Tóm tắt：Các lớp hợp kim dựa trên Co Stellite6 đã được chế tạo trên nền thép không gỉ 316L bằng phương pháp phủ lớp bằng tia laser với dây cấp liệu. Quá trình hình thành, tỷ lệ pha loãng, cấu trúc vi mô, thành phần hóa học, độ cứng vi mô và khả năng chống mài mòn của các lớp phủ đã được phân tích. Kết quả cho thấy quy trình phủ lớp bằng tia laser hai lớp có thể đảm bảo sự hình thành tối ưu của lớp phủ với tỷ lệ pha loãng dưới 5%, đồng thời tỷ lệ pha loãng này cũng đồng đều. Cấu trúc vi mô của lớp phủ là cấu trúc dưới eutectic, bao gồm dung dịch rắn giàu Co dạng nhánh và cacbua eutectic dạng mạng lưới; nồng độ cacbua dạng mạng lưới ở lớp trên cao hơn so với lớp dưới. Quy trình phủ hai lớp dẫn đến sự gia tăng theo từng bước của độ cứng theo hướng dọc của lớp phủ, và độ cứng này ổn định sau khi đạt độ dày 1,8 mm. Độ cứng vi mô theo chiều ngang của lớp phủ gần bề mặt tương đối đồng đều, dao động từ 450 HV đến 550 HV. Quy trình phủ hai lớp thể hiện khả năng chống mài mòn vượt trội, với hệ số ma sát là 0,37 và giảm 53,91% tổn thất khối lượng so với vật liệu nền. Cơ chế mài mòn của quy trình phủ hai lớp thay đổi từ mài mòn bám dính của lớp nền sang mài mòn ma sát.

Thép không gỉ 316L là loại thép không gỉ được bổ sung molypden (Mo) vào thành phần 18Cr-8Ni, giúp cải thiện khả năng chống rỗ trong môi trường chứa Cl⁻ và sở hữu các tính chất cơ học xuất sắc. Loại thép này được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực năng lượng, hóa chất và các lĩnh vực khác để chế tạo đường ống và các bộ phận kết cấu trong các môi trường khắc nghiệt như nhiệt độ cao, áp suất cao và ăn mòn [1-2]. Để cải thiện khả năng chống mài mòn và chống ăn mòn của 316L, thường cần phải tạo ra một lớp chức năng có hiệu suất xuất sắc trên bề mặt của nó [3].

Một phương pháp xử lý bề mặt thường được sử dụng là mạ crom hóa học, nhưng quy trình xử lý theo phương pháp này gây ô nhiễm nghiêm trọng và chất lượng lớp phủ không ổn định. Lớp phủ và vật liệu nền không liên kết với nhau về mặt kim loại, do đó có nguy cơ lớp phủ bị bong tróc khi sử dụng ở nhiệt độ cao trong thời gian dài [4]. Hợp kim gốc coban (hợp kim Stellite) có độ bền, độ cứng, khả năng chống mài mòn và chống ăn mòn cao ở cả nhiệt độ phòng và nhiệt độ cao, và là vật liệu lớp chống mài mòn và chống ăn mòn lý tưởng cho thép không gỉ 316L trong môi trường khắc nghiệt [5]. Hiện nay, hàn hồ quang argon, hàn hồ quang plasma và các phương pháp phủ hoặc phun khác thường được sử dụng để tạo liên kết kim loại giữa hợp kim coban và vật liệu nền, nhằm thu được lớp hợp kim có hiệu suất xuất sắc. Sankarapandian et al. [6] đã sử dụng hàn hồ quang argon để phủ hợp kim Stellite6 lên vật liệu nền A36. Lượng cacbua nhiều hơn trong lớp hợp kim Stellite6 có thể cải thiện hiệu quả khả năng chống mài mòn của vật liệu nền. Tuy nhiên, các hợp kim dựa trên coban thường có sự chênh lệch lớn về tính năng so với vật liệu nền. Năng lượng của quá trình phủ bằng hồ quang rất lớn và phân tán, dễ dẫn đến tỷ lệ pha loãng lớp phủ cao và xu hướng nứt vỡ lớn hơn [7]. Phương pháp phun lửa oxy-acetylene được sử dụng trong chuẩn bị lớp phủ vì nhiệt độ trung tâm ngọn lửa thấp hơn so với hồ quang điện, tỷ lệ pha loãng dễ kiểm soát và tính linh hoạt của thiết bị tốt. Sun Delin [8] đã sử dụng quy trình phun bột bằng ngọn lửa oxy-acetylene để phủ bề mặt trên bề mặt của các trục rỗng thành mỏng. Thông qua việc kiểm soát quy trình nghiêm ngặt, gia nhiệt trước, làm nguội chậm và các biện pháp khác, một lớp phủ có hình dạng tốt và hiệu suất xuất sắc đã được thu được. Costel-Relu và cộng sự [9] đã sử dụng phương pháp phun lửa oxy-acetylene để phủ lớp phủ composite NiCrBSi/WC-12Co lên bề mặt thép không gỉ nhằm cải thiện khả năng chống ăn mòn do hiện tượng xâm thực của vật liệu nền. Tuy nhiên, phương pháp này được vận hành thủ công và gặp phải các vấn đề như yêu cầu kiểm soát nhiệt độ nghiêm ngặt trong quá trình phun, cường độ lao động cao và chất lượng lớp phủ không ổn định do ảnh hưởng của con người.

