cơ chế mài mòn và oxy hóa 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. Khảo sát tại nhà máy Supe Phốt
phát và hóa chất Lâm Thao cho thấy các thiết bị làm việc trong môi trường động học
chứa axit flo và nhiệt độ cao, chúng có tuổi thọ rất thấp thường bị mòn do tác nhân cơ
học và hóa chất gây mất cân bằng, biến dạng và bị phá hủy chi tiết như: Tua-bin, cánh
quạt, bơm dung dịch.(hình ảnh bơm và cánh quạt xem trong phần phụ lục). Các thiết
bị này làm việc trong môi trường gây ăn mòn khốc liệt chứa a xít flo, trong thực tế có
chứa tới 10% HF; 4%H2SiF6, nhiệt độ 70ºC và hạt rắn có kích thước ≤ 0,2 mm và các
dư lượng hóa chất khác ở nhiệt độ cao. Vì vậy khi nghiên cứu về công nghệ chống mòn
cho các đối tượng chi tiết này cần đưa ra các tiêu chí đánh giá về mòn, ăn mòn và dùng
chính điều kiện làm việc cụ thể này làm môi trường thí nghiệm.
Các chi tiết máy như cánh quạt, buồng cánh bơm thường phải làm bằng vật liệu có tính
chống ăn mòn cao nhưng tuổi thọ vẫn thấp: với cánh quạt hút khí flo làm bằng SUS304;
SUS316L tuổi thọ từ 1÷2 tháng làm việc liên tục; với bơm bùn apatit làm bằng gang
hợp kim tuổi thọ khoảng 3 tháng làm việc.
Chống ăn mòn là nhiệm vụ rất quan trọng và cần thiết trong công nghiệp nhằm nâng cao
hiệu quả hoạt động kéo dài tuổi thọ của các chi tiết máy trước sự phá hủy của môi trường,
đặc biệt là môi trường hóa chất khắc nghiệt.
Một trong những phương pháp bảo vệ chống mòn và ăn mòn cho thiết bị máy móc làm
việc trong môi trường hóa chất khắc nghiệt đó là lớp phun phủ nhiệt [1] nhằm ngăn cách
lớp phủ và đảm nhiệm 2 tính năng: chống mòn cơ học và chống ăn mòn hóa học. Nhiều
công trình trên thế giới tập trung nghiên cứu tạo ra những lớp phun phủ nhiệt tốt hơn để
bảo vệ thiết bị làm việc trong môi trường khắc nghiệt.
Ở Việt Nam, trong những năm gần đây, phun phủ là một lĩnh vực công nghệ bắt đầu
được nhiều ngành và các công ty ở Việt Nam quan tâm đến. Tuy nhiên đây vẫn còn là
một lĩnh vực mới. Số cán bộ khoa học công nghệ nghiên cứu về lĩnh vực này còn rất ít,
số thiết bị phun còn hạn chế. Các công trình nghiên cứu mới chỉ tập trung vào các lớp
phủ nhiệt chịu mài mòn cơ là chủ yếu, rất ít những công trình nghiên cứu về lớp phun
phủ nhiệt chống mòn trong môi trường hóa chất. Việc nghiên cứu nhằm tạo ra lớp phủ
có khả năng chống mòn cơ học và chống ăn mòn hóa học bảo vệ chi tiết máy làm việc
trong môi trường ăn mòn khắc nghiệt là tính cấp thiết của đề tài luận án.
Cacbit silic (SiC) được biết đến như một vật liệu đặc biệt ứng dụng vào lớp phủ cho
thiết bị làm việc trong môi trường ăn mòn. Vật liệu có khả năng chịu mài mòn và chống
ăn mòn rất tốt nhưng các nghiên cứu về lớp phủ này vẫn còn hạn chế và gặp phải những
khó khăn nhất định.
118 trang |
Chia sẻ: Tài Chi | Ngày: 26/11/2023 | Lượt xem: 274 | Lượt tải: 0
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận án Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp phủ cacbit si líc lên bề mặt thép để bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường axít chứa flo, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ CÔNG THƯƠNG
VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ
NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ PLASMA TẠO LỚP PHỦ
CACBIT SI LÍC LÊN BỀ MẶT THÉP ĐỂ BẢO VỆ CHỐNG ĂN MÒN
TRONG MÔI TRƯỜNG AXÍT CHỨA FLO
NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ
MÃ SỐ: 9520103
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Hà Nội – 2023
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết
quả trình bày trong Luận án này là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong bất cứ công trình nào khác.
