trong lớp phủ. Tỷ lệ Cu/SiC H Kích thước hạt (m) Chiều dày lớp phủ Hàm lượng SiC trong lớp phủ TT (%wt) WSiC WCu Thực nghiệm (m) SN (dB) Thực nghiệm (%) SN (dB) 1 20 25 20 106 32,86 41,3 32,32 2 30 45 20 178 39,01 58,6 35,36 3 50 65 20 287 48,44 59,5 35,49 4 20 25 35 104 32,76 68,4 36,58 5 30 45 35 193 40,71 68,7 36,74 6 50 65 35 292 48,67 47,8 33,59 7 20 25 50 100 31,85 64,5 36,19 8 30 45 50 186 39,03 56,4 35,03 9 50 65 50 209 48,53 37,6 31,50
14. 12 Bảng 4.14. SN và ảnh hưởng 3 yếu tố đến chiều dày lớp phủ Bảng 4.15. SN và ảnh hưởng 3 yếu tố đến hàm lượng SiC Mức WCu(mm) WSiC(mm) H (%wt Cu/SiC) Mức WCu(mm) WSiC(mm) H (%wt Cu/SiC) 1 44,77 46,49 44,97 1 34,39 35,47 33,64 2 46,71 45,37 46,43 2 36,07 35,71 34,92 3 45,92 45,54 46,00 3 34,24 33,53 36,14 Delta 1,94 1,12 1,46 Delta 1,83 2,18 2,50 Hạng 1 3 2 Hạng 3 2 1 Hình 4.16. Ảnh hưởng các yếu tố đến chiều dày lớp phủ Hình 4.17. Ảnh hưởng các yếu tố đến hàm lượng SiC trong lớp theo tỷ số SN. phủ theo SN. Nhận xét: a) Đối với chiều dày lớp phủ - Kích thước hạt đồng (WCu) ảnh hưởng mạnh nhất đến chỉ tiêu chiều dày lớp phủ (xếp thứ 1). Theo đó kích thước hạt Cu trung bình từ 20 – 35 m, chiều dày lớp phủ tăng khi tăng kích thước hạt WCu, tăng. Nhưng WCu(35 – 50 m) thì chiều dày lớp phủ lại giảm khi tăng kích thước hạt Cu. Kết quả hạt Cu từ 30 m đến 40 m cho hiệu quả về sự hình thành lớp phủ. - Tỷ lệ % Cu/SiC theo khối lượng ảnh hưởng thứ 2 tới chỉ tiêu chiều dày lớp phủ. Từ đồ thị và bảng phân tích ảnh hưởng cho thấy, tỷ lệ % Cu/SiC ảnh hưởng tới chiều dày lớp phủ chủ yếu trong khoảng từ 30-50 %, khi tăng tỷ lệ % Cu/SiC thì chiều dày lớp phủ tăng, còn trong khoảng từ 20-30 %, khi tăng tỷ lệ % Cu/SiC, chiều dày lớp phủ thấp. Kết quả này chỉ ra: chiều dày lớp phủ cao, cần phải chọn tỷ lệ % Cu/SiC trong vùng giá trị 30-50 %. - Kích thước hạt cácbít Silic (WSiC) ảnh hưởng yếu nhất đến chỉ tiêu chiều dày lớp phủ (xếp thứ 3). Trong khoảng khoảng kích thước hạt SiC trung bình từ 25 – 35 m (đồ thị giảm mạnh), còn trong khoảng kích thước hạt SiC trung bình từ 35 – 50 m (đồ thị tăng yếu) ít ảnh hưởng hơn. Kết quả này chỉ ra rằng, để đạt được chỉ tiêu chiều dày lớp phủ lớp, cần phải chọn kích thước hạt SiC có hiệu quả hơn là từ 40 – 50 m. b) Đối với hàm lượng SiC trong lớp phủ - Tỷ lệ % Cu/SiC theo khối lượng ảnh hưởng mạnh nhất (xếp thứ 1) tới chỉ tiêu hàm lượng SiC trong lớp phủ. Tỷ lệ % Cu/SiC ảnh hưởng tới hàm lượng SiC trong lớp phủ theo hướng khi tăng tăng tỷ lệ % Cu/SiC thì giúp tăng hàm lượng SiC tăng mạnh, tỷ lệ % Cu/SiC dưới 25% không có hiệu quả đối với chỉ tiêu chiều dày lớp phủ. Kết quả này để có hàm lượng SiC trong lớp phủ cao, cần phải chọn tỷ lệ % Cu/SiC càng cao càng tốt trong vùng khảo sát. Như vậy tỷ lệ thành phần phối trộn bột SiC-30Cu và SiC-50Cu đều có thể áp dụng được. - Kích thước hạt cácbít Silic (WSiC) ảnh hưởng thứ 2 đến hàm lượng SiC trong lớp phủ. Kết quả chỉ ra rằng, để có hàm lượng SiC trong lớp phủ lớn, cần phải chọn kích thước hạt SiC ở mức trung bình, khoảng có hiệu quả hơn là từ 40 – 50 m. - Kích thước hạt đồng (WCu) ảnh hưởng yếu nhất đến chỉ tiêu hàm lượng SiC trong lớp phủ (xếp thứ 3). Kích thước hạt Cu trung bình từ 20 – 30 m, hàm lượng SiC trong lớp phủ tăng khi tăng kích thước hạt WCu tăng, nhưng trong khoảng kích thước hạt Cu trung bình từ 35 – 50 m, hàm lượng SiC trong lớp phủ lại giảm khi tăng kích thước hạt Cu tăng. Kết quả này chỉ ra rằng kích thước hạt Cu từ 20 m đến 30 m thì hàm lượng SiC hiệu quả. Để đồng thời đạt được chỉ tiêu chiều dày lớp phủ và hàm lượng SiC trong lớp phủ cao tương ứng với: - Tỷ lệ trộn bột: SiC-30Cu; SiC-50Cu - Kích thước hạt: SiC từ 40 - 50 m; Cu từ 20 - 30 m. - Chế độ công nghệ: I (A): 400; L (mm): 50; M(g/min): 40. 4.3. Kết quả về tổ chức tế vi của lớp phủ plasma SiC-Cu/Thép trong khí bảo vệ Argon Mẫu được phun trong khí bảo vệ Ar sau 10 lượt phun. Chiều dày lớp phủ đạt được: - SiC-30Cu là 201,67 ± 26,5 µm - SiC-50Cu là 220 ± 20,5 µm.
