Trong lĩnh vực xử lý bề mặt thì công nghệ phun phủ nhiệt có vai trò quan trọng, phát triển song hành cùng các công nghệ truyền thống khác như hàn, mạ, nhúng nóng, cán, … Phun phủ nhiệt có lịch sử ra đời với những bằng sáng chế đầu tiên được công bố tại Thụy Sĩ vào những năm đầu của thế kỷ 20. Hình 1 dưới đây điểm lại những mốc phát triển quan trọng trong lịch sử hình thành và phát triển của phun phủ nhiệt, cả về các phương pháp phun, vật liệu phun cũng như các thiết bị phun [1]. Trong khoảng vài ba chục năm gần đây, phun phủ nhiệt đã có những tiến bộ đáng kể, nổi bật với các phương pháp công nghệ mới như phun phủ oxy nhiên liệu tốc độ cao (High Velocity Oxygen Fuel - HVOF), phun nguội (Cold Spray), phun ấm (Warm Spray), phun plasma áp suất thấp (Low Pressure Plasma Spray - LPPS), phun dạng dụng dịch và huyền phù (Solution and Suspension Spray), …

Hình 1. Các mốc thời gian quan trọng trong lịch sử phát triển của Phun phủ nhiệt [1].

Giống như các công nghệ khác, phun phủ nhiệt phải liên tục phát triển để đáp ứng các thách thức và yêu cầu mới. Phun phủ nhiệt hiện nay được coi như một công nghệ thân thiện môi trường để thiết kế và thay đổi các tính năng bề mặt và các đặc tính của các chi tiết máy. Nó được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm giao thông, năng lượng, y sinh, điện tử, khai khoáng [2]. Giá trị thị trường (doanh thu từ sản xuất vật liệu, cung cấp thiết bị và chế tạo lớp phủ) được đánh giá vào năm 2015 đạt khoảng 7,58 tỉ USD với mức độ tăng trưởng trung bình 7,79%/năm, dự kiến đến năm 2021 sẽ đạt khoảng 11,89 tỉ USD [3]. Các động lực chính để phát triển phun phủ nhiệt là nhu cầu ngày càng tăng đối với ngành năng lượng, hàng không, chế tạo ô tô và phát triển các ngành kinh tế khác.

Phun phủ nhiệt đang phát triển không ngừng để đáp ứng các thách thức do các nhu cầu và áp lực từ thị trường như cạnh tranh về giá, yêu cầu quy định về sản phẩm cũng như nguyên liệu đầu vào, các quy định về an toàn lao động và môi trường. Tuy nhiên, các thách thức này thường đồng hành cùng với những cơ hội được mở ra, thí dụ như việc cấm sử dụng các sản phẩm mạ crom 6 độc hại có thể gây ung thư mang đến cơ hội phát triển các lớp phủ cứng thay thế crom chế tạo bằng các phương pháp công nghệ phun phủ nhiệt ít ô nhiễm hơn.

Công nghiệp trả lời cho những thách thức này bằng nhiều cách, bao gồm các cách tiếp cận truyền thống (thí dụ như giảm giá thành, nâng cao chất lượng và độ tin cậy, tăng năng suất và lợi nhuận với các tiếp cận sản xuất hiệu quả hơn) và các tiếp cận nhiều rủi ro hơn (thí dụ như phát triển các phương pháp công nghệ phun mới, sáng tạo các đầu phun tốt hơn, đưa ra các vật liệu phun với các tính năng ưu việt) [4].

Tại Việt Nam, nhóm nghiên cứu về phun phủ nhiệt của PGS.TS. Lê Thu Quý và các đồng nghiệp tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ Hàn và Xử lý bề mặt - Viện Nghiên cứu Cơ khí kết hợp với Viện Kỹ thuật Nhiệt đới - Viện hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã hình thành và phát triển từ khoảng hơn 15 năm. Các phương pháp công nghệ phun phủ nhiệt được nghiên cứu ứng dụng bao gồm: phun khí cháy dùng dây, phun khí cháy dùng bột, phun hồ quang điện, phun plasma, phun HVOF.