Hà Nội, tháng 02 năm 2023
Nghiên cứu sinh
ii
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin trân trọng cảm ơn các Thầy hướng dẫn đã tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện,
động viên trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn ban lãnh đạo Viện cùng các Thầy thuộc Trung tâm đào
tạo Viện Nghiên cứu Cơ khí, đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tôi trong quá trình
học tập, nghiên cứu thực hiện luận án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn các Trung tâm, Phòng thí nghiệm, các nhà khoa học cùng
các bạn bè, đồng nghiệp đã đóng góp ý kiến, hỗ trợ tôi trong quá trình học tập,
nghiên cứu thực hiện luận án.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới toàn thể gia đình, bạn bè, những
người đã luôn chia sẻ, động viên, giúp đỡ tôi học tập, nghiên cứu và hoàn thành
Luận án này.
iii
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..........................................................................vi
DANH MỤC HÌNH VẼ .............................................................................................. vii
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ LỚP PHỦ NHIỆT CHỐNG ĂN MÒN ..................... 4
1.1. Tình hình nghiên cứu về lớp phun phủ nhiệt ở Việt Nam ........................................ 4
1.2. Tình hình nghiên cứu về lớp phun phủ nhiệt trên thế giới ....................................... 5
1.2.1. Tình hình nghiên cứu về phun phủ nhiệt trên thế giới ...................................... 5
1.2.2. Lớp phủ SiC để bảo vệ chống mòn cho thép trong môi trường ăn mòn ........... 7
1.2.3. Nghiên cứu chế tạo lớp phủ nhiệt plasma compozit SiC .................................. 9
1.3. Lớp phủ SiC và SiC compozit bảo vệ chống ăn mòn cho thép trong môi trường
chứa flo ................................................................................................................... 11
Kết luận chương 1 ......................................................................................................... 13
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ PLASMA ....... 14
2.1. Lý thuyết về sự hình thành lớp phủ ........................................................................ 14
2.2. Công nghệ phun phủ plasma .................................................................................. 16
2.2.1. Cấu trúc hệ thống phun phủ plasma ................................................................ 16
2.2.2. Hệ thống phun plasma Praxair ........................................................................ 19
2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ plasma cácbit SiC ......................... 20
2.3.1. Ảnh hưởng nhiệt độ phun ................................................................................ 21
2.3.2. Ảnh hưởng của lực co rút kim loại ................................................................. 24
2.3.3. Ảnh hưởng của các phản ứng hoá học ............................................................ 25
2.3.4. Ảnh hưởng của chất lượng chuẩn bị bề mặt phun .......................................... 25
2.3.5. Ảnh hưởng của kích thước hạt ........................................................................ 26
2.3.6. Ảnh hưởng của cường độ plasma .................................................................... 26
2.3.7. Ảnh hưởng của khoảng cách phun .................................................................. 27
2.3.8. Ảnh hưởng của lưu lượng cấp bột ................................................................... 29
Kết luận chương 2 ......................................................................................................... 31
Chương 3. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................... 32
3.1. Vật liệu phun phủ plasma ....................................................................................... 32
iv
3.1.1. Bột phun .......................................................................................................... 32
3.1.1.1. Đặc tính bột SiC trong phun phủ plasma ..................................................... 32
3.1.1.2. Đặc tính của bột Cu trong phun phủ plasma ................................................ 33
3.1.2. Vật liệu nền ..................................................................................................... 33
3.2. Thông số công nghệ và thiết bị thí nghiệm ............................................................ 34
3.2.1. Lựa chọn các thông số công nghệ và các chỉ tiêu kỹ thuật chính ................... 34
3.2.2. Thiết bị đo ....................................................................................................... 34
3.2.3. Mẫu thí nghiệm ............................................................................................... 35
3.2.4. Thiết bị phun phủ ............................................................................................ 36
3.2.5. Cải tiến súng phun plasma trong khí bảo vệ Ar .............................................. 36
3.3. Giải pháp thẩm thấu PTFE khắc phục độ xốp trong phun phủ SiC-Cu ................. 37
