Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thành công thiết bị phủ chân không PVD phục vụ ngành công nghiệp hỗ trợ

Với mong muốn nâng cao chất lượng và tuổi thọ cho các sản phẩm ngành công nghiệp hỗ trợ, nhóm nghiên cứu gồm PGS.TS. Phạm Đức Cường và ThS. Nguyễn Đức Luận - Viện Công nghệ HaUI, Đại học Công nghiệp Hà Nội đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công thiết bị phủ chân không PVD.

Trong lĩnh vực cơ khí nói chung và công nghiệp hỗ trợ (CNHT) nói riêng, các lớp phủ cứng tạo bằng phương pháp lắng đọng vật lý trong môi trường chân không (Physical Vapor Deposition - PVD) ngày càng được ứng dụng một cách rộng rãi. Ưu thế của phủ PVD có độ bóng đẹp cao, không bị rỉ sét, tăng độ cứng cho sản phẩm kim loại. Màu phủ PVD rất đa dạng như: Màu vàng, màu đồng, xanh, đen… Đặc biệt, phương pháp phủ tiên tiến này hết sức an toàn, không gây ô nhiễm môi trường, không độc hại.

PGS.TS. Phạm Đức Cường - Viện trưởng Viện Công nghệ HaUI, Đại học Công nghiệp Hà Nội - thành viên chính nhóm nghiên cứu

Tại Việt Nam, công nghệ phủ chân không PVD đã được một số trường đại học, viện nghiên cứu đầu tư nghiên cứu và từng bước triển khai ứng dụng vào thực tế. Nhiều đề tài khoa học công nghệ các cấp về công nghệ phủ PVD được thực hiện. Tuy nhiên, cho đến nay các đề tài này chỉ tập trung vào nghiên cứu công nghệ phủ một số lớp phủ truyền thống như TiN, CrN trên cơ sở sử dụng các thiết bị phủ nhập ngoại và có tuổi đời cao, các hệ thống điều khiển sử dụng công nghệ cũ.

Đại học Công nghiệp Hà Nội là một trong những đơn vị tiên phong ở Việt Nam nghiên cứu và ứng dụng công nghệ phủ PVD. Nhà trường đã đầu tư phòng thí nghiệm với hệ thống phủ UNIVEX400 và một số thiết bị đo đặc tính lớp phủ. PVD-HCM 700 là thiết bị tạo màng lớp phủ cứng được chế tạo và tích hợp trong đề án “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị phủ màng sử dụng kỹ thuật PVD, ứng dụng cho các sản phẩm trong ngành công nghiệp hỗ trợ nhằm nâng cao chất lượng và tuổi thọ” thuộc chương trình Công nghiệp Hỗ trợ 2019 - 2020 do Đại học Công nghiệp Hà Nội chủ trì.

Thiết bị phủ PVD-HCM 700

PVD-HCM 700 sử dụng được cả hai công nghệ phún xạ và hồ quang chân không, với kích thước buồng là 700x700mm. Thiết bị có thể bố trí 02 đầu phún xạ với công suất 15kW/đầu, hoặc 4 đầu hồ quang với công suất 10kW/đầu, hoặc phối hợp 1 đầu phún xạ và 2 đầu hồ quang cho các quy trình phủ khác nhau. Việc tích hợp cả hai kỹ thuật phủ cho phép điều chỉnh linh hoạt trong quá trình nghiên cứu, có thể sử dụng riêng từng kỹ thuật hoặc cùng sử dụng cả hai kỹ thuật cho một lớp phủ.

Tính năng này rất hữu ích vì mỗi lớp phủ bởi kỹ thuật khác nhau sẽ có đặc tính và phạm vi ứng dụng khác nhau. Đặc biệt lớp phủ được tạo bởi tích hợp cả hai kỹ thuật có thể có những đặc tính nổi trội về độ cứng hay cấu trúc. Do được tích hợp cả hai kỹ thuật trên một hệ thống thiết bị, hệ thống điều khiển và phần mềm được thiết kế riêng theo các mô đun, cho phép sử dụng độc lập từng kỹ thuật hoặc phối hợp cả hai trong cùng một quy trình phủ.

Sơ đồ nguyên lý các mô đun chức năng của thiết bị phủ PVD-HCM 700

Trên cơ sở tham khảo các đặc tính và khả năng của các hệ thống phủ UNIVEX400 và DREVA 400, nhóm nghiên cứu đã phân tích, đặt ra yêu cầu kỹ thuật tổng quát cho hệ thống phủ thiết kế chế tạo và tích hợp:

- Sử dụng được 2 kỹ thuật: Phún xạ từ trường và hồ quang;

- Kích thước buồng chân không lớn hơn, hệ thống đồ gá bên trong cho phép phủ lên các mẫu, hoặc lô sản phẩm thử nghiệm với kích thước phù hợp;

- Các cụm công nghệ hỗ trợ quá trình phủ: gia nhiệt, tạo thiên áp, cảm biến, cấp khí

- Hệ thống điều khiển với phần mềm hoạt động ổn đinh, có tính tự động cao, vận hành đơn giản và linh hoạt. Có khả năng nâng cấp phần cứng và phần mềm tương ứng…

Kết quả phân tích thành phần đánh giá của mẫu sau khi phủ TiN bằng phún xạ (trái) và hồ quang (phải)

Kết quả thử nghiệm phủ TiN trên một số dụng cụ cắt và sản phẩm cho thấy: Lớp phủ TiN trên nền thép tạo bằng cả hai kỹ thuật đạt các đặc tính tương đương các lớp phủ đã thương mại hóa và công bố trên thế giới: độ cứng 2100 - 2300 Hv, tỷ lệ Ti:N là hợp thức (49:51), chiều dày có thể điều khiển đạt 3.0 - 3.5mm. Kết quả ban đầu cho thấy lớp phủ thành công trên bề mặt sản phẩm, quá trình gia công không bị bong tróc.

Những kết quả bước đầu đạt được đã chứng minh khả năng làm chủ công nghệ của nhóm nghiên cứu thuộc Viện Công nghệ HaUI, Đại học Công nghiệp Hà Nội trong thiết kế, chế tạo và tích hợp hệ thống phủ chân không bằng phương pháp PVD và ứng dụng cho một số lĩnh vực sản phẩm phục vụ ngành CNHT.

Hình ảnh một số sản phẩm được phủ TiN bằng thiết bị phủ PVD-HCM 700

Có thể nói đây là hệ thống phủ PVD đầu tiên được xây dựng tại Việt Nam có khả năng đáp ứng cả trong nghiên cứu lẫn sản xuất thử nghiệm với 2 kỹ thuật khác nhau, đạt và vượt các chỉ tiêu kỹ thuật thiết kế về công suất và quy mô.

Việc chế tạo thành công thiết bị phủ chân không PVD sẽ là tiền đề quan trọng để nhóm nghiên cứu tiếp tục các nghiên cứu về thiết bị, công nghệ tạo lớp phủ cứng bằng phương pháp lắng đọng vật lý trong môi trường chân không hoàn thiện và mở rộng phạm vi ứng dụng trong tương lai.