15. 13 4.3.1. Cấu trúc lớp phủ SiC-30Cu trên nền thép C45 Từ phân tích ảnh hiển vi quang học (thiết bị Axiovert 40 MAT), giá trị độ xốp trung bình của lớp phủ là 1,65 % (1,38 %). Giá trị này thấp hơn nhiều so với độ xốp của lớp phun phủ plasma Cr3C2-25NiCr (3,1% - 3,4% [26]). Trong công bố [26], các tác giả đã sử dụng bột Cr3C2-25NiCr (kích thước 35±5 µm), dòng plasma 600 A và khoảng cách phun là 100 mm. Bảng 4.16. Kết quả EDS mẫu SiC-30Cu/C45 Nguyên tố % % Khối lượng Nguyên tử C K 30,48 52,27 Hình 4.22. Ảnh SEM của lớp O K 8,29 10,67 Al K 0,54 0,42 phủ SiC-30Cu trên nền thép Si K 40,96 30,04 C45 (phóng đại 500 lần) Cl K 0,49 0,28 Hình 4.23. Phổ EDS lớpphủ Fe K 1,73 0,64 Cu K 17,52 5,68 SiC-30Cu a)ảnh hiển vi b) ảnh lỗ rỗng Hình 4.24. Giản đồ XRD lớp phủ SiC-30Cu Hình 4.25. Ảnh mặt cắt ngang lớp phủ SiC-30Cu (Phóng200 lần) 4.3.2. Cấu trúc lớp phủ SiC-50Cu trên nền thép C45 Hình 4.26 mô tả bề mặt lớp phủ SiC-50Cu. Bề mặt lớp phủ ít gồ ghề hơn, đồng đều hơn khi tăng hàm lượng bột Cu khi phun. Kết quả đo phổ EDS (hình 4.27), hàm lượng Si thấp hơn trong lớp phủ (~29%). Hình 4.21. Ảnh mặt Hình 4.26. Ảnh SEM của lớp cắt ngang lớp phủ phủ SiC-50Cu (Độ phóng đại SiC-50Cu (phóng Hình 4.27. Phổ EDS lớp Hình 4.28. Phổ XRD lớp phủ 500 lần). đại 200 lần) phủ SiC-50Cu. SiC-50Cu Dựa theo kết quả phân tích XRD (Hình 4.28), hàm lượng các pha SiC chiếm cỡ 53 %, trong đó các pha tinh thể là 42% và pha vô định hình chiếm cỡ 11%. Hàm lượng Cu trong lớp phủ chiếm cỡ 47 % (với phần mềm Dquant software có độ sai số ± 3%). Bảng 4.17. Kết quả phân tích EDS cho mẫu SiC-50Cu/thép Nguyên tố % Khối lượng % Nguyên tử C K 30,03 52,38 O K 9,60 12,57 Al K 0,36 0,28 Si K 35,69 26,62 Cl K 0,32 0,19 Fe K 1,08 0,40 Cu K 22,91 7,55 Từ các kết quả tế vi của lớp phủ thu được nhận thấy rằng với bột phun SiC-30Cu; SiC-50Cu đạt các chỉ tiêu về độ dầy, cấu trúc lớp phủ tốt hơn các thành phần phối trộn khác. Như vậy thông số bột như sau: - SiC-30Cu; SiC-50Cu - Kích thước hạt SiC: 40 - 50 μm - Kích thước hạt Cu: 20 - 30 μm Để lựa chọn tốt nhất cho lớp phủ bảo vệ chống ăn mòn cần thực nghiệm tính chất điện hóa và tổn hao khối lượng tổng hợp. 4.4. Khả năng chống ăn mòn của lớp phủ plsma SiC-Cu Đánh giá khả năng chống mòn của lớp phủ theo 2 phương thức: - Tính chất điện hóa - Tổn hao khối lượng theo thời gian
16. 14 4.4.1. Tính chất điện hoá của lớp phun phủ plasma SiC-Cu/thép trong môi trường 3,5% NaCl Khả năng bảo vệ chống ăn mòn tốt khi: Điện trở phân cực cao, điện dung thấp, và dòng điện ăn mòn bé. 4.4.1.1. Đường cong phân cực Hình 4.29. Đường cong phân cực mẫu thép C45 có và không có lớp phủ bảo vệ trong dung dịch 3,5% NaCl. Bảng 4.18. Giá trị điện thế ăn mòn và mật độ dòng ăn mòn của các mẫu lớp phủ và nền thép C45 2 Mẫu Điện thế ăn mòn Ecorr (mV/SCE) Dòng ăn mòn I corr (µA/cm ) Nền thép C45 -707,242 9,44 SiC-30Cu/thép -576,492 55,055 SiC-50Cu/thép -211,828 5,597 PTFE/SiC-30Cu/thép -758,022 12,542 PTFE/SiC-50Cu/thép -647,73 0,593 Về giá trị điện thế ăn mòn, hình 4.30 thể hiện các giá trị điện thế ăn mòn của thép C45 trong dung dịch NaCl khi có hay không có lớp phủ bảo vệ. Nhìn vào hình 4.30, có thể thấy 3 loại mẫu thử: C45 , SiC-Cu và PTFE/SiC-Cu đều làm dịch chuyển điện thế của thép về phía dương hơn, thể hiện khả năng cách ly tốt hơn kim loại (thép C45) khỏi dung dịch ăn mòn. Sự dịch chuyển về cực âm của điện thế ăn mòn trong lớp phủ PTFE/SiC-50Cu liên quan tới sự ăn mòn điện hóa galvanic do tiếp xúc trực tiếp của Cu và thép khi lớp phủ không che kín toàn bộ bề mặt thép hoặc ở trong các lỗ rỗng/xốp của lớp phủ. 60.00 0.000 55.06 Thép C45 SiC-30Cu/Thép SiC-50Cu/Thép PTFE/SiC- PTFE/SiC- ) 30Cu/Thép 50Cu/Thép 50.00 ) -100.000 µA/cm2 ( 40.00 /SCE -200.000 -211.828 mV 30.00 ( -300.000 20.00 -400.000 12.54 Dòng ăn mòn Icorr Icorr ăn mòn Dòng 9.44 10.00 -500.000 5.60 0.59 0.00 -600.000 -576.492 Thép C45 SiC-30Cu/Thép SiC-50Cu/Thép PTFE/SiC- PTFE/SiC- Thế ăn mòn Ecorrmòn ăn Thế 30Cu/Thép 50Cu/Thép -647.730 -700.000 -707.242 Hình 4.31. Dòng ăn mòn thép C45 trong dung dịch NaCl -800.000 -758.022 Hình 4.30. Thế ăn mòn thép C45 trong dung dịch NaCl Hai hệ lớp phủ là SiC-50Cu và PTFE/SiC-50Cu đều giảm mạnh dòng ăn mòn của thép C45 từ 9,44 xuống 5,6 và 0,59 µA/cm2, tương ứng. Sự giảm dòng ăn mòn này quy thành hiệu quả ức chế là 40,7% và 87,5%, tương ứng. 4.4.1.2 Phổ tổng trở điện hóa Hình 4.32 là phổ tổng trở Nyquist của thép nền C45, có thể nhận thấy là phổ thể hiện lớp điệnTitle tích kép giữa biên giới kim -Im(Z) vs. Re(Z) loại/dung dịch, như mô tả bởi mạch điện tương đương ở hình 3.12. NEN2.mpr # NEN2_zfit.mpp 300 250 200 150 -Im(Z)/Ohm 100 50 0 0 500 a) Re(Z)/Ohm b) Hình 4.32. Phổ tổng trở Nyquist của thép nền C45 (không có lớp phủ) trong dung dịch 3,5% NaCl Hình 4.33 và 4.34 là phổ của lớp phủ SiC-30Cu và SiC-50Cu trên nền thép trong dung dịch NaCl. Có thể thấy là phổ chỉ có 1 bán cung đại diện cho 1 cặp RC. Không thấy sự đóng góp của điện trở khuếch tán hay cặp RC của Rpore và Cdl. Điều này có thể giải thích là bởi độ xốp lớp phủ rất thấp (nhờ sự có mặt của bột Cu khi phun).
