Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Cơ khí: Nghiên cứu công nghệ phun plasma hợp kim nền crom, ứng dụng phục hồi cánh quạt khói trong nhà máy nhiệt điện

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:179

Thêm vào BST

Báo xấu

20
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Cơ khí "Nghiên cứu công nghệ phun plasma hợp kim nền crom, ứng dụng phục hồi cánh quạt khói trong nhà máy nhiệt điện" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về phương pháp phun phủ nhiệt; Quá trình hình thành và các đặc tính của lớp phủ nhiệt plasma; Ứng dụng kết quả nghiên cứu vào phục hồi cánh quạt khói trong nhà máy nhiệt điện.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Cơ khí: Nghiên cứu công nghệ phun plasma hợp kim nền crom, ứng dụng phục hồi cánh quạt khói trong nhà máy nhiệt điện

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI ---------o0o--------- ĐẶNG XUÂN THAO NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ PHUN PLASMA HỢP KIM NỀN CROM, ỨNG DỤNG PHỤC HỒI CÁNH QUẠT KHÓI TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội - 2022
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI ---------o0o--------- ĐẶNG XUÂN THAO NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ PHUN PLASMA HỢP KIM NỀN CROM, ỨNG DỤNG PHỤC HỒI CÁNH QUẠT KHÓI TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ MÃ SỐ: 9.52.01.03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS PHẠM ĐỨC CƯỜNG 2. PGS.TS HOÀNG VĂN GỢT Hà Nội - 2022
i LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc và chân thành nhất đến hai thầy hướng dẫn khoa học là PGS.TS Phạm Đức Cường và PGS.TS Hoàng Văn Gợt đã định hướng và hỗ trợ tận tình trong suốt quá trình nghiên cứu để tôi có thể hoàn thành luận án này. Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Ban giám hiệu Trường đại học Công nghiệp Hà Nội, phòng tổ chức hành chính, trung tâm đào tạo sau Đại học, khoa Cơ khí, Trung tâm Cơ khí và các đơn vị khác trong trường đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu; tới phòng thí nghiệm trọng điểm công nghệ hàn và xử lý bề mặt - Viện Nghiên cứu Cơ khí Bộ Công thương đã giúp đỡ, tạo điều kiện sử dụng các trang thiết bị thí nghiệm và hướng dẫn tôi làm thực nghiệm. Tôi cũng xin được gửi lời cám ơn tới các nhà khoa học, giảng viên, bạn bè và đồng nghiệp đã chia sẻ, đóng góp ý kiến quý báu, tư vấn, hỗ trợ cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Cuối cùng, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và chân thành nhất tới gia đình, bố, mẹ, vợ, con, anh, chị, em hai bên nội, ngoại đã luôn ủng hộ động viên, giúp đỡ tôi cả về vật chất lẫn tinh thần trong thời gian nghiên cứu mà thiếu họ, tôi không thể hoàn thành luận án này. Hà Nội, ngày 18 tháng 02 năm 2022 Tác giả luận án Đặng Xuân Thao
ii LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan nội dung luận án là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các thí nghiệm và số liệu trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực. Các kết quả của luận án chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào. Hà Nội, ngày 18 tháng 02 năm 2022 Tác giả luận án Đặng Xuân Thao
iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... i LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................ ii MỤC LỤC ........................................................................................................... iii DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ....................................................................... x PHẦN MỞ ĐẦU .................................................................................................. 1 1. Tính cấp thiết của đề tài .................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu .......................................................................................... 2 3. Đối tượng nghiên cứu........................................................................................ 2 4. Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................... 2 5. Nội dung nghiên cứu ......................................................................................... 3 6. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................... 3 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án ............................................. 3 8. Những đóng góp mới của đề tài luận án ........................................................... 4 9. Bố cục luận án ................................................................................................... 5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP PHUN PHỦ NHIỆT ..... 