Phủ lớp bằng laser là một phương pháp xử lý bề mặt sử dụng tia laser để nhanh chóng làm nóng chảy vật liệu phủ trên bề mặt vật liệu nền, sau đó làm nguội nhanh để tạo ra một lớp chức năng hiệu suất cao, tạo liên kết kim loại với vật liệu nền [10]. Phủ lớp bằng laser có những ưu điểm là năng lượng tập trung, tỷ lệ pha loãng thấp, hiệu suất lớp phủ tốt và dễ tự động hóa. Ngoài ra, đường kính điểm của nó có thể đạt dưới 1 mm và việc kiểm soát chính xác hơn so với các phương pháp xử lý bề mặt khác [11]. Soltanipour et al. [12] đã nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số quá trình phủ laser đối với cấu trúc vi mô của lớp phủ bột Stellite6 trên nền thép không gỉ X19CrMoNbVN11-1. Việc tăng công suất laser dẫn đến sự gia tăng các tinh thể dạng tế bào tại giao diện giữa lớp phủ và các tinh thể hình lập phương trên bề mặt. Bằng cách tối ưu hóa các thông số quy trình, người ta đã thu được lớp phủ hàn kết dính tốt và không có khuyết tật. Maximilian et al. [13] đã thực hiện hàn phủ bột hợp kim Stellite6 lên bề mặt gang xám và nghiên cứu ảnh hưởng của công suất laser đến tỷ lệ pha loãng, hình thái và độ cứng của lớp phủ. Họ phát hiện ra rằng công suất thấp hơn dẫn đến cấu trúc mịn hơn và nhiều cacbua hơn, từ đó thu được lớp phủ có độ cứng cao hơn. Wang Weidong và cộng sự [14] đã thực hiện phủ laser nhiều lớp bột hợp kim Stellite6 lên bề mặt thép khuôn gia công nóng H13 và phát hiện ra rằng lớp phủ nhiều lớp có độ cứng cao hơn so với lớp phủ một lớp, và dao động độ cứng theo chiều dọc của nó lớn hơn, nhưng điều này không ảnh hưởng đến xu hướng thay đổi độ cứng tổng thể. Cuối cùng, phủ laser đã tăng độ cứng vi mô và cải thiện hiệu quả các tính chất bề mặt.

Leunda và cộng sự [15] đã sử dụng phương pháp phủ lớp bằng laser để tạo ra các lớp phủ NiCr-WC trên thành trong của các chi tiết có lỗ hình trụ kép. Bằng cách tối ưu hóa các thông số quy trình, vật liệu nền được làm nóng trước đến 350°C và một lớp đệm trung gian được thêm vào để giảm nguy cơ nứt của lớp phủ. Tỷ lệ sử dụng vật liệu phủ được cải thiện nhờ sử dụng bột có hình dạng không đều, và cuối cùng, một lớp phủ có hình dạng tốt và chất lượng cao đã được tạo ra trên thành trong của lỗ hình trụ kép có chiều dài 300 mm và đường kính trong 110 mm. Zhu Mingdong và cộng sự [16] đã thực hiện phủ laser bột hợp kim Stellite6 trên bề mặt thép không gỉ 304LN và thành trong của một lỗ nhỏ. Bằng cách tối ưu hóa các thông số quy trình phủ laser trên bề mặt, họ đã thu được lớp phủ có tỷ lệ pha loãng thấp và không có khuyết tật. Kết quả thử nghiệm mài mòn và ăn mòn cho thấy quá trình phủ laser đã cải thiện khả năng chống mài mòn và chống ăn mòn của bề mặt và thành trong của lỗ nhỏ. Hiện nay, nghiên cứu về phủ laser hợp kim coban chủ yếu tập trung vào vật liệu bột. Tuy nhiên, quá trình phủ laser bằng vật liệu bột gặp các vấn đề như hiệu suất sử dụng vật liệu thấp và ô nhiễm cao. Ngoài ra, tính không liên tục của vật liệu bột dễ khiến tia laser tác động trực tiếp lên vật liệu nền, dẫn đến ứng suất nhiệt lớn. Cần có các biện pháp kiểm soát nhiệt độ nhất định để ngăn ngừa nứt, biến dạng và các vấn đề khác. Tuy nhiên, sự tương tác giữa dây và tia laser tốt hơn, yêu cầu kiểm soát nhiệt độ thấp hơn, và tỷ lệ sử dụng vật liệu gần như 100%, do đó phương pháp này đã nhận được sự quan tâm rộng rãi [17]. Do đó, bài báo này sử dụng phương pháp phủ lớp bằng dây dẫn laser để tạo ra lớp phủ hợp kim coban Stellite6 dày 3 mm trên nền 316L, nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình phủ lớp bằng laser đến tỷ lệ pha loãng và chất lượng hình thành của lớp phủ, phân tích ảnh hưởng của quá trình phủ lớp đến cấu trúc và tính năng, đồng thời cung cấp cơ sở thực nghiệm để cải thiện khả năng chống mài mòn và tuổi thọ của bề mặt thép không gỉ 316L.