17. 15 a) b) Hình 4.33. Phổ tổng trở Nyquist của SiC-30Cu/C45 trong dung dịch 3,5% NaCl. Các điểm đo thực nghiệm (a) và giá trị làm khớp fitting theo sơ đồ mạch tương đương (b). Lop Phu SiC-50Cu/C45 SiC-50Cu.mpr -Im(Z) vs. Re(Z) 1,000 800 600 -Im(Z)/Ohm 400 200 0 0 1,000 2,000 3,000 Re(Z)/Ohm a) b) Hình 4.34. Phổ tổng trở Nyquist của SiC-50Cu/thép trong dung dịch 3,5% NaCl. Các điểm đo thực nghiệm (a); Giá trị khớp fitting theo sơ đồ mạch tương đương (b). Lop phu PTFE/SiC-50Cu Lop phu PTFE/SiC-50Cu PTFE+SiC-50Cu.mpr -Im(Z) vs. Re(Z) -Im(Z) vs. Re(Z) PTFE+SiC-50Cu.mpr # PTFE+SiC-50Cu_zfit.mpp 100,000 100,000 80,000 80,000 60,000 60,000 40,000 40,000 -Im(Z)/Ohm -Im(Z)/Ohm 20,000 20,000 0 0 0 100,000 200,000 300,000 0 200,000 Re(Z)/Ohm a) Re(Z)/Ohm b) Hình 4.36. Phổ tổng trở Nyquist của PTFE/SiC-50Cu trên nền thép trong dung dịch 3,5% NaCl. Các điểm đo thực nghiệm (a) và giá trị làm khớp fiting theo sơ đồ mạch tương đương (b) b) a) Hình 4.37. Phổ tổng trở Nyquist của PTFE/SiC-50Cu trên nền thép trong dung dịch 3,5% NaCl. Các điểm đo thực nghiệm (a) và giá trị làm khớp fiting theo sơ đồ mạch tương đương (b) Từ các kết quả phân tích phổ tổng trở thì bảng 4.19 mô tả giá trị các thông số điện hóa của hệ lớp phủ SiC-Cu trên nền thép C45 trong dung dịch NaCl 3,5%. Bảng4.19 . Các thông số điện hóa của hệ lớp phủ SiC-Cu /thép C45 trong dung dịch NaCl 3,5% Các thông số điện hóa (diện tích mẫu 1cm2) Mẫu (α - 1) Điện trở Rs(Ω) Điện dung Q(CPE/Cseal); (F.s ) Điện trở phân cực Rp (Ω) Thép C45 17.88 0.343E-3 (α = 0.7355) 1002 SiC-30Cu/Thép 15.84 0.01903 (α = 0.5642) 514.2 SiC-50Cu/Thép 32.13 18.8E-6 (α = 0.778 9) 3517 PTFE/SiC-30Cu/Thép 14.21 0.01235 (α = 0.5306) 576 PTFE/SiC-50Cu/Thép 32.4 50.13E-9 (α = 0.6345) 369.096 Hình 4.39. Điện trở phân cực của các mẫu thép C45 có và không có lớp phủ, sau 1 giờ ngâm mẫu trong dung dịch 3,5% NaCl.
