- LÊ ĐĂNG THẮNG CÔNG NGHỆ HÀN NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ PLASMA TẠO LỚP PHỦ CERAMIC CÁCH NHIỆT CÁC CHI TIẾT MÁY LÀM VIỆC TRONG ĐIỀU KIỆN ÁP SUẤT VÀ NHIỆT ĐỘ CAO LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT CƠ KHÍ KHOÁ 2015B Hà Nội – Năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI. - LÊ ĐĂNG THẮNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ PLASMA TẠO LỚP PHỦ CERAMIC CÁCH NHIỆT CÁC CHI TIẾT MÁY LÀM VIỆC TRONG ĐIỀU KIỆN ÁP SUẤT VÀ NHIỆT ĐỘ CAO Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ HÀN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS,TS Nguyễn Thúc Hà Hà Nội – Năm 2017 "Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao" 1 MỤC LỤC MỤC LỤC. - 9 1.1 Công nghệ phủ bảo vệ bề mặt. - 9 1.2 Công nghệ phủn phủ nhiệt. - 11 1.3 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng công nghệ phun phủ plasma tạo lớp phủ cách nhiệt ở nước ngoài và trong nước. - 23 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ PLASMA TẠO LỚP LÓT CHO LOA PHỤT ĐỘNG CƠ TÊN LỬA. - 24 2.1 Điệu kiện làm việc loa phụt động cơ tên lửa đường kính trong185 mm. - 24 2.2 Công nghệ phun plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt. - 29 2.1.3 Kỹ thuật phun phủ plasma. - 33 2.1.4 Đặc điểm áp dụng trong các biên dạng phun phủ. - 34 2.2.2 Lựa chọn vật liệu phủ cách nhiệt. - 36 2.3 Đặc tính làm việc của lớp phủ trên các nền kim loại khác nhau. - 43 2.3.1 Các lớp phủ chịu nhiệt trên bề mặt làm việc của loa phụt động cơ tên lửa. - 43 2.3.2 Đặc điểm của lớp phủ ZrO2 với nền kim loại là Fe, W và Mo. - 45 "Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao" 2 2.4 Bài toán lực tác động và bài toán cách nhiệt. - 45 2.4.1 Tính toán lực tác động của dòng khí tác dụng bề mặt loa phụt. - 45 2.4.2 Tính toán khả năng cách nhiệt của lớp phủ. - 51 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM. - 52 3.2 Phun phủ trên các mẫu thử, đánh giá kết quả thử nghiệm. - 53 3.2.1 Các tiêu chí lựa chọn chế độ phun phủ. - 55 3.2.3 Quy trình công nghệ phun thực nghiệm trên các mẫu thử. - 65 3.3 Quy trình công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt trong loa phụt động cơ tên lửa. - 72 3.3.1 Chế độ công nghệ. - 72 3.3.2 Quy trình công nghệ phun phủ plasma tạo lớp bảo vệ ZrO2 trên bề mặt loa phụt. - 73 3.3.3 Thực nghiệm phun phủ lớp bảo vệ nhiệt lên bề mặt loa phụt động cơ tên lửa. - 80 "Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao" 3 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1: Ứng dụng công nghệ phủn phủ nhiệt trong phục hồi chi tiết máy. - 9 Hình 2: Trường nhiệt độ và chiều dày lớp phủ bề mặt của một số công nghệ phủ bảo vệ bề mặt hiện nay [6. - 11 Hình 3: Công nghệ phun phủ nhiệt. - 11 Hình 4: Cấu tạo của lớp phủ kim loại. - 12 Hình 5: Sơ đồ hệ thống hồ quang dây. - 13 Hình 6: Sơ đồ hệ thống phun bột hồ quang khí cháy. - 13 Hình 7: Sơ đồ hệ thống phun dây hồ quang hai dây. - 15 Hình 10: Sự so sánh về nguồn nhiệt và động năng hạt của các phương pháp phun phủ [6. - 16 Hình 11: Cấu tạo chung của động cơ tên lửa. - 19 Hình 12: Buồng đốt Vympel R27 được phủ lớp ceramic cách nhiệt màu trắng. - 20 Hình 13: Loa phụt động cơ phản lực F100 của Mỹ. - 21 Hình 14: Loa phụt động cơ tên lửa dạng ống Lavan [10. - 33 Hình 17: Đặc điểm áp dụng trên các loại bê mặt chi tiết đối