1. Vật liệu và phương pháp thí nghiệm

• Vật liệu phủ bằng laser

Thí nghiệm đã chọn một tấm nền có kích thước 30mm × 30mm × 10mm, vật liệu nền là thép không gỉ 316L. Vật liệu phủ là dây hàn rắn Stellite 6 có đường kính gần 1,2mm. Thành phần hóa học của vật liệu nền và vật liệu phủ được trình bày trong Bảng 1.

• Phương pháp phủ lớp bằng laser

Trong thí nghiệm này, người ta đã sử dụng máy laser sợi quang YLS-4000 với đường kính danh định của chùm tia là 200μm. Trong quá trình phủ lớp, robot công nghiệp sáu trục MOTOMAN NX100 được sử dụng để điều khiển chuyển động, đồng thời sử dụng thiết bị kẹp dây hàn để đảm bảo sự chuyển động đồng trục giữa dây hàn và tia laser. Phương pháp cấp dây được áp dụng là cấp dây ngang. Bề mặt vật liệu nền được đánh bóng trước khi phủ và làm sạch bằng ethanol khan. Loại bỏ các tạp chất như lớp oxit bề mặt và dầu. Trong quá trình phủ, đường đi hình “cung” được sử dụng để thực hiện nhiều lớp phủ trên bề mặt vật liệu nền. Độ dày lớp phủ là 3 mm, và để đạt được độ dày đồng đều, một lớp phủ bổ sung được thực hiện ở mép vật liệu nền để ngăn chặn vũng nóng chảy bị sụp đổ. Thí nghiệm đã chọn một số nhóm đại diện các thông số quá trình phủ lớp bằng dây dẫn laser để thảo luận, xem xét ba yếu tố: công suất laser, tốc độ cấp dây và số lớp phủ. Kế hoạch thử nghiệm cụ thể được trình bày trong Bảng 2. Các thông số quá trình phủ lớp còn lại là tỷ lệ chồng chéo 50%, khí argon tinh khiết 99,9% làm khí bảo vệ đồng trục và lưu lượng khí 20L/phút.

• Phương pháp phát hiện

Hai mẫu khối có kích thước 5,5 mm × 4 mm × 10 mm đã được cắt từ lớp vỏ bọc ở gần giữa và gần mép bằng phương pháp cắt dây, và các nguyên tố trong lớp vỏ bọc được phân tích định lượng bằng máy quang phổ huỳnh quang tia X cầm tay ThermoScientific Niton XL5 Plus (XRF). Lấy Fe làm đối tượng, tỷ lệ pha loãng được tính theo công thức (1).

Địa điểm: Lớp ω

(Fe) là hàm lượng sắt trong lớp phủ; ω base

(Fe) là hàm lượng sắt trong vật liệu nền 316L, được coi là hằng số 71,329% sau khi phân tích bằng phương pháp XRF; ω vật liệu

(Fe) là hàm lượng sắt trong vật liệu lớp phủ.

Phương pháp cắt dây đã được sử dụng để cắt tấm có kích thước 12mm × 10

các lát mỏng 1 mm × 2 mm từ mặt cắt ngang của lớp phủ. Sau khi các lát được ghép vào, chúng được mài nhẵn từng bước bằng giấy nhám nước có độ nhám từ 150 đến 300, sau đó được mài cơ học đến khi đạt bề mặt bóng như gương với độ nhám 2,5

Hỗn hợp kim cương dạng bột có kích thước hạt 1 μm. Dung dịch ăn mòn được pha chế từ 5 g

CuSO₄

+50 mL HCl + 50 mL H₂

Chữ O được dùng để mài mòn

10 giây, sau đó rửa bằng cồn và sấy khô để tạo thành mẫu kim loại học. Hình thái vĩ mô của mặt cắt ngang lớp phủ được quan sát bằng kính hiển vi lập thể

Kính lúp vĩ mô AOSVI. Kính hiển vi kim loại đảo ngược ICX41 được sử dụng để quan sát cấu trúc vi mô của từng vùng vi mô trên lớp phủ, trong khi kính hiển vi điện tử quét (SEM) để bàn TM4000Plus được sử dụng để quan sát cấu trúc vi mô ở độ phóng đại cao hơn, và phổ EDS được sử dụng cho phân tích quét đường và quét điểm. Máy đo độ cứng vi Vickers HV-1000TPTA được sử dụng để kiểm tra độ cứng vi của lớp phủ theo hướng dọc và cách bề mặt 0,5 mm theo hướng ngang để phát hiện quy luật thay đổi độ cứng và độ đồng đều của độ cứng. Các thông số thử nghiệm độ cứng là tải trọng 500g và thời gian giữ 10 giây. Máy thử ma sát và mài mòn MFT-5000 được sử dụng để thực hiện các thử nghiệm ma sát và mài mòn khô trên nền và lớp phủ ở nhiệt độ phòng. Chế độ ma sát là ma sát bi-đĩa, đối tác ma sát là một quả bi gốm Si3N4 có đường kính 6,35 mm, và các điều kiện thử nghiệm ma sát là: tải trọng 35 N, tốc độ 300 vòng/phút, thời gian mài mòn 30 phút và bán kính mài mòn 4,5 mm. Trước và sau khi mài mòn, một cân chính xác (độ chính xác 0,1 mg) đã được sử dụng để đo sự tăng và giảm trọng lượng. Kính hiển vi quét laser OLS51003D được sử dụng để quan sát hình thái bề mặt mẫu sau khi mài mòn, và SEM và EDS được sử dụng để quan sát hình thái mài mòn vi mô.

2. Kết quả thí nghiệm và thảo luận

2.1 Phân tích đại hình thái của lớp phủ

Hình 1 trình bày hình thái vĩ mô theo mặt cắt ngang và kết quả thử nghiệm tỷ lệ pha loãng của các lớp phủ trong quá trình cấp dây laser theo các phương pháp khác nhau. Khi so sánh Phương án 1 và Phương án 2, tỷ lệ pha loãng của hai lớp phủ thấp hơn đáng kể so với tỷ lệ pha loãng của một lớp phủ. Sự chênh lệch về tốc độ pha loãng giữa vị trí mép và vị trí giữa của lớp phủ trong Phương án 2 là nhỏ, cho thấy quy trình phủ hai lớp có lợi cho tính đồng đều của tốc độ pha loãng. Độ dày của lớp thứ hai ở vị trí giữa của lớp phủ trong Phương án 2 nhỏ hơn, trong khi độ dày của lớp thứ hai ở vị trí mép lại lớn hơn. Điều này là do khi lớp phủ laser đạt đến mép và công suất laser lớn, nhiệt độ của lớp phủ tích tụ quá cao khi tốc độ cấp dây chậm, dẫn đến sự sụp đổ của vũng nóng chảy và làm chảy quá mức lớp thứ nhất. Cũng có thể thấy từ các đường hợp nhất của Phương án 1 và Phương án 2 rằng nhiều vật liệu nền bị chảy gần mép, điều này cũng liên quan đến sự tích tụ nhiệt độ.

Khi so sánh Phương án 2 và Phương án 3, khi công suất laser giảm từ 3200W xuống 2600W và tốc độ cấp dây tăng từ 40mm/s lên 55mm/s, tỷ lệ pha loãng của lớp vỏ bọc trong Phương án 3 giảm đáng kể, đồng thời sự chênh lệch về tỷ lệ pha loãng giữa mép và phần giữa cũng nhỏ hơn và đồng đều hơn. Đường hàn của Phương án 3 thẳng hơn so với Phương án 2, cho thấy hiệu ứng tích tụ nhiệt của nó nhỏ hơn và vật liệu nền ít bị nóng chảy hơn ở mép. Độ dày của lớp thứ hai trong Phương án 3 cũng đồng đều hơn ở mép và vị trí giữa, điều này cũng cho thấy hiệu ứng tích tụ nhiệt của nó nhỏ hơn. Xét về tỷ lệ pha loãng và sự hình thành lớp phủ, Phương án 3 được xác định là thông số quy trình tối ưu cho quá trình hàn phủ bằng laser với dây cấp liệu.

