Tóm tắt 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:27

Thêm vào BST

Báo xấu

6
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: Tóm tắt 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 THƢƠNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI ------------------------ 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. TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội - 2022
Công trình đƣợc hoàn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI – BỘ CÔNG THƯƠNG Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Phạm Đức Cƣờng 2. PGS. TS. Hoàng Văn Gợt Phản biện 1: PGS.TS. Lê Thu Quý Phản biện 2: PGS.TS. Nguyễn Thị Hồng Minh Phản biện 3: PGS.TS. Vũ Ngọc Pi Luận án đƣợc bảo vệ tại Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trƣờng và họp tại Trƣờng Đại học Công nghiệp Hà Nội vào hồi… giờ, ngày … tháng … năm 2022 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thƣ viện Trƣờng Đại học Công nghiệp Hà Nội. - Thƣ viện Quốc gia Việt Nam.
1 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 trƣờng khắc nghiệt có thể bị hƣ hỏng dƣới 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 lƣợng 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 đƣợc 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 trƣờng khắc nghiệt, dƣới tác động của nhiệt độ, độ ẩm, tải trọng gây ra các dạng hỏng trên bề mặt [1, 2]. Phƣơng pháp phun phủ cho phép tạo ra lớp phủ cứng gốc kim loại hoặc ceramics trên bề mặt, giúp bảo vệ, tăng cơ tính nhƣ 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 hƣởng 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 hƣởng của thông số công nghệ phủ tới độ bám dính và chất lƣợng lớp phủ vẫn là chủ đề có tính thời sự, đƣợc 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 đƣợc ứng dụng rộng rãi bới các đặc tính nhƣ độ cứng cao, khả năng chịu mài mòn, ăn mòn trong điều kiện môi trƣờng khác nghiệt. Tuy nhiên ở Việt Nam hiện nay chƣa có nhiều nghiên cứu sâu và đặc biệt với mỗi loại vật liệu và đối tƣợng phủ cần xác định bộ thông số phủ phù hợp. Luận án sử dụng phƣơng pháp phủ nhiệt plasma để tạo lớp phủ hợp kim nền crom trên bề mặt thép 16Mn, thực nghiệm và xây dựng các hàm hồi quy biểu diễn quan hệ toán học cho phép đánh giá ảnh hƣởng của một số thông số công nghệ phủ tới độ bám dính và chất lƣợng lớp phủ, từ đó có thể giải bài toán tối ƣu, đƣa ra bộ thông số phủ phù hợp theo một số chỉ tiêu chất lƣợng 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. Mục tiêu nghiên cứu 2.1. Mục tiêu tổng quát: Nghiên cứu ảnh hƣởng một số thông số công nghệ phủ đến chất lƣợng lớp phủ Cr3C2 – NiCr tạo bằng phƣơng pháp phun phủ nhiệt plasma; Tìm ra bộ thông số công nghệ phủ tối ƣu nhằm cải thiện và nâng cao chất lƣợng lớp phủ và thử nghiệm áp dụng vào thực tế. 2.2. Mục tiêu cụ thể: - Xác định đƣợc mức độ ảnh hƣởng của ba thông số công nghệ gồm (Ip, mp và Lp) đến độ bền bám dính, độ bền bám trƣợt, độ bền kéo, độ xốp và độ cứng tế vi của lớp phủ. - Xây dựng đƣợc 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 trƣợt, độ bền kéo, độ xốp và độ cứng đồng đều tế vi của lớp phủ Cr3C2 - NiCr. - Xác định đƣợc bộ thông số công nghệ phủ tối ƣu (Ip, mp và Lp) theo chỉ tiêu chất lƣợng lớp phủ Cr3C2 - 30%NiCr trên bề mặt thép nền 16Mn. - Sử dụng bộ thông số công nghệ phủ đạt đƣợc sau khi tối ƣu, ứng dụng tạo lớp phủ trên cánh quạt khói nhà máy nhiệt điện và đánh giá chất lƣợng lớp phủ trong điều kiện làm việc thực tế.
2 3. Đối tƣợng nghiên cứu Nghiên cứu mối quan hệ giữa ba thông số chế độ khi phủ gồm (Ip, mp và Lp) đến chất lƣợng lớp phủ Cr3C2 - 30%NiCr khi phủ trên bề mặt thép nền hợp kim 16Mn bằng phƣơng pháp phun phủ plasma. Trên cơ sở đó áp dụng phục hồi cho các chi tiết làm việc trong điều kiện môi trƣờng chịu mài mòn và nhiệt độ. 4. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu ảnh hƣởng của ba thông số công nghệ (Ip, mp và Lp) đến chất lƣợng lớp phủ gồm độ bền bám dính, độ bền bám trƣợt, độ bền kéo, độ xốp và độ cứng tế vi của lớp phủ Cr3C2 -30%NiCr; Vật liệu thép nền 16Mn; Phủ bằng phƣơng pháp phun plasma. 5. Nội dung nghiên cứu Để đạt đƣợc 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 hƣởng đến chất lƣợng lớp phủ khi phun bằng phƣơng pháp phun phủ plasma. - Nghiên cứu xây dựng hệ thống thí nghiệm. - Nghiên cứu thực nghiệm xác định ảnh hƣởng của ba thông số công nghệ gồm (Ip, mp và Lp) và xác định các bộ thông số công nghệ tối ƣu 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 trƣờng chịu mài mòn và nhiệt độ. 6. Phƣơng pháp nghiên cứu Đề tài luận án đƣợc 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 lƣợng lớp phủ bằng phƣơng pháp phun phủ plasma; Phân tích những vấn đề cần thiết phải tiếp tục nghiên cứu, từ đó xác định hƣớng nghiên cứu. * Nghiên cứu thực nghiệm: Bằng thực nghiệm, xác định đƣợc chất lƣợng lớp phủ với các thông số công nghệ đã chọn. Từ đó xác định đƣợc bộ thông số tối ƣu để cải thiện và nâng cao chất lƣợng lớp phủ. Trên cơ sở đó áp dụng bộ thông số tối ƣu 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 đƣợc mức độ ảnh hƣởng của ba thông số công nghệ phủ gồm (Ip, mp và Lp) đến độ bền bám dính, độ bền bám trƣợt, 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 phƣơng pháp phun phủ plasma. - Đã xây dựng đƣợc phƣơng trình hàm hồi quy thực nghiệm, dùng để dự đoán và xác định đƣợc các thông số tối ƣu nhằm tạo lớp phủ có chất lƣợng để ứng dụng phủ trên bề mặt thép nền 16Mn. 7.2. Ý nghĩa thực tiễn: - Phƣơng trình các hàm hồi quy thực nghiệm có đƣợc từ kết quả thực nghiệm của luận án cho phép dự đoán đƣợc các chỉ tiêu chất lƣợng của lớp phủ nhƣ độ bền bám dính, độ bền bám trƣợt, 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.