18. 16 Hình 4.39 là giá trị điện trở phân cực của thép khi có hay không có các lớp phủ bảo vệ. Khi không có lớp phủ, điện trở phân cực thép C45 là 1002 Ω. Giá trị này tương ứng ở các lớp phủ SiC-30Cu và SiC-50Cu là 5142 Ω và 9517 Ω. Giá trị điện trở phân cực này tăng lên với hai hệ lớp phủ PTFE/SiC-30Cu và PTFE/SiC-50Cu, tương ứng với giá trị 210.584 Ω và 369.096 Ω. Các lớp phủ SiC-30Cu và SiC-50Cu, có giá trị điện trở phân cực nhỏ hơn là do độ xốp liên quan tới sự che chắn không đầy đủ. Các lỗ rỗng xốp giữa Cu và thép, quá trình ăn mòn galvanic diễn ra mạnh. Sự có mặt của PTFE kết hợp với lớp phủ SiC-50Cu làm tăng điện trở phân cực lên 370 lần so với thép C45, vậy lớp phủ PTFE/SiC-50Cu có khả năng bảo vệ tốt. 4.4.2. Tổn hao của lớp phun phủ SiC-Cu trên nền thép trong môi trường ăn mòn chứa axit HF Điều kiện thử dung dịch axit 10% HF/20% H2SO4 + hạt rắn SiC 0,2mm, nhiệt độ 70ºC, tốc độ quay 1000 v/ph Bảng 4.20. Tổn hao khối lượng mẫu phun phủ và nền thép C45 trong dung dịch axit 10% HF/20% H2SO4 Giảm khối lượng (mg)/cm2 Thời gian (giờ) C45 SUS 304 C45 phủ SiC-30Cu C45 phủ SiC-50Cu C45 phủ PTFE/SiC-30Cu C45phủ PTFE/SiC-50Cu I2 3605 705 57 43 19 14 24 3574 670 57 45 18 15 36 3644 687 56 48 17 13 48 3700 674 58 51 17 15 60 3755 725 57 45 16 14 72 3624 736 58 44 15 15 84 3674 747 56 46 17 14 96 3756 680 57 45 19 15 108 3742 700 58 44 17 13 120 3778 740 55 46 18 14 136 3704 735 59 46 19 14 Tổn hao tổng 42556 7809 628 503 192 156 Hình 4.41. Tổn hao khối lượng mẫu sau 136 giờ trong thiết bị thử mòn hỗn hợp, với dung dịch axit 10% HF/20% H2SO4 Theo hình 4.41 (được vẽ từ số liệu trong bảng 4.20) thì khối lượng thép không có lớp phủ giảm nhanh nhất. Tiếp đến là các mẫu được phủ SiC/Cu, các mẫu được thẩm thấu bọc bịt PTFE có mức độ giảm khối lượng rất thấp, thấp nhất là mẫu lớp phủ PTFE/SiC-50Cu là 156mg sau 136 giờ (bảng 4.20). Bản thân lớp phủ PTFE cũng được nhiều tác giả công bố về khả năng chống ăn mòn/mài mòn nhờ hệ số ma sát rất thấp và độ bền hóa chất rất cao. Vậy lớp phủ plasma khi khắc phục được rỗ xốp ngăn cách được quá trình thẩm thấu của môi trường xâm thực hóa học sẽ nâng cao hiệu quả bảo vệ chống ăn mòn Mẫu PTFE/SiC-50Cu/thép ít bị ăn mòn nhất (156mg). Đây chính là kết quả nghiên cứu của luận án nhằm: tạo ra lớp phủ plasma SiC-50Cu để bảo vệ chống ăn mòn cho thép làm việc trong môi trường a xít chứa flo. Kết luận chương 4. - Việc phun tạo lớp phủ đơn SiC bằng plasma là rất khó khăn, không khả thi. - Vai trò của đồng trong thành phần bột SiC-Cu là chất liên kết tạo điều kiện tốt cho quá trình hình thành lớp phủ. Sự có mặt của đồng (Cu) có tác dụng: Hạ nhiệt độ phun để giảm sự phân hủy SiC; tăng Độ bền bám dính với nền. - Với lớp phủ plasma SiC-Cu xác định được thông số bột: Kích thước hạt W và tỷ lệ phối trộn H tạo được lớp phủ có hàm lượng SiC và chiều dầy cần thiết để nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ phun đến các tính chất về lớp phủ. - Kết quả cho thấy với lớp phủ compozit SiC/Cu (SiC-30Cu và SiC-50Cu với cỡ hạt SiC và Cu tương ứng: SiC khoảng 40 - 50 m; Cu từ 20 - 30 m) trên thép nền C45 trong khí bảo vệ đạt chiều dày cần thiết (> 200 µm) và hàm lượng SiC trong lớp phủ thu được đạt từ 56,4% đến 68,7% (Bảng 4.12). - Kết quả thu được từ các phương pháp thí nghiệm ăn mòn cho thấy lớp phủ SiC-50Cu hay PTFE/SiC-50Cu có khả năng bảo vệ chống ăn mòn động học tốt nhất trong môi trường axit chứa flo (môi trường chứa HF).
19. 17 Chương 5. XÁC ĐỊNH BỘ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ PHUN PLASMA SiC-50Cu TRÊN NỀN THÉP C45 5.1. Xác lập kế hoạch thực nghiệm phun phủ plasma SiC- 50Cu trên nền thép C45 đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới chất lượng lớp phủ. Để xác lập được chế độ hợp lý cho phun phủ plasma SiC-50Cu cần thiết lập thực nghiệm theo quy hoạch thực nghiệm Taguchi [96] về sự ảnh hưởng của 3 thông số công nghệ chính là cường độ dòng điện (I), khoảng cách phun (L), tốc độ cấp bột (M) tới các chỉ tiêu chất lượng của lớp phủ là: Độ bền bám dính: (MPa); độ xốp: (%); Độ cứng tế vi: D(HV) và hàm lượng SiC trong lớp phủ: H(%). Các yếu tố công nghệ khác lấy như bảng 5.1 Bảng 5.1. Các thông số chọn cố định trong nghiên cứu thực nghiệm plasma SiC-Cu trên nền thép. Thông số Phun SiC-Cu Điện áp, V 58 Tốc độ dòng khí sơ cấp (Ar), L/phút 35 Tốc độ dòng khí thứ cấp (khí H2), L/phút 12 Tốc độ dòng khí mang (Ar), L/phút 2 Kích thước hạt, m 50 (SiC); 30 (Cu) Tỷ lệ trộn bột, % Cu (theo khối lượng) (SiC – 50%Cu) Trên cơ sở lý thuyết và kết quả nghiên cứu thăm dò, chọn các mức khảo sát cho 3 yếu tố như bảng 5.2 Bảng 5.2. Mức các thông số công nghệ đánh giá cơ tính lớp phủ plasma SiC-Cu trên nền thép C45. Các mức STT Thông số Mức 1 Mức 2 Mức 3 1 Cường độ dòng điện I (A) 350 400 450 2 Khoảng cách phun L (mm) 40 50 60 3 Tốc độ cấp bột M(g/min) 30 40 50 Bảng 5.3. Kết quả đo trong mảng thí nghiệm trực giao toàn phần 33 Thông số công nghệ Chỉ tiêu đánh giá TT I (A) L(mm) M (g/min)  (MPa)  (%) D (HV) H(%) 1 350 40 30 37,98 1,38 269 45 2 350 40 40 39,20 1,40 257 47 3 350 40 50 38,60 3,92 243 50 4 350 50 30 36,10 1,46 358 65 5 350 50 40 35,40 1,54 350 79 6 350 50 50 34,80 1,98 341 78 7 350 60 30 31,50 3,44 443 61 8 350 60 40 29,80 3,88 434 68 9 350 60 50 30,70 3,96 420 54 10 400 40 30 29,40 2,10 440 73 11 400 40 40 29,20 2,00 438 61 12 400 40 50 29,20 2,20 442 58 13 400 50 30 36,10 1,28 302 58 14 400 50 40 36,00 1,29 307 65 15 400 50 50 32,30 2,10 298 56 16 400 60 30 39,00 2,40 340 59 17 400 60 40 38,20 2,56 338 67 18 400 60 50 34,00 3,82 308 62 19 450 40 30 40,16 4,10 348 61 20 450 40 40 40,00 4,15 334 60 21 450 40 50 38,23 4,48 311 58 22 450 50 30 39,00 4,02 318 61 23 450 50 40 38,40 4,27 322 58 24 450 50 50 34,80 4,37 305 56 25 450 60 30 29,90 4,54 298 56 26 450 60 40 29,50 4,72 291 52 27 450 60 50 28,30 4,71 280 49
20. 18 5.2. Ảnh hưởng của các thông số đến Độ bền bám dính lớp phủ Bảng 5.4. Kết quả phân tích ANOVA ảnh hưởng của các thông số đến độ bền bám dính Nguồn DF SS MS F P I (A) 2 13,09 6,546 0,42 0,665 L (mm) 2 73,71 36,856 2,35 0,121 M (g/min) 2 20,80 10,400 0,66 0,527 Trong đó: DF (Degree of Freedom)- số bậc tự do; SS (Sum of Squares): tổng các bình phương; MS (Mean of Squares)- trung bình cộng các bình phương; F- giá trị giới hạn khi kiểm định; P- giá trị xác suất. Hình 5.1. Ảnh hưởng các thông số đến độ bền bám dính. Khoảng cách phun L ảnh hưởng lớn nhất đến độ bền bám dính (F=2,35), sau đó là tốc độ cấp bột M (F=0,66) và ít ảnh hưởng là cường độ dòng điện I (F=0,42). Kết quả này cũng tương đồng với kết quả phân tích ở trên. Bảng 5.5. Kết quả giải bài toán tối ưu tìm các thông số công nghệ theo chỉ tiêu độ bền bám dính Giá trị thông số công nghệ Giá trị hợp lý của  (MPa) Kỳ vọng I (A) L(mm) M (g/phút) 450 50 30 37,387 0,766 Hình 5.2. Đồ thị quan hệ ứng suất bám dính theo L và M. Hình 5.3. Đồ thị quan hệ ứng suất bám dính theo I và M. Hình 5.4. Đồ thị quan hệ ứng suất bám dính theo I và L.
21. 19 Nhận xét ảnh hưởng của chế độ phun plasma đến độ bền bám dính lớp phủ: - Ảnh hưởng của cường độ dòng điện I: Ảnh hưởng của cường độ dòng điện I đến độ bền bám dính được xếp thứ 3 trong số 3 thông số. Khi I= tăng từ 350 A đến 400 A, độ bền bám dính có xu hướng giảm, còn khi I = tăng từ 400 A đến 450 A, độ bền bám dính có xu hướng tăng. Như vậy, cường độ dòng điện cho độ bền bám dính tốt hơn, giá trị hợp lý của cường độ dòng điện để đạt được độ bền bám dính cao là I=450 A (bảng 5.5). - Ảnh hưởng của khoảng cách phun L: Ảnh hưởng của khoảng cách phun L đến độ bền bám dính được xếp thứ 1 trong số 3 thông số. Khi L tăng từ 40 mm đến 50 mm, độ bền bám dính tăng, còn khi L tăng từ 50 mm đến 60 mm, độ bền bám dính giảm nhanh. Khoảng cách phun L từ 40 ÷ 50 mm cho kết quả tốt hơn đối với chỉ tiêu độ bền bám dính. Giá trị hợp lý của L để đạt được độ bền bám dính cao là L=50 mm (bảng 5.2), khi đó hàm lượng SiC trong lớp phủ cũng cao trên 60%. - Ảnh hưởng của tốc độ cấp bột M: Ảnh hưởng của tốc độ cấp bột M đến độ bền bám dính được xếp thứ 2. Khi M tăng từ 30 g/phút đến 50 g/phút, độ bền bám dính có xu hướng giảm ngày càng mạnh. Như vậy, tốc độ cấp bột trung bình cho độ bền bám dính tốt hơn, tốc độ cấp bột để đạt được độ bền bám dính cao là M=30 g/phút. Giá trị của 3 thông số công nghệ để cho độ bền bám dính cao và hàm lượng SiC trong lớp phủ tốt là: I = 450A; L = 50mm; M = 30g/ph 5.3. Ảnh hưởng của các thông số đến độ xốp lớp phủ Sử dụng phần mềm MATLAB đối với chỉ tiêu độ xốp thu được hàm hồi quy:  =70,3 + 0,00064ILMILLM + 0,03 + 0,72 − 0,002 . − 0,015 . (5.4) −0,0021IMILMILM . + 0,000642 + 0,008 2 + 0,003 2 + 0,0000345 . . Bảng 5.6. Kết quả phân tích ANOVA ảnh Bảng 5.7. Bảng kết quả giải bài toán tối ưu hưởng của các thông số đến độ xốp tìm các thông số công nghệ hợp lý theo chỉ Seq Adj Adj p- tiêu độ xốp Nguồn DF F SS SS MS value Nguồn DF SS MS F P I (A) 2 13,09 6,546 0,42 0,665 13,09 I (A) 2 95,21 95,21 47,607 1,14 L (mm) 2 73,71 36,856 2,35 0,121 73,71 L (mm) 2 23,42 23,42 11,708 0,28 Hình 5.5. Ảnh hưởng các thông số M (g/min) 2 20,80 10,400 0,66 0,527 20,80 M (g/min) 2 11,25 11,25 5,625 0,13 đến độ xốp. Kết quả phân tích ANOVA cho thấy, cường độ dòng điện I ảnh hưởng lớn nhất đến độ xốp (F=47,607), sau đó là khoảng cách phun L (F=11,708) và ít ảnh hưởng nhất là tốc độ cấp bột M (F=5,625). Giải bài toán tối ưu tìm giá trị hợp lý của các thông số công nghệ tới chỉ tiêu độ xốp với mục tiêu độ bền bám dính càng nhỏ càng tốt được được kết quả như bảng 5.8. Bảng 5.8. Bảng kết quả giải bài toán tối ưu tìm các thông số công nghệ theo chỉ tiêu độ bền bám dính Giá trị thông số công nghệ Giá trị hợp lý của  (%) Kỳ vọng I (A) L(mm) M (g/phút) 400 50 30 1,7 36,92 Từ kết quả thực nghiệm trên bảng 5.3 và phương trình quy hoạch thực nghiệm (5.4) vẽ được các đồ thị quan hệ độ xốp với từng cặp thông số công nghệ được thể hiện trên hình 5.6 ÷ 5.8. Hình 5.6. Đồ thị quan hệ độ xốp theo L và M.
