Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của lưu lượng và tốc độ chuyển động tương đối giữa đầu phun với chi tiết đến chất lượng bề mặt phun phủ bằng công nghệ phun nhiệt khí tốc độ cao – HVOF

Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của lưu lượng và tốc độ chuyển động tương đối giữa đầu phun với chi tiết đến chất lượng bề mặt phun phủ bằng công nghệ phun nhiệt khí tốc độ cao – HVOF trang 1

Trang 1

Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của lưu lượng và tốc độ chuyển động tương đối giữa đầu phun với chi tiết đến chất lượng bề mặt phun phủ bằng công nghệ phun nhiệt khí tốc độ cao – HVOF trang 2

Trang 2

Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của lưu lượng và tốc độ chuyển động tương đối giữa đầu phun với chi tiết đến chất lượng bề mặt phun phủ bằng công nghệ phun nhiệt khí tốc độ cao – HVOF trang 3

Trang 3

Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của lưu lượng và tốc độ chuyển động tương đối giữa đầu phun với chi tiết đến chất lượng bề mặt phun phủ bằng công nghệ phun nhiệt khí tốc độ cao – HVOF trang 4

Trang 4

Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của lưu lượng và tốc độ chuyển động tương đối giữa đầu phun với chi tiết đến chất lượng bề mặt phun phủ bằng công nghệ phun nhiệt khí tốc độ cao – HVOF trang 5

Trang 5

Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của lưu lượng và tốc độ chuyển động tương đối giữa đầu phun với chi tiết đến chất lượng bề mặt phun phủ bằng công nghệ phun nhiệt khí tốc độ cao – HVOF trang 6

Trang 6

Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của lưu lượng và tốc độ chuyển động tương đối giữa đầu phun với chi tiết đến chất lượng bề mặt phun phủ bằng công nghệ phun nhiệt khí tốc độ cao – HVOF trang 7

Trang 7

Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của lưu lượng và tốc độ chuyển động tương đối giữa đầu phun với chi tiết đến chất lượng bề mặt phun phủ bằng công nghệ phun nhiệt khí tốc độ cao – HVOF trang 8

Trang 8

Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của lưu lượng và tốc độ chuyển động tương đối giữa đầu phun với chi tiết đến chất lượng bề mặt phun phủ bằng công nghệ phun nhiệt khí tốc độ cao – HVOF trang 9

Trang 9

Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của lưu lượng và tốc độ chuyển động tương đối giữa đầu phun với chi tiết đến chất lượng bề mặt phun phủ bằng công nghệ phun nhiệt khí tốc độ cao – HVOF trang 10

Trang 10

Tải về để xem bản đầy đủ

pdf 140 trang nguyenduy 25/02/2024 340
Bạn đang xem 10 trang mẫu của tài liệu "Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của lưu lượng và tốc độ chuyển động tương đối giữa đầu phun với chi tiết đến chất lượng bề mặt phun phủ bằng công nghệ phun nhiệt khí tốc độ cao – HVOF", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên.

Tóm tắt nội dung tài liệu: Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của lưu lượng và tốc độ chuyển động tương đối giữa đầu phun với chi tiết đến chất lượng bề mặt phun phủ bằng công nghệ phun nhiệt khí tốc độ cao – HVOF

Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của lưu lượng và tốc độ chuyển động tương đối giữa đầu phun với chi tiết đến chất lượng bề mặt phun phủ bằng công nghệ phun nhiệt khí tốc độ cao – HVOF
hể làm giảm hiệu quả của lớp 
phủ. Độ cứng của lớp phủ thường được đo trên một mẫu thử nghiệm. Thông 
thường độ cứng các hạt tạo thành lớp phủ cao hơn độ cứng vật liệu phun, vì 
vậy lớp phủ có độ chịu mài mòn tốt. 
2.3.6. Độ xốp 
Độ xốp là một trong những tính chất quan trọng của lớp phủ phun nhiệt. 
Trong quá trình phun khi các hạt chưa nóng chảy hết chúng sẽ bị đông đặc và 
co ngót thể tích tạo thành các rỗ xốp tế vi. Ngoài ra, do các hạt phun sau 
không điền hết không gian,sinh rỗ xốp, độ xốp của lớp phủ thể hiện trên hình 
2.13. 
Hình 2.13: Biểu diễn cấu trúc rỗ xốp của lớp phủ phun nhiệt 
Tùy thuộc vào quá trình phun, phương pháp phun mà lớp phủ có thể 
nhận được độ xốp khác nhau, thông thường độ xốp lớp phủ đạt giá trị trong 
khoảng từ 0,1% đến 15%. Độ xốp còn phụ thuộc vào việc lựa chọn tối ưu hóa 
các thông số phun như: kích thước hạt kim loại phun, tốc độ phun, lưu lượng 
phun và khoảng cách phun. Do đó, việc nghiên cứu để làm giảm độ xốp đến 
 47 
giá trị thấp nhất đáp ứng nhu cầu sử dụng trong các ngành công nghiệp luôn 
được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm. 
Hiện nay, người ta đã nghiên cứu ra một số phương pháp phun nhiệt cho 
độ xốp thấp hơn so với các phương pháp phun khác, trong đó công nghệ phun 
nhiệt HVOF cho độ xốp thấp nhất, do vận tốc khí tác động lên các hạt phun 
cao, đẩy hầu hết các túi khí tích tụ ra khỏi cấu trúc của lớp phủ [21]. Trong 
bảng 2.2 cho thấy, sự khác nhau của độ xốp lớp phủ khi phun bằng phương 
pháp HVOF, sử dụng vật liệu phủ khác nhau cho chất lượng độ xốp của lớp 
phủ khác nhau. 
Bảng 2.2: Sự khác nhau của độ xốp trong lớp phủ HVOF. 
Vật liệu phủ Độ xốp (%) 
Diamalloy 1005 niken/crom molypden nền bazơ 1 
Diamalloy 2003 tungsten cacbit - coban < 0,5 
Diamalloy 3001 coban nền hợp kim 1,5 
Diamalloy 3006 crôm cacbit / nikencrom 1-2 
2.3.7. Độ bám dính 
Độ bám dính cao là một trong những thông số quan trọng nhất, ảnh 
hưởng đến hiệu suất của nhiệt phun hệ thống phủ ngoài bề mặt trong các ứng 
dụng thực tế của lớp phủ. Đối với nhiều ứng dụng độ bám dính của lớp phủ là 
rất quan trọng đối với hiệu suất của phần phủ. 
Sự bám dính của lớp phủ với vật liệu nền là một trong những yếu tố quan 
trọng nhất được nhiều nhà khoa học nghiên cứu. Do quá trình làm nguội 
nhanh, sự khuếch tán qua lại giữa lớp phủ và vật liệu nền chỉ xảy ra ở mức độ 
hạn chế, do đó sự bám dính chủ yếu mang tính chất vật lý, chứ không mang 
tính chất luyện kim hay hóa học. Mặc dù các hạt nóng chảy đã làm biến dạng 
đến độ nhấp nhô của bề mặt vật liệu nền, tạo ra một liên kết cơ học, việc phun 