3 8. Những đóng góp mới của đề tài luận án - Tạo lớp phủ Cr3C2-30%NiCr trên nền thép 16Mn bằng phƣơng pháp phủ nhiệt plasma và nghiên cứu ảnh hƣởng các thông số công nghệ phủ bao gồm: Cƣờng độ dòng điện phun (Ip), lƣu lƣợng cấp bột phun (mp) và khoảng cách phun (Lp) tới chất lƣợng của lớp phủ. - Xây dựng đƣợc các phƣơng trình hàm hồi quy thực nghiệm thể hiện mối quan hệ giữa độ bền bám dính, độ bền bám trƣợt, 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 lƣợng lớp phủ. - Xác định đƣợc các bộ thông số phun (Ip, mp và Lp) phù hợp từng chỉ tiêu chất lƣợng nhằm đạt đƣợc độ bền bám dính, độ bền bám trƣợt, 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 ƣu đa chỉ tiêu chất lƣợng, bộ thông số phun đạt đƣợc với Ip = 582,3(A); mp = 31,5(g/ph); Lp= 160,7(mm) cho chất lƣợng 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 tƣơng tự. 9. Bố cục luận án Bố cục của luận án ngoài phần mở đầu, kết luận, luận án gồm 5 chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan về phƣơng pháp phun phủ nhiệt Chƣơng 2: Quá trình hình thành và các đặc tính của lớp phủ nhiệt plasma Chƣơng 3: Mô hình thực nghiệm, thiết bị, vật liệu và phƣơng pháp nghiên cứu Chƣơng 4: Kết quả nghiên cứu thực nghiệm và thảo luận đánh giá Chƣơng 5: Ứng dụng kết quả nghiên cứu vào phục hồi cánh quạt khói trong nhà máy nhiệt điện CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP PHUN PHỦ NHIỆT Trong chương này, luận án tìm hiểu một số phương pháp phun phủ nhiệt, các công trình nghiên cứu ứng dụng trong và ngoài nước nhằm lựa chọn được phương pháp phủ, vật liệu phủ phù hợp để ứng dụng tạo lớp phủ chịu mài mòn cho chi tiết máy trong công nghiệp; đồng thời xác định ra các thông số công nghệ có ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ để có định hướng nghiên cứu cho các chương tiếp theo. 1.1. Lý thuyết về sự hình thành lớp phủ 1.2. Một số phƣơng pháp phun phủ nhiệt 1.2.1. Phƣơng pháp phun phủ bằng hồ quang điện 1.2.2. Phƣơng pháp phun phủ bằng ngọn lửa khí cháy 1.2.3. Phƣơng pháp phun phủ nhiệt khí tốc độ cao (HVOF) 1.2.4. Phƣơng pháp phun phủ nguội 1.2.5. Phƣơng pháp phun phủ bằng kích nổ khí 1.2.6. Phƣơng pháp phun phủ bằng plasma 1.3. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng phun phủ nhiệt trên thế giới và ở Việt Nam 1.3.1. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng phun nhiệt trên thế giới 1.3.2. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng phun phủ nhiệt ở Việt Nam KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 Từ nghiên cứu tổng quan về phƣơng pháp phun phủ nhiệt, rút ra một số kết luận chính sau: 1. Phƣơng pháp phun phủ plasma có ƣu điểm tạo ra nhiệt độ cao, phù hợp phun các loại bột có nhiệt độ nóng chảy cao nhằm bảo vệ bề mặt chi tiết làm việc trong điều kiện
4 chịu mài mòn và xói mòn hiệu quả. Vì vậy luận án lựa chọn phƣơng phun phủ plasma để tiến hành nghiên cứu. 2. Chất lƣợng lớp phủ nhiệt chịu ảnh hƣởng nhiều bởi các thông số công nghệ phun gồm: Cƣờng độ dòng điện phun, điện áp phun, lƣu lƣợng cấp bột phun, độ nhám bề mặt chi tiết phun, tỷ lệ thành phần khí cháy, khoảng cách phun, góc phun, tốc độ dịch chuyển và bƣớc dịch chuyển của súng phun....; 3. Lớp phủ Cr3C2-NiCr đƣợc sử dụng phổ biến và thƣơng mại hóa trong nhiều sản phẩm và chi tiết công nghiệp. Độ bền bám dính, độ bền bám trƣợt, độ bền kéo (bền liên kết), độ xốp và độ cứng là những tính chất quyết định đến độ bền và khả năng chịu mài mòn, ăn mòn của lớp phủ. 4. Đề tài luận án đề xuất 3 thông số phun (Ip, mp và Lp) để nghiên cứu sự ảnh hƣởng đến chất lƣợng lớp phủ khi phủ bột Cr3C2 - 30%NiCr lên bề mặt thép hợp kim 16Mn bằng phƣơng pháp phun plasma. CHƢƠNG 2 QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH VÀ ĐẶC TÍNH CỦA LỚP PHỦ NHIỆT PLASMA Từ các kết quả nghiên cứu tổng quan và định hướng của chương 1, trong chương 2 luận án tập trung nghiên cứu tìm hiểu quá trình hình thành, cấu trúc và một số đặc tính quan trọng của lớp phủ nhiệt plasma như độ cứng tế vi, độ bền bám dính, độ bền kéo đứt và khả năng chịu mài mòn... Các yếu tố chính ảnh hưởng đến chất lượng lớp phủ plasma cũng được tìm hiểu, phân tích, đánh giá và lựa chọn, làm cơ sở cho các nghiên cứu cho các chương tiếp theo. 2.1. Quá trình hình thành lớp phủ nhiệt * Nguyên lý sự hình thành lớp phủ nhiệt: Hình 2.1. Nguyên lý chung của công nghệ phun phủ nhiệt Nguyên lý chung của phun phủ nhiệt là dùng nguồn nhiệt (hồ quang, khí cháy, plasma) làm nóng chảy toàn bộ hay một phần các vật liệu phun dƣới dạng bột, dạng dây hoặc dạng thanh. Vật liệu sau đó đƣợc phân tán thành các hạt nhỏ dạng sƣơng mù, dƣới tác dụng của dòng khí năng lƣợng cao sẽ tăng tốc và phun lên bề mặt của chi tiết đã đƣợc chuẩn bị trƣớc. Các vật liệu dùng để phun phủ có thể là kim loại, hợp kim, bột ceramic, nhựa hoặc composit. Với đặc điểm hình thành nhƣ vậy, lớp phủ sẽ có cấu trúc dạng lớp, trong đó các phần tử vật liệu bị biến dạng và xếp chồng lên nhau. Vì vậy chiều dày lớp phủ không bị giới hạn, có thể tạo lớp phủ mỏng vài chục µm hoặc dày vài mm [41]. Từ những quan điểm lý thuyết về sự hình thành lớp phủ của các nhà khoa học trên thế giới thấy rằng, đã có những quan điểm khác nhau về trạng thái của các hạt phun tại thời điểm va đập, tuy nhiên theo tác giả [19] đã trích dẫn có thể mô tả về quá trình hình thành lớp phủ đƣợc đặc trƣng bởi 4 giai đoạn (hình 2.1) đó là: - Giai đoạn nung nóng và làm nóng chảy vật liệu phun. - Giai đoạn phân tán hình thành giọt kim loại lỏng. - Giai đoạn bay của các giọt kim loại. - Giai đoạn va đập của các giọt kim loại vào bề mặt kim loại nền để hình thành lớp phủ.
