bộ công nghiệp
viện nghiên cứu cơ khí báo cáo tổng kết đề tài KHCN cấp nhà nớc
m số kc 05.10

nghiên cứu ứng dụng công nghệ phun phủ
nhiệt khí để tạo bề mặt có độ chịu mài mòn
và bám dính cao phục hồi các chi tiết máy
có chế độ làm việc khắc nghiệt
chủ nhiệm đề tài: KS uông sỹ áp
nghiên cứu làm cơ sở cho công tác thực nghiệm.
Ba đợt thí nghiệm đã đ-ợc tiến hành để xác định chế độ phun tối -u. Mỗi đợt
gồm 5 7 lô, mỗi lô 6 mẫu tiêu chuẩn. Các chỉ tiêu để đánh giá là độ bám dính, độ
cứng và độ xốp lớp trung gian.
Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thí nghiệm, công nghệ phục hồi
ống vòi voi đã đựơc xác lập, và 02 ống vòi voi đã đ-ợc phục hồi thí điểm có kết quả
khả quan.
Kết luận:
1. Đề tài đã đi đúng h-ớng, chọn đ-ợc ph-ơng pháp phun hợp lý và đối t-ợng
nghiên cứu - các chi tiết cần phục hồi, vừa mang tính bức xúc, yêu cầu kỹ thuật cao vừa
phù hợp với xu thế nghiên cứu phát triển hiện nay của các n-ớc tiên tiến trên thế giới.
2. Quá trình nghiên cứu đã kết hợp chặt chẽ với các cơ sở sản xuất, tham quan
các công nghệ và thành tựu khoa học mới của n-ớc ngoài, thu thập đ-ợc nhiều tài liệu
khoa học kỹ thuật quý giá liên quan đến đề tài, kể cả những vật liệu cần thiết cho công
id3915828 pdfMachine by Broadgun Software - a great PDF writer! - a great PDF creator! - http://www.pdfmachine.com http://www.broadgun.com
4

tác thí nghiệm. Sự tổng hợp đầy đủ các tài liệu, các patents, lý thuyết các quá trình
phun giúp đ-a ra đ-ợc kế hoạch thí nghiệm bài bản, do đó các kết quả thí nghiệm là tin
cậy.
3. Tuy có chậm so với tiến độ đề ra, nh-ng đề tài đã thực hiện đầy đủ và kết
quả các nhiệm vụ quy định. Các sản phẩm thu đ-ợc của đề tài bao gồm hai quy trình
công nghệ, các thiết bị đồ gá và hai sản phẩm phục hồi đã đ-ợc nghiệm thu và đánh giá
đạt yêu cầu. Các chỉ tiêu cơ bản của lớp phun trên bề mặt chi tiết phục hồi ( ống vòi voi
) nh- sau:
- Độ bám dính với kim loại nền 378 kG/ cm
2

- Độ xốp Lớp trung gian2%
- Độ cứng lớp phủ RC15N 75

+ áp suất khí argon ( khí tải bột ), P
Ar
30 ữ 35 Psi
+ Góc phun, độ 75 ữ 90
0
+ Nhiệt độ đốt nóng sơ bộ,
0
C.120 ữ 160
0
C
b. Phun lớp phủ với bột ZRO -182:
+ Điện áp phun, U
P
40V
5

+ C-ờng độ dòng điện, I
P
450A
+ Vận tốc di chuyển súng phun, V
P
.10 mm/ giây
+ Khoảng cách phun, l
P
76 ữ 102 mm
+ Năng suất cấp bột, m
b
38 ữ 53 g/ phút
+ áp suất khí argon, P
Ar

đang đẩy mạnh việc tăng c-ờng trang thiết bị phun phủ hiện đại tiếp cận và nhập khẩu
công nghệ tiên tiến, thì kết quả nghiên cứu đề tài và 2 quy trình công nghệ đã xác lập
sẽ góp phần tích cực với tính thực tiễn cao đẩy nhanh lộ trình ứng dụng công nghệ
phun phủ nhiệt phục hồi các chi tiết máy có chế độ làm việc khắc nghiệt tạo nên b-ớc
phát triển mới trong lĩnh vực ứng dụng công nghệ tiên tiến nói riêng và trong ngành cơ
khí chế tạo máy nói chung.
6

Mục lục
Trang
Bài tóm tắt 3

Bảng chú giải 7

Lời mở đầu 8

Ch-ơng 1 Tổng quan 9

1.1. Tình trạng h- hỏng của tuabin nhiệt qua khảo sát 9
1.2. Tình hình nghiên cứu ngoài n-ớc 12
1.3. Các độc quyền sáng chế ( patents) 17
1.4. Tình hình nghiên cứu trong n-ớc 21
1.5. Về các lớp phun chịu nhiệt độ cao 23

Ch-ơng 2 Chọn ph-ơng pháp và đối t-ợng nghiên cứu 28
2.1. Chọn ph-ơng pháp phun để nghiên cứu 28
2.2. Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài 32

Ch-ơng 3 lý thuyết về các quá trình phun phủ nhiệt 33
3.1. Khái niệm chung 33


Bảng chú giải
TBK

- Tuabin khí
PPN - Phun phủ nhiệt
m - Khối l-ợng của phần tử phun (4-1)
v - Tốc độ của phần tử khi va đập ( 4-2 )
C - Tỷ nhiệt ( 4-2 )
t
1
- Nhiệt độ của phần tử khi va đập ( 4-2 )
t
2
- Nhiệt độ chảy của phần tử ( 4-2 )
S
- ẩn nhiệt ( 4-2 )

t

- Hệ số dãn nở nhiệt của kim loại phủ ( 4-13 )
E - Modun đàn hồi ( 4-13 )
U
p
- Điện áp phun
I
P


Lời mở đầu Những kết quả nghiên cứu về phun phủ bằng hồ quang và khí đốt trong mấy
thập niên cuối của thế kỷ tr-ớc, một vài cơ sở nghiên cứu và sản xuất ( nh- Viện Khoa
học Công nghệ GTVT, Viện nghiên cứu Cơ khí, Nhà máy Cơ khí Cẩm Phả ) chỉ đ-ợc
ứng dụng để phục hồi một số chi tiết máy mài mòn làm việc trong điều kiện đ-ợc bôi
trơn và va đập nh- trục cam, trục khuỷu, trục bơm thuỷ lợi Những kết quả này cũng
đ-ợc ứng dụng để bảo vệ các chi tiết làm việc trong môi tr-ờng xâm thực của n-ớc
mặn ( nh- giàn khoan ) và n-ớc lợ ( nh- cánh cửa đập n-ớc ).v.v .
Những chi tiết làm việc trong điều kiện khắc nghiệt phải có bề mặt đ-ợc bảo vệ
bởi một lớp phun phủ có độ bám cao, độ bền mòn cao. Những ph-ơng pháp phun
truyền thống ( phun hồ quang 2 dây, phun trong ngọn lửa oxy - acetylen ) không thể
tạo đ-ợc lớp phun có các tính chất đặc biệt nh- vậy. Phải có một ph-ơng pháp phun
phủ đặc biệt để tạo đ-ợc lớp phun có các tính chất đặc biệt . Đề tài KC.05.10
đ-ợc tiến hành nghiên cứu nhằm mục đích này.
Để đạt đ-ợc mục đích nêu trên nhiệm vụ của Đề tài đ-ợc khái quát nh- sau:
1. Nghiên cứu tổng quan để nắm đ-ợc nhu cầu thực tế của Việt Nam, chọn đối t-ợng
nghiên cứu và ph-ơng pháp nghiên cứu ( ph-ơng pháp phun phủ ).
2. Nghiên cứu lý thuyết quá trình phun phủ đ-ợc lựa chọn nhằm xác lập sơ bộ quy
trình công nghệ phun phủ.
3. Thí nghiệm chọn chế độ phun phủ và thí nghiệm xác định các tính chất của lớp
phun trên, đó là cơ sở chuẩn xác công nghệ phun phủ phục hồi chi tiết làm việc
trong điều kiện khắc nghiệt.
4. Phun phục hồi thử nghiệm 1- 2 chi tiết nhằm ứng dụng các kết quả nghiên cứu.
9

Ch-ơng 1 Tổng quan


- Toàn bộ phần đỉnh cánh cũng bị bong tróc lớp phủ và quá nhiệt.
10
- Tại phần thân cánh bị nứt tế vi và bong tróc lớp phủ ( khoảng 40% đến 60%)
trên bề mặt.
Cánh động tầng 4
- Tại bề mặt chịu tác động trực tiếp của áp lực dòng môi chất bị quá nhiệt.
- Toàn bộ các bề mặt bị bong tróc lớp phủ ( khoảng 50% ).
- Có hiện t-ợng bị ăn mòn hóa học tại đuôi cánh.
Cánh tĩnh tầng 4
- Toàn bộ 63 cánh bị bong tróc lớp phủ tại bề mặt chịu tác động trực tiếp của
áp lực dòng môi chất với kích th-ớc 200 x 20 mm.
- Tại đỉnh cánh bị bong tróc lớp phủ và ăn mòn hóa học ( khoảng 40 đến 60
mm ).
- Tại phần đuôi cánh, nơi chịu tác động của áp lực dòng môi chất bị mòn lớp
phủ ( khoảng 50 mm
2
).
Cánh động tầng 5
- Tại vùng thân cánh và đuôi cánh bị bong tróc lớp phủ.
- Tại vùng đỉnh cánh bị ăn mòn hóa học trên suốt chiều rộng phần đỉnh.
Cánh tĩnh tầng 5
- Các cánh số 43, 60, 61 bị ăn mòn hóa học ( khoảng 8 x 4 mm ).
- Toàn bộ 63 cánh bị bong tróc lớp phủ tại vùng thân cánh và nửa trên phần
đuôi cánh.
- Toàn bộ cánh bị bám bẩn.
Các ống vòi voi ( transition pieces )
Các ống vòi voi có nhiệm vụ dẫn luồng khí nóng vào trong buồng tuabin, chịu
tác dụng rất lớn của nguồn nhiệt khí đốt. Sau một thời gian làm việc có hiện t-ợng
bong tróc lớp phủ chịu nhiệt và nứt thành ống.



H×nh 1.1: C¸n
h ®éng tuabin khÝ bÞ h- háng

H×nh 1-2: C¸nh tÜnh tuabin khÝ bÞ bong trãc líp phñ

12
1.1.2. Công việc khảo sát cũng đã tiến hành đối với các tổ máy tuabin khí F5, F6,
GT3, GT4, GT21, GT22 tại các nhà máy nhiệt điện Phú Mỹ, Cần Thơ, Thủ Đức, Bà
Rịa. Tình trạng h- hỏng của các chi tiết máy nén và tuabin khí cũng t-ơng tự nh- tổ
máy GT13E2 ( Phú Mỹ ).
1.1.3. Hầu hết các tổ máy tuabin khí sau 24000h công tác phải sửa chữa đại tu, nhằm
đảm bảo sự hoạt động của các tầng cánh ( động và tĩnh ) đạt 48000h.
Trong các kỳ sửa chữa những cánh tuabin và các chi tiết khác bị h- hỏng đ-ợc
thay mới hoặc phục hồi. Các chi tiết phục hồi đ-ợc thực hiện ở n-ớc ngoài ( Thuỵ Sỹ,
Singapo ). Thời gian phục hồi ( phun phủ ) từ khi tháo đến khi lắp đặt sau phục hồi
mất ít nhất 15 tuần. Ngoài ra, nhà chế tạo có toàn quyền quyết định việc phục hồi các
chi tiết sau khi nhận đ-ợc.

thông vận tải, dầu khí .v.v. Nó dần dần trở thành một lĩnh vực chuyên môn riêng
biệt, biểu hiện một mặt nh- ph-ơng pháp xử lý bề mặt, mặt khác nh- một ph-ơng pháp
công nghệ trong sản xuất.
Thực chất của quá trình phun phủ kim loại là phủ lên bề mặt chi tiết một lớp
kim loại, hợp kim hoặc gốm kim loại nhằm nâng cao tính năng làm việc của chi tiết và
thiết bị trong các điều kiện khác nhau.
Quá trình công nghệ phun phủ gồm ba giai đoạn chủ yếu là:
- Chuẩn bị bề mặt tr-ớc khi phun;
- Phun phủ;
- Xử lý nhiệt lớp phun phủ sau khi phun.
Ba quá trình công nghệ này có quan hệ mật thiết, hỗ trợ lẫn nhau tạo nên chất
l-ợng của lớp phủ với các chỉ tiêu chủ yếu là:
- Độ bám của lớp phủ với kim loại nền;
- Cơ, lý tính của lớp phun ( độ cứng, độ dai va đập, khả năng chịu nhiệt, chịu
mòn .v.v).
Để đánh giá quá trình phát triển của công nghệ phun kim loại phải dựa trên cơ
sở của sự phát triển về thiết bị, các ph-ơng pháp công nghệ, vật liệu phun và phạm vi
ứng dụng. Với sự phát triển về công nghệ phun, ng-ời ta đã chế tạo ra các loại đầu
phun khác nhau nh-: đầu phun bột kim loại, đầu phun dùng nhiên liệu khí cháy, đầu
phun hồ quang điện, đầu phun bằng dòng cao tần, đầu phun plasma với dây chuyền
phun tự động. Đầu phun plasma đặc chủng có thể phun đ-ợc các bề mặt chi tiết có biên
dạng phức tạp, không gian thao tác và dịch chuyển đầu phun bị hạn chế ( ví dụ đầu
phun SG100-2086A của hãng Praxair- Tafa- Mỹ, súng phun plasma A9 của hãng
Flame-Corporation-USA, súng phun plasma PLA500 của hãng Metalisation-Anh
.v.v). Song song với các thiết bị và dây chuyền phun tự động đó, ng-ời ta đã nghiên
14
cứu thêm công nghệ phun những vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao ( vật liệu gốm-
ceramic, các loại cacbit, các loại oxit kim loại khác .v.v ).
Đầu phun plasma là thiết bị tiên tiến và đ-ợc dùng rộng rãi trên thế giới hiện
nay. Nhiều n-ớc tiến tiến đã sản xuất thiết bị này và ứng dụng rất có hiệu quả trong

phần
L-u
l-ợng,
m
3
/h
Tuổi
thọ
điện
cực, h

Bột
kim
loại
Bột
gốm

PAL-160-2 Tiệp khắc
cũ
160 460 H
2
O -
35
mm/p

56 3,2
METCO 3MB- Mỹ
40 400
Ar, H
2

N
2
,He
3,5 150 4 3
15
Song song với quá trình nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng các loại đầu phun, các
loại vật liệu phun cũng đồng thời đ-ợc phát triển càng ngày càng mạnh với những tính
năng kỹ thuật, yêu cầu cao. Các loại vật liệu phun phổ biến hiện nay trên thế giới có 3
dạng chủ yếu sau: dạng dây, dạng thanh và dạng bột. Vật liệu dạng thanh và dạng dây
đ-ợc dùng trong phun khí cháy, phun hồ quang và xung điện, vật liệu bột chủ yếu dùng
trong công nghệ phun plasma, phun nổ và phun khí cháy.
Vật liệu phun dạng bột đ-ợc sử dụng khá phổ biến và rộng rãi trong những năm
gần đây vì công nghệ chế tạo chúng không đòi hỏi độ phức tạp cao và có thể chế tạo từ
bất kì một loại vật liệu nào với giá thành t-ơng đối thấp. Hơn nữa, công nghệ phun
plasma, phun nổ và phun khí cháy đối với một số vật liệu chỉ có thể đ-ợc thực hiện khi
vật liệu phun ở dạng bột. Hiện nay, vật liệu phun dạng bột rất phong phú và đa dạng.
D-ới đây là một số kim loại và hợp kim đ-ợc ứng dụng rộng rãi trên thế giới:
- Bột Al: có tác dụng chống gỉ và tạo lớp phun cho dây điện.
- Bột Zn: dùng để tạo lớp phun chống gỉ.
- Bột hợp kim Zn-Al: Dùng để tạo lớp phun chống ăn mòn hoá học và chịu
đ-ợc oxy hoá ở nhiệt độ cao.
- Bột Cu và hợp kim Cu: dùng để tạo lớp phun dẫn điện.
- Bột Mo: th-ờng dùng để phun tạo lớp vật liệu lót tr-ớc khi phun lớp vật liệu
mong muốn lên bề mặt chi tiết. Ngoài ra, đối với các chi tiết làm việc trong
môi tr-ờng axit HCl lớp phun Mo còn có tác dụng chống mài mòn và ăn
mòn hoá học.
- Bột vonfram ( W ): là loại vật liệu bột có nhiệt độ nóng chảy rất cao. Bột W
th-ờng đ-ợc chế tạo ở dạng tinh khiết chứa rất ít tạp chất, đặc biệt là Fe. Lớp
phun bột W có độ bám dính tốt với bề mặt gốm ( ceramic ). Loại bột này
th-ờng đ-ợc ứng dụng để phun tạo lớp vật liệu chịu nhiệt độ cao, ma sát lớn

nóng chảy có đặc điểm là không có rỗ và có mật độ cao khi phun lên kim loại nền. Các
hợp kim tự nóng chảy th-ờng là các hợp kim nền Ni, hợp kim Cr-Ni hoặc hợp kim Cr-
Co. Lớp phun từ hợp kim tự nóng chảy có độ chịu mài mòn và ăn mòn cao, chống oxy
hoá trong môi tr-ờng không khí ở nhiệt độ cao.
Trên thực tế, công nghệ phun nhiệt khí đã đóng một vai trò quan trọng trong
nhiều lĩnh vực công nghiệp hàng đầu nh-: dầu khí, năng l-ợng, cơ khí v.v và góp
phần tạo ra nhiều loại sản phẩm có chất l-ợng cao, đáp ứng đ-ợc nhu cầu hiện đại hoá
và nâng cao hiệu quả kinh tế, xã hội. Một trong những ứng dụng rất quan trọng của
công nghệ phun phủ nhiệt khí là việc chế tạo, sửa chữa, phục hồi các loại cánh tuabin
khí làm việc trong điều kiện khắc nghiệt, chịu mài mòn lớn, nhiệt độ cao ( 850
1150
0
C ).
Trong thời gian gần đây, một số tập đoàn công nghiệp hàng đầu thế giới về lĩnh
vực thiết bị điện khí nh-: SULZER ( Thuỵ Sỹ ), MITSHUBISHI ( Nhật Bản ),
DONALDSON .v.v đã nghiên cứu thành công việc nâng cao tính năng của lớp phun,
trên cơ sở đó chế tạo những loại tuabin mới có khả năng làm việc tới nhiệt độ 1300
0
C
góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế, kỹ thuật cuả cả hệ thống.
Tuy nhiên, do tính chất độc quyền và th-ơng mại hoá cao độ của một số tập
đoàn công nghiệp và các n-ớc công nghiệp phát triển nên công nghệ phun chất l-ợng
17
cao còn bị bảo mật ch-a đ-ợc ứng dụng trong các n-ớc đang phát triển và chậm phát
triển.
1.3. Các độc quyền sáng chế ( patents )
Có tất cả 12 patents đã đ-ợc s-u tầm [21], trong đó có 3 patents của Nhật Bản
và 9 patents của Mỹ. Các patents giới thiệu nội dung các sáng chế về công nghệ, thiết
bị và vật liệu phun nhiệt. D-ới đây trình bày tóm tắt nội dung của một số patents có
liên quan nhất đến Đề tài.

oxy từ nhóm III b của bảng tuần hoàn, gồm lantan và actinid hoặc hỗn hợp của chúng,
0,1 7% silic, 0,1 3% coban, chất bảo trì là niken hoặc coban. Các hợp kim MCrAl
đ-ợc phun phủ bằng ph-ơng pháp plasma.
Lớp hợp kim MCrAl đặc biệt chứa 18% crom, 23% coban, 12,5% nhôm và
0,3% ytri với chất bảo trì là niken đ-ợc ứng dụng để làm vật liệu nền. Lớp hợp kim này
có bề mặt nhẵn bóng và đ-ợc phun một lớp oxit nhôm và tiếp đến là lớp gốm cách
nhiệt. Trong cấu trúc vi mô hình trụ của lớp phun chịu nhiệt, các tinh thể hình trụ đ-ợc
sắp xếp vuông góc với mặt của kim loại cơ bản. Oxit ziriconi ổn định đ-ợc làm vật liệu
gốm.
* Tóm tắt patent
Mục đích của patent là khắc phục những nh-ợc điểm và tồn tại về cấu trúc của
các lớp phun tr-ớc đó bằng cách cung cấp cho các chi tiết máy tuabin khí nh- cánh
tuabin, một lớp nh- gốm chịu nhiệt bảo vệ. Mục đích khác nữa là tạo đ-ợc một sản
phẩm có nền kim loại với lớp phun bền nhiệt trên bề mặt hệ oxit kim loại hỗn hợp đ-ợc
chọn từ nhóm lantan, aluminat và canxi ziriconat, trong đó canxi có thể đ-ợc thay thế
từng phần bởi ít nhất một nguyên tố thay thế canxi.
Nguyên tố thay thế canxi đ-ợc nêu trong patent là stroti ( Sr ) hoặc bari ( Ba ).
Lantan trong lantan aluminat có thể đ-ợc thay thế từng phần bởi ít nhất một nguyên tố
trong thể lantan thuộc nhóm lantanit, đặc biệt là gadoli ( Gd).
Các quá trình tạo lớp phun nêu trên đ-ợc thực hiện bằng ph-ơng pháp phun
plasma hoặc phun bay hơi.
Patent đ-ợc áp dụng thích hợp nhất cho các chi tiết máy tuabin khí, nh- cánh
tuabin, van chủ hoặc các phần tử bảo vệ nhiệt làm từ hợp kim siêu cao nền niken,
coban hoặc crom.
1.3.3. Patent No US2003157363 ( của Mỹ ) - Hệ thống các lớp phun plasma bền
nhiệt ( Plasma Spraying Thermal Bond Coat System )
* Cơ sở của Patent
Ng-ời ta luôn tìm cách tăng nhiệt độ công tác của các máy tuabin khí để nâng
cao hiệu suất của chúng. Tuy nhiên, khi nhiệt độ công tác tăng thì độ bền nhiệt của các
chi tiết cũng phải tăng t-ơng ứng. Việc ứng dụng các hợp kim siêu cao nền niken và

O
3
)
.v.v Chúng đ-ợc dùng rộng rãi bởi thích hợp với công nghệ phun plasma, phun ngọn
lửa và kỹ thuật phủ bốc hơi vật lý.
Lớp trung gian đ-ợc tạo bởi hợp kim chứa nhôm chống oxy hoá nhằm tăng độ
bám dính của lớp gốm đối với vật liệu nền. Nó còn có tác dụng nâng cao tính chống
phân huỷ của TBC. Các ví dụ về lớp trung gian: MCrAl ( ở đây M là sắt, cacbon,
hoặc niken ), các lớp phủ khuếch tán nh- niken aluminit, platin aluminit và pha beta
NiAl là những kim loại trung gian nền nhôm chống oxy hoá. Khi đ-ợc dùng làm lớp
phun bảo vệ hoặc lớp trung gian cho TBC, nhôm bị hao hụt bởi sự khuếch tán trung
gian vào vật liệu siêu hợp kim. Có thể l-ợng nhôm trong lớp trung gian đ-ợc dùng
hết để ngăn chặn sự phát triển tiếp của lớp màng oxyt nhôm bảo vệ, ứng suất trong
TGO tăng đáng kể, đồng thời có thể xảy ra sự phá huỷ tại mặt trung gian giữa lớp trung
gian và lớp phun gốm.
20
Sự tăng hàm l-ợng các nguyên tố nh- niken, crom, titan, tantan và molipden
trong đó TGO có thể làm tăng tốc độ phát triển của các màng oxit và tạo nên các lớp
không bám dính trên mặt lớp trung gian làm mất khả năng dính bám của lớp gốm.
Các ph-ơng pháp đ-ợc chọn để thực hiện hiệu quả quá trình phun tạo một lớp
trung gian mỏng hơn, giá thành thấp hơn là ph-ơng pháp phun plasma không khí ( Air
Plasma Spray- APS ) và ph-ơng pháp phun plasma áp suất thấp ( Low Pressure plasma
Spray- LPPS). Quá trình nh- vậy chắc hẳn sẽ cải thiện đ-ợc độ bền và tuổi thọ của lớp
phun bền nhiệt.
* Tóm tắt patent
Patent trình bày một ph-ơng pháp tạo hệ thống phun chịu nhiệt trên các chi tiết
làm việc trong môi tr-ờng nhiệt độ cao của máy tuabin khí. Hệ thống phun gồm một
lớp gốm và một lớp trung gian kim loại trung gian niken- nhôm pha beta ( -NiAl) làm
tăng độ bám dính của lớp gốm đối với kim loại nền. Màng mỏng oxit nhôm hình thành
trên bề mặt pha -NiAl trong quá trình xử lý nhiệt.

Vật liệu phun là dây thép lò xo cấp II ( 0,6% C ), dây đồng, dây nhôm và dây thép hợp
kim crom- niken. Kết quả nghiên cứu đã đ-ợc ứng dụng để phục hồi các chi tiết mài
mòn nh- trục khuỷu bằng gang, thép, các loại trục thẳng, các quả lô, trục máy bơm
thuỷ lợi. Cho đến nay công nghệ này vẫn đ-ợc ứng dụng có kết quả ổn định trong việc
phục hồi các chi tiết nói trên và các chi tiết khác.
Công nghệ phun hồ quang hai dây đồng, kẽm, nhôm cũng đ-ợc tiến hành
nghiên cứu tại Viện kỹ thuật Giao thông ( nay là Viện khoa học công nghệ GTVT ) và
đ-ợc ứng dụng để phun bảo vệ các chi tiết làm việc trong môi tr-ờng xâm thực.
Sau khi đất n-ớc thống nhất ( 1975 ) ng-ời ta cũng nhìn thấy một số đầu phun
khí của hãng METCO tại một số nhà máy xí nghiệp Miền Nam ( nhà máy Carip, xí
nghiệp Toa Xe Sài Gòn .v.v ), nh-ng không thấy có các dấu hiệu phun ở đây.
Sau năm 1975 đ-ợc sự giúp đỡ của cộng hoà liên bang Nga, Binh chủng Phòng
không - Không quân đã tiến hành một số hoạt động trong lĩnh vực phun phủ nhiệt khí
để phục hồi các chi tiết có chế độ làm việc khắc nghiệt mà mục tiêu chủ yếu là một số
chi tiết thuộc động cơ máy bay.
Công x-ởng A42 ( thuộc Binh chủng Phòng không Không quân ) đ-ợc trang bị
3 hệ thống thiết bị phun phủ nhiệt:
- Phun phủ nhiệt khí dùng bột
- Phun phủ nhiệt khí dùng dây
- Phun phủ plasma (do Mỹ sản xuất) với:
o Thiết bị xử lý bề mặt tr-ớc khi phun;
o Thiết bị xử lý bột phun ;
o Thiết bị phun phủ.
22
Công x-ởng A42 đ-ợc Nga hỗ trợ kỹ thuật, trang thiết bị. Vì vậy, quá trình
nghiên cứu ứng dụng từ khâu kiểm tra đánh giá phân loại sản phẩm sau một số chu kỳ
làm việc, đến việc xác lập quy trình công nghệ phun phủ phục hồi đều do chuyên gia
Nga chỉ đạo, giám sát thực hiện. Công x-ởng A42 chủ yếu tập trung khai thác hệ thống
phun phủ plasma để từng b-ớc phục hồi một số cánh tuabin động cơ máy bay sau một
số chu kỳ làm việc bị bong tróc lớp phủ do làm việc trong các điều kiện áp suất lớn và

nghệ truyền thống, chỉ phục hồi đ-ợc một số chi tiết máy làm việc trong điều kiện có
bôi trơn. Các chi tiết máy làm việc trong điều kiện khắc nghiệt ở nhiệt độ cao trong
môi tr-ờng xâm thực và ăn mòn ch-a đ-ợc nghiên cứu phục hồi bằng ph-ơng pháp
này.
23
Tuy vậy, tiền đề cho việc nghiên cứu phục hồi các chi tiết máy nói trên đã đ-ợc
xác lập. Đó là các máy phun hiện đại để tiến hành nghiên cứu công nghệ phun đã đ-ợc
xây lắp tại Phòng thí nghiệm Hàn - Viện nghiên cứu Cơ khí ( Bộ Công nghiệp ).
1.5. Các lớp phun chịu nhiệt độ cao
Các kết quả khảo sát thực tế ( mục 1.1 và phụ lục 1 ) cũng nh- các tài liệu đẫ
dẫn ( mục 1.2 ) cho thấy tầm quan trọng của các lớp phun trên bề mặt các chi tiết làm
việc trong các điều kiện khắc nghiệt ( nhiệt độ cao, ăn mòn và mài mòn ). Nhiều tài
liệu n-ớc ngoài đã giới thiệu về tác dụng của các lớp phun chịu nhiệt ( Thermal Barrier
Coatings - TBC ) và ph-ơng pháp hình thành chúng [9], [10], [12]
Chỉ cần lấy một loại máy tuabin khí tải trọng năng MS6001 làm ví dụ so sánh
cũng dễ thấy xu thế ngày càng phát triển mạnh của các máy tuabin khí làm việc ở nhiệt
độ cao ( hình 1-4 và bảng 1- 2 ). Nhiệt độ cháy càng cao thì công suất ra của máy càng
lớn và hiệu suất của nó càng cao. Hiện nay hiệu suất công tác của các máy tuabin đã
đạt tới 60% và dự báo trong t-ơng lai gần sẽ tiếp tục xuất hiện những máy tuabin khí
với nhiệt độ cháy cao hơn, áp suất công tác lớn hơn và do đó công suất ra cao hơn [3].
Để đáp ứng đ-ợc các yêu cầu ngày càng cao của các máy tuabin khí làm việc ở
nhiệt độ cao và tải trọng nặng ng-ời ta đã nghiên cứu sản xuất các vật liệu mới - vật
liệu siêu hợp kim hay hợp kim siêu cao với những đặc tính nổi trội: độ bền chống
gỉ, chống ăn mòn, chống nhiệt. Tuy nhiên, không thể có đ-ợc một thứ vật liệu lý
t-ởng nào lại có thể đáp ứng đ-ợc đầy đủ các yêu cầu của các máy tuabin khí hiện đại
với công suất lớn nh- hiện nay, và cả trong t-ơng lai gần. Hình 1- 4 chỉ khuynh h-ớng
tăng nhiệt độ của máy tuabin khí và khả năng đáp ứng của hợp kim. Thành phần của
các hợp kim siêu cao đ-ợc giới thiệu trong bảng 1-3. Khả năng chịu đ-ợc nhiệt độ
cao nhất của vật liệu cũng chỉ đạt 1600
o

Bảng 1-2: Xu h-ớng phát triển của tuabin khí tải trọng nặng [2]
Kiểu
tuabin
Năm
SX
Nhiệt độ
cháy
o
F/
o
C

Công suất
ra KW
Tốc độ nhiệt
BTU/kwh
Công suất
dòng ra
10
3
lb/h
Nhiệt độ
ra,
o
F/
o
C

MS6431A
MS6441A

2077/1136

2084/1140

31,050

31,800

36,730

37,300

38,140

39,120

39,620

40,590

41,460

11,220

11,250

11,120

10,870


901/483

1017/547

1005/541

999/537

1003/539

989/532

1005/541

1016/546

Bảng 1- 3 : Thành phần hoá học (%) của các hợp kim nhiệt độ cao dùng cho đế
cánh tuabin [12]
Mác Cr Ni Co Fe W Mo

Ti Al Cb

C B Ta
U500
U700
IN738
GID111

18,5
15

3,0
-
-
0,9
-
0,07
0,07
0,10
0,10

0,006
0,02
0,001
0,01
-
-
1,75
2,8
25
Mục đích đầu tiên của các lớp phun là bảo vệ các chi tiết và kết cấu trong máy
tuabin khí tải trọng nặng khỏi gỉ, oxy hoá và sự giảm các tính chất cơ học. Rất khó có
thể đáp ứng đ-ợc cả hai yêu cầu về chống gỉ, chống oxy hoá và duy trì đ-ợc độ bền cao
nếu chỉ sử dụng siêu hợp kim mà không sử dụng các lớp phủ.
Vì vậy xu h-ớng tăng nhiệt độ cháy đòi hỏi sự ứng dụng các lớp phủ bảo vệ. Vai
trò của tất cả các lớp phun là cung cấp cho bề mặt vật liệu dự trữ các nguyên tố tạo nên
các lớp phun oxit dính bám tốt để bảo vệ vật liệu nền khỏi bị oxy hoá, gỉ và sự giảm độ
bền. Các lớp phun đầu tiên áp dụng trong tuabin khí máy bay đ-ợc sử dụng từ oxit
nhôm khuếch tán (đầu những năm 1960). Nó đ-ợc ứng dụng trong tuabin khí tải trọng
nặng nh-ng không thích ứng đ-ợc bởi các chất tạp với l-ợng lớn và l-u lại lâu trong
máy, làm tăng tốc hiện t-ợng gỉ nóng. L-ợng chất tạp của dầu và không khí càng lớn

dầu - không khí - n-ớc đối với độ bền
chống gỉ của chi tiết [2]

% tạp chấ
t

26
cục bộ t-ơng đối lớn của SO
2
. Nó gây bởi các hợp chất eutectic nóng chảy khi đốt cháy
sunphat natri và một số thành phần hợp kim nh- niken và coban.
Sự oxy hoá kim loại xuất hiện khi các nguyên tử oxy kết hợp với các nguyên tử
kim loại tạo thành các màng oxit. Nhiệt độ càng cao thì quá trình đó xảy ra càng nhanh
tạo nên tiềm lực phá huỷ kết cấu nếu vật liệu nền bị tiêu hao quá nhiều bởi các oxit đó.
ở những nhiệt độ cao hơn 899
o
C có thể xảy ra sự oxy hoá t-ơng đối mạnh trừ
khi có vật cản sự khuếch tán của oxy trên mặt kim loại. Oxit nhôm sẽ hình thành trên
bề mặt siêu hợp kim ở nhiệt độ cao nếu l-ợng nhôm của siêu hợp kim đó đủ lớn. Tuy
nhiên, nhiều siêu hợp kim độ bền cao đ-ợc sử dụng hiện nay không thể tạo đ-ợc đủ các
màng bảo vệ bởi vì các yêu cầu về thành phần để nhận đ-ợc các tính chất khác, nh- độ
bền cao và tính ổn định về luyện kim, không cho phép tối -u hoá độ bền chống gỉ và
oxy hoá của các siêu hợp kim.
Tóm lại, cả hai hiện t-ợng gỉ và oxy hoá đều xảy ra ở nhiệt độ cao và đặc biệt
nghiêm trọng khi môi tr-ờng công tác của chi tiết máy bị nhiễm bẩn nh- tuabin khí.
Điều đó, một lần nữa, nói lên vai trò cực kỳ quan trọng của các lớp phun nhiệt độ cao
(hay các lớp phủ bền nhiệt - Thermal Barier Coatings - TBCs).
Các lớp phun bền nhiệt TBCs đ-ợc áp dụng cho các chi tiết và kết cấu để cung
cấp một lớp cách ly làm giảm nhiệt độ vật liệu nền và giảm bớt ảnh h-ởng của sự phân
bố không đồng đều của nhiệt độ khí nóng. TBCs đ-ợc cấu thành từ hai lớp - lớp trung