cát làm tăng độ nhấp nhô bề mặt vật liệu nền cũng không làm tăng đáng kể 
 48 
diện tích bề mặt cho liên kết cơ học đó [55]. Tuy nhiên, việc phun cát đã tạo 
ra bề mặt rất năng động. Các nghiên cứu [67] đã tính toán cho rằng khi sử 
dụng bột thiếc phun lên thép đã được tạo nhám bằng phun cát với vận tốc 
V=100 m/s thì động năng và nhiệt năng có giá trị lớn hơn ứng suất chảy dẻo. 
Dưới sự tác động của phun cát đã phá vỡ lớp oxit trên bề mặt, tạo ra lớp bề 
mặt sạch giúp cho quá trình liên kết giữa kim loại nền và vật liệu phun tốt 
hơn. Các nghiên cứu khác của Baxtor và Reiter cho thấy rằng phun phủ nhôm 
bằng plasma cũng phá vỡ lớp oxit trên bề mặt kim loại [18]. Cường độ bám 
dính thực tế phụ thuộc rất nhiều vào vật cần phun và các tham số của quy 
trình phun phủ. 
Một vấn đề khác liên quan đến cường độ bám dính của lớp phủ đó là sự 
tích tụ của các hạt riêng lẻ khi va đập vào bề mặt vật liệu nền, nhiệt độ bề mặt 
vật liệu nền ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình làm phẳng của các hạt nóng 
chảy khi va đập vào bề mặt vật liệu nền, do đó có tác động đến các đặc tính 
cơ học và lý học của lớp phun phủ nhiệt. Quá trình làm phẳng là một trong 
những quá trình quan trọng của phun phủ nhiệt, vì quá trình này quyết định 
các đặc tính của lớp phun phủ. 
Quá trình làm phẳng trên các bề mặt nhấp nhô hình 2.14 cũng đã được 
Moreau nghiên cứu và tác giả cho rằng tỷ lệ làm phẳng và tốc độ lan rộng sẽ 
giảm đi khi độ nhấp nhô bề mặt tăng lên [54]. 
Hình 2.14: Biểu diễn sự va chạm của hạt phun trên bề mặt nhấp nhô theo tiết 
diện ngang 
 49 
Nhiều lớp mỏng phun trên một bề mặt nhấp nhô của vật liệu nền được 
gắn kết lại bằng một lực sinh ra bởi sự co ngót của chất lỏng bao quanh những 
điểm lồi lõm trên bề mặt đó. 
Khi lớp mỏng tiếp xúc với bề mặt vật liệu nền sự liên kết được sinh ra 
nhờ các cơ chế sau: Tương tác vật lý và tương tác luyện kim. 
Các điều kiện tiên quyết để hình thành tương tác vật lý giữa các bề mặt 
tiếp xúc là: Bề mặt phải được làm sạch. Bề mặt phải ở trạng thái năng lượng 
cao (ví dụ như trạng thái biến dạng dẻo). Tiếp xúc kín (điều này luôn xảy ra 
nếu lớp mỏng ở trạng thái lỏng). Có hai cơ chế có thể tương tác luyện kim đó 
là: Khuếch tán và phản ứng hóa học giữa tấm mỏng và kim loại nền. 
2.4. Cơ sở nhiệt động lực học quá trình phun HVOF 
Đặc tính động lực học quá trình phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF nhằm 
xác định sơ bộ sự ảnh hưởng của lưu lượng phun và các tham số động lực học 
quá trình phun tới chất lượng lớp phủ. Quá trình phun nhiệt khí tốc độ cao 
HVOF xảy ra như Hình 2.15 [57]. Đây là quá trình nhiệt động học xảy ra 
trong buồng đốt, vòi phun và sự tương tác giữa dòng phun với bề mặt được 
phun, mô hình vòi phun HVOF. 
Hình 2.15: Kết cấu vòi phun HVOF. 
Trong quátrình phun HVOF, hỗn hợp nhiên liệu khí gồm khí hydro và 
