Luận án tiến sĩ: Công nghệ phun plasma hợp kim nền crom phục hồi cánh quạt khói - Đặng Xuân Thao, ĐH Công nghiệp Hà Nội

Quạt ID fan nhà máy nhiệt điện đảm nhiệm việc hút khói thải và duy trì áp suất buồng đốt. Dòng khí thải chứa lượng lớn hạt tro xỉ chuyển động với vận tốc cao. Hiện tượng xói mòn do tro bay diễn ra liên tục trên các biên dạng làm việc của cánh. Tro xỉ than chứa nhiều oxit silic và oxit nhôm có độ cứng rất cao. Các hạt bụi va đập góc nghiêng tạo ra các vết cào xước vi mô trên bề mặt cánh quạt. Va đập trực diện gây nứt vỡ và bóc tách các mảng kim loại nền.

Tốc độ mài mòn tăng nhanh theo nhiệt độ khói và lưu lượng vận hành. Thép kết cấu thông thường nhanh chóng bị thủng rách và biến dạng hình học. Cánh quạt bị mài mòn không đồng đều dẫn đến mất cân bằng động nghiêm trọng. Mức độ rung động vượt ngưỡng cho phép buộc tổ máy phải ngừng vận hành khẩn cấp. Việc kiểm soát xói mòn do tro bay là yêu cầu sống còn đối với độ tin cậy của nhà máy.

Công nghệ phun phủ nhiệt đã phát triển qua nhiều giai đoạn với các kỹ thuật đa dạng. Phương pháp phun hồ quang điện sử dụng dây kim loại nóng chảy bằng hồ quang điện cực. Kỹ thuật này đạt năng suất đắp cao nhưng lớp phủ có độ xốp tương đối lớn. Phương pháp phun ngọn lửa khí cháy dùng nhiệt lượng của hỗn hợp khí axetylen và oxy. Nhiệt độ ngọn lửa khí cháy còn hạn chế nên khó nung chảy các loại gốm chịu nhiệt.

Phương pháp phun nhiệt khí tốc độ cao HVOF tạo ra lớp phủ đặc chắc nhờ vận tốc hạt siêu âm. Tuy nhiên phương pháp HVOF tiêu hao lượng lớn khí nhiên liệu và oxy tinh khiết. Phun phủ nguội sử dụng áp lực khí nén cao để liên kết cơ học mà không làm nóng chảy hạt kim loại. Mỗi kỹ thuật sở hữu các ưu điểm riêng biệt phù hợp từng điều kiện làm việc cụ thể của chi tiết máy.

Phương pháp phun phủ plasma tạo ra nguồn nhiệt hồ quang có nhiệt độ vượt trên 10.000 độ C. Dòng khí trơ như Argon và Hydro bị ion hóa tạo thành luồng plasma năng lượng cao. Mức nhiệt này làm nóng chảy tức thì các loại vật liệu gốm kim loại khó chảy nhất. Hạt bột phủ được gia nhiệt triệt để và gia tốc mạnh về phía bề mặt gia công.

Lớp phủ plasma có độ đặc chắc cao và độ rỗng xốp rất thấp. Vùng ảnh hưởng nhiệt trên chi tiết nền rất hẹp. Chi tiết kim loại không bị cong vênh hay suy giảm cơ tính vật liệu gốc. Đây là giải pháp công nghệ hàng đầu để phục hồi chi tiết máy mài mòn trong các ngành công nghiệp nặng. Kỹ thuật này tái tạo kích thước hình học chính xác và nâng cấp chất lượng làm việc của thiết bị.

Quá trình hình thành lớp phủ plasma trải qua bốn giai đoạn liên tiếp. Hạt bột được cấp vào vùng tâm ngọn lửa plasma và nhận nhiệt lượng cực lớn. Hạt nhanh chóng chuyển sang trạng thái nóng chảy hoàn toàn hoặc dẻo hóa bề mặt. Luồng khí plasma giãn nở đẩy các hạt bay tới bề mặt với vận tốc hàng trăm mét mỗi giây.

Khi va chạm với bề mặt nền, giọt kim loại nóng chảy biến dạng và dàn phẳng thành các phiến mỏng. Tốc độ tản nhiệt cực nhanh làm hạt đông đặc trong vài micro giây. Các phiến mỏng khóa cơ học vào các chỗ mấp mô tế vi trên bề mặt nền. Sự khuếch tán nguyên tử cục bộ xảy ra tại ranh giới tiếp xúc tạo liên kết luyện kim bền vững. Tổ chức lớp phủ gồm các hạt cacbit phân tán mịn trong mạng dung dịch rắn NiCr.

Lớp phủ Cr3C2-NiCr thể hiện khả năng chịu mòn xói hạt rắn vượt trội ở nhiệt độ làm việc tới 800 độ C. Pha gốm Cr3C2 ngăn chặn tác động cày xới của các hạt bụi than sắc nhọn. Pha nền hợp kim NiCr nhanh chóng tạo màng oxit thụ động bền vững bảo vệ bề mặt. Lớp màng này triệt tiêu quá trình ăn mòn hóa học do các khí lưu huỳnh và axit có trong khói thải.

