Phun plasma là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa và lịch sử phát triển

Tóm tắt: Phun plasma (plasma spray) là phương pháp phun phủ nhiệt sử dụng luồng plasma nhiệt độ cao để làm nóng chảy vật liệu dạng bột và bắn chúng lên bề mặt chi tiết, tạo lớp màng chức năng hoặc bảo vệ.

Khởi đầu từ giai đoạn những năm 1970, công nghệ phun plasma được phát triển để đáp ứng nhu cầu lớp phủ chịu nhiệt cho động cơ tua bin khí. Thiết bị đầu tiên chủ yếu dùng hồ quang DC đơn giản, khí plasma thường là argon tinh khiết.

Qua ba thập kỷ, hệ thống phun plasma đã cải tiến toàn diện về nguồn cấp điện, thiết kế súng phun, và kiểm soát quá trình. Các cải tiến quan trọng bao gồm chuyển từ hồ quang DC sang AC, bổ sung khí hỗn hợp Ar–H₂ để tối ưu nhiệt độ và tốc độ dòng plasma (ASM International).

Năm	Milestone
1970	Thiết bị plasma DC đầu tiên cho lớp phủ chịu nhiệt tua bin
1985	Ứng dụng Ar–H₂ cải thiện hiệu suất plasma
2000	Phát triển phun plasma chân không (VPS)
2015	Tích hợp giám sát trực tuyến và điều khiển tự động

Nguyên lý hoạt động và đặc tính plasma

Tóm tắt: Plasma, trạng thái thứ tư của vật chất, là khí bị ion hóa với nhiệt độ từ 5 000 K đến 20 000 K, dẫn điện cao và mang năng lượng tập trung để làm tan chảy hạt vật liệu.

Trong buồng phun plasma, khí nguyên tố như argon hoặc hỗn hợp Ar–H₂ được ion hóa bằng hồ quang điện áp cao, hình thành cột plasma ổn định. Nhiệt độ và mật độ điện tử của plasma tuân theo Saha:

$\frac{n_{i+1}n_e}{n_i} = \frac{2Z_{i+1}}{Z_i} \Bigl(\frac{2\pi m_e k_BT}{h^2}\Bigr)^{3/2} e^{-E_i/(k_BT)}$

• Nhiệt độ plasma: 5 000–20 000 K giúp tan chảy gần như hoàn toàn hạt bột (10–100 µm).
• Tốc độ dòng: 300–800 m/s đẩy hạt nóng chảy bám dính mạnh lên bề mặt mục tiêu.
• Độ dẫn điện: cao, duy trì hồ quang ổn định ngay cả dưới áp suất thay đổi.

Nhờ đặc tính này, phun plasma có thể xử lý đa dạng vật liệu từ oxit gốm đến kim loại và composite, tạo lớp phủ có độ bám dính và tính năng cơ – lý – hóa vượt trội.

Các loại phun plasma

Tóm tắt: Có hai hình thức chính: phun plasma khí nóng (APS – Atmospheric Plasma Spray) trong không khí và phun plasma chân không (VPS – Vacuum Plasma Spray) trong buồng chân không áp suất thấp.

APS triển khai đơn giản, chi phí thiết bị thấp hơn, nhưng dễ gây oxi hóa bề mặt vật liệu phủ. VPS khắc phục nhược điểm trên bằng môi trường chân không, giảm tạp chất và tăng độ bám dính.

Đặc điểm	APS	VPS
Môi trường	Áp suất khí quyển	Chân không (10⁻²–10⁻³ Torr)
Oxi hóa	Cao	Thấp
Độ bám dính	Trung bình	Cao
Chi phí	Thấp	Cao

Ngoài APS và VPS, các biến thể hybrid như HVOF–plasma kết hợp phun hơi nóng và plasma cũng đang phát triển để tối ưu chất lượng lớp phủ và năng suất.