khí oxy được cấp từ buồng cấp khí, tại đây xảy ra phản ứng sinh ra khí cháy 
nhiệt độ cao [25],[35]. Khí thải cùng với không khí được phun vào từ các lỗ 
 50 
phun, giãn nở trong vòi phun tới tốc độ siêu âm, buồng đốt được làm mát 
bằng nước và không khí. 
Bột được cấp vào buồng đốt có nhiệt độ cao làm các hạt bột nóng chảy 
và bay cùng với dòng hỗn hợp khí bắn vào bề mặt chi tiết phun tạo thành lớp 
phủ. 
Trong công nghệ HVOF, các lớp phủ rải đều lên bề mặt chi tiết phun 
bằng cách tạo dịch chuyển tương đối giữa chi tiết được phun và súng phun 
theo 2 phương như hình 2.16. Khoảng cách, tốc độ dịch chuyển súng phun và 
tốc độ quay của chi tiết là các tham số động học cơ bản quyết định tính chất 
động học quá trình phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF. 
Hình 2.16: Kết cấu sung và quá trình phun phủ HVOF. 
Ở đây, động lực học quá trình phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF là bài 
toán nghiên cứu các tính chất động lực học diễn ra trong súng phun, dòng hỗn 
hợp phun bay trong không khí tới khi va đập với bề mặt phun, bao gồm hai 
quá trình chính là động lực học dòng phun và sự va đập của dòng phun với bề 
mặt chi tiết phun. 
 51 
2.4.1. Động lực học dòng khí 
Động lực học quá trình phun nhiệt khí HVOF là động lực học dòng hai 
pha khí và hạt (pha khí và pha rắn). Để đơn giản trong phân tích, tính toán đặc 
tính động lực học quá trình phun nhiệt khí HVOF, giả thiết rằng tỷ lệ hạt và 
không khí, hay là tỷ số giữa lưu lượng của hạt với lưu lượng khí, được xem là 
nhỏ khoảng 4-5%. Theo giả thiết đó, sự tồn tại của các hạt có ảnh hưởng 
không nhiều tới tính chất động lực và nhiệt độ dòng khí, trong khi đó động 
lực học của hạt khi bay được xác định theo phương trình động lực và truyền 
nhiệt. Mô hình động lực học dòng hai pha kết hợp giữa pha khí và pha hạt là 
mô hình phức tạp, nên rất khó để nghiên cứu thực nghiệm, do đó luận án chọn 
phương pháp phân tích động lực học dòng khí bằng mô phỏng. 
Dòng khí trong phun HVOF là quá trình dòng chảy bị nén đặc trưng bởi 
quá trình chuyển tiếp không ổn định giữa dòng tốc độ dưới âm, tốc độ âm 
thanh và tốc độ vượt âm. Việc mô tả đầy đủ quá trình này đòi hỏi mô phỏng 
số trong miền thời gian. Để đơn giản hóa việc mô phỏng, các phương trình 
Navier-Stokes (RANS) được sử dụng để ước lượng trung bình nhằm bỏ qua 
ảnh hưởng của sự pha trộn giữa các pha. Để chuyển đổi các phương trình 
Navier-Stokes tới dạng trung bình, theo các giả thuyết của Boussinesq ứng 
suất Reynolds (với điều kiện biến thiên) đồng biến với tốc độ trung bình 
(không có điều kiện biến động). Cụ thể, các phương trình bao gồm các thành 
phần khối lượng, động lượng, năng lượng, sự di chuyển của hạt, động năng 
hỗn loạn, tốc độ phân tán. Các phương trình viết xây dựng theo tenxo Decac 
là [47]: 
Phương trình liên tục: 
 0j
j
v
t x
 