6 1.1. LÝ THUYẾT VỀ SỰ HÌNH THÀNH LỚP PHỦ ......................................... 6 1.2. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP PHUN PHỦ NHIỆT.......................................... 7 1.2.1. Phương pháp phun phủ bằng hồ quang điện ........................................... 8 1.2.2. Phương pháp phun phủ bằng ngọn lửa khí cháy ..................................... 9 1.2.3. Phương pháp phun phủ nhiệt khí tốc độ cao (HVOF) .......................... 11 1.2.4. Phương pháp phun phủ nguội ............................................................... 12 1.2.5. Phương pháp phun phủ bằng kích nổ khí .............................................. 12 1.2.6. Phương pháp phun phủ bằng plasma .................................................... 13 1.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG PHUN PHỦ NHIỆT TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM .......................................................................... 15 1.3.1. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng phun nhiệt trên thế giới ................. 16 1.3.2. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng phun phủ nhiệt ở Việt Nam .......... 19 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 .................................................................................. 23
iv CHƯƠNG 2: QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH VÀ ĐẶC TÍNH CỦA LỚP PHỦ NHIỆT PLASMA .............................................................................................. 24 2.1. QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH LỚP PHỦ NHIỆT ....................................... 24 2.1.1. Nguyên lý sự hình thành lớp phủ nhiệt ................................................. 24 2.1.2. Các giai đoạn hình thành lớp phủ nhiệt................................................. 25 2.1.2.1. Giai đoạn nung nóng và làm nóng chảy vật liệu phun.................. 25 2.1.2.2. Giai đoạn phân tán thành giọt ....................................................... 25 2.1.2.3. Giai đoạn bay của các phần tử phun ............................................. 25 2.1.2.4. Giai đoạn va đập của các giọt kim loại vào bề mặt kim loại nền . 26 2.2. SỰ HÌNH THÀNH VÀ CẤU TRÚC LỚP PHỦ NHIỆT PLASMA .......... 27 2.2.1. Sự hình thành lớp phủ plasma ............................................................... 27 2.2.2. Cấu trúc lớp phủ plasma ........................................................................ 28 2.3. MỘT SỐ ĐẶC TÍNH CỦA LỚP PHỦ NHIỆT PLASMA ......................... 30 2.3.1. Vật liệu phủ ........................................................................................... 30 2.3.2. Độ bền bám dính của lớp phủ ............................................................... 31 2.3.3. Độ xốp ................................................................................................... 34 2.3.4. Độ cứng của lớp phủ ............................................................................. 35 2.3.5. Khả năng chịu mài mòn ........................................................................ 36 2.3.6. Khả năng chịu nhiệt ............................................................................... 37 2.4. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CƠ TÍNH VÀ CHẤT LƯỢNG LỚP PHỦ PLASMA .................................................................................................... 38 2.4.1. Đặc tính bề mặt chi tiết phủ .................................................................. 38 2.4.2. Cường độ dòng điện phun (Ip) ............................................................... 40 2.4.3. Lưu lượng cấp bột phun(mp) ................................................................. 41 2.4.4. Khoảng cách phun (Lp).......................................................................... 44 2.4.5. Góc phun (γp)......................................................................................... 45 2.5. BỘT PHỦ Cr3C2 - NiCr ............................................................................... 47 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 .................................................................................. 48
v CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM, VẬT LIỆU, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................................................................... 49 3.1. XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM ................................................. 49 3.2. VẬT LIỆU, THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM ........................................................ 49 3.2.1. Vật liệu thí nghiệm ................................................................................ 49 3.2.1.1. Vật liệu nền ................................................................................... 49 3.2.1.2. Vật liệu phủ ................................................................................... 50 3.2.2. Thiết bị gia công mẫu ............................................................................ 51 3.2.3. Thiết bị phủ plasma ............................................................................... 51 3.2.4. Thiết bị kiểm tra và đánh giá các đặc tính của lớp phủ......................... 52 3.2.4.1. Máy kéo nén vạn năng BESTUTM 500HH .................................. 53 3.2.4.2. Kính hiển vi Leice ICC50E ........................................................... 53 3.2.4.3. Thiết bị đo độ cứng ISOSCAN HV2 AC...................................... 54 3.3. XÂY DỰNG QUY TRÌNH PHUN PHỦ TRÊN MẪU............................... 55 3.4. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TÍNH CỦA LỚP PHỦ ............. 57 3.4.1. Phương pháp xác định độ bền bám dính của lớp phủ (σBd) .................. 57 3.4.2. Phương pháp xác định độ bền bám trượt của lớp phủ (τBtr) .................. 60 3.4.3. Phương pháp xác định độ bền kéo đứt liên kết lớp phủ (σk)................. 63 3.4.4. Phương pháp xác định độ xốp lớp phủ (γlp) .......................................... 67 3.4.5. Phương pháp xác định độ cứng tế vi lớp phủ (KLp) .............................. 68 3.5. MỘT SỐ NGHIÊN CỨU BAN ĐẦU PHỤC VỤ CHO QUÁ TRÌNH PHỦ BỘT Cr3C2-NiCr TRÊN NỀN THÉP 16Mn ....................................................... 70 3.5.1. Xác định độ nhám bề mặt phù hợp cho mẫu thép 16Mn ...................... 70 3.5.2. Xác định tỷ lệ thành phần Crom cacbit trong bột phủ Cr3C2-NiCr....... 71 3.5.3. Xác định khoảng giá trị cường độ dòng điện phun ............................... 72 3.6. XÂY DỰNG KẾ HOẠCH THỰC NGHIỆM.............................................. 73 3.6.1. Cơ sở lựa chọn phương pháp quy hoạch thực nghiệm .......................... 73 3.6.2. Tiến trình thí nghiệm tối ưu hóa............................................................ 75 3.6.3. Xây dựng mô hình hàm hồi quy thực nghiệm....................................... 78
vi 3.6.3.1. Xác định mức ý nghĩa của các hệ số hồi quy theo tiêu chuẩn Student . 80 3.6.3.2. Kiểm tra tính thích ứng của mô hình toán .................................... 81 3.6.3.3. Phương pháp đánh giá thuần nhất phương sai .............................. 81 3.6.4. Tối ưu hóa thông số công nghệ ............................................................. 82 3.6.4.1. Thuật toán tối ưu ........................................................................... 82 3.6.4.2. Thông số tối ưu ............................................................................. 82 3.6.4.3. Ràng buộc các biến thí nghiệm khi tối ưu .................................... 83 3.6.4.4. Tối ưu hóa đa mục tiêu.................................................................. 83 3.6.4.5. Thí nghiệm kiểm chứng ................................................................ 85 3.7. PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM ............................... 85 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 .................................................................................. 86 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ĐÁNH GIÁ .. 87 4.1. THỰC NGHIỆM TỐI ƯU HÓA ................................................................. 87 4.1.1. Kết quả thực nghiệm ............................................................................. 87 4.1.2. Phân tích kết quả chỉ tiêu độ bền bám dính của lớp phủ với thép nền . 88 4.1.2.1. Sự ảnh hưởng của các thông số phun đến độ bền bám dính ......... 88 4.1.2.2. Xây dựng phương trình hàm hồi quy thực nghiệm của (σBd) ....... 92 4.1.2.3. Kết quả tối ưu hóa bộ thông số phun cho hàm mục tiêu (σBd)...... 93 4.1.3. Phân tích kết quả chỉ tiêu độ bền bám trượt lớp phủ với thép nền ....... 94 4.1.3.1. Sự ảnh hưởng của các thông số phun đến độ bền bám trượt ........ 94 4.1.3.2. Xây dựng phương trình hàm hồi quy thực nghiệm của (τBtr)........ 98 4.1.3.3. Kết quả tối ưu hóa bộ thông số phun cho độ bền bám trượt ......... 99 4.1.4. Phân tích kết quả chỉ tiêu độ bền kéo đứt sự liên kết của lớp phủ:..... 100 4.1.4.1. Sự ảnh hưởng của các thông số phun đến độ bền kéo đứt lớp phủ 100 4.1.4.2. Xây dựng phương trình hàm hồi quy thực nghiệm của (σk) ....... 104 4.1.4.3. Kết quả tối ưu hóa bộ thông số phun cho độ bền kéo đứt lớp phủ. 105 4.1.5. Phân tích kết quả chỉ tiêu độ xốp của lớp phủ: ................................... 106 4.1.5.1. Sự ảnh hưởng của các thông số phun đến độ xốp lớp phủ ......... 106 4.1.5.2. Xây dựng phương trình hàm hồi quy thực nghiệm ..................... 110