Thiết bị và quy trình phun plasma

Tóm tắt: Hệ thống phun plasma cơ bản bao gồm nguồn cấp điện (power supply), súng phun plasma, bộ cấp bột, hệ thống gas và bộ điều khiển quy trình.

Cấu tạo chính của súng phun plasma:

1. Điện cực âm (cathode): thường làm bằng tungsten chịu nhiệt.
2. Điện cực dương (anode): bằng đồng nước, định hình cột plasma.
3. Ống phun (nozzle): tập trung dòng plasma và hướng luồng hạt.

Quy trình phun plasma điển hình:

• Làm sạch bề mặt: loại bỏ dầu mỡ, oxit bằng hóa chất hoặc mài mòn.
• Tiền xử lý: mài nhám hoặc phun bi để tăng độ nhám bề mặt.
• Phun plasma: cấp gas, thiết lập hồ quang, cấp liệu bột theo lưu lượng xác định.
• Xử lý hậu phun: gia nhiệt khử ứng suất nhiệt, làm nguội từ từ để ổn định cấu trúc.

Kiểm soát tự động các thông số (dòng điện hồ quang, lưu lượng gas, tốc độ cấp bột) qua hệ thống PLC/SCADA giúp đảm bảo tính nhất quán và chất lượng của lớp phủ theo yêu cầu công nghiệp.

Nguyên liệu phun (feedstock)

Tóm tắt: Vật liệu feedstock cho phun plasma thường ở dạng bột mịn với kích thước hạt dao động 10–100 µm, đảm bảo độ tan chảy nhanh và sự bám dính tốt khi hạt va chạm bề mặt mục tiêu.

Phổ biến nhất là:

• Oxide gốm: Al₂O₃, TiO₂, ZrO₂ – cung cấp khả năng cách điện, chịu mài mòn và chịu nhiệt cao.
• Cacbua và nitride: WC–Co, TiC, SiC – ứng dụng trong chống mài mòn, chịu tải cơ học lớn.
• Kim loại và hợp kim: NiCr, CoNiCrAlY, Inconel – tăng khả năng kháng ăn mòn và truyền nhiệt điều khiển.
• Composite: Pha tổ hợp giữa gốm và kim loại (cermet) để tối ưu đồng thời độ cứng và độ bám dính.

Loại vật liệu	Kích thước hạt (µm)	Ứng dụng chính
Al₂O₃	15–45	Cách điện, lớp lót chịu mài mòn
WC–Co	10–30	Chống mài mòn, khuôn đúc
NiCr	20–60	Chống ăn mòn, lớp bảo vệ nhiệt

Các tham số quá trình và ảnh hưởng

Tóm tắt: Hiệu quả và chất lượng lớp phủ phụ thuộc vào nhiều thông số quy trình, trong đó các tham số chính bao gồm công suất hồ quang, lưu lượng khí, khoảng cách phun, tốc độ di chuyển súng và lưu lượng cấp bột.

Cụ thể:

1. Công suất hồ quang (kW): Tăng công suất làm tăng nhiệt độ plasma, đảm bảo hạt tan chảy hoàn toàn nhưng có thể gây oxi hóa hoặc cháy bột.
2. Lưu lượng khí plasma (l/min): Điều chỉnh tỉ lệ Ar–H₂ ảnh hưởng đến nhiệt độ và tính ổn định cột plasma; H₂ trợ năng lượng nhiệt và giảm oxi hóa.
3. Khoảng cách phun (stand-off, mm): Khoảng 80–150 mm thường tối ưu; khoảng cách ngắn giúp giảm xốp nhưng tăng ứng suất nhiệt.
4. Tốc độ di chuyển súng (mm/s): 200–500 mm/s để đảm bảo lớp phủ đều, tránh dầy chỗ và nứt nhiệt.
5. Lưu lượng cấp bột (g/min): Phải cân bằng so với công suất và tốc độ dòng plasma; quá nhiều bột gây không tan chảy đầy đủ, quá ít làm giảm năng suất.