với công nghệ phun phủ plasma. - 35 Hình 18: Lớp phủ bề mặt ZrO2 và lớp lót Niken [2. - 44 Hình 19: Chu trình nhiệt động động cơ tên lửa. - 46 "Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao" 4 Hình 21: Sơ đồ khối quy trình thực hiện. - 65 Hình 25: Các mẫu thí nghiệm sau khi hoàn thành lớp phủ bảo vệ. - 65 Hình 26: Mẫu thử độ bám dính bề mặt. - 70 Hình 31: Quá trình thử nghiệm nhiệt độ. - 71 Hình 32: Quá trình hạ nhiệt độ mẫu thử nhiệt. - 71 Hình 33: Phun lớp phủ ceramic cách nhiệt trên sản phẩm loa phụt động cơ tên lửa. - 77 Hình 34: Loa phụt sau khi được phủ lớp phủ ZrO2 - 8Y2O3. - 78 "Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao" 5 DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Các loại công nghệ phủ bảo vệ bề mặt đang sử dụng hiện nay [6. - Đặc tính vật lý bề mặt các loại vật liệu [2. - 45 Bảng 10: Bảng lựa chọn thông số chế độ phun phủ đối với loại súng SG 100 [5. - 57 Bảng 11: Kết quả đo các mẫu thử độ bám dính bề mặt. - 68 "Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao" 6 LỜI CAM ĐOAN Trong quá trình thực hiện nhiệm vụ luận văn tốt nghiệp, học viên Lê Đăng Thắng đã nhận được nhiệm vụ nghiên cứu với tiêu đề tiếng Việt: “Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao”, tiêu đề tiếng Anh là: “Research of plasma thermal spraying technology to make the ceramic coating layer used in high pressure and temperature condition”. - Tác giả xin cam đoan kết quả nghiên cứu của bài luận văn này không vi phạm bản quyền của bất cứ tài liệu nào. - Xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS,TS Nguyễn Thúc Hà – Bộ môn Hàn và Công nghệ Kim loại – Viện Cơ khí– trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã luôn và định hướng nghiên cứu cho tác giả hoàn để thành bài luận này. - Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao 7 MỞ ĐẦU Mỗi chi tiết máy có những yêu cầu kỹ thật khác nhau làm việc trong những điều kiện khác nhau. - Những nguyên nhân chính gây hỏng của các chi tiết máy thường là : độ bền mỏi (quá trình làm việc lâu của chi tiết trong điều kiện chịu lực cao), ăn mòn hóa học (do môi trường làm việc của chi tiết máy mà bề mặt liên tục phải tiếp xúc với các chất hóa học có khả năng ăn mòn cao), ăn mòn cơ học (gây ra do hiện tượng ma sát tại các bề mặt tiếp xúc với nhau), nhiệt độ làm việc quá cao gây ra hiện tượng ô xy hóa bề mặt chi tết… Để nâng cao độ bền và tuổi thọ của chi tiết và kết cấu, nhiều giải pháp đã được đưa ra: gia công nhiệt để cải thiện các tính chất của vật liệu. - sản xuất vật liệu mới và hợp kim. - Trong nhiều trường hợp, bề mặt vật liệu được phủ một lớp bảo vệ chống ăn mòn, mài mòn và chịu nhiệt. - Một vấn đề được đặt ra kèm theo yêu cầu nâng cao tuổi thọ chi tiết máy là hiệu suất sử dụng của các loại máy. - Hiệu suất nguồn động lực của các động cơ như là động cơ khí gas, động cơ diesel, và các lò nung có thể được cải thiện bằng việc tăng nhiệt độ buồng đốt. - Để bảo vệ các chi tiết kim loại trong động cơ trong quá trình tăng nhiệt độ thì cần có một lớp vật liệu cách nhiệt, lớp vật liệu này có thể được chế tạo bằng phương pháp phun phủ. - Lớp phun bảo vệ được ứng dụng để bảo vệ bộ phận với nhiệt độ cao như là các buồng đốt, các đường dẫn khí thải, van cấp khí, van xả khí, piston … trong các động cơ. - Lớp phun nhiệt bảo vệ thông thường chứa một