3.4. Các phương pháp phân tích, đánh giá .................................................................... 39
3.4.1. Đo chiều dày và độ xốp của lớp phủ ............................................................... 39
3.4.2. Phân tích hình thái bề mặt lớp phủ bằng kinh hiển vi điện tử quét ................ 39
3.4.3. Phân tích thành phần pha bằng nhiễu xạ tia X (XRD) .................................... 39
3.4.4. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của chế độ công
nghệ phun plasma đến cơ tính lớp phủ ........................................................... 39
3.4.5. Phương pháp đánh giá khả năng bảo vệ chống ăn mòn .................................. 40
3.5. Tiến trình trình thí nghiệm ..................................................................................... 46
Kết luận chương 3 ......................................................................................................... 47
Chương 4. CHẾ TẠO VÀ PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ CÁC LỚP PHỦ PLASMA
SiC TRÊN NỀN THÉP ............................................................................................... 48
4.1. Chế tạo lớp phủ đơn SiC trên nền thép .................................................................. 48
4.1.1. Chế độ công nghệ phun plasma SiC trên nền thép ......................................... 48
4.1.2. Cấu trúc và cơ tính của lớp phun phủ plasma SiC trên nền thép C45 ............ 48
4.1.3. Tính chất điện hoá của lớp phun phủ plasma SiC/thép ................................... 51
4.2. Chế tạo lớp phủ compozit SiC-Cu trên nền thép .................................................... 56
4.2.1. Phân tích các yếu tố công nghệ bột SiC-Cu khi phun plasma trên nền thép C45
......................................................................................................................... 56
4.2.1.1. Kích thước hạt (W): .......................................................................................... 56
4.2.1.2. Tỷ lệ phối trộn (S) ............................................................................................ 56
v
4.2.2. Hiệu quả của phun plasma SiC/Cu trong khí bảo vệ Ar ..................................... 57
4.3. Các kết quả về tổ chức tế vi của lớp SiC-Cu trên nền thép chế tạo bằng phun phủ
plasma trong khí bảo vệ Argon ............................................................................... 64
4.3.1. Cấu trúc lớp phủ SiC-30Cu trên nền thép C45 ............................................... 65
4.3.2. Cấu trúc lớp phủ SiC-50Cu trên nền thép C45 ............................................... 67
4.4. Khả năng chống ăn mòn của lớp phủ plsma SiC-Cu.............................................. 69
4.4.1. Tính chất điện hoá của lớp phun phủ plasma SiC-Cu trên nền thép trong dung
dịch chứa 3,5% NaCl ...................................................................................... 69
4.4.2. Tổn hao của lớp phun phủ plasma SiC-Cu trên nền thép trong môi trường ăn
mòn chứa axit HF. ........................................................................................... 74
Kết luận chương 4 ......................................................................................................... 76
Chương 5. XÁC ĐỊNH BỘ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ PHUN PLASMA SiC-50Cu
TRÊN NỀN THÉP C45 ............................................................................................... 77
5.1. 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. ............................................... 77
5.2. Ảnh hưởng của các thông số đến độ bền bám dính của lớp phủ ............................ 79
5.3. Ảnh hưởng của các thông số đến độ xốp lớp phủ .................................................. 83
5.4. Ảnh hưởng của các thông số đến độ cứng lớp phủ ................................................ 87
5.5. Ảnh hưởng của các thông số đến hàm lượng SiC trong lớp phủ ........................... 91
Kết luận chương 5 ......................................................................................................... 95
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ...................................... 97
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 98
vi
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
APS : Atmospheric plasma spraying (Phun plasma khí quyển)
HVOF: High Velocity Oxygen Fuel (phun phủ hỗn hợp vật chất ở vận tốc cao)
SEM : Scanning Electron Microscope (Kính hiển vi điện tử quét).
EDX : Energy-dispersive X-ray spectroscopy (Phổ tán xạ năng lượng tia X)
XRD : X-ray diffraction (Nhiễu xạ tia X)
PTFE : Polytetrafluoroethylene
Apparent porosity: Độ xốp khả kiến
EIS : Electrochemical Impedance Spectroscopy (tổng trở điện hóa)
Eoc : Open Circuit Potential (OCP, điện thế mạch hở).
Ecorr : Điện thế ăn mòn
icorr : Mật độ dòng điện ăn mòn
Rp : Điện trở phân cực của thép
Rs : Điện trở dung dịch điện ly
Cdc : Điện dung lớp điện tích kép hình thành trên ranh giới bề mặt thép và dung
dịch điện ly.
Rct : Điện trở truyền điện tích ở tiếp giáp bề mặt thép và dung dịch.