5 2.2. Sự hình thành và cấu trúc lớp phủ nhiệt plasma Lớp phủ đƣợc tạo ra bởi quá trình phun liên quan đến việc bơm bột vào ngọn lửa hồ quang plasma ở nhiệt độ cao. Bột đƣợc nung nóng và cƣỡng bức ở áp suất cũng nhƣ vận tốc cao, hƣớng tới bề mặt vật liệu nền đã đƣợc chuẩn bị trƣớc. Hạt vật liệu phun nóng chảy có thể có nhiệt độ bên ngoài nhỏ nhất 1000°C. Do nhiệt độ rất cao này, lớp ngoài mỏng của mỗi hạt chắc chắn sẽ trải qua quá trình chuyển pha. Bề mặt phủ phải đủ lớn để có thể làm dẻo lớp ngoài và cho phép một lớp phủ dính dày đặc đƣợc hình thành. Hạt phun cũng phải đủ nhỏ để không ảnh hƣởng đến pha tinh thể lắng đọng trên vật liệu nền. Lớp phủ nhiệt đƣợc hình thành có cấu trúc cơ bản nhƣ (hình 2.4). Hình 2.4. Cấu trúc cơ bản lớp phủ nhiệt [100] 2.3. Một số đặc tính của lớp phủ nhiệt plasma Phun phủ plasma là một trong những phƣơng pháp điển hình của phun nhiệt, lớp phủ plasma cũng nhƣ các lớp phủ nhiệt khác là kết quả của quá trình cơ, lý, hóa tạo ra. Bởi vậy lớp phủ mang rất nhiều đặc tính, mỗi đặc tính mang đặc trƣng cho một tiêu chí độ bền của lớp phủ nhƣ sau: - Độ bền bám dính của lớp phủ với thép nền. - Độ cứng. - Độ bền bám trƣợt của lớp phủ với thép nền. - Khả năng chịu mài mòn. - Độ bền kéo đứt sự liên kết của các phần tử phủ. - Khẳ năng chịu nhiệt. - Độ xốp. 2.4. Các yếu tố ảnh hƣởng đến cơ tính và chất lƣợng lớp phủ plasma Trong quá trình phun phủ nhiệt nói chung, phun phủ plasma nói riêng có nhiều thông số điều chỉnh đƣợc có thể đƣợc xem xét trong quá trình phun bởi nó ảnh hƣởng tới chất lƣợng lớp phủ. Các yếu tố ảnh hƣởng phức tạp và đa dạng đến chất lƣợng lớp phủ kim loại. Mỗi một yếu tố có những thông số đặc trƣng riêng. Tuy nhiên trong phun phủ plasma những yếu tố công nghệ có ảnh hƣởng đáng kể đến chất lƣợng lớp phủ thƣờng đƣợc xem xét nhƣ sau: - Ảnh hƣởng của đặc tính bề mặt chi tiết phủ đến chất lƣợng lớp phủ. - Ảnh hƣởng của cƣờng độ dòng điện phun đến chất lƣợng lớp phủ. - Ảnh hƣởng của lƣu lƣợng cấp bột phun đến chất lƣợng lớp phủ. - Ảnh hƣởng của khoảng cách phun đến chất lƣợng lớp phủ. - Ảnh hƣởng của góc phun đến chất lƣợng lớp phủ. 2.5. Bột phủ C3Cr2-NiCr Crom cacbit là một hợp chất gốm tồn tại trong một số thành phần hóa học khác nhau nhƣ Cr3C2, Cr7C3 và Cr23C6. Ở điều kiện tiêu chuẩn, crom cacbit tồn tại dƣới dạng chất rắn màu xám. Trong hỗn hợp bột phủ Cr3C2-NiCr thì Cr3C2 đóng vai trò là thành phần chính khi hình thành tạo ra độ cứng, trong khi đó Ni lại có nhiệm vụ là chất kết dính tạo thành một khối liên kết bền vững của lớp phủ [43]. Đối với mỗi yêu cầu cụ thể ngƣời ta sẽ thay đổi tỷ lệ pha trộn để đảm bảo mục đích và yêu cầu khác nhau. Bột phủ Crôm cacbit đƣợc ứng dụng rất rộng rãi và phổ biến với nhiều tính ƣu việt của nó mang lại, một cách hiệu quả để ngăn chặn sự mài mòn, xói mòn và ăn mòn khi sử dụng lớp phủ Cr3C2 – NiCr với các ứng dụng điển hình nhƣ tuabin khí, nồi hơi và các chi tiết quan trọng trong máy bay….