lớp lót loại hợp kim MCrAlY (M thông thường là Fe, Ni, Co hoặc là NiCo) và một lớp ceramic tăng cứng. - Tác dụng lớn của việc cách nhiệt độ giữa buồng đốt và vật liệu vỏ buồng đốt bằng sử dụng lớp là có thể kéo dài tuổi thọ của các loại vật liệu đắt tiền trong công nghệ chế tạo máy. - Từ khi công nghệ phun phủ lớp ceramic cách nhiệt ra đời nó đã có rất nhiều ứng dụng thực tiễn. - Ứng dụng trong công nhệ chế tạo buồng đốt máy động cơ Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao 8 máy bay một ứng dụng trong rất nhiều các ứng dụng của lớp phun phủ ceramic cách nhiệt. - Ứng dụng thành công công nghệ phun phủ lớp ceramic cách nhiệt lên các động cơ, tuabin là bảo vệ các piston và các van dẫn. - Do vậy mà có thể tăng nhiệt độ buồng đốt cũng như giảm tải cơ cấu làm mát. - Phạm vi nghiên cứu của luận văn này đi sâu vào nghiên cứu đặc điểm hệ lớp phủ có khả năng làm việc ở nhiệt độ cao, cách nhiệt tốt, ứng dụng trong loa phụt động cơ tên lửa đường kính trong 185 mm. - Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao 9 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Công nghệ phủ bảo vệ bề mặt Những yêu cầu cần thiết về điều kiện làm việc phụ thuộc vào môi trường làm việc một cách đa dạng. - Trong thực tế, rất nhiều bề mặt chi tiết cần được bảo vệ chống lại sự mài mòn, ăn mòn, cách nhiệt, và thời tiết. - Trong công nghệ chế tạo máy, việc sử dụng một loại vật liệu để đáp ứng nhiều yêu cầu làm việc là không phổ biến và giá thành cao. - Cần thiết phải kết hợp nhiều loại vật liệu để vừa đảm bảo cơ tính làm việc cũng như cải thiện khả năng làm việc của bề mặt vật liệu. - Những bộ chi tiết máy công nghiệp, các bộ phận khác ứng dụng trong công nghiệp ngày nay thường ứng dụng rộng rãi công nghệ phun phủ nhiệt để nâng cao tuổi thọ làm việc cũng như dễ dàng hơn trong công nghệ chế tạo. - Hình 1: Ứng dụng công nghệ phủn phủ nhiệt trong phục hồi chi tiết máy Hiện nay, có nhiều công nghệ phủ bảo vệ bề mặt, vật liệu lựa chọn cũng rất đa dạng về chủng loại. - Đối với mỗi điều kiện làm việc khác nhau cũng như hiệu quả kinh tế, cần lựa chọn các loại vật liệu phủ cũng như công nghệ phủ phù hợp. - Bảng 1 thể hiện một số công nghệ phủ bề mặt và các loại vật liệu phổ biến chống mài mòn, ăn mòn. - Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao 10 Bảng 1: Các loại công nghệ phủ bảo vệ bề mặt đang sử dụng hiện nay [6]: Loại lớp phủ Chiều dày Vật liệu Đặc tính Ứng dụng PVD 1 – 5 μm Ti(C,N) Chịu mài mòn Dụng cụ cắt CVD 1 – 50 μm SiC Chịu mài mòn Lo cuốn sợi Phủ Polyme 1 – 10 μm Polymers Chịu ăn mòn hóa học Trong công nghiệp ô tô Phun phủ nhiệt 0.04 – 3 mm Lớp phủ gốm và hợp kim Chịu mài mòn và ăn mòn ổ bi… Tấm crom cứng 10 – 100 μm Chrome Bảo vệ mài mòn Con lăn Công nghệ hàn đắp 0.5 – 5 mm Thép, hợp kim thép Bảo vệ mài mòn Van Mạ kẽm 1 – 5 μm Zinc Bảo vệ ăn mòn Thép tấm Ứng dụng của mỗi lớp phủ còn được lựa chọn dựa vào đặc tính nhiệt độ cũng như chiều dày yêu cầu của lớp phủ. - Công nghệ mạ ion thực hiện ở nhiệt độ thấp, giảm biến dạng, tuy nhiên lớp phủ lại mỏng. - Công nghệ hàn đắp cho được chiều dày đắp cao tuy nhiên lượng nhiệt cấp vào lớn. - Hình 2 thể hiện trường nhiệt độ và chiều dày lớp phủ của các loại công nghệ phủ bề mặt hiện nay. - Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao 11 Hình 2: Trường nhiệt độ và chiều dày lớp