Hệ số giãn nở nhiệt của pha liên kết niken tương thích tốt với thép kết cấu của cánh quạt. Điều này giảm thiểu ứng suất dư sinh ra trong quá trình sấy lò và vận hành nhiệt. Lớp phủ không bị nứt chân chim hay tách lớp dưới sự thay đổi chu kỳ nhiệt liên tục. Độ bền làm việc tổng thể của bề mặt chi tiết sau phun phủ cao gấp nhiều lần so với kim loại gốc.

Chất lượng của lớp phủ chịu sự chi phối trực tiếp từ các thông số công nghệ phun plasma. Cường độ dòng điện phun Ip quyết định công suất nhiệt của nguồn hồ quang. Dòng điện quá thấp khiến hạt bột không đủ nhiệt nóng chảy làm giảm liên kết. Dòng điện quá cao dễ làm cháy các nguyên tố hợp kim và gây oxy hóa bột.

Lưu lượng cấp bột mp ảnh hưởng đến mật độ hạt trong ngọn lửa và chiều dày đắp của mỗi lượt phun. Khoảng cách phun Lp quyết định vận tốc và nhiệt độ hạt khi va chạm vào bề mặt. Khoảng cách quá lớn làm giảm động năng hạt và tăng độ xốp lớp phủ. Khoảng cách quá gần làm nung nóng chi tiết nền quá mức gây ứng suất nhiệt lớn. Cần tối ưu hóa đồng thời các thông số công nghệ để đạt chất lượng lớp phủ cao nhất.

Chuẩn bị bề mặt là khâu quyết định trực tiếp đến độ bám dính lớp phủ kim loại. Phôi thép 16Mn được gia công kích thước chuẩn và tẩy sạch dầu mỡ bằng dung môi hữu cơ. Bề mặt sau đó được xử lý phun hạt oxit nhôm Al2O3 để tạo độ nhám kỹ thuật. Áp lực khí nén và góc phun hạt được giữ ổn định trong suốt quá trình xử lý.

Độ nhám bề mặt Ra sau khi phun cát đạt dải giá trị tiêu chuẩn từ 6 đến 8 micromet. Các rãnh nhấp nhô tế vi làm tăng đáng kể diện tích tiếp xúc thực giữa lớp phủ và kim loại nền. Bề mặt nhám tạo hiệu ứng ngàm cơ học giữ chặt các giọt kim loại nóng chảy khi va đập. Mẫu sau khi tạo nhám được đưa vào phun phủ ngay trong vòng 2 giờ để tránh hiện tượng tái oxy hóa bề mặt.

Tỷ lệ phối trộn giữa thành phần gốm Cr3C2 và kim loại NiCr quyết định cơ tính toàn diện của lớp phủ. Tỷ lệ 75% Cr3C2 kết hợp 25% NiCr mang lại sự cân bằng hoàn hảo giữa độ cứng và độ dai va đập. Bột hợp kim cacbit crom được sản xuất bằng công nghệ kết tụ sấy phun và thiêu kết chân không. Dạng hạt hình cầu đồng đều giúp tăng khả năng chảy lỏng và ổn định lưu lượng cấp bột.

Kích thước hạt bột được tuyển chọn trong dải hẹp từ 15 đến 45 micromet. Dải kích thước đồng nhất giúp hạt nhận nhiệt đều khi bay qua tâm luồng hồ quang plasma. Bột được sấy khô ở nhiệt độ 120 độ C trước khi nạp vào bình cấp để loại bỏ hoàn toàn độ ẩm. Độ tinh khiết cao của bột phủ là nền tảng để tạo nên lớp bảo vệ đặc chắc.

Chế độ phun thực nghiệm được khảo sát qua nhiều dải thông số công nghệ khác nhau. Cường độ dòng điện phun Ip được điều chỉnh trong dải từ 450 đến 600 Ampe. Khoảng cách phun Lp được thiết lập trong khoảng từ 90 đến 130 milimet. Lưu lượng khí tạo plasma Argon và khí bổ trợ Hydro được duy trì ổn định ở áp suất định mức.

Tốc độ dịch chuyển mỏ phun được lập trình tự động bằng cánh tay robot công nghiệp. Việc dịch chuyển đồng đều đảm bảo chiều dày lớp phủ đạt mức ổn định từ 0.3 đến 0.5 milimet. Quá trình phun được làm mát cưỡng bức bằng luồng khí nén khô để kiểm soát nhiệt độ chi tiết dưới 150 độ C. Chế độ dòng điện 550A cùng khoảng cách phun 110mm mang lại cấu trúc lớp phủ tối ưu nhất.