22. 20 Hình 5.7. Đồ thị quan hệ độ xốp theo I và M. Hình 5.8. Đồ thị quan hệ độ xốp theo I và L. Nhận xét ảnh hưởng của chế độ phun plasma đến độ xốp lớp phủ: - Ảnh hưởng của cường độ dòng điện I: Ảnh hưởng của cường độ dòng điện I đến độ xốp được xếp thứ 1 trong số 3 thông số. Khi tăng khoảng cách phun L từ 40- 60 mm độ xốp có xu hướng tăng sau đó giảm chậm; khi I=400 A thì khi tăng khoảng cách phun 40 ÷ 60 mm độ xốp giảm sau đó tăng chậm. M tăng từ 30-50 g/phút, độ xốp giảm sau đó tăng. Khi: I = 400A, L= 50 mm và M= 40g/phút cho độ xốp nhỏ hơn. Khi I= tăng từ 350 A đến 400 A, độ xốp giảm chậm, còn khi I = tăng từ 400 A đến 450 A, độ xốp tăng nhanh. Giá trị hợp lý của cường độ dòng điện để có độ xốp tốt là I=400 A - Ảnh hưởng của khoảng cách phun L: Ảnh hưởng của khoảng cách phun L đến độ xốp được xếp thứ 2 trong số 3 thông số. Khi L tăng từ 40 mm đến 50 mm, độ xốp có giảm, còn khi L tăng từ 50 mm đến 60 mm, độ xốp tăng nhanh. Điều này cho thấy, khoảng cách phun L từ 40-50 mm cho kết quả tốt hơn đối với chỉ tiêu độ xốp. Giá trị hợp lý của khoảng cách phun để đạt được độ xốp cao là L=50 mm (bảng 5.8), khi đó hàm lượng SiC trong lớp phủ cũng ở mức cao trên 60%. - Ảnh hưởng của tốc độ cấp bột M: Ảnh hưởng của tốc độ cấp bột M đến độ xốp được xếp thứ 2, độ xốp càng nhỏ càng tốt. Khi tăng cường độ dòng điện I từ 350-450A độ xốp đều có xu hướng tăng sau đó giảm; Độ xốp nhỏ hơn khi M=30g/phút. Khi M tăng từ 30 g/phút đến 50 g/phút, độ xốp có xu hướng tăng. Giá trị hợp lý của 3 thông số công nghệ để cho độ xốp cao và hàm lượng SiC trong lớp phủ tốt. I = 400A; L = 50mm; M = 30g/ph 5.4. Ảnh hưởng của các thông số đến Độ cứng tế vi lớp phủ Sử dụng phần mềm MATLAB đối với chỉ tiêu Độ cứng tế vi thu được hàm hồi quy: DILMILLM= −3340 + 16,1 + 18,7 + 1,34 − 0,105 . + 0,027 . (5.5) +0,0043IMILMILM . − 0,0142 + 0,241 2 + 0,044 2 − 0,0000937 . .
23. 21 Bảng 5.9. Kết quả phân tích ANOVA Bảng 5.10. Bảng kết quả giải bài toán tối ảnh hưởng của các thông số đến Độ ưu tìm các thông số công nghệ theo chỉ tiêu cứng tế vi Độ cứng tế vi D Giá trị Nguồn Giá trị thông số công nghệ F SS MS F P hợp lý Kỳ M I (A) 2 9974 4987,1 1,28 0,301 I (A) L(mm) của  vọng L (mm) 2 3728 1864,1 0,48 0,628 (g/phút) (HV) Hình 5.9 Ảnh hưởng các thông 400 50 30 376,78 0,69 số đến Độ cứng tế vi M (g/min) 2 1681 840,3 0,21 0,808 Từ kết quả này cho thấy, cường độ dòng điện I ảnh hưởng lớn nhất đến Độ cứng tế vi (F=1,28), sau đó là khoảng cách phun L (F=0,48) và ít ảnh hưởng nhất là tốc độ cấp bột M (F=0,21). Hình 5.10. Đồ thị quan hệ Độ cứng tế vi theo L và M. Hình 5.11. Đồ thị quan hệ Độ cứng tế vi theo I và M. Hình 5.12. Đồ thị quan hệ Độ cứng tế vi theo I và L. Nhận xét ảnh hưởng của chế độ phun plasma đến Độ cứng tế vi lớp phủ: - Ảnh hưởng của cường độ dòng điện I: Cường độ dòng điện I ảnh hưởng chính đến Độ cứng tế vi lớp phủ. Khoảng giá trị nghiên cứu I=[350,400,450] A. Phân tích ANOVA, khi I tăng từ 350A đến 400A, Độ cứng tế vi tăng chậm, còn khi I tăng từ 400A đến 450A, Độ cứng tế vi giảm nhanh. Giá trị hợp lý của cường độ dòng điện để đạt được Độ cứng tế vi cao là I=400A (bảng 5.10). - Ảnh hưởng của khoảng cách phun L: Ảnh hưởng của khoảng cách phun L đến Độ cứng tế vi được xếp thứ 2 trong số 3 thông số. Kết quả phân tích ANOVA cho thấy, L tăng từ 40 mm đến 50 mm, Độ cứng tế vi giảm, còn khi L tăng từ 50 mm đến 60 mm, Độ cứng tế vi tăng nhanh. Điều này cho thấy, khoảng cách phun L>50 mm cho kết quả tốt hơn đối với Độ cứng tế vi. Như vậy, khoảng cách phun cho Độ cứng tế vi tốt hơn là L=50 mm (bảng 5.10), khi đó hàm lượng SiC trong lớp phủ cũng ở mức cao trên 60%.