vii 4.1.5.3. Kết quả tối ưu hóa bộ thông số phun cho độ xốp lớp phủ .......... 111 4.1.6. Phân tích kết quả chỉ tiêu độ cứng tế vi của lớp phủ: ......................... 112 4.1.6.1. Sự ảnh hưởng của các thông số phun đến độ cứng tế vi lớp phủ 112 4.1.6.2. Xây dựng phương trình hàm hồi quy thực nghiệm của (KLp) ..... 116 4.1.6.3. Kết quả tối ưu hóa bộ thông số phun cho độ cứng tế vi lớp phủ 117 4.2. PHÂN TÍCH CẤU TRÚC LỚP PHỦ Cr3C2 – 30%NiCr .......................... 118 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ................................................................................ 123 CHƯƠNG 5: ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀO PHỤC HỒI CÁNH QUẠT KHÓI TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN ......................... 125 5.1. ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC VÀ TÌNH TRANG HỎNG CỦA QUẠT ......... 125 5.2. GIẢI PHÁP VÀ QUY TRÌNH PHỤC HỒI............................................... 128 5.2.1. Phục hồi khảo nghiệm trên mẫu tấm cong đồng dạng ........................ 128 5.2.1.1. Mẫu tấm cong đồng dạng cánh quạt khói ................................... 129 5.2.1.2. Quy trình phục hồi trên mẫu tấm cong đồng dạng ..................... 129 5.2.2. Quy trình phục hồi trên cánh quạt khói ............................................... 132 5.3. LẮP ĐẶT VÀ CHẠY THỬ NGHIỆM QUẠT TRONG THỰC TẾ ........ 135 KẾT LUẬN CHƯƠNG 5 ................................................................................ 137 KẾT LUẬN CHUNG ...................................................................................... 138 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ......................................................... 140 DANH MỤC CÁC BÀI BÁO, CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ .................. 141 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 142 PHỤ LỤC ......................................................................................................... 152
viii DANH MỤC THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT TT Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị 1 APS Phun plama không khí (Air Plasma Spray) 2 AS Phun hồ quang điện (Arc spraying) 3 CCD Hỗn hợp tâm xoay (Central Composite Design) 4 d Đường kính mm 5 F Diện tích mm2 6 FPS Phun ngọn lửa dạng bột (Powder Flame Spray) 7 g/ph Gam/phút 8 gn Gia tốc trọng trường m/s2 9 GS GoldSun 10 h Chiều cao mm 11 HB Đo độ cứng Brinell - thang đo HB HB 12 HR Đo độ cứng RockWell - thang đo HR HR 13 HRC Đơn vị đo độ cứng (Hardness RockWell C) 14 HV Đo độ cứng Vicker - thang đo HV HV 15 HVAF Phun nhiên liệu khí tốc độ cao (High Velocity Air-Fuel) 16 HVOF Phun nhiệt liệu oxy tốc độ cao (High Velocity Oxygen-Fuel) 17 Ip Cường độ dòng điện phun A 18 KLp Độ cứng tế vi lớp phủ HV 19 l/ph Lít/phút 20 Lp Khoảng cách phun mm 21 LPPS Phun plama áp suất thấp (Low Pressure Plasma Spray) 22 mp Lưu lượng cấp bột phun g/phút 23 NM Thuật toán Nelder – Mead 24 PAr Lưu lượng khí argon l/phút 25 PTA Phun hồ quang chuyển plasma (Plasma Transferred Arc)
ix 26 PH2 Lưu lượng khí thứ cấp hydro l/phút 27 Pk Lực kéo N 28 Pn Lực nén N 29 RSM Phương pháp bề mặt chỉ tiêu (Response Surface Methods) 30 Rz Độ nhám µm 31 t° Nhiệt độ độ 32 TT Thứ tự 33 Up Điện áp phun V 34 VD Ví dụ 35 Vp Vận tốc dịch chuyển súng phun mm/v 36 VPS Phun plama chân không (Spray Plasma Vacuum) 37 WC Máy cắt dây (Wire Cutters) 38 γLp Độ xốp % 39 σk Độ bền kéo MPa 40 σBd Độ bền bám dính MPa 41 τBtr Độ bền bám trượt MPa 42 φp Góc phun độ
x DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Sơ đồ các phương pháp phun phủ nhiệt [26] ........................................ 8 Hình 1.2. Nguyên lý của phương pháp phun phủ bằng hồ quang điện [95] ......... 8 Hình 1.3. Nguyên lý của phương pháp phun phủ bằng ngọn lửa khí cháy sử dụng dây . 10 Hình 1.4. Nguyên lý của phương pháp phun phủ bằng ngọn lửa khí cháy sử dụng bột.. 10 Hình 1.5. Nguyên lý của phương pháp phun phủ HVOF [98]............................ 11 Hình 1.6. Nguyên lý của phương pháp của phun phủ nguội .............................. 12 Hình 1.7. Nguyên lý của phương pháp phun nổ ................................................. 13 Hình 1.8. Nguyên lý làm của phương pháp phun phủ plasma trong không khí . 14 Hình 1.9. Biểu đồ tỉ lệ ứng dụng phủ nhiệt trong các lĩnh vực [33]. .................. 15 Hình 1.10. Một số lĩnh vực và sản phảm ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt . 16 Hình 2.1. Nguyên lý chung của công nghệ phun phủ nhiệt ................................ 24 Hình 2.2. Quá trình va đập của các hạt (gọt) nóng chảy hình thành lớp phủ ..... 26 Hình 2.3. Sự chồng chất của lớp phủ phụ thuộc vào sự chuyển động khi phun . 27 Hình 2.4. Sơ đồ cấu trúc về sự hình thành lớp phun nhiệt [100] ........................ 28 Hình 2.5. Ảnh chụp mặt cắt lớp phủ Cr3C2-NiCr tạo bằng plasma .................... 29 Hình 2.6. Mô hình sự va chạm của hạt phun trên bề mặt nhấp nhô ................... 32 Hình 2.7. Sơ đồ nguyên lý đo xác định độ bền lớp phủ [1, 17] .......................... 33 Hình 2.8. Mô hình mô tả cơ chế liên kết của lớp phủ [16] ................................. 33 Hình 2.9. Sơ đồ nguyên lý đo xác định độ bền kéo đứt lớp phủ [1] ................... 33 Hình 2.10. Ảnh SEM cho thấy cấu trúc lỗ xốp của lớp phủ nhiệt ...................... 34 Hình 2.11. Sơ đồ nguyên lý phương pháp đo độ cứng Vicker ........................... 36 Hình 2.12. Ảnh hưởng của nhám bề mặt đến khả năng bám dính của lớp phủ .. 39 Hình 2.13. Sơ đồ cấp bột phun ............................................................................ 42 Hình 2.14. Sơ đồ quỹ đạo của các hạt có khối lượng khác nhau khi phun [26] . 43 Hình 2.15. Biểu đồ quan hệ giữa lưu lượng cấp bột đến vận tốc và nhiệt độ hạt ..43 Hình 2.16. Mối hệ giữa độ bám dính, độ cứng, độ mòn với khoảng cách phun 45 Hình 2.17. Sơ đồ hình ảnh góc phun [41] ........................................................... 46 Hình 2.18. Sự thay đổi độ xốp với góc phun đối với Cr3C2-NiCr và NiAl [90]. 46
xi Hình 3.1. Sơ đồ mô hình thực nghiệm ................................................................ 49 Hình 3.2. Hình ảnh và cấu trúc bột Crôm cacbit................................................. 50 Hình 3.3. Sơ đồ hệ thống phun plasma Praxair (Model 3710) ........................... 51 Hình 3.4. Máy kéo nén vạn năng BESTUTM 500HH ........................................ 53 Hình 3.5. Kính hiển vi Leice ICC50E ................................................................. 53 Hình 3.6. Thiết bị đo độ cứng ISOSCAN HV2 AC ............................................ 54 Hình 3.7. Sơ đồ quy trình tạo lớp phủ trên mẫu.................................................. 55 Hình 3.8. Mẫu thử đo độ bền bám dính theo JIS-H-8664 [92] .......................... 57 Hình 3.9. Hình ảnh các bước thực hiện tạo lớp phủ cho mẫu ............................. 58 Hình 3.10. Đồ gá đo độ bền bám dính lớp phủ trên mẫu thử ............................. 58 Hình 3.11. Hình ảnh đồ gá và mẫu thử đo độ bền bám dính trên máy kéo-nén . 59 Hình 3.12. Biểu đồ lực kéo mẫu thử khi đo độ bám dính lớp phủ...................... 59 Hình 3.13. Ảnh mẫu thử sau khi đo độ bền bám dính. ....................................... 60 Hình 3.14. Mẫu thử đo độ bền bám trượt theo JIS-H-8664 [1, 92] .................... 61 Hình 3.15. Mẫu và đồ gá mẫu được lắp trên máy nén ........................................ 61 Hình 3.16. Đồ gá đo độ bền bám trượt lớp phủ trên mẫu ................................... 61 Hình 3.17. Biểu đồ lực nén mẫu thử khi đo độ bền bám trượt lớp phủ .............. 62 Hình 3.18. Ảnh chụp mẫu thử sau khi đo độ bền bám trượt ............................... 63 Hình 3.19. Mẫu thử đo độ bền kéo đứt liên kết lớp phủ theo JIS-H-8664 ......... 64 Hình 3.20. Hình ảnh các bước thực hiện tạo lớp phủ trên mẫu .......................... 64 Hình 3.21. Ảnh mẫu được gia công mài trên máy mài tròn ngoài...................... 65 Hình 3.22. Sơ đồ lắp ráp mẫu thử kéo ................................................................ 65 Hình 3.23. Ảnh mẫu gá kẹp trên máy kéo .......................................................... 66 Hình 3.24. Ảnh mẫu sau khi kéo đứt .................................................................. 66 Hình 3.25. Biểu đồ lực kéo khi đo độ bền kéo đứt lớp phủ ................................ 66 Hình 3.26. Hình ảnh mẫu sau khi được đánh bóng trên máy SmartLam 3.0 ..... 67 Hình 3.27. Ảnh đo độ xốp và phân tích trên máy kính hiển vi Leice ICC50E ... 68 Hình 3.28. Hình ảnh mặt cắt ngang lớp phủ trên mẫu sau khi đánh bóng .......... 68 Hình 3.29. Hình ảnh mô tả vị trí đo độ cứng tế vi lớp phủ ................................. 69