 
 (2.3) 
trong đó, - Mật độ khí; t- Thời gian; jv - Tốc độ theo phương jx . 
 52 
Định luật khí lý tưởng: 
 p RT (2.4) 
trong đó R là hằng số khí, hoặc hằng số phân tử khí phụ thuộc vào khối lượng 
phân tử của khí. 
Trong mô hình quá trình phun nhiệt khí HVOF, một yếu tố cần được tính 
đến đó là nhiệt độ cao của sản phẩm cháy, khi đó sản phẩm cháy sẽ phân tách 
ra thành các thành phần có phân tử khối lượng thấp như OH và H. Nhiệt độ 
tính toán có thể cao hơn đáng kể nhiệt độ thực tế do không kể đến sự phân ly. 
Tùy thuộc vào yêu cầu tính toán và mức độ chính xác cần thiết, động lực học 
quá trình phản ứng hóa học có thể được giản lược. Nhiều tác giả đã sử dụng 
các phương pháp khác nhau để xây dựng mô hình tốc độ phản ứng, bao gồm: 
Tốc độ phản ứng nhanh hoặc cân bằng hóa học tức thời tại cửa vào buồng đốt, 
Tốc độ phản ứng nhất định dưới dạng Arrhenius và Tốc độ phản ứng bị hạn 
chế bởi sự hỗn độn hoặc phản ứng nhanh hơn với tỷ lệ pha trộn. 
Trong thực tế phun nhiệt HVOF, mô hình được sử dụng phản ứng với 
tốc độ hữu hạn, và do đó việc xác định chính xác tốc độ Arrhenius là rất 
không cần thiết. Theo thời gian tác dụng, giai đoạn khí trong buồng đốt (phần 
hội tụ của các vòi phun) dài hơn nhiều so với các giai đoạn khác, nên có thể 
giả thiết rằng các phản ứng xảy ra chủ yếu trong buồng đốt trong quá trình 
cân bằng, có thể được xác định bằng cách giảm thiểu năng lượng Gibbs tự do 
theo entanpy không đổi và áp lực liên tục sử dụng hệ số cân bằng. Áp suất có 
thể được đo ở điều kiện trong phòng. Ngoài ra, nếu tỷ lệ oxy và lưu lượng 
nhiên liệu đã biết, có thể tính toán được áp suất buồng đốt. Cụ thể, với tỷ lệ 
oxy và lưu lượng nhiên liệu nhất định, áp suất buồng đốt được xác theo mô 
hình một chiều. Tỷ lệ tổng lưu lượng tại cửa ra vòi phun được xác định trên 
cơ sở đó áp suất được điều chỉnh cho đến khi sự chênh lệch giữa tổng mức 
lưu lượng định mức đạt yêu cầu công nghệ. 
 53 
Để giải bài toán trên, luận án sử dụng phương pháp mô phỏng động lực 
học chất lỏng với sự trợ giúp của phần mềm Ansys. Kết quả giải bài toán là 
trạng thái dòng phun từ trong loa phụt và từ cửa ra loa phụt tới bề mặt cần 
phun bao gồm trường áp suất, trường nhiệt độ và trường tốc độ dòng. Hình 
2.17 là trường nhiệt độ trong buồng đốt của loa phụt bằng vòi phun Diamond 
Jet 2700 Gun. Theo kết quả mô phỏng này, dòng sản phẩm nhiệt độ cao 
chạybao quanh dòng sản phẩm nhiệt độ thấp, vùng trung tâm và vùng sát 
thành loa phụt. Điều này giúp giảm tải trọng nhiệt cho thành buồng đốt và loa 
phụt. 
Hình 2.17: Ảnh đồ trường nhiệt độ trong buồng đốt 
Hình 2.18 là trường áp suất tĩnh mô phỏng dòng sản phẩm cháy trong loa 
phụt và vùng không gian giữa cửa ra loa phụt tới bề mặt phun. Theo kết quả 
mô phỏng, áp suất dòng phun giảm dần từ 6,2 bar trong buồng đốt đến 0,6 bar 
tại cửa ra của vòi phun. 
 Hình 2.18: Trường áp suất trong quá trình phun HVOF 
 54 
Do áp suất này nhỏ hơn áp suất môi trường nên dòng phun bị giãn nở và 
có dạng co bóp (tại vùng lõi) cho đến khi đạt đến áp suất môi trường. Theo 
kết quả mô phỏng, khoảng cách phun hiệu quả là vùng áp suất của dòng phun 
đang biến đổi, khoảng cách này trong khoảng từ 100 mm đến 250 mm. 
Khi phân tích dòng phun, giả thiết có sự cân bằng tức thời tại cửa vào 
buồng đốt, mô hình toán học ma sát giữa thành và dòng phun có thể được mô 
tả bằng phương trình [48]: 
22
2 2
2
2
2
1 1 / 2
1
1
2
1 1 / 2 p
MdM
M M
dA dx M dq
M
A D C TM