24. 22 - Ảnh hưởng của tốc độ cấp bột M: Khi M tăng từ 30 g/phút đến 50 g/phút, Độ cứng tế vi có xu hướng giảm. Như vậy M thấp cho Độ cứng tế vi tốt hơn, giá trị tốc độ cấp bột để đạt được Độ cứng tế vi cao là M=30 g/phút (bảng 5.10). Như vậy khoảng cách phun ảnh hưởng lớn nhất đến cơ tính lớp phủ, sau đó đến I và M. Giá trị hợp lý của I, L, M là: I=400A, L=50mm và M=30g/phút. 5.5. Ảnh hưởng của các thông số đến hàm lượng SiC trong lớp phủ Sử dụng phần mềm MATLAB để giải hệ phương trình hồi quy đối với chỉ tiêu tỷ lệ SiC: HILMILLM= −1060 + 3,65 + 11,8 + 9,18 − 0,0175 . − 0,077 . (5.6) −0,013IMILMILM . − 0,00332 − 0,046 2 − 0,0462 2 + 0,000176 . . Bảng 5.11. Kết quả phân tích ANOVA Bảng 5.12. Bảng kết quả tối ưu tìm các ảnh hưởng của các thông số đến hàm thông số công nghệ theo chỉ tiêu hàm lượng SiC trong lớp phủ lượng SiC trong lớp phủ Nguồn DF SS MS F P Giá trị thông số Giá I (A) 2 338,7 169,33 2,03 0,158 Kỳ I L M trị của vọng L (mm) 2 134,0 67,00 0,80 0,462 (A) (mm) (g/phút) H (%) M 2 134,2 67,11 0,80 0,462 Hình 5.13. Ảnh hưởng các thông số đến 400 50 40 71,55 0,676 (g/min) hàm lượng SiC trong lớp phủ. Cường độ dòng điện I ảnh hưởng lớn nhất đến hàm lượng SiC trong lớp phủ (F=2,03), còn khoảng cách phun L (F=0,67) và tốc độ cấp bột M (F=0,67) có cùng mức ảnh hưởng đến hàm lượng SiC trong lớp phủ. Hình 5.14. Đồ thị quan hệ hàm lượng SiC trong lớp phủ theo L và M. Hình 5.15. Đồ thị quan hệ hàm lượng SiC trong lớp phủ theo I và M. Hình 5.16. Quan hệ hàm lượng SiC trong lớp phủ theo I và L.
25. 23 Nhận xét ảnh hưởng của chế độ phun plasma đến hàm lượng SiC trong lớp phủ: Ảnh hưởng của cường độ dòng điện I đến hàm lượng SiC trong lớp phủ được xếp thứ 1 sau đó đến L và M. Khoảng cách phun L và tốc độ cấp bột M ảnh hưởng tương đối mạnh đến hàm lượng SiC trong lớp phủ. Đồ thị 5.14 ÷ 5.16 cho thấy, khi I tăng từ 350 A đến 450 A thì khi tăng khoảng cách phun L từ 40-60 mm và M từ 30 đến 50 g/phút, hàm lượng SiC trong lớp phủ cơ bản theo quy luật tăng sau đó giảm. Phân tích ANOVA, trong khoảng I tăng từ 350A đến 400A, L tăng từ 40 đến 50 mm, M tăng từ 30 đến 40 g/phút, hàm lượng SiC trong lớp phủ có xu hướng tăng, còn khi I tăng từ 400A đến 450A, L tăng từ 50 đến 60 mm, M tăng từ 40 đến 50 g/phút, hàm lượng SiC trong lớp phủ giảm. Giá trị cường độ dòng điện để đạt được hàm lượng SiC trong lớp phủ cao là: I=400A, L=50 mm và M = 40 g/phút’ 5.6. Đánh giá chung về ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng lớp phủ SiC-50Cu để chống mòn trong môi trường thực nghiệm Để xác định thông số công nghệ đồng thời đạt được độ bền bám dính càng cao càng tốt, độ xốp càng nhỏ càng tốt, độ cứng càng cao càng tốt và hàm lượng SiC trong lớp phủ ≥ 60%, sử dụng phần mềm MINITAB giải bài toán phân tích tích tối ứu đồng thời 4 chỉ tiêu đối với 3 thông số công nghệ trong vùng khảo sát thu được kết quả hợp lý của các thông số công nghệ như bảng 5.13. Bảng 5.13. Bảng kết quả giải bài toán tối ưu tìm các thông số công nghệ hợp lý với đồng thời bốn chỉ tiêu (   D và H) Giá trị thông số công nghệ Giá trị hợp lý của các chỉ tiêu Độ tương quan I (A) L(mm) M (g/phút)  (MPa)  (%) D (HV) H(%) 416,484 46,514 32,625 37,472 2,153 346,3 61,73 0,898 Kết quả này có nghĩa là, khi sử dụng công nghệ phun phủ plasma tạo lớp phủ cácbít silíc SiC-50Cu trên nền thép C45 để bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường axít chứa flo, giá trị hợp lý của các thông số công nghệ I, L, M cho cả nhóm chỉ tiêu cơ tính (3 chỉ tiêu) và chỉ tiêu chống mòn (hàm lượng SiC trong lớp phủ ≥60%) là: I=416,484 A, L=46,514mm và M=32,625g/phút. Làm tròn xác dịnh bộ thông số công nghệ sử dụng cho phun phủ plasma SiC- 50Cu I=416A, L=45mm và M=32 g/phút. Kết luận chương 5 - Chọn phương pháp quy hoạch trực giao toàn phần để thiết kế thực nghiệm để xác định và tối ưu hóa các thông số phun ảnh hưởng đến tính chất của lớp phủ. Xác định được mức độ ảnh hưởng thông số công nghệ phun (I, L, M) đến tính chất lớp phủ. - Đối với chỉ tiêu độ bền bám dính: Khoảng cách phunn L ảnh hưởng lớn nhất đến độ bền bám dính, tiếp tới là tốc độ cấp bột M và ít ảnh hưởng nhất là cường độ dòng điện I. Tại vùng giá trị của 3 thông số công nghệ, Khoảng cách phunn trung bình, tốc độ cấp bột thấp và cường độ dòng điện cao cho độ bền bám dính cao hơn. Thông số công nghệ để cho độ bền bám dính cao là: I = 450A; L = 50mm; M = 30g/phút. - Đối với chỉ tiêu độ xốp: cường độ dòng điện I ảnh hưởng lớn nhất đến độ xốp, sau đó là Khoảng cách phunn L và ít ảnh hưởng hơn là tốc độ cấp bột M. Với mục tiêu độ xốp lớp phủ càng nhỏ càng tốt, thì Khoảng cách phunn trung bình cho độ xốp nhỏ, cường độ dòng điện và tốc độ cấp bột thấp hơn lại cho độ xốp nhỏ hơn. Thông số công nghệ để đồng thời đạt được độ xốp thấp nhất và độ bền bám dính cao nhất là: I = 356,878A; L = 52,711 mm; M = 30g/phút. - Đối với chỉ tiêu độ cứng: cường độ dòng điện ảnh hưởng lớn nhất đến chỉ tiêu cơ tính độ cứng của lớp phủ, Khoảng cách phunn ít ảnh hưởng hơn và tốc độ cấp bộ độ ảnh hưởng ít nhất. Khoảng cách phunn trung bình trong vùng nghiên cứu cho độ cứng cao, trong khi cường độ dòng điện và tốc độ cấp bột thấp hơn lại cho độ cứng tốt hơn. Thông số công nghệ để đồng thời đạt được độ xốp thấp nhất, độ bền bám dính và độ cứng cao nhất là: I=382A, L=53,884mm và M=33,182g/phút. - Về hàm lượng SiC trong lớp phủ: cường độ dòng điện I ảnh hưởng lớn nhất, còn Khoảng cách phunn L và tốc độ cấp bột M mức ảnh hưởng tương dương. Vùng giá trị trung bình của 3 thông số cho hàm lượng SiC trong lớp phủ cao nhất. Thông số công nghệ để cho độ bền bám dính cao là: I =400A, L=50mm và M=40g/phút. - Ảnh hưởng của các thông số công nghệ I, L, M đồng thời đến nhóm chỉ tiêu cơ tính (3 chỉ tiêu) và chỉ tiêu chống mòn (hàm lượng SiC trong lớp phủ ≥60%) trong phun phủ plasma SiC-50Cu tạo lớp phủ cácbít silíc trên nền thép C45, xác định được bộ thông số công nghệ là: I=416A, L=45mm và M=32 g/phút.
