Phương pháp xử lý lớp phun phủ nhiệt: “Tấm lá chắn” bảo vệ chi tiết máy công nghiệp

Nâng cấp “tấm khăn trùm thời gian”

Nếu không quá quen thuộc với môi trường làm việc trong nhà máy, đặc biệt là các nhà máy nhiệt điện, hóa chất, có lẽ nhiều người sẽ khó hình dung được mức độ ảnh hưởng của môi trường đặc biệt này lên các chi tiết của máy móc. “Chỉ sau một thời gian hoạt động từ vài tháng đến vài năm, hầu hết các chi tiết như trục, gối đỡ, bạc đỡ của thiết bị; chi tiết của quạt Roots trong nhà máy nhiệt điện, xi măng; chi tiết của tuabin thủy điện; hay bộ phận của máy bơm trong nhà máy hóa chất, dầu khí,.. đều sẽ bị mòn cục bộ ở một số vị trí và đòi hỏi phải sửa chữa hoặc thay mới”, TS. Nguyễn Văn Tuấn (Viện Kỹ thuật Nhiệt đới, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam) cho biết. Công nghệ phun phủ nhiệt chính là một chiếc “khăn trùm thời gian” có thể tạo ra lớp bảo vệ bề mặt để kéo dài tuổi thọ hoặc phục hồi các thiết bị khi làm việc trong điều kiện có nhiệt độ, áp suất và các yếu tố gây mài mòn, ăn mòn khắc nghiệt như vậy. 

Dù có hiệu quả cao nhưng các lớp phun phủ nhiệt hiện nay đều có điểm yếu ở cấu trúc với các lỗ xốp khiến cho các tác nhân ăn mòn như nước biển có thể thâm nhập vào trong, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến khả năng bảo vệ chống ăn mòn cũng như khả năng chịu mài mòn của lớp phủ - một bài toán đòi hỏi các nhà khoa học phải tìm ra giải pháp để xử lý sau khi phun nhiệt. Trong số các phương pháp xử lý lớp phủ đã có như dùng nhiệt, laser, lắng đọng hóa học kim loại - chất hữu cơ, hay xử lý bằng phương pháp cơ học như mài, đánh bóng, TS. Tuấn và các đồng nghiệp chú ý đến phương pháp thẩm thấu lớp phủ với các hợp chất có độ bền hóa học và độ bền mài mòn cao bởi đây là cách đơn giản và hiệu quả hơn cả. 

Một chi tiết máy đang được phun phủ nhiệt. Ảnh: NVCC
 

Nhưng giữa vô vàn hợp chất, chọn hợp chất nào mới đem lại hiệu quả? “Quá trình đi tìm câu trả lời nhiều khi lại xuất phát từ những ý tưởng rất đời thường trong cuộc sống”, TS. Tuấn chia sẻ. Sau khi thử nhiều hợp chất khác nhau nhưng vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu về hệ số ma sát hay độ bền với hóa chất, nhóm nghiên cứu nghĩ đến polytetrafloetylen (PTFE) - một vật liệu mà trạng thái hóa rắn của nó được dùng trong phanh xe đạp. “Đây là vật liệu có hệ số ma sát rất thấp (0,05 - 0,1), chỉ đứng sau kim cương nên có khả năng chịu mài mòn rất cao. Thêm vào đó, vật liệu này còn có thể chịu được hầu hết các loại hóa chất từ acid đến bazơ, cũng như chịu mức nhiệt lên đến 270°C, do đó sẽ không làm ảnh hưởng đến các tính chất vốn có của lớp phủ”, TS. Tuấn giải thích. Trước đây, người ta cũng thường sử dụng một số hợp chất hữu cơ như phenolic, epoxy, silicon, hay các hợp chất muối vô cơ như photphat nhôm để xử lý độ xốp của lớp phủ. Tuy nhiên, dù có thể bịt lỗ xốp tương đối tốt, nhưng hầu hết các hợp chất này chỉ chịu được nhiệt độ dưới 100°C trong khi khả năng bôi trơn cũng kém PTFE.

Với kinh nghiệm hơn 10 năm nghiên cứu về lớp phủ, nhóm nghiên cứu biết rằng, nếu chỉ sử dụng PTFE theo phương pháp xử lý thông thường thì vật liệu sẽ chỉ bịt được các lỗ xốp ở trên bề mặt. “Cần phải có một tác nhân khác giúp PTFE đi sâu vào bên trong để tạo ra một lớp phủ bền vững”, nhóm nghiên cứu tự nhủ. Đó là lúc TS. Tuấn và đồng nghiệp nghĩ đến việc dùng sóng siêu âm. “Chúng tôi phát hiện ra, khi có sóng siêu âm, các bọt khí ở trong các mao quản của các lỗ xốp ở lớp phủ sẽ đi ra ngoài hết để tạo điều kiện cho PTFE thấm sâu vào bên trong lớp phủ. Có thể hình dung sóng siêu âm giống như một cái ‘sàng’ lắc qua lắc lại để các ‘hạt’ PTFE có thể rơi sâu vào các lỗ phía trong. Nhờ đó, các vết nứt hoặc lỗ xốp nhỏ hơn cũng có thể được lấp đầy”, anh giải thích. Tất nhiên, việc lựa chọn chế độ rung của sóng như thế nào cũng không phải là một bài toán đơn giản. Nếu như ‘lắc’ nhiều quá, vật liệu sẽ có thể bị keo tụ lại ngay ở bề mặt. “Điểm điểm mấu chốt là làm sao lựa chọn được tần số rung siêu âm phù hợp, cũng như thời gian và điều kiện rung để giữ được PTFE ở dạng thể lỏng”, anh kể lại.