6 KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 Từ nghiên cứu cơ sở lý thuyết quá trình hình thành lớp phủ nhiệt nói chung và phƣơng pháp phun phủ plasma nói riêng và các đặc tính của lớp phủ nhiệt plasma, cho thấy: 1. Chất lƣợng lớp phủ nhiệt plasma cũng chịu tác động và ảnh hƣởng bởi nhiều các yếu tố, nhƣng trong đó có ba thông số công nghệ phủ bao gồm: Cƣờng độ dòng điện phun (Ip), lƣu lƣợng cấp bột phun (mp) và khoảng cách phun (Lp) ảnh hƣởng mạnh đến các đặc tính quan trọng của lớp phủ nhiệt, đặc biệt là lớp phủ Cr3C2-30%NiCr trên bề mặt thép nền 16Mn. 2. Độ bền bám dính của lớp phủ plasma phụ thuộc vào nhiều các yếu tố, một trong số đó là độ nhám bề mặt của chi tiết phủ. Với lớp phủ nhiệt trên bề mặt thép nền, kết quả nghiên cứu cho thấy độ bền bám dính của lớp phủ đảm bảo đƣợc khi bề mặt mẫu phủ có độ nhám Rz > 10µm. 3. Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu và thực nghiệm cho thấy lớp phủ plasma Cr3C2 - NiCr trên bề mặt thép nền, đạt đƣợc chất lƣợng với: (Ip) có giá trị trong khoảng từ (300 ÷ 700)A; (mp) có giá trị từ (20 ÷ 40)g/ph và (Lp) có giá trị từ (100 ÷ 200)mm. Bên cạnh đó độ bền bám dính của lớp phủ tốt nhất đạt đƣợc khi có góc phun 90º. Đây là cơ sở để chế tạo mẫu và lựa chọn khoảng giá trị khảo sát của các thông số công nghệ phun cho thí nghiệm tiếp theo của luận án nghiên cứu này. CHƢƠNG 3 MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM, VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Trong chương này luận án xây dựng mô hình thực nghiệm, xác định rõ các yếu tố đầu vào, đầu ra của quá trình nghiên cứu và giải quyết các mục tiêu của luận án đặt ra. Trên cơ sở đó, lựa chọn phương pháp và các trang thiết bị thực nghiệm phù hợp để đo các đặc tính của lớp phủ. Kế hoạch thực nghiệm được thực hiện bao gồm lựa chọn phương pháp quy hoạch để xây dựng ma trận thực nghiệm, xác định mô hình hàm hồi quy thực nghiệm, xác định phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm và tối ưu hóa; xây dựng quy trình phủ trên mẫu nghiên cứu và phương pháp đo thu thập số liệu phục vụ các nội dung chính của luận án ở chương tiếp theo. 3.1. Xây dựng mô hình thực nghiệm Mô hình thí nghiệm đƣợc xây dựng trên cơ sở các yếu tố đầu vào của quá trình phun phủ và các mục tiêu đầu ra, mô hình này đƣợc mô tả (hình 3.1). Hình 3.1. Sơ đồ mô hình thực nghiệm 3.2. Vật liệu, thiết bị thí nghiệm - Vật liệu mẫu: Thép 16Mn, có thành phần hóa học đƣợc trình trong bảng 3.1. Bảng 3.1. Thành phần hóa học và cơ tính của mẫu thép 16Mn. Thành phần C(%) Si(%) Mn(%) P(%) S(%) Cr(%) Cu(%) Ni(%) Mo(%) % nguyên tố 0.17 0.27 1.31 0.015 0.02 0.04 0.02 0.01 0.01 Giới hạn chảy Giới hạn bền Độ dãn dài (%) Cơ tính Y.S (MPa) T.S (MPa) 354 532 35.5 - Vật liệu phủ: Bột Cr3C2-30%NiCr (Sulzer Metco - Singapore) đƣợc lựa chọn sử dụng tạo lớp phủ trong nghiên cứu này. Hạt Cr 3C2-30%NiCr có đƣờng kính trung bình -
7 30/+5μm, với thành phần hóa học: C ≤ 0,2%; Si ≤ 0,5%; NiCr 29,5% và Cr3C2 69,8%. Loại bột này ở điều kiện tiêu chuẩn tồn tại dƣới dạng chất rắn có màu xám. - Thiết bị dùng cho công việc gia công mẫu và đồ gá phục vụ cho tiến trình thực nghiệm nhƣ: Máy tiện CNC, máy mài tròn ngoài, máy mài mặt phẳng, máy cắt dây, máy đánh bóng, máy làm sạch và tạo nhám…. - Thiết bị phủ: Hệ thống phun phủ plasma Praxair-3710 (hình 3.3). - Thiết bị kiểm tra và đánh giá các đặc tính của lớp phủ dùng để thu thập giữ liệu thực nghiệm gồm: Máy kéo nén vạn năng BESTUTM 500HH; Kính hiển vi Leice ICC50E; Thiết bị đo độ cứng ISOSCAN HV2 AC. Hình 3.3. Sơ đồ hệ thống phun plasma Praxair (Model 3710) 3.3. Xây dựng quy trình phun phủ trên mẫu Quy trình phun phủ trên mẫu đƣợc thực hiện cơ bản theo các bƣớc sau: - Bước 1: Chuẩn bị. - Bước 5: Gia nhiệt ban đầu cho mẫu. - Bước 2: Tạo nhám bề mặt mẫu. - Bước 6: Tiến hành phủ. - Bước 3: Gá đặt mẫu và súng phun. - Bước 7: Gia công cơ khí sau phủ. - Bước 4: Cài đặt các thông số phun. - Bước 8: Kiểm tra tổng thể mẫu phủ. 3.4. Phƣơng pháp xác định các đặc tính của lớp phủ Để tiến hành thu thập giữ liệu ta cần có một quy trình đánh giá đúng. Quy trình thực hiện đánh giá cho các đặc tính của lớp phủ đƣợc mô tả nhƣ sau: - Xác định độ bền bám dính của lớp phủ với nền thép σBd. - Xác định độ bền bám trƣợt của lớp phủ với nền thép τBtr. - Xác định độ bền kéo đứt liên kết lớp phủ σk. - Xác định độ xốp lớp phủ γLp. - Xác định độ cứng lớp phủ KLp. 3.5. Một số nghiên cứu ban đầu phục vụ cho quá trình phủ bột Cr3C2-NiCr trên nền thép 16Mn Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm của các công trình khoa học đã tổng hợp ở chƣơng 2, cho thấy chất lƣợng lớp phủ bị ảnh hƣởng nhiều bởi các yếu tố nhƣ đặc tính bề mặt của chi tiết phủ, tỷ lệ thành phần hợp chất bột phủ, và cƣờng độ dòng điện phun….