26. 24 KẾT LUẬN CHUNG 1. Đây là công trình đầu tiên tại Việt Nam nghiên cứu thành công công nghệ tạo lớp phủ plasma SiC/Cu lên bề mặt thép. 2. Xác định được thông số bột hợp lý (tỷ lệ phối trộn, kích thước hạt SiC, Cu) và chế tạo thành công lớp phủ SiC-30Cu; SiC-50Cu trên nền thép C45 bằng phương pháp phun phủ plasma với chiều dầy cần thiết (200 µm) và thành phần SiC cao đến 71%. 3. Cải tiến phương pháp công nghệ phun plasma: Thiết kế chế tạo chụp khí Ar bảo vệ luồng phun plasma dẫn tới khi phun lên nền thép C45 với SiC-30Cu và SiC-50Cu đạt được các chỉ tiêu chất lượng lớp phủ: - Chiều dày lớp phủ: 204,67 ± 26,5 µm và 220 ± 20,5 µm. - Độ xốp thấp: 1,4% . - Thành phần SiC trong lớp phủ đạt được: 53%. Hoàn thiện lớp phủ SiC/Cu trên bề mặt thép bằng thẩm thấu PTFE để khắc phục rỗ xốp nâng cao khả năng bảo vệ chống ăn mòn. 4. Thiết kế, chế tạo được bộ thiết bị kiểm tra mòn hỗn hợp theo điều kiện thực tế (tốc độ khấy mẫu trong hạt mài 1000 v/ph; hỗn hợp axit 10% HF; 20% H2SO4 ở nhiệt độ 70ºC) để đưa ra phương pháp đánh giá mòn tổng hợp cho sự giảm trọng lượng theo thời gian. 5. Kết quả đo khả năng bảo vệ chống ăn mòn cho thép C45 khi sử dụng dung dịch 3,5% NaCl của các hệ lớp phủ compozit SiC-Cu khi có hay không có thẩm thấu PTFE cho thấy hai hệ lớp phủ là SiC-50Cu và PTFE/SiC-50Cu đều giảm mạnh dòng ăn mòn của thép C45 từ 9,44 xuống 5,6 và 0,59 µA/cm2. Với lớp phủ có thẩm thấu PTFE/SiC-50Cu làm tăng điện trở phân cực của thép C45 lên gần 370 lần, điều này làm tăng hiệu quả bảo vệ chống ăn mòn. 6. Kết quả đo tổn hao khối lượng sau 136 giờ thử nghiệm trong điều kiện thiết bị thử mòn hỗn hợp cho thấy các mẫu thử SiC-50Cu/thép hay PTFE/SiC-50Cu/thép có khối lượng tổn hao rất thấp tương ứng là 503 mg và156mg, thấp hơn nhiều so với thép không gỉ SUS304 (7809mg). 7. Đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm bằng phương pháp quy hoạch trực giao toàn phần 3^3 để đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ phun I, L, M đến các chỉ tiêu chất lượng lớp phủ và hàm lượng SiC trong lớp phủ. Phân tích, xác định được các hàm hồi quy thực nghiệm cho phép đánh giá được ảnh hưởng của các thông số công nghệ I, L, M đến từng chỉ tiêu và nhóm chỉ tiêu. Xác lập được bộ thông số công nghệ cho phun phủ plasma tạo lớp phủ SiC-50Cu đồng thời đạt được độ bền bám dính cao, độ xốp thấp, độ cứng và hàm lượng SiC trong lớp phủ cao là: I=416A, L=45mm và M=32 g/phút. 8. Lớp phủ plasma PTFE/SiC-50Cu là lớp phủ có thể ứng dụng để bảo vệ chống ăn mòn cho thép C45 trong môi trường axit chứa flo. DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 1. Ngô Xuân Cường, Lê Thu Quý, Đỗ Quang Chiến, Nguyễn Anh Dũng, Lê Đăng Thắng, Phạm Văn Quế, Lớp phủ SiC bảo vệ chống ăn mòn, Tạp chí cơ khí Việt Nam, số 10 (2017), trang 81-85 2. Tuan Anh Nguyen, Phuong nguyen Tri, Pascal Carriere, Cuong Ngo Xuan. Nanocomposte Coatings: Preparation, Characterization, Properties and Applications. International Journal of Corrosion, January 2018. ISI 3. Cuong Ngo Xuan, Ha Tuan Nguyen, Quy Le Thu, Tuan Anh Nguyen, Fabrication of Plasma Sprayed SiC-Cu Cermet Coatings, Kenkyu Journal of Nanotechnology & Nanoscience 6:15-33 (2020) 4. Ngô Xuân Cường, Lê Thu Quý, Nguyễn Văn Tuấn, Nguyễn Thị Phượng, Nguyễn Hà Tuấn, Nguyễn Tuấn Anh, Nghiên cứu chế tạo lớp phủ plasma SiC-Cu thẩm thấu PTFE để chống ăn mòn cho thép, Tạp chí cơ khí Việt Nam, số 1+2 (2021), trang 145-151 5. Ngô Xuân Cường, Lê Thu Quý, Nguyễn Tuấn Anh, Ứng dụng lớp phủ plasma SiC-50Cu để bảo vệ chống mòn cho quạt công nghiệp và bơm hóa chất, Báo cáo khoa học tại hội nghị khoa học toàn quốc về máy thủy khí và hệ thống tự động hóa 2021, Phần 4, Thiết bị kỹ thuật thủy khí công nghiệp, trang 400.