2.2 Cấu trúc vi mô của lớp phủ

Cấu trúc vi mô của lớp phủ trong từng phương án quy trình đã được quan sát, như thể hiện trong Hình 2. Có thể thấy rằng cấu trúc vi mô của các lớp phủ bằng phương pháp hàn laser cấp dây trong ba phương án quy trình này tương tự nhau, tất cả đều là cấu trúc dưới điểm eutectic, bao gồm cấu trúc nhánh trắng và cấu trúc mạng liên hạt màu xám đen. Từ đáy lớp phủ đến đỉnh lớp phủ, cấu trúc giữa các hạt màu xám đen tăng dần, còn cấu trúc dạng nhánh màu trắng giảm dần. Hiện tượng này rõ ràng hơn trong cấu trúc của Sơ đồ 3, vì sơ đồ này sử dụng công suất laser nhỏ hơn và tốc độ cấp dây nhanh hơn, dẫn đến tỷ lệ pha loãng thấp hơn. Từ đáy lớp bọc đến đỉnh lớp bọc, hình thái hạt được chia thành bốn vùng: vùng tinh thể phẳng, vùng tinh thể dạng ô và dạng cột, vùng nhánh cây, và vùng tinh thể đồng trục.

Đối với lớp dưới cùng của lớp phủ, có một ranh giới rõ ràng giữa lớp phủ và vật liệu nền, cụ thể là đường hàn, cho thấy lớp phủ và vật liệu nền tạo thành một liên kết kim loại vững chắc. Tại đường hàn, vũng nóng chảy tiếp xúc trực tiếp với nền, độ dốc nhiệt độ (G) của giao diện rắn-lỏng lớn, tốc độ đông đặc (R) nhỏ và G/R lớn, khiến các tinh thể lớp bọc phát triển dưới dạng tinh thể phẳng. Khi giao diện rắn-lỏng tiếp tục di chuyển lên trên từ phía dưới, nhiệt dần tích tụ, độ dốc nhiệt độ giảm và tốc độ đông đặc tăng, tức là tỷ lệ G/R giảm, dẫn đến vùng siêu lạnh thành phần rất hẹp ở phía trước giao diện rắn-lỏng. Tinh thể phát triển theo hướng có tốc độ làm lạnh nhanh nhất, trong khi các hướng phát triển khác bị ức chế, dẫn đến sự phình ra, hình thành các tinh thể dạng tế bào và tinh thể dạng cột.

Đối với phần giữa của lớp vỏ bọc, giao diện rắn-lỏng tiếp tục di chuyển về phía trung tâm của lớp vỏ bọc, tỷ lệ G/R tiếp tục giảm, và tinh thể dần chuyển từ dạng tinh thể cột thô sang dạng nhánh cột, chủ yếu bao gồm các nhánh cột sơ cấp thô và các nhánh cột thứ cấp mịn. Hướng phát triển của các nhánh phụ thuộc vào hướng dòng nhiệt và hướng tinh thể. Khi lớp thứ hai được phủ, chu trình nhiệt của nó tác động lên phần trên của lớp thứ nhất, khiến lớp này tan chảy một phần và thể hiện các đặc tính kết tinh đồng thời với lớp phủ thứ hai, đồng thời khiến các hạt của nó phát triển. So sánh Hình 2 (a2), (b2) và (c2), công suất laser thấp hơn và tốc độ cấp dây nhanh hơn của Phương án 3 làm cho cấu trúc giữa các hạt màu xám đen giữa các lớp của nó trở nên rõ rệt hơn; và sự khác biệt về kích thước hạt giữa lớp thứ hai và lớp thứ nhất rõ ràng hơn, với nhiều nhánh tinh thể hơn. Chu kỳ nhiệt độ cao hơn khi phủ lớp thứ hai làm cho các hạt của lớp thứ nhất phát triển, trong khi công suất laser nhỏ hơn và tốc độ cấp dây nhanh hơn làm cho các hạt của lớp thứ hai trở nên mịn hơn.

Đối với bề mặt trên cùng của lớp phủ, nó tiếp xúc trực tiếp với không khí, có tốc độ truyền nhiệt nhanh hơn, tốc độ đông đặc nhanh hơn, tỷ lệ G/R rất nhỏ, và các tinh thể chủ yếu là các nhánh tinh thể nhỏ, không định hướng và các tinh thể đồng trục. So sánh Hình 2 (a3), (b3) và (c3), Sơ đồ 3 có nhiều cấu trúc liên hạt màu xám đen hơn và các cấu trúc này rõ ràng mịn hơn do công suất laser thấp và tốc độ cấp dây nhanh.