xii Hình 3.30. Ảnh đo độ cứng lớp phủ trên máy .................................................... 69 Hình 3.31. Ảnh hưởng của nhám bề mặt tới độ bền bám dính lớp phủ [20] ..... 70 Hình 3.32. Ảnh hưởng của khoảng cách phun tới độ nhám bề mặt thép 16Mn . 71 Hình 3.33. Ảnh hưởng tỷ lệ % Crôm cacbit tới độ bền bám dính lớp phủ [23] . 72 Hình 3.34. Ảnh hưởng tỷ lệ % Crôm cacbit tới độ cứng lớp phủ [23] ............... 72 Hình 3.35. Ảnh hưởng của đòng điện phun tới độ bền bám dính lớp phủ [23] .. 73 Hình 4.1. Biểu đồ ảnh hưởng của các thông số phun đến hàm mục tiêu (σBd) ... 89 Hình 4.2. Biểu đồ sự tương tác giữa các thông số phun đến hàm mục tiêu (σBd) ...90 Hình 4.3. Biểu đồ so sánh kết quả dự đoán với kết quả đo thực nghiệm của σBd ...92 Hình 4.4. Đồ thị tối ưu hóa hàm mục tiêu độ bền bám dính (σBd) .................... 93 Hình 4.5. Biểu đồ ảnh hưởng của các thông số phun đến hàm mục tiêu (τBtr) ... 95 Hình 4.6. Biểu đồ sự tương tác giữa các thông số phun đến hàm mục tiêu (τBtr)96 Hình 4.7. Biểu đồ so sánh kết quả dự đoán với kết quả đo thực nghiệm của τBtr98 Hình 4.8. Đồ thị tối ưu hóa hàm mục tiêu độ bền bám trượt (τBtr) ..................... 99 Hình 4.9. Biểu đồ ảnh hưởng của các thông phun đến hàm mục tiêu (σk) ....... 101 Hình 4.10. Biểu đồ sự tương tác giữa các thông số phun đến hàm mục tiêu (σk) 102 Hình 4.11. Biểu đồ so sánh kết quả dự đoán với kết quả đo thực nghiệm của σk 104 Hình 4.12. Đồ thị tối ưu hóa hàm mục tiêu độ bền kéo đứt lớp phủ (σk) ......... 105 Hình 4.13. Biểu đồ ảnh hưởng của các thông số đến độ xốp lớp phủ .............. 107 Hình 4.14. Biểu đồ sự tương tác giữa các thông số đến độ xốp của lớp phủ. .. 108 Hình 4.15. Biểu đồ so sánh kết quả dự đoán và kết quả đo thực nghiệm của γLp 110 Hình 4.16. Đồ thị tối ưu hóa hàm mục tiêu độ xốp lớp phủ (γLp) ..................... 111 Hình 4.17. Biểu đồ ảnh hưởng của các thông số đến độ cứng lớp phủ ............ 113 Hình 4.18. Biểu đồ sự tương tác giữa các thông số đến độ cứng của lớp phủ. 114 Hình 4.19. Biểu đồ so sánh kết quả dự đoán và kết quả đo thực nghiệm của KLp 117 Hình 4.20. Đồ thị tối ưu hóa hàm mục tiêu độ cứng lớp phủ (KLp) .................. 118 Hình 4.21. Ảnh chụp tổ chức tế vi lớp phủ và lớp thép nền ............................. 118 Hình 4.22. Ảnh chụp mẫu sau khi thử độ bền bám dính................................... 119 Hình 4.23. Ảnh chụp mẫu sau khi thử độ bền bám trượt .................................. 119
xiii Hình 4.24. Đồ thị tối ưu hóa hàm đa mục tiêu .................................................. 121 Hình 5.1. Sơ đồ nguyên lý bố trí quạt khói trong nhà máy nhiệt điện [102] .... 125 Hình 5.2. Bản vẽ chi tiết cánh động quạt khói…………………………….......126 Hình 5.3. Hình ảnh quạt khói bị mòn hỏng trong quá trình làm việc ............... 127 Hình 5.4. Bản vẽ chi tiết mẫu tấm cong đồng dạng cánh quạt ......................... 129 Hình 5.5. Hình ảnh các bước cơ bản phục hồi trên mẫu ................................... 129 Hình 5.6. Sơ đồ quy trình phục hồi cánh quạt .................................................. 132 Hình 5.7. Sơ đồ nguyên lý dịch chuyển đầu súng phun theo biên dạng cánh quạt ... 134 Hình 5.8. Hình ảnh các bước cơ bản phục hồi trên cánh quạt .......................... 135 Hình 5.9. Quạt gá trên đồ gá phun .................................................................... 135 Hình 5.10. Quạt được lắp đặt tại vị trí làm việc ................................................ 135
xiv DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1. Nhóm vật liệu phun dạng bột phổ biến đang dùng hiện nay .............. 31 Bảng 3.1. Thành phần hóa học và cơ tính của mẫu thép 16Mn. ......................... 50 Bảng 3.2. Các thuộc tính của Crôm cacbit .......................................................... 51 Bảng 3.3. Giá trị các mức của thông số khi thí nghiệm khởi đầu ....................... 75 Bảng 3.4. Giá trị các mức của thông số khi thí nghiệm bề mặt chỉ tiêu ............. 77 Bảng 3.5. Ma trận thí nghiệm và giá trị của các yếu tố khi thí nghiệm .............. 78 Bảng 4.1. Ma trận thực nghiệm và kết quả tính toán sau khi đo của các chỉ tiêu ...87 Bảng 4.2. Kết quả phân tích phương sai đối với hàm mục tiêu (σBd) ................. 88 Bảng 4.3. Giá trị tối ưu hóa các thông số phun và giá trị hàm mục tiêu (σBd).... 93 Bảng 4.4. Kết quả phân tích phương sai đối với hàm mục tiêu (τBtr) ................. 94 Bảng 4.5. Giá trị tối ưu hóa các thông số phun và giá trị hàm mục tiêu (τBtr) .... 99 Bảng 4.6. Kết quả phân tích phương sai đối với hàm mục tiêu (σk) ................. 100 Bảng 4.7. Giá trị tối ưu hóa các thông số phun và giá trị hàm mục tiêu (σk) ... 105 Bảng 4.8. Kết quả phân tích phương sai đối với hàm mục tiêu (γLp)................ 106 Bảng 4.9. Giá trị tối ưu hóa các thông số phun cho chỉ tiêu độ xốp lớp phủ.... 111 Bảng 4.10. Kết quả phân tích phương sai hàm mục tiêu (KLp) ......................... 112 Bảng 4.11. Giá trị tối ưu hóa các thông số phun và giá trị hàm mục tiêu (KLp)118 Bảng 4.12. Kết quả tối ưu hóa các thông số đầu vào và giá trị hàm mục tiêu .. 120 Bảng 4.13. Kết quả đo trên mẫu phun kiểm chứng giá trị tối ưu...................... 122 Bảng 5.1. Các dạng hỏng chính của quạt khói trong quá trình làm việc .......... 128 Bảng 5.2. Thông số công nghệ điều chỉnh khi phun ......................................... 130 Bảng 5.3. Kết quả đo tính phần trăm độ xốp và độ cứng trên mẫu thí nghiệm 131 Bảng 5.4. Kết quả kiểm tra các thông số quạt sau 12 tháng làm việc .............. 136