Độ bền bám dính được xác định theo phương pháp kéo giật vuông góc trên máy kéo nén vạn năng BESTUTM 500HH. Mẫu thử hình trụ tròn được dán keo chuyên dụng có cường độ liên kết cao với đầu kéo đối mã. Tải trọng kéo tăng dần đều với tốc độ không đổi cho đến khi xảy ra hiện tượng phá hủy mối liên kết.

Kết quả đo thực nghiệm ghi nhận độ bền bám dính của lớp phủ Cr3C2-NiCr trên nền thép 16Mn đạt từ 42 đến 48 MPa. Dạng phá hủy chủ yếu xuất hiện bên trong lớp keo dán mẫu hoặc phá hủy liên kết cơ học cục bộ. Độ bền bám trượt và độ bền kéo đứt cắt ngang đều đạt các ngưỡng an toàn chịu lực. Liên kết bền vững này bảo vệ lớp phủ không bị tách rời dưới tác động của lực ly tâm và va đập cơ học.

Độ cứng tế vi Vickers được đo bằng máy đo ISOSCAN HV2 AC với tải trọng ấn 300 gam lực trong thời gian 15 giây. Các vị trí đo được phân bố đồng đều trên mặt cắt ngang của lớp phủ từ bề mặt ngoài đến ranh giới thép nền.

Giá trị độ cứng tế vi Vickers của lớp phủ hợp kim cacbit crom đạt mức 950 đến 1150 HV0.3. Mức độ cứng này cao gấp 4 đến 5 lần so với độ cứng của thép nền 16Mn ban đầu (khoảng 200 HV). Mật độ dày đặc của các phần tử cacbit Cr3C2 tạo rào cản ngăn chặn sự cào xước từ bụi xỉ nhiệt điện. Độ cứng phân bố đồng nhất theo chiều sâu lớp mạ chứng minh tính ổn định cao của quá trình phun phủ plasma.

Tổ chức tế vi được phân tích trên kính hiển vi quang học Leica ICC50E và kính hiển vi điện tử quét SEM. Ảnh chụp kim biên cho thấy cấu trúc lớp phủ dạng vảy phẳng xếp chồng liên tục. Các hạt cacbit crom kích thước siêu mịn phân bố đồng đều trong mạng lưới kim loại niken crom.

Độ xốp của lớp phủ đo bằng phương pháp phân tích ảnh kỹ thuật số duy trì ở mức rất thấp dưới 1.5%. Ranh giới phân chia giữa lớp phủ và thép nền 16Mn liền mạch, không có hiện tượng nứt vi mô hay phân lớp màng. Tỷ lệ lỗ xốp thấp ngăn chặn hơi ẩm và khí ăn mòn xâm thực sâu vào kim loại nền bên trong. Lớp mạ tạo thành tấm chắn bảo vệ toàn diện và bền vững cho chi tiết.

Quy trình phục hồi cánh quạt hút khói lò hơi được tiến hành qua các bước kiểm soát kỹ thuật nghiêm ngặt. Cánh quạt mòn được làm sạch cặn bám xỉ than, tẩy dầu mỡ và kiểm tra khuyết tật nứt bằng bột từ quang học. Vùng kim loại bị mòn khuyết được mài vát mép và tạo nhám bằng hạt oxit nhôm để tăng diện tích bám dính.

Đầu phun plasma chuyển động tự động để phủ lớp hợp kim Cr3C2-NiCr đạt chiều dày thiết kế từ 0.4 đến 0.6 milimet. Sau khi phun phủ, bề mặt cánh quạt được mài tinh đạt độ bóng và biên dạng khí động học chuẩn xác. Khâu cuối cùng là cân bằng động trên thiết bị chuyên dụng để triệt tiêu hoàn toàn lượng mất cân bằng dư. Cánh quạt hoàn thiện đáp ứng đầy đủ tiêu chuẩn làm việc an toàn ở tốc độ quay lớn.

Việc làm chủ công nghệ phun plasma giúp các nhà máy nhiệt điện chủ động hoàn toàn nguồn phụ tùng thay thế. Chi phí phục hồi một bộ cánh quạt ID fan nhà máy nhiệt điện chỉ bằng khoảng 30 đến 40% so với giá mua mới từ nước ngoài. Thời gian sửa chữa được rút ngắn từ vài tháng chờ nhập khẩu xuống còn từ 5 đến 7 ngày thi công tại hiện trường.

Tuổi thọ làm việc của cánh quạt sau phục hồi tăng từ 1.8 đến 2.5 lần trong môi trường xói mòn do tro bay khắc nghiệt. Tần suất dừng lò để sửa chữa đột xuất giảm rõ rệt, giúp gia tăng sản lượng điện phát lưới hàng triệu kWh mỗi năm. Giải pháp mang lại lợi ích kép về tiết kiệm chi phí bảo dưỡng và nâng cao hệ số sẵn sàng vận hành của nhà máy.