Sự tương tác giữa các tham số này được điều khiển bằng hệ thống PLC/SCADA để đảm bảo mỗi lớp phủ đạt được độ dày, độ bám dính và cấu trúc vi mô mong muốn.

Cấu trúc vi mô và tính chất lớp phủ

Tóm tắt: Lớp phủ plasma thường có cấu trúc “splats” – các viên mảnh hình đĩa xếp chồng xen kẽ, tạo nên độ xốp 5–15% và liên kết cơ học cơ bản với nền kim loại.

Đặc điểm vi cấu trúc:

• Độ xốp: Tạo lỗ rỗng nhỏ giúp giảm hệ số dẫn nhiệt, đồng thời tăng độ bám dính cơ học.
• Độ cứng và độ bền mài mòn: Phụ thuộc pha vật liệu và độ tan chảy; lớp phủ ceramic có độ cứng 1000–1200 HV.
• Ứng suất nội tại: Phát sinh do làm nguội nhanh, có thể gây nứt; yêu cầu xử lý hậu phun để giảm ứng suất.

Thông số	Giá trị điển hình	Ảnh hưởng
Độ xốp	5–15 %	Giảm dẫn nhiệt, tăng bám dính
Độ cứng	700–1200 HV	Chống mài mòn
Ứng suất	–200–+200 MPa	Có thể gây nứt lớp phủ

Ứng dụng công nghiệp

Tóm tắt: Phun plasma được sử dụng rộng rãi trong các ngành hàng không vũ trụ, ô tô, sản xuất khuôn và y sinh nhờ khả năng tạo lớp phủ chịu nhiệt, chống mài mòn và cách điện.

Ví dụ điển hình:

• Hàng không vũ trụ: Lớp phủ ceramic chịu nhiệt (Thermal Barrier Coating) bảo vệ lưỡi tua bin khí đến 1100 °C.
• Ô tô: Lớp phủ xi lanh, piston giúp giảm ma sát và tăng tuổi thọ động cơ.
• Sản xuất khuôn: Hồ phun plasma trên khuôn dập kim loại, kéo dài tuổi thọ khuôn lên 2–3 lần.
• Y sinh: Lớp phủ hydroxyapatite lên implant titanium tăng tương hợp sinh học và thúc đẩy tích hợp xương (ScienceDirect).

Ưu nhược điểm

Tóm tắt: Ưu điểm của phun plasma bao gồm:

• Lớp phủ bám dính cơ học cao, đồng nhất.
• Khả năng điều chỉnh độ xốp và độ dày linh hoạt.
• Phạm vi vật liệu rộng: gốm, kim loại, composite.

Hạn chế chính:

• Thiết bị và tiêu thụ năng lượng cao, chi phí vận hành lớn.
• Khó kiểm soát oxi hóa với vật liệu dễ phản ứng trong môi trường APS.
• Ứng suất nhiệt cao có thể gây nứt, yêu cầu xử lý hậu phun tốn thời gian.

Xu hướng nghiên cứu và phát triển

Tóm tắt: Nghiên cứu hiện nay tập trung vào:

• Phun plasma lạnh (cold spray) giữ nguyên cấu trúc vật liệu gốc, giảm ứng suất nhiệt.
• Công nghệ hybrid laser–plasma kết hợp lợi thế làm nóng chọn lọc và độ bám dính cao.
• Phát triển vật liệu nano và siêu mịn để tạo lớp phủ chức năng đa lớp có kiểm soát.
• Ứng dụng IoT và AI trong giám sát trực tuyến, tối ưu hóa quy trình theo thời gian thực.

Các xu hướng này hứa hẹn nâng cao chất lượng lớp phủ, giảm chi phí sản xuất và mở rộng phạm vi ứng dụng trong công nghiệp 4.0.