1 PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Máy và thiết bị cơ khí trong công nghiệp khi làm việc liên tục trong điều kiện môi trường khắc nghiệt có thể bị hư hỏng dưới nhiều mức độ và hình thức khác nhau, trên cả bề mặt lẫn cấu trúc bên trong. Để đảm bảo độ tin cậy và duy trì hoạt động ổn định của các chi tiết trong quá trình làm việc, đồng thời nâng cao chất lượng và tuổi thọ của máy và thiết bị, các nhà khoa học nghiên cứu, đề xuất nhiều giải pháp và công nghệ khác nhau. Công nghệ phun phủ bề mặt đã và đang được ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực nhằm nâng cao tuổi bền và đặc tính làm việc của chi tiết, sản phẩm, đặc biệt cho các chi tiết cơ khí làm việc trong điều kiện môi trường khắc nghiệt, dưới tác động của nhiệt độ, độ ẩm, tải trọng gây ra các dạng hỏng trên bề mặt [1, 2]. Phương pháp phun phủ cho phép tạo ra lớp phủ cứng gốc kim loại hoặc ceramics trên bề mặt, giúp bảo vệ, tăng cơ tính như độ cứng, khả năng chống mài mòn, ăn mòn nhằm làm tăng tuổi thọ cho các chi tiết máy. Ở Việt Nam cũng đã có nhiều công trình khoa học nghiên cứu, ứng dụng phục hồi các chi tiết cơ khí trong lĩnh vực thủy điện, nhiệt điện, xi măng…, tuy nhiên các nghiên cứu mới phân tích ảnh hưởng của từng yếu tố độc lập hoặc cho một số cặp yếu tố và ứng dụng cho một số loại vật liệu phủ, vật liệu nền xác định trên các bề mặt cơ bản. Bên cạnh đó, nghiên cứu ảnh hưởng của thông số công nghệ phủ tới độ bám dính và chất lượng lớp phủ vẫn là chủ đề có tính thời sự, được nghiều nhà khoa học quan tâm và tiếp tục nghiên cứu nhằm hoàn thiện công nghệ này, đặc biệt là các nghiên cứu nhằm nâng cao tuổi thọ chi tiết. Lớp phủ nhiệt đã và đang được ứng dụng rộng rãi bới các đặc tính như độ cứng cao, khả năng chịu mài mòn, ăn mòn trong điều kiện môi trường khác nghiệt. Tuy nhiên ở Việt Nam hiện nay chưa có nhiều nghiên cứu sâu và đặc biệt với mỗi loại vật liệu và đối tượng phủ cần xác định bộ thông số phủ phù hợp. Luận án sử dụng phương pháp phủ nhiệt plasma để tạo lớp phủ hợp kim nền crom trên bề mặt thép 16Mn, thực nghiệm và xây dựng các hàm toán học biểu diễn quan hệ toán học cho phép đánh giá ảnh hưởng của một số thông số công nghệ phủ tới độ bám dính và chất lượng lớp phủ, từ đó có thể giải bài toán tối ưu, đưa ra bộ thông số phủ phù hợp theo một số chỉ tiêu chất lượng của lớp phủ. Luận án còn có ý nghĩa thực tiễn khi có thể triển khai áp dụng các kết quả trong thực tế sản xuất của doanh nghiệp.
2 2. Mục tiêu nghiên cứu 2.1. Mục tiêu tổng quát: Nghiên cứu ảnh hưởng một số thông số công nghệ phủ đến chất lượng lớp phủ Cr3C2 - NiCr tạo bằng phương pháp phun phủ nhiệt plasma; Tìm ra bộ thông số công nghệ phủ tối ưu nhằm cải thiện và nâng cao chất lượng lớp phủ và thử nghiệm áp dụng vào thực tế. 2.2. Mục tiêu cụ thể: - Xác định được mức độ ảnh hưởng của ba thông số công nghệ gồm (Ip, mp và Lp) đến độ bền bám dính, độ bền bám trượt, độ bền kéo, độ xốp và độ cứng tế vi của lớp phủ. - Xây dựng được hàm toán học biểu diễn mối quan hệ giữa ba thông số công nghệ (Ip, mp và Lp) với độ bền bám dính, độ bền bám trượt, độ bền kéo, độ xốp và độ cứng đồng đều tế vi của lớp phủ Cr3C2 - NiCr. - Xác định được bộ thông số công nghệ phủ tối ưu (Ip, mp và Lp) theo chỉ tiêu chất lượng lớp phủ Cr3C2 - 30%NiCr trên bề mặt thép nền 16Mn. - Sử dụng bộ thông số công nghệ phủ đạt được sau khi tối ưu, ứng dụng tạo lớp phủ trên cánh quạt khói nhà máy nhiệt điện và đánh giá chất lượng lớp phủ trong điều kiện làm việc thực tế. 3. Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu mối quan hệ giữa ba thông số chế độ khi phủ gồm (Ip, mp và Lp) đến chất lượng lớp phủ Cr3C2 - 30%NiCr khi phủ trên bề mặt thép nền hợp kim 16Mn bằng phương pháp phun phủ plasma. Trên cơ sở đó áp dụng phục hồi cho các chi tiết làm việc trong điều kiện môi trường chịu mài mòn và nhiệt độ. 4. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu ảnh hưởng của ba thông số công nghệ (Ip, mp và Lp) đến chất lượng lớp phủ gồm độ bền bám dính, độ bền bám trượt, độ bền kéo, độ xốp và độ cứng tế vi của lớp phủ Cr3C2 - 30%NiCr; Vật liệu thép nền 16Mn; Phủ bằng phương pháp phun plasma.
3 5. Nội dung nghiên cứu Để đạt được những mục tiêu kể trên, nội dung nghiên cần thực hiện: - Nghiên cứu tổng quan về công nghệ phun phủ nhiệt; Cơ sở lý thuyết về sự hình thành và các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ khi phun bằng phương pháp phun phủ plasma. - Nghiên cứu xây dựng hệ thống thí nghiệm. - Nghiên cứu thực nghiệm xác định ảnh hưởng của ba thông số công nghệ gồm (Ip, mp và Lp) và xác định các bộ thông số công nghệ tối ưu khi phun bột Cr3C2 - 30%NiCr trên bề mặt thép nền hợp kim 16Mn với các chỉ tiêu đầu ra khác nhau. - Ứng dụng tạo lớp phủ vào phục hồi chi tiết làm việc trong điều kiện môi trường chịu mài mòn và nhiệt độ. 6. Phương pháp nghiên cứu Đề tài luận án được thực hiện bằng cách kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm. * Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về công nghệ phun phủ liên quan đến sự hình thành và chất lượng lớp phủ bằng phương pháp phun phủ plasma; Phân tích những vấn đề cần thiết phải tiếp tục nghiên cứu, từ đó xác định hướng nghiên cứu. * Nghiên cứu thực nghiệm: Bằng thực nghiệm, xác định được chất lượng lớp phủ với các thông số công nghệ đã chọn. Từ đó xác định được bộ thông số tối ưu để cải thiện và nâng cao chất lượng lớp phủ. Trên cơ sở đó áp dụng bộ thông số tối ưu để tạo lớp phủ phục hồi cho cánh quạt khói, đánh giá hiệu quả trong hoạt động sản xuất thực tiễn. 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án 7.1. Ý nghĩa khoa học: - Đã xác định được mức độ ảnh hưởng của ba thông số công nghệ phủ gồm (Ip, mp và Lp) đến độ bền bám dính, độ bền bám trượt, độ bền kéo, độ xốp và độ cứng đồng đều tế vi của lớp phủ Cr3C2 - 30%NiCr trên bề mặt thép nền 16Mn sử dụng phương pháp phun phủ plasma.
4 - Đã xây dựng được phương trình hàm hồi quy thực nghiệm, dùng để dự đoán và xác định được các thông số tối ưu nhằm tạo lớp phủ có chất lượng để ứng dụng phủ trên bề mặt thép nền 16Mn. 7.2. Ý nghĩa thực tiễn: - Phương trình các hàm hồi quy thực nghiệm có được từ kết quả thực nghiệm của luận án cho phép dự đoán được các chỉ tiêu chất lượng của lớp phủ như độ bền bám dính, độ bền bám trượt, độ bền kéo, độ xốp và độ cứng tế vi của lớp phủ plasma ứng với các thông số công nghệ khác nhau. - Các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm của luận án có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo trong đào tạo, giảng dạy về công nghệ phủ nhiệt ứng dụng trong các ngành công nghiệp. 8. Những đóng góp mới của đề tài luận án - Tạo lớp phủ Cr3C2-30%NiCr trên nền thép 16Mn bằng phương pháp phủ nhiệt plasma và nghiên cứu ảnh hưởng các thông số công nghệ phủ bao gồm: Cường độ dòng điện phun (Ip), lưu lượng cấp bột phun (mp) và khoảng cách phun (Lp) tới chất lượng của lớp phủ. - Xây dựng được các phương trình hàm hồi quy thực nghiệm thể hiện mối quan hệ giữa độ bền bám dính, độ bền bám trượt, độ bền kéo, độ xốp và độ cứng tế vi của lớp phủ với bộ thông số công nghệ phủ gồm (Ip, mp và Lp) để dự đoán chất lượng lớp phủ. - Xác định được các bộ thông số phun (Ip, mp và Lp) phù hợp từng chỉ tiêu chất lượng nhằm đạt được độ bền bám dính, độ bền bám trượt, độ bền kéo, độ độ cứng tế vi của lớp phủ là cao nhất và độ xốp lớp phủ là nhỏ nhất. Đối với hàm tối ưu đa chỉ tiêu chất lượng, bộ thông số phun đạt được với Ip = 582,3(A); mp = 31,5(g/ph); Lp= 160,7(mm) cho chất lượng lớp phủ phù hợp hài hòa. - Ứng dụng kết quả nghiên cứu của luận án vào phục hồi thành công 14 cánh quạt khói bị mòn của nhà máy nhiệt điện, tạo tiền đề để ứng dụng rộng rãi cho các sản phẩm công nghiệp có điều kiện làm việc tương tự.