Rseal : Điện trở của lớp phủ/bọc bịt PTFE
Cseal : Điện dung của lớp phủ/bọc bịt PTFE
CPE: Constant phase element (phần tử hằng số pha)
MSE : Mercury-mercurous sulfate reference electrode (điện cực so sánh thủy
ngân-thủy ngân sunphat)
SCE : Saturated Calomel Electrode (điện cực calomen bão hòa)
I, L, M : Thông số khảo sát chế độ phun plasma: cường độ dòng điện I (A), Khoảng
cách phun L (mm) và tốc độ cấp bột M (g/ph)
PM : powder metallurgy (luyện kim bột)
D : Độ cứng lớp phủ
H : Hàm lượng SiC trong lớp phủ
S : Tỷ lệ trộn SiC/Cu trong bột
W : Cỡ hạt bột
vii
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2.1. Các giai đoạn quá trình phun nhiệt. ............................................................... 15
Hình 2.2. Phân bố mật độ chùm hạt và sự chồng chất các chùm hạt phun. .................. 16
Hình 2.3. Hình ảnh hạt bột phun khi tiếp xúc với bề mặt nền....................................... 16
Hình 2.4. Sơ đồ dòng vật liệu phun va đập hình thành lớp phủ. ................................... 16
Hình 2.5. Thiết bị phun plasma hệ hở APS ................................................................... 17
Hình 2.6. Quá trình phun plasma ................................................................................... 17
Hình 2.7. Cấu tạo của súng phun plasma ...................................................................... 18
Hình 2.8. Thiết bị phun plasma Praxair ......................................................................... 19
Hình 2.9. Phân bố nhiệt độ tại các thời điểm khác nhau của phần tử phun .................. 21
Hình 2.10. Sự va đập của hạt phun với kim loại nền. ................................................... 24
Hình 2.11. Ứng suất trong lớp phủ ................................................................................ 24
Hình 2.12. Quan hệ giữa độ bền bám dính và độ nhấp nhô bề mặt. ............................. 26
Hình 2.13. Sự phân bố nhiệt độ theo cỡ hạt .................................................................. 26
Hình 2.14. Sự thay đổi nhiệt độ bề mặt hạt ................................................................... 26
Hình 2.15. Sơ đồ đưa nhiệt năng vào các hạt kim loại phun và lớp nền bằng dòng plasma,
sự phân bố cường độ dòng nhiệt (q2) theo vết nung nóng (dII) .................... 27
Hình 2.16. Hệ số tập trung dòng nhiệt riêng khi phun bằng dòng plasma và sự phụ thuộc
của nó vào Khoảng cách phun L. ................................................................. 28
Hình 2.17. Sự thay đổi hiệu suất nung vật phun (H), dòng plasma (ẽ) và cả hai yếu tố
tác động () vào Khoảng cách phun L ......................................................... 28
Hình 2.18. Mô hình quan hệ giữa Khoảng cách phun với tốc độ hạt phun ................... 29
Hình 2.19. Quan hệ giữa lưu lượng cấp bột phun đến vận tốc và nhiệt độ hạt .................... 30
Hình 3.1. Ảnh chụp bột SiC (trái) và bột Cu (phải). ..................................................... 32
Hình 3.2. Phổ XRD của mẫu bột SiC (trái); bột Cu (phải) dùng để phun plasma. ....... 32
Hinh 3.3. Mẫu thép C45 trước và sau phun làm sạch tạo nhám .................................... 33
Hình 3.4. Các thiết bị kiểm tra chất lượng lớp phủ ....................................................... 34
Hình 3.5. Mẫu thí nghiệm .............................................................................................. 35
Hình 3.6. Thiết bị phun phủ plasma PRAXAIR ............................................................ 36
Hình 3.7. Súng phun cải tiến trong khí bảo vệ .............................................................. 36
viii
Hình 3.8. Các mẫu đo điện hóa ..................................................................................... 41
Hình 3.9. Đo điện hóa 3 điện cực .................................................................................. 41
Hình 3.10. Giản đồ Nyquist với vectơ tổng trở của Z cho tiếp giáp kim loại/dung dịch
điện ly (thép C45/NaCl) ............................................................................... 43
Hình 3.11. Sơ đồ mạch tương đương cho mẫu thép C45 ngâm trong NaCl không có lớp
phủ bảo vệ. ................................................................................................... 43
Hình 3.12. Sơ đồ mạch tương đương cho mẫu thép C45 ngâm trong NaCl khi có lớp phủ
bảo vệ SiC-Cu/thép. ..................................................................................... 44
Hình 3.13. Sơ đồ mạch tương đương cho mẫu thép C45 ngâm trong NaCl khi có lớp phủ
bảo vệ PTFE/SiC-Cu/thép. ........................................................................... 44
Hình 3.14. Thiết bị thử mòn hỗn hợp ............................................................................ 45
Hình 3.15. Xác định khối lượng mẫu sau thi nghiệm. .................................................. 46
Hình 4.1. Ảnh SEM bề mặt lớp phủ SiC/thép C45 - độ phóng đại 500 lần .................. 48
Hình 4.2. Ảnh SEM bề mặt lớp phủ SiC/thép C45 - độ phóng đại 2000 lần ................ 49
Hình 4.3. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) của thép nền C45 ................................................ 50
Hình 4.4. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) của lớp phủ SiC trên thép nền C45 ..................... 50
Hình 4.5. Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS) của lớp phủ SiC trên thép nền C45. ..... 50
Hình 4.6. Ảnh SEM của lớp phủ PTFE/SiC/thép với độ phóng đại 500 lần ................. 51
Hình 4.7. Ảnh SEM của lớp phủ PTFE/SiC/thép với độ phóng đại 2000 lần ............... 52
Hình 4.8. Đường cong phân cực của mẫu thép C45 có hay không có lớp phủ bảo vệ
trong dung dịch 3,5% NaCl.......................................................................... 52
Hình 4.9. Thế ăn mòn của thép C45 trong dung dịch 3,5% NaCl khi có hay không có
lớp phủ bảo vệ .............................................................................................. 53
Hình 4.10. Dòng ăn mòn của thép C45 trong dung dịch 3,5% NaCl khi có hay không có
lớp phủ bảo vê .............................................................................................. 53
Hình 4.11. Ảnh chụp bền mặt mẫu SiC/C45 và thép SUS 304 trước và sau khi ngâm
trong hỗn hợp axit ........................................................................................ 54
Hình 4.12. a) Phun plasma súng SG-100; b) Phun plasma có bảo vệ khí trơ (Ar) ....... 57
Hình 4.13. Ảnh SEM bề mặt lớp phủ SiC-30Cu/thép C45 – phun không có khí bảo vệ
(độ phóng đại 750 lần) ................................................................................. 57
ix
Hình 4.14. Phổ tán xạ tia X (EDS) của của lớp phủ SiC-30Cu trên nền C45 – phun không
có khí bảo vệ. ............................................................................................... 58
Hình 4.15. Ảnh SEM bề mặt lớp phủ SiC-30Cu/thép C45 – phun có khí bảo vệ (độ
phóng đại 1000 lần) ...................................................................................... 58
Hình 4.16. Chiều dầy lớp phủ SiC-30Cu/thép C45 – phun có khí bảo vệ .................... 59
Hình 4.17. Phổ tán xạ tia X theo năng lượng (EDS) của của lớp phủ SiC-30Cu trên thép
nền C45 – phun có khí bảo vệ. ..................................................................... 59
Hình 4.18. Ảnh hưởng các yếu tố đến chiều dày lớp phủ theo trị số SN. ..................... 62
Hình 4.19. Ảnh hưởng các yếu tố đến hàm lượng SiC trong lớp phủ theo SN. ............ 62
Hình 4.20. Chiều dầy lớp phủ SiC-30Cu và SiC-50Cu trên nền thép C45. .................. 64
Hình 4.21. Ảnh hiển vi mặt cắt ngang lớp phủ SiC-50Cu (Độ phóng đại 200 lần) ..... 65
Hình 4.22. Ảnh SEM của lớp phủ SiC-30Cu trên nền thép C45 (phóng đại 500 lần) . 65
Hình 4.23. Phổ EDS của lớp phủ SiC-30Cu ................................................................. 65
Hình 4.24. Giản đồ XRD của mẫu lớp phủ SiC-30Cu ................................................. 66
Hình 4.25. Ảnh mặt cắt ngang lớp phủ SiC-30Cu. ....................................................... 66
Hình 4.26. Ảnh SEM của lớp phủ SiC-50Cu (Độ phóng đại 500 lần). ......................... 67
Hình 4.27. Phổ EDS của lớp phủ SiC-50Cu . ............................................................... 67
Hình 4.28. Giản đồ XRD của lớp phủ SiC-50Cu ......................................................... 68
Hình 4.29. Đường cong phân cực của mẫu thép C45 có và không có lớp phủ bảo vệ
trong dung dịch 3,5% NaCl.......................................................................... 69
Hình 4.31. Dòng ăn mòn của thép C45 trong dung dịch NaCl khi có và không có lớp
phủ bảo vệ .................................................................................................... 70
Hình 4.32. Phổ tổng trở Nyquist của mẫu (không phủ) trong dung dịch 3,5% NaCl ... 71
Hình 4.33. Phổ tổng trở Nyquist của SiC-30Cu/thép trong dung dịch 3,5% NaCl. ...... 71
Hình 4.34. Phổ tổng trở Nyquist của SiC-50Cu/thép trong dung dịch 3,5