Đó là những cơ sở ban đầu và quan trọng để làm căn cứ cho việc lựa chọn, tuy nhiên chƣa có một nghiên cứu nào cho biết chính xác giá trị những thông số đó khi phun bột Cr3C2 - NiCr bằng phƣơng pháp phun plasma trên bề mặt nền thép 16Mn. Để có cơ sở cho việc xác định và lựa chọn bộ thông số phun hợp lý, thông qua một số kết quả thực nghiệm khảo sát sơ bộ ban đầu nhƣ sau: 3.5.1. Xác định độ nhám bề mặt phù hợp cho mẫu thép 16Mn Qua nghiên cứu khảo sát thực nghiệm cho thấy ảnh hƣởng của độ nhám bề mặt tới độ bám dính của lớp phủ trên bề mặt thép nền 16Mn, khi phủ bằng phƣơng pháp phun plasma. Kết quả cho biết độ bám dính của lớp phủ cao nhất đạt đƣợc là 32,4MPa khi bề mặt mẫu phủ có độ nhám Rz = 71±2µm. 3.5.2. Xác định tỷ lệ thành phần Crom cacbit trong bột phủ Cr3C2-NiCr Kết quả thực nghiệm cho thấy khi thay đổi phần trăm Crôm cacbit trong bột phun làm độ bám dính và độ cứng của lớp phủ có tỷ lệ nghịch với nhau. Cụ thể khi tăng hàm lƣợng Crôm cacbit từ 50% lên 80% theo khối lƣợng, độ bám dính lớp phủ giảm khoảng gần 3 lần, từ 43,58MPa xuống còn 16,32MPa. Trong khi đó, độ cứng tế vi lớp phủ tăng lên khoảng gần 2 lần, từ 411HV lên 701HV. Đây là cơ sở quan trọng cho các ứng dụng
8 cụ thể muốn ƣu tiên chỉ tiêu nào hơn hoặc lựa chọn hài hòa cả 2 chỉ tiêu để quyết định tỷ lệ pha trộn bột trƣớc khi phun. 3.5.3. Xác định khoảng giá trị cường độ dòng điện phun Liên quan đến vấn đề này một nghiên cứu thực nghiệm đánh giá ảnh hƣởng của dòng điện plasma đến độ bám dính của lớp phủ Cr 3C2 - 30%NiCr trên bề mặt mẫu thép hợp kim 16Mn, với 5 giá trị cƣờng độ dòng điện phun là (300, 400, 500, 600, 700)A để tạo ra các lớp phủ cho độ bám dính khác nhau. Kết quả cho biết lớp phủ Cr3C2 - 30%NiCr khi phun trên bề mặt thép nền 16Mn, bằng phƣơng pháp phun plasma có ảnh hƣởng đáng kể khi cƣờng độ dòng điện phun trong khoảng từ 450A đến 650A. 3.6. Xây dựng kế hoạch thực nghiệm 3.6.1. Cơ sở lựa chọn phương pháp quy hoạch thực nghiệm Một kế hoạch thí nghiệm đƣợc thiết kế tốt sẽ cho phép nhà nghiên cứu tiến hành số lƣợng thí nghiệm ít nhất, tốn kém ít chi phí, giảm đƣợc thời gian và công sức nhƣng lại thu đƣợc nhiều thông tin nhất về quá trình, đối tƣợng nghiên cứu. Trong thực tế có nhiều phƣơng pháp thiết kế thí nghiệm, tuy nhiên hiện nay có 4 dạng thiết kế thí nghiệm cơ bản đƣợc ứng dụng phổ biến là: Thí nghiệm một yếu tố; Thí nghiệm đa yếu tố; Thí nghiệm bề mặt chỉ tiêu và Thí nghiệm Taguchi [24]. Trong nghiên cứu này tiến trình thí nghiệm đƣợc lựa chọn thiết kế theo phƣơng pháp thí nghiệm bề mặt chỉ tiêu (Response Surface Methods - RSM). 3.6.2. Tiến trình thí nghiệm tối ưu hóa Trong nghiên cứu này, các thông số đầu vào đƣợc lựa chọn với mục đích để thí nghiệm tối ƣu hóa đã đƣợc thực hiện qua một loạt các bƣớc: Nghiên cứu tài liệu tham khảo, phân tích cơ sở lý thuyết và cuối cùng là thí nghiệm sàng lọc. Kết quả thí nghiệm sàng lọc đã cho biết ba thông số đầu vào gồm: Cƣờng độ dòng điện phun (Ip), lƣu lƣợng cấp bột phun (mp) và khoảng cách phun (Lp) là các thông số có ảnh hƣởng mạnh nhất đến chất lƣợng lớp phủ Cr3C2-30%NiCr khi phun trên nền thép 16Mn bằng phƣơng pháp phun plasma, nhƣ vậy ba thông số này đƣợc giữ lại để thực hiện cho tiến trình thí nghiệm tiếp theo là thí nghiệm khởi đầu của tiến trình tối ƣu hóa theo phƣơng pháp bề mặt chỉ tiêu. Tiến trình tối ƣu hoá theo phƣơng pháp bề mặt chỉ tiêu cơ bản gồm 3 giai đoạn gồm: Giai đoạn 1 thí nghiệm khởi đầu; Giai đoạn 2 thí nghiệm leo dốc tìm cực trị; Giai đoạn 3 thí nghiệm bề mặt chỉ tiêu. a, Thí nghiệm khởi đầu. Thí nghiệm khởi đầu trong nghiên cứu này đƣợc thực hiện với số thí nghiệm là N = 2k + 6 (thí nghiệm hai mức đầy đủ và cộng thêm 6 thí nghiệm tại điểm trung tâm), nhƣ vậy N = 14 thí nghiệm. Giá trị các mức thông số đầu vào của giai đoạn này đƣợc trình bày trong (bảng 3.3). Mục đích của giai đoạn này, nhằm xác định xem giá trị các thông số đầu vào trong vùng khảo sát đã đảm bảo nằm trong vùng chứa cực trị hay chƣa để có kế hoạch thực hiện thí nghiệm cho giai đoạn tiếp theo. Bảng 3.3. Giá trị các mức của các thông số khi thí nghiệp khởi đầu Giá trị tại các mức Thông số Ký hiệu Đơn vị -1 0 1 Cƣờng độ dòng điện phun Ip A 450 550 650 Lƣu lƣợng cấp bột phun mp gam/phút 20 30 40 Khoảng cách phun Lp mm 120 160 200 Ứng dụng phần mềm Minitab 19TM, phân tích phƣơng sai (ANOVA) các chỉ tiêu đánh giá. Kết quả phân tích cho thấy cả 5 hàm mục tiêu đầu ra đều đã ở trong vùng chứa cực trị. Nhƣ vậy tiến trình thí nghiệm có thể chuyển sang giai đoạn 3 là thí nghiệm bề mặt chỉ tiêu.