Phân bố nguyên tố của lớp phủ dây laser theo hướng dọc trong quy trình tối ưu của Sơ đồ 3 đã được quét, và kết quả được trình bày trong Hình 3. Có thể thấy rằng từ lớp nền đến lớp phủ, hàm lượng nguyên tố Co tăng lên trong khi hàm lượng nguyên tố Fe giảm xuống. Hàm lượng nguyên tố thay đổi theo từng bước, và vị trí biến đổi nằm tại đường hàn và giữa lớp thứ nhất và thứ hai, cho thấy lớp phủ đã được hàn chặt chẽ với nền, và việc phủ hai lớp giúp giảm tỷ lệ pha loãng ở phần trên. Trong Phương án 3, tia laser và dây hàn được kết hợp tốt, và lớp sau làm tan chảy ít hơn lớp trước khi phủ.

Cấu trúc vi mô của lớp phủ do dây laser cấp liệu theo quy trình tối ưu của Sơ đồ 3 đã được quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM), như thể hiện trong Hình 4. Có thể thấy rằng cấu trúc vi mô của lớp phủ laser Stellite6 là một cấu trúc dưới điểm eutectic điển hình, bao gồm cấu trúc pro-eutectic dạng nhánh (A) và cấu trúc eutectic dạng lưới (B). Cấu trúc eutectic ở đáy lớp phủ ít có hình dạng xương hơn, trong khi cấu trúc eutectic ở đỉnh lớp phủ có tính lưới cao hơn, điều này phù hợp với các đặc điểm cấu trúc quan sát dưới kính hiển vi quang học. Các vùng cấu trúc điển hình (A và B) của lớp phủ đã được quét thêm. Kết quả được trình bày trong Bảng 3. Cấu trúc pro-eutectic dạng nhánh (A) chứa nhiều nguyên tố Co hơn và là dung dịch rắn giàu Co. Cấu trúc eutectic dạng lưới (B) chứa nhiều nguyên tố C, Cr và W hơn. Người ta cho rằng đây chủ yếu là các cacbua eutectic của Cr và W. Hu Xiyun [18] cũng báo cáo rằng cấu trúc của lớp phủ laser Stellite6 là dung dịch rắn pro-eutectic và cacbua eutectic, tương tự như tình huống trong bài báo này. So với đáy lớp phủ, đỉnh lớp phủ có sự phân bố mạng cacbua eutectic nhiều hơn, cho thấy quá trình phủ hai lớp có lợi cho việc tăng lượng cacbua ở đỉnh bằng cách giảm tỷ lệ pha loãng.

2.3 Hiệu suất của lớp ốp

Độ cứng của lớp phủ trên dây cấp liệu laser trong từng phương án đã được kiểm tra theo cả hai hướng dọc và ngang, và kết quả được trình bày trong Hình 5. Như có thể thấy từ Hình 5 (a), độ cứng của vật liệu nền 316L là 180–230 HV, thấp hơn đáng kể so với độ cứng của lớp phủ. Độ cứng của vật liệu nền gần đường hàn tăng nhẹ. Từ vật liệu nền đến lớp phủ, độ cứng tăng lên đáng kể. Từ dưới lên trên của lớp phủ, phương án 2 và 3 sử dụng quy trình phủ hai lớp, và độ cứng tăng dần theo từng bước. Tức là, có sự thay đổi lớn về độ cứng của lớp phủ tại vị trí dày 1,8–2 mm, điều này phù hợp với xu hướng thay đổi thành phần nguyên tố được thể hiện qua quét đường EDS trong Hình 3, cho thấy quy trình phủ hai lớp có thể cải thiện độ cứng của phần trên cùng của lớp phủ bằng cách giảm tỷ lệ pha loãng. So với Phương án 2, Phương án 3 có công suất laser thấp và tốc độ cấp dây nhanh. Độ cứng của lớp phủ thứ hai cao hơn, ở mức 450–550 HV. Phần trên cùng của lớp phủ trong Phương án 3 có nhiều cấu trúc cacbua eutectic phân bố theo mạng lưới cùng với các tinh thể nhánh mảnh và tinh thể hình lập phương, điều này có lợi cho việc nâng cao độ cứng của nó. Hình 5 (b) kiểm tra độ đồng đều của độ cứng lớp phủ theo hướng ngang. Xu hướng độ cứng của lớp phủ trong mỗi phương án tương tự như kết quả thử nghiệm độ cứng theo hướng dọc. Độ cứng theo hướng ngang của lớp phủ trong Phương án 3 nằm trong khoảng 450–550HV, tương đối đồng đều. Độ cứng ở trung tâm lớp phủ cao hơn một chút so với vị trí gần hai mép. Điều này chủ yếu là do khi phủ đến mép, sự tích tụ nhiệt làm cho nhiệt độ tăng lên. Khi phủ ở mép, chất nền nóng chảy nhiều hơn một chút, tỷ lệ pha loãng cao hơn một chút và các hạt thô hơn.

Các thử nghiệm ma sát và mài mòn đã được tiến hành trên nền vật liệu 316L và lớp phủ laser Stellite6 của Phương án 1 và Phương án 3. Hiệu suất ma sát và mài mòn của các quy trình phủ một lớp và phủ hai lớp đã được so sánh và phân tích. Kết quả được thể hiện trong Hình 6. Hình 6 (a) cho thấy hệ số ma sát của ba mẫu đều thay đổi đáng kể ở giai đoạn đầu, tức là giai đoạn mài mòn chạy thử. Điều này là do sự tồn tại của độ nhám bề mặt và sự không đồng đều của bề mặt tiếp xúc ở cấp độ vi mô khiến hệ số ma sát dao động mạnh. Sau đó, hệ số ma sát có xu hướng ổn định do các gờ nhô ra vi mô trên bề mặt tiếp xúc được làm phẳng [19]. Trong giai đoạn mài mòn ổn định, hệ số ma sát trung bình của vật liệu nền 316L là 0,47, cao hơn so với hệ số ma sát của lớp phủ một lớp (0,37) và lớp phủ hai lớp (0,37). Hình 6 (b) so sánh và phân tích sự mất khối lượng của ba mẫu trước và sau khi mài mòn. Sự mất khối lượng của nền 316L là 11,5 mg, trong khi sự mất khối lượng của lớp chống mài mòn Stellite6 sau khi phủ một lớp là 7,3 mg, ít hơn 36,5% so với nền; mức giảm khối lượng của lớp chống mài mòn Stellite6 sau khi phủ hai lớp là 5,3 mg, ít hơn 53,9% so với vật liệu nền. Do đó, lớp phủ laser Stellite6 có thể cải thiện khả năng chống mài mòn của vật liệu nền 316L, và khả năng chống mài mòn của quy trình phủ hai lớp tốt hơn.

Hình thái vết mòn của ba mẫu sau quá trình mài mòn ma sát được thể hiện trong Hình 7. Hình 7 (a), (d) và (g) cho thấy vết mòn của nền 316L rộng và sâu; trong khi vết mòn của lớp phủ laser Stellite6 hẹp và nông, và có một số ít vết rãnh phân bố ở cấp độ vĩ mô; vết mòn của lớp phủ hai lớp hẹp hơn và nông hơn, và có nhiều vết rãnh hơn. Hình 7 (c), (f) và (i) cho thấy các mặt cắt ngang về hình thái của vết mòn trên ba mẫu. Chiều rộng vết mòn của nền 316L là 1380 μm, và độ sâu mòn tối đa là 41,5 μm; trong khi chiều rộng vết mòn của lớp phủ là 867,5 μm, nhỏ hơn nhiều so với nền, và độ sâu mòn tối đa là 43,8 μm, tương đương với nền; chiều rộng mòn của lớp phủ hai lớp là 750 μm, nhỏ nhất, và độ sâu mòn tối đa là 29,0 μm, cũng là nhỏ nhất. Do đó, lớp phủ laser Stellite6 có thể giảm chiều rộng và độ sâu mòn của nền 316L, và quy trình phủ hai lớp có thể giảm nó nhiều hơn nữa.

