Thiết bị phủ màng sử dụng kỹ thuật PVD ứng dụng cho các sản phẩm ngành công nghiệp hỗ trợ

Với mục tiêu phục vụ sản xuất các sản phẩm công nghiệp hỗ trợ (CNHT) tham gia vào các chuỗi giá trị toàn cầu, trong khuôn khổ thực hiện đề án cấp nhà nước thuộc Chương trình phát triển CNHT giai đoạn 2016-2025, các nhà khoa học thuộc Viện Công nghệ (Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội) đã nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và tích hợp thành công thiết bị phủ màng sử dụng kỹ thuật PVD (Physical Vapour Deposition - lắng đọng hơi vật lý trong môi trường chân không), giúp nâng cao chất lượng và tuổi thọ của các sản phẩm.

Kỹ thuật phun phủ bề mặt kim loại

Phun phủ kim loại đã trở nên vô cùng quen thuộc và được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như cơ khí chế tạo máy, hàng không vũ trụ, điện tử, y sinh, tới trang trí và mỹ nghệ… Công nghệ này giúp tạo lớp phủ cứng trên bề mặt nhằm bảo vệ và nâng cao đặc tính, có thể sử dụng để tăng tuổi thọ làm việc, phục hồi sửa chữa các bề mặt kim loại bị hư hỏng. Thực tế cho thấy, các nhu cầu về vật liệu và lớp phủ rất đa dạng, gồm vật liệu chịu nhiệt, bền hóa chất, bền mài mòn, dẫn điện, khả năng chống nhiễu điện từ, hay trang trí. Thông thường, việc tương tác giữa môi trường với vật liệu hay giữa các chi tiết khi làm việc chủ yếu xảy ra ở lớp bề mặt. Do đó, phun phủ bề mặt kim loại là giải pháp quan trọng nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả kinh tế, đặc biệt là đối với các doanh nghiệp trong lĩnh vực cơ khí chế tạo máy và CNHT nhằm cung ứng vật tư, dụng cụ, linh phụ kiện phục vụ phát triển các ngành sản xuất công nghiệp.

Trong công nghệ phun phủ, mỗi một loại lớp phủ lại có đặc tính, cấu trúc và ứng dụng riêng, cần được nghiên cứu để xác định phương pháp, quy trình và các tham số công nghệ phù hợp để tạo các lớp phủ đó. Có thể tạo ra lớp chịu nhiệt, lớp dẫn điện trên vật liệu không dẫn điện; tạo ra lớp chống ăn mòn cho các kết cấu thép làm việc trong môi trường oxy hóa hay môi trường ăn mòn điện hoá; tạo các lớp phủ cho các chi tiết cấy ghép y tế và dụng cụ phẫu thuật; hay phủ các lớp kim loại màu lên bề mặt của những kim loại khác nhằm mục đích tiết kiệm kim loại quý và tăng giá trị thẩm mỹ trong trang trí. Hiện nay, với sự phát triển của khoa học và công nghệ, các nhà khoa học đã nghiên cứu nhiều phương pháp và kỹ thuật phủ khác nhau như: phun phủ nhiệt, phủ trong chân không (như PVD và CVD - Chemical Vapour Deposition) với các giải pháp công nghệ nhằm hoàn thiện quá trình và nâng cao chất lượng lớp phủ. PVD là phương pháp hóa hơi và lắng đọng vật liệu trên cơ sở quá trình vật lý dưới điều kiện chân không và khí hiếm, cho phép tạo các lớp phủ cứng, mỏng (tới nano mét), có các đặc tính bề mặt tương tự như vật liệu khối hoặc tổ hợp vật liệu được thiết kế dùng để tạo lớp phủ. Dưới tác dụng của điện trường, các nguyên tử, ion kim loại sẽ được vận chuyển và lắng đọng tạo thành lớp phủ trên bề mặt. Với việc sử dụng công nghệ và lớp phủ PVD sẽ giúp tăng chất lượng sản phẩm, tăng tuổi thọ làm việc lên 2-3 (thậm chí 10) lần, không gây ô nhiễm môi trường và có thể phủ lên các sản phẩm làm từ các loại vật liệu và kích cỡ khác nhau. Hiện nay trên thế giới, phủ PVD tiếp tục được nghiên cứu nhằm tạo ra các lớp phủ với đặc tính vượt trội và đặc thù cho các sản phẩm, ứng dụng đòi hỏi chất lượng và yêu cầu kỹ thuật cao, phục vụ cho các lĩnh vực công nghệ cao. Tại Việt Nam, phủ PVD đã bắt đầu được nghiên cứu từ nhiều năm trước. Một số đơn vị đã được trang bị thiết bị phủ PVD phục vụ cho nghiên cứu về lớp phủ cứng trong các lĩnh vực vật liệu điện tử, bán dẫn, quang học. Các hệ thống thiết bị này mua của các hãng chế tạo nổi tiếng trên thế giới với giá thành rất cao, tuy nhiên đã sử dụng nhiều năm và chủ yếu để phục vụ nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, có quy mô, tính năng hạn chế, không sử dụng được trong sản xuất công nghiệp.