Một số thông tin tổng quát về nhóm nghiên cứu được tổng hợp như sau:

-          Hơn 15 năm phát triển: từ năm 2002

-          Nhân lực:        1 phó giáo sư, 4 tiến sĩ, 8 thạc sĩ, 5 kỹ sư, 8 kỹ thuật viên

Hàng năm có 4-6 nghiên cứu sinh và học viên cao học

-          Đã công bố hơn 80 bài báo, báo cáo khoa học trên các tạp chí và hội thảo khoa học ở trong và ngoài nước.

Đào tạo:          6 nghiên cứu sinh (3 người đã bảo vệ), 15 học viên cao học, hơn 60 sinh viên đại học làm khóa luận tốt nghiệp

-          Hợp tác nghiên cứu với các đơn vị:

• Viện hàn lâm KH&CN Việt Nam: Viện Kỹ thuật Nhiệt đới, Viện Khoa học Vật liệu
• Đại học Bách khoa Hà Nội: Viện Cơ khí, Viện Công nghệ Hóa học, Viện KH&KT Vật liệu
  
• Đại học khoa học tự nhiên - Đại học quốc gia Hà Nội
• Đại học Sư phạm Hà Nội
• Học viện Kỹ thuật quân sự
• Đại học sư phạm kỹ thuật Hưng Yên
• Trung đào tạo và chuyển giao công nghệ Việt Đức - Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng
• Đại học tổng hợp La Rochelle - CH Pháp

-          Đến nay đã triển khai ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt xử lý bề mặt cho hàng trăm đơn vị sản xuất trong nước.

Các đề tài dự án liên quan đến phun phủ nhiệt đã và đang chủ trì và tham gia thực hiện:

1. Các lớp phủ vô cơ chống ăn mòn và mài mòn. Viện hàn lâm KH&CN Việt Nam, 1998-1999.
2. Đánh giá nhanh độ bền chống ăn mòn trong nước biển của lớp phun phủ kẽm trên nền thép Ct3 bằng phương pháp gia nhiệt theo chu kỳ. Viện Kỹ thuật Nhiệt đới - Viện hàn lâm KH&CN Việt Nam, 2003.
3. Các lớp phủ chịu nhiệt có tuổi thọ cao. Viện hàn lâm KH&CN Việt Nam (đề tài trọng điểm), 2001-2003.
4. Khảo sát công nghệ tạo lớp phun phủ giả hợp kim ZnAl trên nền thép Ct3 và khả năng bảo vệ chống ăn mòn của lớp phủ này. Viện Kỹ thuật Nhiệt đới - Viện hàn lâm KH&CN Việt Nam, 2004.
5. Nghiên cứu bảo vệ chống ăn mòn cho cửa van các công trình thủy lợi ven biển bằng phương pháp bảo vệ kết hợp. Viện hàn lâm KH&CN Việt Nam (đề tài độc lập), 2004-2006.
6. Nghiên cứu lớp phủ hợp kim ZnAl chế tạo bằng phương pháp phun phủ hồ quang điện dùng để bảo vệ thép khi làm việc trong môi trường biển. Bộ KH&CN (đề tài NC cơ bản, mã số 518506), 2006-2008.
7. Nghiên cứu sử dụng polyme dẫn để nâng cao tính năng bảo vệ hệ chống ăn mòn khí quyển của một số vật liệu hữu cơ, kim loại phun nhiệt. Viện hàn lâm KH&CN Việt Nam, 2007-2008.
8. Nghiên cứu bảo vệ chống ăn mòn cho cửa van các công trình thuỷ lợi vận hành trong vùng nước chua mặn. Viện hàn lâm KH&CN Việt Nam (đề tài độc lập), 2007-2009.
9. Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố môi trường khí quyển Hà Nội tới tốc độ ăn mòn của lớp phun phủ kẽm chế tạo tại Viện Kỹ thuật Nhiệt đới. Viện Kỹ thuật Nhiệt đới - Viện hàn lâm KH&CN Việt Nam, 2007-2011.
10. Nghiên cứu ứng dụng công nghệ xử lý bề mặt nâng cao chất lượng chi tiết cơ khí bằng phương pháp phun phủ plasma. Đề tài cấp Bộ Công Thương, 2009.
11. Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ ủ nhiệt đến cấu trúc và các tính chất cơ lý của hệ phủ kép nhôm và hợp kim Cr trên nền thép. Viện Kỹ thuật Nhiệt đới - Viện hàn lâm KH&CN Việt Nam, 2011.
12. Nghiên cứu chế tạo lớp phủ hợp kim NiCr bằng công nghệ phun phủ hồ quang điện để bảo vệ chống ăn mòn cho các chi tiết máy bơm công nghiệp làm việc trong môi trường axít - Viện hàn lâm KH&CN Việt Nam, 2011-2012.
13. Nghiên cứu xử lý nhiệt nâng cao khả năng chịu xói mòn ăn mòn trong môi trường axit của hệ phủ kép hợp kim NiCr và Al chế tạo bằng công nghệ phun phủ hồ quang điện. Quỹ NAFOSTED (đề tài nghiên cứu cơ bản, mã số 104.05-2011.38), 2011-2014.
14. Triển khai công nghệ phun phủ đồng và hợp kim đồng bảo vệ chống ăn mòn và tạo lớp phủ trang trí cho các sản phẩm mỹ thuật: phù điêu, tượng đài bằng thạch cao hoặc bê-tông. Đề tài cấp Bộ Công Thương, 2012.
15. Nghiên cứu chế tạo chất bịt phốt phát nhôm sử dụng cho lớp phun phủ hợp kim NiCr. Viện Kỹ thuật Nhiệt đới - Viện hàn lâm KH&CN Việt Nam, 2012.
16. Nghiên cứu ảnh hưởng của xử lý nhiệt đến hệ lớp phủ hợp kim NiCr kết hợp với chất bịt phốt phát nhôm. Viện Kỹ thuật Nhiệt đới - Viện hàn lâm KH&CN Việt Nam, 2013.
17. Nghiên cứu công nghệ phun phủ plasma tạo lớp ceramic cách nhiệt để chế tạo lớp lót loa phụt động cơ phản lực. Đề tài cấp Bộ Công Thương, 2014.
18. Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị phun phủ nhiệt khí cầm tay sử dụng động cơ điện thay thế tuốc bin khí ứng dụng trong công nghệ xử lý bề mặt chi tiết máy. Đề tài cấp Bộ Công Thương, 2014.
19. Nghiên cứu, chế tạo vật liệu phun phủ hệ Al₂O₃-TiO₂ bằng nguyên liệu trong nước thay thế cho nhập ngoại để nâng cao tuổi thọ, độ bền cho các thiết bị phục vụ cho các ngành hóa chất, điện, xi măng. Đề tài cấp Bộ Công Thương, 2015.
20. Nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn và phun phủ phục hồi, nâng cao tuổi thọ bánh xe công tác của turbine trong các nhà máy thủy điện. Đề tài cấp Bộ Công Thương, 2015.
21. Nghiên cứu chế tạo lớp phủ composite nhôm ôxit có chứa ống nano cácbon (CNTs/Al₂O₃) bằng công nghệ phun phủ plasma. Viện Kỹ thuật Nhiệt đới - Viện hàn lâm KH&CN Việt Nam, 2015.
22. Chế tạo và nghiên cứu các tính chất của lớp phủ gốm composite Al₂O₃-40%TiO₂ thẩm thấu với phốt phát nhôm có chứa Al₂O₃ kích thước nano. Viện Kỹ thuật Nhiệt đới - Viện hàn lâm KH&CN Việt Nam, 2016.
23. Nghiên cứu tạo lớp phủ tổ hợp lên bề mặt chi tiết chống mài mòn ăn mòn trong các môi trường hóa chất khắc nghiệt chứa flo. Đề tài cấp Bộ Công Thương, 2016-2017.
24. Hoàn thiện công nghệ chế tạo lớp phủ hợp kim NiCr bằng công nghệ phun phủ hồ quang điện để nâng cao độ bền mài mòn ăn mòn cho các chi tiết máy công nghiệp làm việc trong môi trường khắc nghiệt. Viện hàn lâm KH&CN Việt Nam, 5/2016-4/2018.
25. Nghiên cứu ứng dụng công nghệ hàn và phun phủ phục hồi, nâng cao tuổi thọ quạt roots lưu lượng từ 80 m³/phút sử dụng trong các nhà máy nhiệt điện. Đề tài cấp Bộ Công Thương, 2017.
26. Nghiên cứu chế tạo lớp phủ Cr₃C₂-NiCr chịu ăn mòn mài mòn bằng công nghệ phun phủ plasma để phục hồi và nâng cao chất lượng bề mặt cho bánh xe công tác của tuabin trong các nhà máy thủy điện tại Lào Cai. Sở KH&CN tỉnh Lào Cai, 5/2017-4/2019.
27. Nghiên cứu chế tạo hệ lớp phủ có chứa crôm cacbid trên nền gang bằng công nghệ phun phủ nhiệt để nâng cao độ bền mài mòn khi làm việc trong các môi trường khắc nghiệt. Đề tài cấp Bộ Công Thương, 2018-2019.

Có 6 dạng lớp phủ đã và đang được nghiên cứu:

1. Lớp phủ bảo vệ chống ăn mòn trong các môi trường nước, môi trường khí quyển theo nguyên lý bảo vệ catot:  Zn, Al, ZnAl
2. Lớp phủ bảo vệ chống ăn mòn theo nguyên lý che chắn anot: NiCr, Pb, Sn, Cu, thép không gỉ
3. Các hệ phủ lớp tổ hợp kim loại - hữu cơ
4. Lớp phủ cacbid và lớp phủ gốm: ZrO₂-Y₂O₃, Al₂O₃-TiO₂, Cr₃C₂-NiCr, WC-Co-Cr
5. Lớp phủ nanocomposite: có chứa các thành phần nano Al₂O₃, carbon nanotube CNT
6. Chất bịt cho lớp phun phủ nhiệt:  phốt phát nhôm, PTFE

Các định hướng nghiên cứu ứng dụng trong thời gian tới:

1. Các lớp phủ chức năng: bền nhiệt, bền ăn mòn mài mòn, bền xâm thực thủy khí,...
2. Lớp phủ có cấu trúc nano
3. Chất bịt cho lớp phun phủ nhiệt:  phốt phát nhôm, PTFE
4. Xử lý nhiệt sau khi phun đối với các lớp phủ
5. Các phương pháp phun phủ nhiệt mới: phun nguội, phun dung dịch và huyền phù, phun plasma áp suất thấp, lớp phủ ngưng tụ pha hơi vật lý (PVD), lớp phủ ngưng tụ pha hơi hóa học (CVD), …

Tài liệu tham khảo:

1. A. S. M. Ang, N. Sanpo, M. L. Sesso, S. Y. Kim, C. C. Berndt. Thermal spray maps: material genomics of processing technologies. Journal of Thermal Spray Technology 22(7) (2013) 1170-1183.
2. ASM Handbook, Volume 5A: Thermal Spray Technology, R. C. Tucker, Ed., (2013).
3. Global thermal spray market - Segmented by product type, by end-user industry, and geography - Trends and Forecasts (2015-2020), Mordor Intelligence, May 2016.
4. A. Vardelle et al. The 2016 thermal spray roadmap. Journal of Thermal Spray Technology 25(8) (2016) 1376-1440.