9 b, Thí nghiệm bề mặt chỉ tiêu. Giai đoạn thí nghiệm bề mặt chỉ tiêu là mở rộng vùng khảo sát của các thông số đầu vào để giá trị tối ƣu của các thông số đầu ra đạt đƣợc giá trị tối ƣu toàn cục (tránh xảy ra tình trạng cực trị địa phƣơng). Việc mở rộng vùng khoảng khảo sát của các thông số đƣợc xác định theo công thức (3.7).   4 nF (3.7) Vùng cần mở rộng khoảng khảo sát của các thông số đầu vào ở mức (    1,682). Nhƣ vậy giá trị thực tại hai mức mã hóa   đƣợc trình bày trong (bảng 3.4). Bảng 3.4. Giá trị các mức của các thông số khi thí nghiệm bề mặt chỉ tiêu Ký Giá trị tại các mức Thông số Đơn vị hiệu - -1 0 1 + Cƣờng độ dòng điện phun Ip A 381,8 450 550 650 718,2 Lƣu lƣợng cấp bột phun mp g/phút 13,18 20 30 40 46,82 Khoảng cách phun Lp mm 92,72 120 160 200 227,28 Nhƣ vậy số điểm thí nghiệm trong nghiên cứu này là N = 20 thí nghiệm, đƣợc trình bày chi tiết trong (bảng 4.1). 3.6.3. Xây dựng phƣơng trình hàm hồi quy thực nghiệm Lý thuyết quy hoạch thực nghiệm chỉ ra rằng, trong một phạm vi khảo sát không lớn, mô hình bậc hai là phù hợp để biểu diễn quan hệ hàm - biến. Trong nghiên cứu này với số biến là 3, mô hình hồi qui mô tả sự phụ thuộc của hàm chỉ tiêu y (σBd, τBt, σk, γLp và KLp) vào các thông số ảnh hƣởng xi (Ip, mp và Lp) đƣợc biểu diễn dƣới dạng nhƣ sau: y  b0  b1 x1  b2 x2  b3 x3  b11x12  b22 x2  b33x3  b12 x1 x2  b13x1 x3  b23x2 x3 (3.13) 2 2 3.6.4. Tối ƣu hóa thông số công nghệ Để nâng cao hiệu quả của quá trình sản xuất, cải tiến quy trình công nghệ và tối ƣu hóa quá trình phun phủ là việc làm đã nhận đƣợc sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học và ngƣời làm công nghệ. Trong thực tế, các bài toán tối ƣu là tƣơng đối phức tạp do vậy cần áp dụng các thuật toán mạnh trong các phần mềm để tính toán giải quyết vấn đề giúp mang lại độ chính xác và độ tin cậy cao. 3.6.4.1. Thuật toán tối ưu Trong nghiên cứu này, thuật toán Nelder - Mead đƣợc sử dụng để giải các bài toán tối ƣu. Thuật toán Nelder - Mead (NM) đƣợc xây dựng bởi hai nhà khoa học Joun Nelder và Roger Mead vào năm 1965 [107], thuật toán này đã đƣợc các công ty phần mềm sử dụng để xây dựng nên các phần mềm thống kê chuyên dụng nhƣ Matlap, Minitab,… [124]. Để giải các bài toán tối ƣu bằng thuật toán (NM), sử dụng chức năng tối ƣu hóa (Start/DOE/Responer Surface/Response Optimizer…) của phần mềm Minitab. Phần mềm này hiện đang đƣợc sử dụng phổ biến để mô hình hóa các quá trình, phân tích và giải các bài toán thực nghiệm trong thực tế cho kết quả độ tin cậy cao. 3.6.4.2. Thông số tối ưu Thông số cần xác định giá trị tối ƣu là các thông số đầu vào của kế hoạch thí nghiệm, bao gồm: - Cƣờng độ dòng điện phun Ip (A). - Lƣu lƣợng cấp bột phun mp (gam/phút). - Khoảng cách phun Lp (mm). 3.6.4.3. Ràng buộc các biến thí nghiệm khi tối ưu Để tìm giá trị tối ƣu của các biến (Ip, mp và Lp) ta tiến hành giải các phƣơng trình hàm hồi quy đã đƣợc thiết lập, đây là các phƣơng trình hồi quy đƣợc thành lập khi phân tích
10 kết quả của mỗi chỉ tiêu đầu ra. Do đó, ràng buộc đối với các biến chính là giá trị cao nhất và thấp nhất của chúng khi thí nghiệm nhƣ sau: (3.23) - Mục tiêu đầu ra: (3.24) - Ràng buộc biến đầu vào: 3.6.4.4. Tối ưu hóa đa mục tiêu Bài toán tối ƣu hóa đồng thời nhiều chỉ tiêu phức tạp hơn không chỉ ở chỗ cần xem xét nhiều chỉ tiêu, mà còn ở chỗ có một số hàm chỉ tiêu có “lợi ích” trái ngƣợc nhau. Để giải quyết bài toán này, ta cần chấp nhận một số nhƣợng bộ (Trade-offs) nhất định [24]. Bài toán tối ƣu trong nghiên cứu này có hai mục tiêu sau đây: 1. Tối thiểu hóa (Minimization): Hàm mục tiêu càng nhỏ càng tốt. 2. Tối đa hóa (Maximization): Hàm mục tiêu càng lớn càng tốt. Trong bài toán tối ƣu đa mục tiêu, hàm kỳ vọng chung (Overall desirability) đƣợc tổng hợp từ các hàm kỳ vọng của từng chỉ tiêu. Nếu các chỉ tiêu có mức độ quan trọng (đƣợc ƣu tiên) nhƣ nhau, thì giá trị hàm kỳ vọng chung đƣợc tính theo công thức (3.25) [24]. D= (3.25) + Khi hàm mục tiêu yi là tối đa hóa: + Khi hàm mục tiêu yi là tối thiểu hóa: 3.6.4.5. Thí nghiệm kiểm chứng Thí nghiệm kiểm chứng đƣợc sử dụng để đánh giá độ phù hợp của bộ thông số sau khi tối ƣu hóa, bằng cách sử dụng bộ thông số phun có đƣợc sau khi tối ƣu phun phủ trên các mẫu tƣơng ứng theo các chỉ tiêu đánh giá. Số lƣợng mẫu cần thiết đƣợc lựa chọn để tiến hành thực nghiệm kiểm chứng cho mỗi chỉ tiêu trong nghiên cứu này là 5 mẫu. Kết quả đƣợc xác định để so sánh là giá trị trung bình của 5 mẫu đo. 3.7. Phƣơng pháp xử lý số liệu thực nghiệm Để thực hiện các công việc xử lý số liệu phức tạp trên, trong nghiên cứu này phần mềm Minitab 19 đƣợc áp dụng với sự trợ giúp của máy tính để thực hiện. Trên cơ sở số liệu kết quả có đƣợc sau khi chạy số liệu trên phần mềm, cho phép ngƣời thực hiện phân tích và kết luận. KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 1. Đã lựa chọn đƣợc mô hình thực nghiệm gồm có vật liệu nền là thép hợp kim 16Mn, vật liệu phủ là bột Cr3C2-30%NiCr và đồng thời cũng đã lựa chọn sử dụng đƣợc các thiết bị phục vụ nghiên cứu gồm thiết bị gia công, thiết bị phủ và thiết bị đo phù hợp. 2. Trên cơ sở các kết quả thực nghiệm khảo sát, đã lựa chọn đƣợc khoảng giá trị các thông số phun cho nghiên cứu thực nghiệm chính tiếp theo gồm: Cƣờng độ dòng điện phun Ip có giá trị từ (450 ÷ 650)A; lƣu lƣợng cấp bột phun mp có giá trị từ (20 ÷ 40)gam/phút và khoảng cách phun Lp có giá trị từ (120 ÷ 200)mm. Bên cạnh đó độ bền bám dính của lớp phủ cao nhất đạt đƣợc khi bề mặt mẫu phủ có độ nhám Rz = 71±2µm.