Kỹ thuật SEM tiếp tục được sử dụng để phân tích hình thái mài mòn của ba mẫu, như thể hiện trong Hình 8. Hình 8 (a), (c) và (e) cho thấy đặc điểm rãnh của lớp phủ laser Stellite6 rõ rệt hơn so với lớp nền 316L. Có thể quan sát rõ ràng rằng mép vết mòn của nền 316L bị đùn ra và tích tụ do biến dạng dẻo trong quá trình mòn; hiện tượng đùn ra tại mép vết mòn của lớp phủ ít hơn, và mép vết mòn của lớp phủ tương đối nhẵn. Kết quả quét đường EDS cho thấy có sự tăng đột biến về hàm lượng O tại vị trí mài mòn của nền 316L, cho thấy nhiệt sinh ra do ma sát và mài mòn đã gây ra quá trình oxy hóa, trong khi hàm lượng O trên bề mặt mài mòn của lớp phủ và chính lớp phủ hầu như không thay đổi, cho thấy mức độ oxy hóa trong quá trình mài mòn là nhỏ. Khi phóng đại thêm hình thái mài mòn, như thể hiện trong Hình 8 (b), (d) và (f), có thể quan sát thấy biến dạng dẻo, nứt, bong tróc vật liệu và hiện tượng mài mòn dính của vật liệu tạo thành mảnh vụn mài mòn từ nền 316L. Điều này là do ma trận 316L tương đối mềm. Khi lực cắt trong quá trình ma sát và mài mòn lớn hơn giới hạn chảy của 316L, ma trận sẽ trải qua biến dạng dẻo, hình thành các lỗ nhỏ và vết nứt vi mô. Khi thời gian mài mòn tăng lên, các vết nứt vi mô mở rộng và ma trận bong tróc theo từng lớp. Có thể quan sát thấy một lượng nhỏ các rãnh cày xới trong hình thái mài mòn, cho thấy hình thức mài mòn của ma trận 316L chủ yếu là mài mòn dính kết và một lượng nhỏ mài mòn mài mòn. Wang et al. [20] cũng báo cáo các đặc điểm hình thái mài mòn tương tự của thép không gỉ 316L. Hiện tượng biến dạng dẻo trong hình thái mài mòn của lớp phủ là ít, chủ yếu là hình thái rãnh cày, cho thấy hình thức mài mòn của nó chủ yếu là mài mòn do ma sát và một lượng nhỏ mài mòn do bám dính. Lớp phủ laser Stellite6 chứa hợp kim hòa tan của Cr, W và các nguyên tố khác, giúp cải thiện độ cứng và khả năng chống biến dạng của lớp phủ. Các cacbua eutectic mạng lưới tồn tại giữa các hạt hoạt động như các điểm cứng, cản trở thêm sự biến dạng của ma trận. Trong quá trình mài mòn, các cacbua cứng bị bong tróc một phần do tập trung ứng suất để tạo thành các vết lõm. Các hạt cứng bị bong tróc hoạt động như chất mài mòn, khiến lớp phủ hình thành hình thái rãnh. Hình thái mài mòn của hai lớp phủ tương tự như của lớp phủ đơn. Hiện tượng biến dạng dẻo được giảm thiểu thêm, và hình thái mài mòn của nó nhất quán với của lớp phủ đơn.

3. Kết luận

• Hợp kim Stellite6 đã được phủ lên bề mặt thép không gỉ 316L bằng quy trình phủ dây laser hai lớp. Bằng cách điều chỉnh các thông số quy trình, có thể thu được lớp phủ dày khoảng 3 mm với cấu trúc tốt và không có khuyết tật như tạp chất hay vết nứt. Tỷ lệ pha loãng ở trung tâm và mép của lớp phủ tương đối đồng đều và nhỏ hơn 5%.
• Cấu trúc vi mô của lớp phủ được tạo thành bằng phương pháp cấp dây laser là cấu trúc dưới điểm eutectic, cụ thể là một dung dịch rắn tiền eutectic dạng nhánh giàu Co và một mạng lưới các cacbua eutectic của Cr và W. Lượng cacbua eutectic ít hơn ở đáy lớp phủ và nhiều hơn ở đỉnh. Công suất laser nhỏ hơn và tốc độ cấp dây nhanh hơn sẽ dẫn đến sự hình thành nhiều mạng cacbua eutectic hơn ở phần trên của lớp phủ. (3) Từ vật liệu nền đến lớp phủ đầu tiên và sau đó đến lớp phủ thứ hai, độ cứng của lớp phủ laser cấp dây Stellite6 tăng theo kiểu bậc thang theo hướng dọc và cuối cùng ổn định sau độ dày 1,8 mm; độ cứng của lớp phủ tương đối đồng đều theo hướng ngang gần bề mặt, dao động từ 450 đến 550 HV, và độ cứng ở trung tâm cao hơn một chút so với ở mép, điều này liên quan đến sự tích tụ nhiệt trong quá trình phủ. (4) Khả năng chống mài mòn của lớp phủ hàn laser bằng dây được đánh giá thông qua thử nghiệm ma sát và mài mòn. Kết quả cho thấy chế độ mài mòn của lớp phủ thay đổi từ mài mòn dính của nền 316L sang mài mòn ma sát do sự hòa tan của Cr, W và các nguyên tố khác cùng sự hiện diện của một lượng lớn cacbua cứng dạng mạng, điều này cải thiện đáng kể khả năng chống mài mòn của nền. Hệ số ma sát của bề mặt phủ với hai lớp phủ là 0,37, và mức giảm trọng lượng giảm 53,9% so với vật liệu nền.