Công nghệ mới cho ngành CNHT

Hiện nay, công nghệ phun phủ nhằm tạo các loại lớp phủ cứng trong chân không đang được sự quan tâm phát triển tại Việt Nam, đặc biệt trong ngành công nghiệp phụ trợ và các sản phẩm phục vụ đời sống. Trong lĩnh vực CNHT, lớp phủ PVD giúp nâng cao cơ tính và tuổi thọ của các chi tiết, bề mặt khuôn mẫu, dụng cụ cắt gọt - nền tảng quan trọng của ngành sản xuất công nghiệp hay trong các linh phụ kiện điện tử yêu cầu lớp phủ có độ tinh khiết rất cao. Tuy nhiên, số lượng các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực này còn rất hạn chế do yêu cầu nhân lực chất lượng cao và thiết bị đặc thù. Với mục tiêu sản xuất các sản phẩm CNHT phục vụ sản xuất trong nước và xuất khẩu, tham gia vào các chuỗi giá trị toàn cầu, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã tiên phong đề xuất và được phê duyệt thực hiện 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 CNHT nhằm nâng cao chất lượng và tuổi thọ”, thuộc Chương trình phát triển CNHT giai đoạn 2016-2025.

Pha 1 của đề án đã được thực hiện trong năm 2019 với việc thiết kế, tích hợp và chế tạo thành công một hệ thống phun phủ PVD (HCM-700) sử dụng công nghệ phún xạ từ trường công suất lớn. Đây là hệ thống phức hợp trên cơ sở tích hợp hệ thống chân không với yêu cầu cao, các kết cấu cơ - điện tử và phần mềm điều khiển đảm bảo độ chính xác, an toàn và tin cậy. Hệ thống đã được nghiệm thu và vận hành thử nghiệm đạt yêu cầu đề ra. Trong pha 2 (2020) được thực hiện độc lập so với pha 1, nhóm nghiên cứu đã tiến hành: 1) Đánh giá, hiệu chỉnh hệ thống phủ chân không PVD đã chế tạo, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và đạt các chỉ tiêu thiết kế; làm chủ quá trình vận hành, bảo trì, bảo dưỡng hệ thống thiết bị phủ PVD đã chế tạo. 2) Tích hợp thêm kỹ thuật phủ hồ quang chân không vào hệ thống phủ PVD đã chế tạo để nâng cao khả năng hệ thống trong nghiên cứu và sản xuất thử nghiệm, phù hợp với các dòng sản phẩm khác nhau của CNHT. 3) Thiết kế chế tạo thành công một số hệ thống đồ gá chuyên dùng cho các sản phẩm đặc thù với kích thước, hình dáng bề mặt cần phủ khác nhau. 4) Nghiên cứu thử nghiệm tạo lớp phủ cứng gốc TiN lên một số loại dụng cụ cắt (mũi khoan, dao phay ngón) và chi tiết khuôn cỡ nhỏ, đồng thời chuyển giao công nghệ phủ và sản phẩm cho một số doanh nghiệp trong nước, từng bước hợp tác thực hiện đưa các sản phẩm phủ vào sản xuất nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế và sức cạnh tranh của doanh nghiệp.

Thiết bị HCM-700 tích hợp cả 2 kỹ thuật phún xạ từ trường và hồ quan chân không được lắp đặt trong phòng thí nghiệm về công nghệ phủ và vật liệu tiên tiến, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội.

Với những kết quả đạt được, đề án đã chứng minh khả năng làm chủ công nghệ của các nhà khoa học thuộc Trường 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. 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. Nghiên cứu về công nghệ phủ PVD và ứng dụng vào thực tế sản xuất cần được đầu tư mạnh mẽ và một chiến lược có tính dài hạn. Việc chế tạo thành công thiết bị phủ màng sử dụng phương pháp PVD sẽ là tiền đề quan trọng để các nhà khoa học tiếp tục các nghiên cứu về thiết bị và công nghệ tạo lớp phủ cứng, hoàn thiện và mở rộng phạm vi ứng dụng trong tương lai.

Nguồn: Tạp chí Khoa học và Công nghệ Việt Nam