11 3. Đã xây dựng đƣợc quy trình phủ, quy trình phƣơng pháp đo cho mẫu phù hợp để đo và xác định các chỉ tiêu đánh giá chất lƣợng gồm độ bền bám dính, độ bền bám trƣợt, độ bền kéo đứt, độ xốp, độ cứng tế vi của lớp phủ. 4. Luận án sử dụng nghiên cứu thực nghiệm theo phƣơng pháp bề mặt chỉ tiêu và đƣợc thiết kế theo dạng hỗn hợp tâm xoay (CCD) với 20 thí nghiệm, trên cơ sở đó đề xuất đƣợc mô hình toán học dạng đa thức bậc 2 mô tả mối quan hệ giữa các hàm mục tiêu với các thông số đầu vào có dạng: y  b0  b1x1  b2 x 2  b3x3  b11x1  b22x 2  b33x3  b12x1x 2  b13x1x3  b23x 2x3 2 2 2 Phần mêm Minitab 19, đƣợc lựa chọn để phân tích và xử lý số liệu thực nghiệm. CHƢƠNG 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN ĐÁNH GIÁ Trong chương này luận án tiến hành phân tích và xử lý số liệu đã thu thập được, phương pháp phân tích phương sai (ANOVA) được thực hiện nhằm đánh giá mức độ ảnh hưởng của các thông số đến hàm mục tiêu đầu ra. Trên cơ sở đó tiến hành xây dựng phương trình toán học mô tả quan hệ giữa các thống số đầu vào với các thông số đầu ra, đồng thời giải các bài toán tối ưu đơn mục tiêu và đa mục tiêu liên quan đến chất lượng của lớp phủ đã đặt ra trong luận án để nghiên cứu ứng dụng cụ thể cho chương tiếp theo của luận án. 4.1. Thí nghiệm tối ƣu hóa 4.1.1. Kết quả thực nghiệm Kết quả tính toán sau khi đo thu thập số liệu các chỉ tiêu đầu ra cần đánh giá đƣợc thống kê và trình bày trong (bảng 4.1). Bảng 4.1. Ma trận thí nghiệm và kết quả đo của các chỉ tiêu đầu ra Thông số thay đổi khi phun Kết quả đo các chỉ tiêu đầu ra TT Ip mp Lp σBd τBtr σk γLp KLp (A) (g/ph) (mm) (MPa) (MPa) (MPa) (%) (HV) 1 450 20 120 21,9 36,3 99,4 5,333 624,7 2 650 20 120 33,5 41,6 102,6 4,955 649,9 3 450 40 120 30,6 43,1 107,2 5,411 596,2 4 650 40 120 31,8 45,2 111,2 4,733 663,1 5 450 20 200 29,8 41,6 105,5 6,554 561,3 6 650 20 200 34,5 46,1 110,7 5,528 613,0 7 450 40 200 35,1 43,5 108,2 6,097 556,1 8 650 40 200 31,9 44,0 115,4 4,859 649,5 9 381,82 30 160 28,3 38,8 100,4 6,178 576,6 10 718,18 30 160 32,5 44,0 109,7 5,053 638,8 11 550 13,18 160 29,6 40,2 101,1 5,767 591,3 12 550 46,82 160 32,1 43,6 110,5 5,294 586,9 13 550 30 92,73 25,5 38,2 98,1 5,256 623,3 14 550 30 227,27 31,7 42,8 108,6 6,616 575,8 15 550 30 160 38,5 48,5 121,1 3,068 700,7 16 550 30 160 38,4 49,7 120,4 3,023 681,9 17 550 30 160 39,2 49,9 120,8 3,015 692,1 18 550 30 160 38,6 48,0 120,5 3,078 691,2 19 550 30 160 38,3 51,7 120,2 3,054 700,6 20 550 30 160 38,0 48,8 119,8 3,057 698,8
12 Số liệu trong (bảng 4.1) đƣợc tiến hành phân tích phƣơng sai (ANOVA) đối với từng chỉ tiêu nhằm xác định mức độ ảnh hƣởng của 3 thông số đầu vào và sự tƣơng tác giữa chúng đến các chỉ tiêu đầu ra. Trên cơ sở đó cho phép xây dựng đƣợc phƣơng trình hàm hồi quy cho từng hàm mục tiêu ra ở dạng đa thức bậc 2, phƣơng trình sau khi đƣợc xác định sử dụng để dự đoán kết quả lần lƣợt đƣợc phân tích sau đây: 4.1.2. Phân tích kết quả chỉ tiêu độ bền bám dính của lớp phủ với thép nền 4.1.2.1. Sự ảnh hưởng của các thông số phun đến độ bền bám dính Kết quả phân tích phƣơng sai (ANOVA) cho thấy giá trị xác suất (P-value) của các yếu tố bậc nhất và bậc 2, đều có giá trị tƣơng ứng nhỏ hơn so với mức ý nghĩa  (chọn  = 0,05). Điều đó cho thấy sự xuất hiện của các yếu tố là rất có ý nghĩa đối với mô hình hàm mục tiêu. Mặc khác ta cũng nhận thấy ở mục kiểm định sự thiếu phù hợp (Lack-of-Fit) của mô hình có giá trị xác suất (~0,005) cũng nhỏ hơn nhiều so với mức ý nghĩa , điều này có nghĩa là dạng phƣơng trình có đƣợc khớp với dữ liệu đo đƣợc. Hệ số xác định của hàm hồi quy thực nghiệm (R2) tính đƣợc cũng cho thấy có tới (97,02%) số liệu thực nghiệm tƣơng thích với số liệu dự đoán theo phƣơng trình. Nhƣ vậy có thể thấy việc chọn các thông số đầu vào và vùng khảo sát của các thông số đã đảm bảo cho hàm mục tiêu có giá trị là lớn nhất. Để làm rõ hơn nội dung phân tích và nhận định trên, ta tiến hành phân tích sự tƣơng tác giữa các thông số đến hàm mục tiêu đầu ra trong biểu đồ (hình 4.2). Hình 4.2. Biểu đồ sự tương tác giữa các thông số phun đến hàm mục tiêu (σBd) - Xem xét sự ảnh hƣởng giữa (Ip) và (mp) cho thấy: Khi Ip = 550A, nếu tăng (mp) trong khoảng từ (13,18 ÷ 30)g/ph thì sẽ làm cho độ bền bám dính tăng. Tuy nhiên khi tiếp tục tăng (mp) trong khoảng từ (30 ÷ 46,82)g/ph thì lại làm cho độ bền bám dính lớp phủ giảm. Trong trƣờng hợp khi Ip = 450A nếu tăng (mp) trong khoảng từ (20 ÷ 40)g/ph sẽ làm cho độ bền bám dính tăng nhƣng ở mức không cao, ngƣợc lại khi Ip = 650A nếu (mp) tăng trong