 (2.5) 
2 2 2
2 2
1 1
21 1 p
MdT dA M dx M dq
T A D c TM M
  


 (2.6) 
trong đó A là tiết diện mặt cắt ngang của dòng, D là đường kính loa 
phụt,  là hệ số nhiệt, M là số Mach. Tại đường kính tới hạn của loa phụt số 
Mach =1.  là hệ số cản Darcy nó được xác định trong quan hệ với hệ số 
Reynolds theo phương trình cân bằng Colebrook [53]. Phương trình (2.5) và 
(2.6) được giải đồng thời nhờ sử dụng các phương pháp Runge-Kutta. 
 10
1 2,51
2log
3,72
D
Re

 
 (2.7) 
Để đơn giản, có thể bỏ qua ma sát hoặc sự ảnh hưởng của nước làm mát 
(điều này là hợp lý đối với súng phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF như Sulzer 
Metco Diamond Jet 2700 Sulzer Metco, Westbury, NY), các phương trình 
đẳng entropy dùng để tính toán trường nhiệt độ, áp suất và mật độ dọc theo 
vòi phun: 
 55 
2
12
2
1 2
1 1 / 2
1 1 / 2
MT
T M


 (2.8) 
2 1
12
2
1 2
1 1 / 2
1 1 / 2
Mp
p M



  
 
 (2.9) 
1
2 1
12
2
1 2
1 1 / 2
1 1 / 2
M
M
 
 
  
 
 (2.10) 
1
2 2 1
22 1
2
1 2 1
1 1 / 2
1 1 / 2
MA M
A M M



  
 
 (2.11) 
Trên cơ sở quan hệ đã nói đến ở trên, tổng lưu lượng là: 
 (2.12) 
trong đó, 
thA là diện tích mặt cắt ngang tại cửa ra (trong đó diện tích là nhỏ 
nhất), gR là hằng số khí, prM là khối lượng phân tử trung bình của sản phẩm 
cháy, T0 và p0 tương ứng là nhiệt độ và áp suất trung bình trong buồng đốt. 
Phương trình này cho thấy lưu lượng và áp suất dòng khí cháy là không độc 
lập, kéo theo áp suất buồng cháy chịu sự ảnh hưởng trực tiếp từ tốc độ cấp khí 
oxy và nhiên liệu cháy. 
2.4.2. Động lực học hạt 
Mô hình động lực học hạt trong phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF được 
xây dựng bằng phương pháp Lagrange. Giả thiết rằng khoảng cách trung bình 
giữa các hạt nhân trong quá trình phun nhiệt HVOF có thể được ước tính theo 
phương pháp Crowe [24] theo phương trình, 
 56 
1
31
6
d
p
L
d
 

 (2.13) 
trong đó, 
dL là khoảng cách giữa hai hạt và κ là tỷ số giữa lượng cấp bột và tỷ 
lệ mật độ hạt/khí. Trên cơ sở tỷ lệ cấp bột là 4% và tỷ lệ mật độ từ 103 đến 104, 
/p pL d là khoảng 20-50, trong đó bột được phân lập thành các hạt khác nhau. 
Bỏ qua sự kết hợp giữa các hạt và do đó sự phân bố kích thước bột không 
thay đổi trong suốt quá trình bay [48]. Trong mô hình động lực học hạt phun 
nhiệt khí tốc độ cao HVOF, ngoại lực tác dụng lên các hạt chính là lực khí 
động. Các lực lượng khác như trọng lực, chênh lệch áp suất có thể được bỏ 
qua. Với những giả định, chuyển động hạt dọc theo hướng trục trong hệ tọa 
độ Decac được mô tả bởi: 
1
,
2
p p
p D g p g p g p p
dv dx
m C A v v v v v
dt dt
 (2.14) 
Trong đó: mp, vp, dp, và xp tương ứng là khối lượng, vận tốc, đường kính, và vị 
trí của hạt,. 
 Ap là diện tích hiệu dụng của các hạt trên mặt phẳng vuông góc với 
hướng dòng chảy. 
 vg và ρg là tốc độ và mật độ của khí 
 CD là hệ số cản khí động, trong đó hệ số Reynolds riêng (Re) được 
xác định bởi Re = (dp/vg - vp/ρg)/μg, ở đây μg là độ cản nhớt khí. 
Đối với hạt có hình dạng cầu, nhiệt hạt có thể được mô tả bởi một 
phương trình đạo hàm riêng: 
2
2
, ,1
, 0
0,
0
,
,
p
p p
p p p p
p
p
p g p
T r t T r t
c r r r
t r rr
T t
t
T r t
h T T r t
r
 

  
   




 (2.15) 
 57 
trong đó, rp là bán kính của hạt, λ là độ dẫn nhiệt của khí, và h là hệ số truyền 
nhiệt tương quan bằng phương trình thực nghiệm Rans-Marshall: 
11
322 0,6
g
p
h Re Pr
d
 
 (2.16) 
trong đó, số Prandtl (Pr) được tính bằng /
gr p g g
P C   với , ,
gp g g
C   
tương ứng là nhiệt dung, độ nhớt, và tính dẫn nhiệt của chất khí. 
Trong quá trình xử lý của lớp phủ cấu trúc nano, các hạt thường không 
có dạng hình cầu và các yếu tố hình dạng tương ứng có thể được đưa vào hệ 
số CD. Lưu ý rằng, lực tác dụng lên các hạt theo cả ba phương tương tự như 
phương trình (2.15) cũng được giải theo hệ tọa độ Decac khác. 
Đối với những loại hạt có tính chất dẫn nhiệt tốt, phương trình (2.15) có 
thể được đơn giản hóa thành: 
 1
, , 0
,
, , 0
p
p
p P p m
p
p g p m p p m
p
p p p m
dT
m c T T f
dt
df
hA T T H m T T
dt
dT
m c T T f
dt
 (2.17) 
trong đó, pA là diện tích bề mặt của các hạt, mT là điểm nóng chảy của các 
hạt, mH là entanpi của nóng chảy, và pf là tỷ lệ tan chảy, hoặc tỷ lệ khối 
lượng nóng chảy với tổng khối lượng của các hạt (0 ≤ f p ≤ 1). 
Kết quả cơ bản từ các mô hình động lực học phân tử được tóm tắt trong 
phần dưới đây. 
 58 
Các hạt bị ảnh hưởng bởi trường khí với mức độ khác nhau tùy thuộc 
vào kích thước của chúng. Các hạt nhỏ có thể được đẩy nhanh và làm nóng 
lên đến vận tốc và nhiệt độ rất cao. Tuy nhiên, vì sự cuốn theo không khí môi 
trường xung quanh, vận tốc và nhiệt độ khí bị giảm xuống ở tâm dòng. Kết 
quả là, vận tốc và nhiệt độ của các hạt nhỏ cũng giảm nhanh hơn so với các 
hạt cỡ lớn hơn. Trong một số trường hợp, các hạt nhỏ có thể đạt điểm nóng 
chảy trong một khoảng thời gian ngắn và tan chảy hoàn toàn trong quá trình 
bay. Tuy nhiên, chúng có thể ở trạng thái lỏng/rắn hoặc thậm chí rắn khi va 
đập vào bề mặt phun. Đối với các hạt có kích thước lớn, thời gian tăng tốc và 
gia nhiệt đều dài, còn biên dạng vận tốc (hoặc nhiệt độ) gần như phẳng sau 
khi vận tốc và nhiệt độ của chúng cao hơn so với không khí. Các đặc tính của 
vận tốc hạt, nhiệt độ và độ nóng chảy được thể hiện trong hình 2.19. 
Hình 2.19: Tốc độ và nhiệt độ của hạt 
Sự phân tán vị trí của các hạt theo quỹ đạo bay được thể hiện trên hình 
2.20. Biểu đồ này cho biết quỹ đạo hạt trong các trường dòng chảy thu được 
bằng cách cho 100 hạt có cỡ từ 1 và 20 µm được phun trong cùng một hệ 
thống phun nhiệt HVOF. 
 59 
Hình 2.20: Phân bố hạt trong quá trình phun 
Có thể thấy rằng, mặc dù hầu hết các hạt đều tập trung ở vùng lõi trong 
dòng phun HVOF, các hạt có xu hướng mở rộng theo hướng kính khi chúng 
tiếp cận với bề mặt phun, do đó vận tốc ở lõi cao hơn đáng kể. Hạt nhỏ có xu 
hướng bị ảnh hưởng lớn hơn khi gần bề mặt phun. Chúng cũng chịu ảnh 
hưởng lớn hơn từ pha khí trên toàn quỹ đạo chuyển động. Một số trong số các 
hạt thậm chí còn bay khỏi dòng phun dẫn đến không thể lắng đọng trên bề 
mặt. Vì lý do này, cỡ hạt là yếu tố rất quan trọng trong việc hình thành lớp 
phủ trong quá trình phun HVOF. 
Hình 2.21: Tốc độ và nhiệt độ theo cỡ hạt 
Vận tốc và nhiệt độ hạt khi va chạm với bề mặt phun phụ thuộc rất lớn 
và kích cỡ hạt và dạng quỹ đạo của hạt. Vận tốc và nhiệt độ lớn nhất đạt được 
với các hạt có cỡ trung bình. Khi các hạt có cỡ tương tự nhưng với quỹ đạo 
 60 
khác nhau (do sự phân bố vị trí khác nhau) thì tốc độ và nhiệt độ khi va chạm 
với bề mặt phun cũng khác nhau. Kết quả này đã được minh chứng bằng các 
thực nghiệm của Zioli và cộng sự [51] (Hình 2.21), theo đó cỡ hạt phun nhiệt 
khí tốc độ cao HVOF hiệu quả được chọn trong khoảng từ 20 m đến 30 m.
2.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ bằng công nghệ HVOF 
Trong quá trình phun có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ 
như: Nhiệt độ bề mặt, tốc độ chuyển động của hạt phun, nhiệt độ của hạt 
phun, kích thước hạt phun, áp suất khí thổi, áp suất khí oxy, tốc độ quay của 
chi tiết và lượng dịch chuyển của đầu phun, lưu lượng cấp bột phun, độ nhấp 
nhô bề mặt, góc độ phun, khoảng cách phun,... [1], [3], [34]. Tuy nhiên, chất 
lượng lớp phủ còn phụ thuộc vào loại vật liệu bột phun và vật liệu nền. Các 
yếu tốnêu trên có những ảnh hưởng nhất định đến chất lượng lớp phủ. Trong 
khuôn khổ của luận án tác giả tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố 
công nghệ đến chất lượng lớp phủ như: Tốc độ di chuyển vết phun (Vct) nó 
phụ thuộc vào số vòng quay (n) đối với chi tiết dạng trục, tốc độ chuyển động 
tương đối giữa súng phun với chi tiết (S) và lưu lượng cấp bột phun (m). 
2.5.1. Ảnh hưởng của dịch chuyển tương đối giữa đầu phun và chi tiết 
Để nghiên cứu ảnh hưởng của dịch chuyển tương đối giữa đầu phun và 
chi tiết, xét các chuyển động hình thành lớp phủ được mô tả trên hình 2.22. 
Chuyển động tương đối giữa đầu phun với chi tiết là chuyển động có tính 
chất liên quan đến quá trình hình thành lớp phủ đối với chi tiết dạng phẳng thì 
chuyển động tương đối là: Sự dịch chuyển của chi tiết so với súng phun hoặc 
chuy

File đính kèm:

  • pdfluan_an_nghien_cuu_anh_huong_cua_luu_luong_va_toc_do_chuyen.pdf