phủ bề mặt của một số công nghệ phủ bảo vệ bề mặt hiện nay [6] 1.2 Công nghệ phun phủ nhiệt Công nghệ phun phủ nhiệt được mô tả ngắn gọn qua sơ đồ như hình 3. - Trong đó, việc phân loại công nghệ phun phủ nhiệt phụ thuộc vào năng lượng cấp vào để nung nóng vật liệu Hình 3: Công nghệ phun phủ nhiệt Nhiệt độ bề mặt [°C] Chiều dàu lớp phủ [μm] Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao 12 Vật liệu nền Vật liệu nền thích hợp trong phun phủ nhiệt là loại vật liệu có khả năng tạo nhám bề mặt. - Thông thường, vật liệu nền thích hợp trong phun phủ có độ cứng dưới 55 HRC. - Trước khi phun phủ, cần có phương pháp để chuẩn bị bề mặt tạo độ nhám theo yêu cầu nhất định để đảm bảo độ bám dính bề mặt. - Sự bám dính bề mặt của lớp phun và kim loại nền chủ yếu là lực bám dính cơ học, do đó, việc chuẩn bị bề mặt đảm bảo độ sạch và độ nhám cần thiết là yêu cầu rất quan trọng. - Quá trình tạo nhám bề mặt hiện nay thường được sử dụng bằng hai phương pháp: phương pháp hóa học và phương pháp cơ học. - Tạo nhám bề mặt có tác dụng dễ dàng phân tán các hạt phun dạng lỏng được gia tốc ở tốc độ cao và tăng diện tích tiếp xúc của bề mặt lớp phun. - Dòng hạt phun di chuyển tới bề mặt kim loại nền có hai dạng: dạng hạt lỏng và dạng chảy dẻo. - Quá trình va dập giữa các hạt và bề mặt nền dưới động năng lớn tạo ra các lớp xếp chặt vào nhau. - Nhiệt độ các hạt nóng truyền sang kim loại cơ bản và được làm mát. - Khi nhiệt độ giảm xuống, các hạt nhỏ xếp chặt co lại liên kết với các hạt kim loại thô. - Do đó, độ bám dính lớp phủ chủ yếu là độ bám dính cơ học. - Hình 4: Cấu tạo của lớp phủ kim loại Ôxít lô rỗng kim loại nền Hạt phun Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao 13 Các quá trình phun phủ nhiệt thông dụng - Phun hồ quang dây Phương pháp phun hồ quang dây khí cháy được mô tả ngắn gọn theo hình 5. - Trong đó, ngọn lửa hồ quang là ngọn lửa khí cháy và ô xy. - Vật liệu phun bằng dây đi qua tâm ngọn lửa hồ quang bị nóng chảy tạo thành chùm hạt phun Hình 5: Sơ đồ hệ thống hồ quang dây - Phun bột hồ quang khí cháy Vật liệu phun đầu vào được cấp qua đường cấp bột. - Bột phun qua ngọn lửa hồ quang tạo bị nung chảy tạo ra chùm hạt phun vào bề mặt chi tiết như hình 6: Hình 6: Sơ đồ hệ thống phun bột hồ quang khí cháy Khí cháy dây bép Lớp phủ Oxy Khí làm mát Phôi Điện cực Khí cháy Lớp phủ Ô xy phôi Đầu cấp bột Khí cháy Bép phun Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt các chi tiết máy làm việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao 14 - Phun dây hồ quang hai dây: Hệ thống phun hồ quang hai dây được thực hiện thông qua hai dây mang hai điện cực trái dấu. - Tia lửa điện từ hai điện cực trái dấu tạo ra ngọn lửa hồ quang đốt chảy dây kim loại. - Hạt kim loại lỏng được gia tốc bởi đường khí cấp vào tạo ra chùm hạt phun phủ như hình 7: Hình 7: Sơ đồ hệ thống phun dây hồ quang hai dây - Phun phủ plasma: Bột phun được đưa qua ngọn lửa hồ quang plasma được gia tốc bởi khí mang tạo ra chùm hạt phun plasma. - Ngọn lửa hồ quang plasma có nhiệt độ lên tới khoảng 15000 0C có thể làm nóng chảy các loại vật liệu đi qua nó Hình 8: Sơ đồ hệ thống phun plasma Điện áp Con lăn Dây phun Kim loại nền Lớp phủ Khí mang Điện cực catot Đường làm mát Dây phun Đường cấp bột Kim loại nền Lớp phủ
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt