Tình trạng Nghiên cứu về Công nghệ Phun nhiệt Chống mài mòn

1. Tình trạng nghiên cứu hiện tại của lớp phủ kim loại

Lớp phủ kim loại phun nhiệt là một trong những lớp phủ chống mài mòn được nghiên cứu và áp dụng sớm nhất. Các vật liệu thường được sử dụng bao gồm kim loại (Mo, Ni), thép carbon, thép hợp kim thấp, thép không gỉ và các lớp phủ hợp kim Ni-Cr. Các kỹ thuật như phun lửa, phun hồ quang, phun plasma, HVOF (Nhiên liệu oxy tốc độ cao) và phun nổ thường được sử dụng. Những lớp phủ này thể hiện độ bám dính cao với nền, cùng với khả năng chống mài mòn và ăn mòn xuất sắc, làm cho chúng phù hợp để sửa chữa các bộ phận bị mài mòn và gia công các thành phần quá cỡ.

Khi sử dụng công nghệ phun plasma với các hợp kim dựa trên nhôm để phủ các vòng piston, vòng đồng bộ và xi lanh, các lớp phủ thể hiện khả năng chống mài mòn tốt, độ bám dính cao và tính chất chống mài mòn dính tuyệt vời. Dưới điều kiện bôi trơn, chúng cũng thể hiện hiệu suất chống kẹt và chống trầy xước tốt. Dây thép carbon cao và dây hợp kim thép không gỉ (loại Cr13, loại 18-8, v.v.) thường được sử dụng làm vật liệu phun chống mài mòn và ăn mòn. Những vật liệu này có đặc điểm là độ bền cao, khả năng chống mài mòn tốt, dễ dàng có sẵn và chi phí thấp. Lớp phủ NiCr cung cấp khả năng chống nhiệt tốt, khả năng chống ăn mòn và khả năng chống mài mòn do xói mòn, làm cho chúng phù hợp làm lớp phủ bảo vệ cho các ống siêu gia nhiệt và gia nhiệt lại trong nồi hơi của nhà máy điện. Các phương pháp phun lửa và phun plasma có thể được sử dụng để chuẩn bị các lớp phủ kim loại NiCr chống mài mòn với các cấu trúc vi mô khác nhau, mặc dù các lớp phủ này có xu hướng có độ rỗ cao hơn và hàm lượng oxit cao hơn.

2. Tình trạng nghiên cứu hiện tại của lớp phủ gốm

Bột gốm phun nhiệt bao gồm oxit, cacbua, borua, nitrua và silixua, là các hợp chất tinh thể hoặc vô định hình được cấu thành từ các nguyên tố kim loại và phi kim loại. Lớp phủ gốm được biết đến với điểm nóng chảy cao, độ cứng cao và khả năng chống mài mòn, chống ăn mòn và ổn định nhiệt độ cao tuyệt vời. Tuy nhiên, quá trình phun lớp phủ gốm phức tạp và tốn kém, và các lớp phủ này dễ bị nứt bề mặt và có khả năng chịu nhiệt kém hơn so với lớp phủ kim loại. Thêm vào đó, lớp phủ gốm có độ dẻo kém và không phù hợp cho các ứng dụng liên quan đến tải trọng va đập lớn. Các lớp phủ gốm thường được sử dụng bao gồm Al2O3, TiO2, Cr2O3, ZrO2, WC, TiC, Cr3C2 và TiB2, thường được chuẩn bị bằng các kỹ thuật phun plasma, phun lửa, HVOF và phun nổ.

Ren Jingri và các cộng sự đã nghiên cứu đặc tính ma sát trượt và mài mòn của các lớp phủ bột gốm Al2O3-40%TiO2 và Cr2O3 được phun plasma. Họ phát hiện rằng các lớp phủ Cr2O3 có độ mài mòn cao hơn so với các lớp phủ Al2O3-40%TiO2. Cơ chế mài mòn của các lớp phủ Cr2O3 chủ yếu là mài mòn do mài mòn, với các đặc điểm gãy giòn dưới tải trọng cao hơn. Ngược lại, cơ chế mài mòn của các lớp phủ Al2O3-40%TiO2 chủ yếu là biến dạng dẻo và tách lớp. Chen Chuanzhong và các cộng sự đã nghiên cứu các lớp phủ gốm composite Al2O3-TiO2-NiCrAlY, lưu ý rằng sự nóng chảy của TiO2 và Al2O3 tạo ra một mức độ hòa tan lẫn nhất định, giảm độ rỗ của lớp phủ và tăng cường thêm độ bền, độ dẻo và khả năng chống mài mòn của nó.

Các nghiên cứu khác đã điều tra đặc tính ma sát trượt và mài mòn của các lớp phủ kim loại và gốm nhiều lớp được phun plasma. Quy trình phun bao gồm việc đầu tiên áp dụng một lớp liên kết NiCr trên bề mặt nền, tiếp theo là các lớp chuyển tiếp với tỷ lệ khác nhau của NiCr-Cr2O3, và cuối cùng là một lớp bề mặt 100% Cr2O3. Người ta phát hiện rằng tỷ lệ thích hợp giữa kim loại và gốm trong lớp chuyển tiếp có thể cải thiện khả năng chống mài mòn của lớp phủ. Các cơ chế mài mòn chính bao gồm gãy giòn, mài mòn do ma sát, bám dính và mài mòn do oxy hóa.

tình trạng nghiên cứu hiện tại của các lớp phủ kim loại-gốm

Kim loại và gốm sứ mỗi loại đều có những lợi thế độc đáo và những điểm yếu hiệu suất khác nhau. Việc kết hợp các tính chất có lợi của cả hai vật liệu đã là một hướng nghiên cứu lâu dài trong khoa học và kỹ thuật vật liệu. Công nghệ phủ composite kim loại-gốm, liên quan đến việc phân phối đồng đều các hạt gốm có hình dạng và kích thước phù hợp trong một ma trận nhựa, đã kết hợp thành công sức mạnh và độ bền của kim loại với khả năng chịu nhiệt độ cao, khả năng chống mài mòn và khả năng chống ăn mòn của gốm sứ. Điều này mở rộng đáng kể phạm vi ứng dụng của cả vật liệu kim loại và gốm sứ, với các ứng dụng thành công trong ngành hàng không, hóa chất, cơ khí và năng lượng. Các lớp phủ kim loại-gốm được sử dụng rộng rãi nhất trong ngành công nghiệp là Cr3C2-NiCr và WC-Co, thường được chuẩn bị bằng các kỹ thuật phun HVOF, plasma và nổ.

Các lớp phủ kim loại-gốm Cr3C2-NiCr bao gồm một pha cứng carbide crom chịu nhiệt và một pha hợp kim niken-crom dẻo. Chúng thể hiện độ cứng cao ở nhiệt độ cao, khả năng chống mài mòn tuyệt vời ở nhiệt độ cao, khả năng chống ăn mòn, khả năng chống oxi hóa và độ bám dính cao. Những lớp phủ này được sử dụng rộng rãi trong các thành phần hoạt động dưới điều kiện mài mòn nhiệt độ cao (530–900°C), mài mòn ăn mòn và mài mòn xói mòn, chẳng hạn như các con lăn lò trong các dây chuyền ủ liên tục, các con lăn lõi trong các dây chuyền sản xuất liên tục của nhà máy thép, và các vòng piston và lớp lót của xi lanh. Các lớp phủ kim loại-gốm dựa trên TiB2, với điểm nóng chảy cao, độ cứng cao, tính chất điện và từ tốt, và khả năng chống ăn mòn cao, là một sự thay thế tiềm năng cho Cr3C2 trong các ứng dụng chịu nhiệt độ cao, chống mài mòn. Chúng cung cấp khả năng chống mài mòn cao hơn so với Al2O3, Cr3C2-NiCr và WC-Co.

Các lớp phủ kim loại-ceramic dựa trên WC thường được sử dụng trong các điều kiện mài mòn và ăn mòn dưới 450°C. Xu Xiangyang và các cộng sự đã nghiên cứu cơ chế mài mòn do ma sát của các lớp phủ WC/18Co phun plasma. Kết quả cho thấy giai đoạn ban đầu của mài mòn do ma sát chủ yếu bị chi phối bởi mài mòn dính, với độ cứng cao của lớp phủ và tính chất chống dính mạnh mẽ dẫn đến mài mòn tối thiểu. Trong giai đoạn ổn định, tách lớp do mỏi và nứt giòn trở thành các cơ chế mài mòn chính, với độ giòn của lớp phủ và sức mạnh liên kết giữa các hạt thấp dẫn đến mài mòn gia tăng. Các tạp chất oxit trong lớp phủ là nguyên nhân chính gây ra khả năng chống mài mòn do ma sát không đủ.

4. Tình trạng nghiên cứu hiện tại của các lớp phủ vô định hình

Vật liệu vô định hình được đặc trưng bởi sự rối loạn ở khoảng cách xa và trật tự ở khoảng cách ngắn. Chúng thường thể hiện các tính chất vật lý và hóa học vượt trội so với các đối tác tinh thể của chúng, bao gồm độ bền cao, độ dẻo dai, độ cứng, khả năng chống ăn mòn và các tính chất từ tính mềm, khiến chúng trở thành một lớp vật liệu kim loại mới đầy hứa hẹn.

Xiang Xinghua và các cộng sự đã sử dụng phun plasma để chế tạo các lớp phủ hợp kim vô định hình dựa trên Fe (chứa Si, B, Cr, Ni, v.v.). Các lớp phủ thể hiện cấu trúc vi mô đồng nhất, mật độ cao, độ xốp thấp, hàm lượng oxit tối thiểu và độ cứng cao, với độ cứng vi mô dao động từ 530 đến 790 HV0.1. Các lớp phủ cũng cho thấy sự liên kết tốt với nền.

Các nghiên cứu khác đã điều tra cấu trúc vi mô và khả năng chống mài mòn của các lớp phủ hợp kim Fe-Cr-B phun bằng phương pháp nổ. Kết quả cho thấy các lớp phủ có khả năng chống mài mòn và ăn mòn xuất sắc. Trong quá trình mài trượt, một lớp phim vô định hình được tạo ra động đã cải thiện đáng kể khả năng chống mài mòn và giảm hệ số ma sát.

Tóm lại, việc sử dụng HVOF, phun plasma, phun hồ quang, và phun nổ để áp dụng các lớp phủ chống mài mòn bằng kim loại, gốm, kim loại-gốm, và vô định hình có thể nâng cao hiệu quả khả năng chống mài mòn của các vật liệu nền. Nghiên cứu sâu về các cơ chế mài mòn của các lớp phủ phun nhiệt và ảnh hưởng của vi cấu trúc lớp phủ đến các đặc tính mài mòn cung cấp cơ sở lý thuyết cho việc cải thiện cấu trúc lớp phủ, tối ưu hóa quy trình phun, và phát triển các lớp phủ chống mài mòn mới.