Hứa hẹn hiệu quả kinh tế cao

Nhờ hiểu rõ về các ưu và nhược điểm của các lớp phủ sau thời gian dài nghiên cứu, nhóm của TS. Nguyễn Văn Tuấn đã tìm ra được một quy trình mới để xử lý lớp phun phủ nhiệt. Theo đó, các hạt PTFE được nhóm nghiên cứu sử dụng nước khử ion và chất trợ phân tán để đưa về kích thước từ 100 - 200 nm (do trong nước chưa có nguồn PTFE có kích thước đủ nhỏ). Hàm lượng của PTFE phù hợp được nhóm nghiên cứu xác định nằm ở khoảng 50-65% trọng lượng - mức hàm lượng có độ nhớt thích hợp để thẩm thấu. Tiếp đó, hỗn hợp PTFE được đưa vào các bể rung siêu âm với tần số từ 20 - 50 kHZ để ngâm các chi tiết máy đã được phun phủ nhiệt trong khoảng 3-6 giờ. Và cuối cùng, bề mặt chi tiết sau khi đã thẩm thấu PTFE sẽ được xử lý lần lượt ở các mức nhiệt 120oC, 170oC và 270°C rồi làm nguội trong buồng sấy.

Để đánh giá độ bền của lớp phủ khi xử lý, nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm với nhiều lớp phủ khác nhau như lớp thép - crom phục hồi bề mặt mẫu gối đỡ trục bi của trục máy nghiền. Kết quả cho thấy, độ xốp của lớp phủ giảm từ 11% xuống còn 2%, hệ số ma sát cũng giảm từ 0,8 xuống dưới 0,35. “Nhìn chung, nếu không có PTFE, độ xốp thông thường của lớp phủ sẽ rơi vào khoảng từ 8-10%, còn khi xử lý bằng phương pháp thẩm thấu với PTFE trong điều kiện có rung siêu âm, độ xốp sẽ giảm xuống chỉ còn từ 1-1,5%. Nhờ đó, lớp phủ có thể tăng khả năng chịu mài mòn lên từ 2 cho đến 2,5 lần, tùy từng điều kiện môi trường làm việc. Tuổi thọ của lớp phủ cũng có thể tăng lên từ 2 - 4 lần so với lớp phủ không được xử lý với PTFE”, TS. Tuấn cho biết. 

Và không những không đòi hỏi phải tiêu tốn thêm quá nhiều chi phí so với các công nghệ khác, phương pháp xử lý mới của nhóm TS. Tuấn còn mang về hiệu quả kinh tế rất rõ ràng, thậm chí có thể giảm từ 50-80% chi phí vận hành đối với các chi tiết máy làm việc trong các môi trường khắc nghiệt. “Chẳng hạn như ở các nhà máy nhiệt điện, do quạt tải bột phải thường xuyên tiếp xúc với bột than - loại bột vốn có độ cứng rất cao nên cánh quạt nhanh chóng bị mài mòn, thông thường chỉ được khoảng 3 tháng là đã hỏng và phải thay. Tuy nhiên, khi được phun phủ nhiệt với lớp phủ được xử lý bằng PTFE, tuổi thọ của nó có thể lên đến 6-9 tháng”, TS. Tuấn dẫn ra một ví dụ. Nhờ có ưu điểm không làm biến dạng, cong vênh các chi tiết máy như các phương pháp phải gia nhiệt ở mức cao, phương pháp này còn đặc biệt hữu ích với các bộ phận máy móc đòi hỏi độ chính xác rất cao hoặc các chi tiết có giá thành đắt đỏ. “Chẳng hạn quạt Roots là thiết bị có số vòng quay lên đến 1500 vòng/phút, thế nên dù chỉ bị hỏng một phần nhỏ thôi nhưng nếu không có công nghệ khắc phục chuẩn thì không thể dùng được mà phải mua mới với số tiền lên đến 400-500 triệu đồng, trong khi đó với phương pháp của chúng tôi, chi phí chỉ tốn chưa đến 10 triệu”, TS. Tuấn tự tin nói.

Điều đáng mừng là giải pháp của nhóm TS. Tuấn có thể áp dụng được cho tất cả các loại lớp phun phủ nhiệt bề mặt trong lĩnh vực công nghiệp như lớp phủ kim loại, hợp kim, gốm, dù được chế tạo bằng các phương pháp phun nhiệt khác nhau như dùng khí cháy, hồ quang điện hay plasma,... Hiện nay, một phần công nghệ này đã được áp dụng thực tế cho các nhà máy như nhà máy nhiệt điện Uông Bí, Nghi Sơn. Nhóm của TS. Tuấn cũng đang ấp ủ nhiều dự định nghiên cứu với các hợp chất và điều kiện xử lý khác. “Mỗi một giờ máy móc ngừng hoạt động để bảo dưỡng thì nhà máy sẽ thiệt hại vô cùng nhiều. Thế nên làm sao để tăng được khả năng làm việc và tuổi thọ của các chi tiết máy lên càng nhiều càng tốt là mục tiêu mà chúng tôi sẽ tiếp tục đeo đuổi”, anh chia sẻ.