khoảng từ (20 ÷ 40)g/ph thì độ bám dính lớp phủ với thép nền có xu hƣớng giảm dần. Điều này có thể đƣợc giải thích, khi tăng (Ip) có nghĩa làm tăng công suất của hồ quang, khi đó các hạt bột phun có trạng thái nhiệt nóng chảy tốt hơn và làm cho sự lắng đọng lớp phủ tốt hơn. Mặt khác khi tăng (Ip) mà (mp) ở mức thấp thì hiệu quả nung chảy hạt bột cũng tốt hơn, độ bền bám dính có xu hƣớng tăng. Ngƣợc lại khi (Ip) ở mức thấp, nếu (mp) đƣợc cấp vào càng lớn làm cho nhiệt độ nóng chảy hạt bột phun giảm do bị phân tán nhiệt bởi số lƣợng hạt phun, điều này cũng có thể làm giảm lực va đập của hạt với chất nền dẫn đến độ bền bám dính giảm. - Ảnh hƣởng giữa (Ip) và (Lp) cũng cho ta thấy: Khi Ip = 550A, độ bền bám dính tăng khi (Lp) tăng trong khoảng từ (92,73 ÷ 160) mm và ngƣợc lại độ bền bám dính lớp phủ có xu hƣớng giảm nếu tiếp tục tăng (Lp). Độ bền bán dính sẽ tăng khi tăng (Lp) trong khoảng từ (120 ÷ 200)mm, trong cả hai trƣờng hợp của cƣờng độ dòng điện phun gồm (Ip = 450A và Ip = 650A), tuy nhiên mức độ ảnh hƣởng của (Lp) đến độ bám dính khi Ip = 450A lớn hơn khi Ip = 650A (nhƣng độ bền bám dính lại cao hơn khi Ip = 650A). Điều này có thể giải thích là khi tăng (Lp) làm một phần các hạt phun bị tái rắn trở lại do bị nguội bởi quãng đƣờng di chuyển xa, đồng thời các hạt bị ôxy hóa cũng nhiều hơn làm cho độ bền bám dính của lớp phủ với thép nền giảm. Ngƣợc lại khi (Lp) quá gần làm hiệu suất phun giảm do lực va đập mạnh khiến cho các hạt phun bị văng ra ngoài.
13 - Xét cặp tƣơng tác giữa (mp) và (Lp) cũng cho thấy: Khi mp = 30g/ph, nếu (Lp) tăng trong khoảng từ (92,73 ÷ 160)mm thì độ bám dính tăng, nếu tiếp tục tăng (Lp) trong khoảng từ (160 ÷ 227,27)mm lại làm cho độ bám dính giảm. Lƣu lƣợng cấp bột phun đƣợc cấp ở 2 mức giá trị là (mp = 20g/ph và ms = 40g/ph), cho độ bám dính tăng nếu tăng (Lp) trong khoảng từ (120 ÷ 200)mm, ở hai mức giá trị này thì mức độ ảnh hƣởng của (mp) đến độ bám dính khi mp = 20g/ph lớn hơn khi mp= 40g/ph. Điều này có thể đƣợc giải thích là khi (Lp) tăng thì (mp) vào phải nhỏ sẽ làm cho độ bền bám dính tăng, bởi nhiệt tăng do mật độ hạt giảm và khoảng cách tăng làm hiệu suất nhiệt tại thời điểm va chạm các hạt phun thuận lợi. Ngƣợc lại (mp) tăng cao làm cho nhiệt độ giảm xuống, vận tốc hạt cũng giảm và điều đó làm cho chất lƣợng của lớp phủ giảm theo, nếu (mp) vào lớn khi đó cần giảm (Lp) để cải thiện chất lƣợng độ bám dính của lớp phủ. 4.1.2.2. Xây dựng phương trình hàm hồi quy thực nghiệm Phƣơng trình hàm hồi quy thực nghiệm thể hiện mối quan hệ giữa độ bền bám dính với các thông số phun đạt đƣợc nhƣ biểu thức (4.1). σBd = -202,6 + 0,4162Ip + 2,981mp + 0,9064Lp - 0,000250Ip*Ip - 0,02344mp*mp - 0,001963Lp*Lp - 0,002288Ip*mp - 0,000353Ip*Lp - 0,001344mp*Lp (4.1) Phƣơng trình hàm hồi quy đã đƣợc sử dụng để dự đoán độ bền bám dính của lớp phủ với thép nền. Kết quả so sánh chỉ ra rằng, độ bền bám dính khi tính dự đoán rất sát với kết quả khi đo thực nghiệm, độ sai lệch trung bình là 2,0% và có điểm sai lệch lớn nhất là 5,1%. Nhƣ vậy, có thể thấy phƣơng trình hàm hồi quy của hàm mục tiêu (σBd) đã đƣợc kiểm tra thành công và có thể dùng để dự đoán độ bền bám dính của lớp phủ với thép nền và để tối ƣu hóa chỉ tiêu này. 4.1.2.3. Kết quả tối ưu hóa bộ thông số phun cho độ bền bám dính Giải bài toán tối ƣu chỉ tiêu độ bền bám dính với mong muốn càng lớn càng tốt, kết quả đƣợc thống kê và trình bày trong (bảng 4.3) sau đây: Bảng 4.3. Giá trị tối ưu hóa các thông số phun và giá trị hàm mục tiêu (σBd) Giá trị thông số phun tối ƣu Kết quả độ bền bám dính σBd (MPa) Độ sai lệch (%) Ip (A) mp (g/ph) Lp (mm) Kết quả dự đoán Kết quả kiểm chứng 572,1 30,8 168,8 38,8 37,6 3,2 Kết quả đo trung bình của 5 mẫu thực nghiệm kiểm chứng cũng đƣợc trình bày trong (bảng 4.3) này, so sánh kết quả thực nghiệm kiểm chứng với kết quả khi dự đoán cho thấy rất sát nhau, có độ sai lệch là 3,2%. Điều đó chứng tỏ giá trị tối ƣu hóa các thông số đạt đƣợc là phù hợp để áp dụng vào thực tiễn. 4.1.3. Phân tích kết quả chỉ tiêu độ bền bám trƣợt lớp phủ với thép nền 4.1.3.1. Sự ảnh hưởng của các thông số phun đến độ bền bám trượt Kết quả phân tích phƣơng sai (ANOVA) cho thấy giá trị xác suất (P-value) của các yếu tố bậc nhất và bậc 2, cũng cho các giá trị tƣơng ứng nhỏ hơn so với mức ý nghĩa  (chọn  = 0,05). Điều đó cho thấy sự xuất hiện của các yếu tố là rất có ý nghĩa đối với mô hình hàm mục tiêu. Tuy giá trị xác suất ở mục kiểm định sự thiếu phù hợp (Lack-of- Fit) của mô hình lớn hơn so với mức ý nghĩa , thế nhƣng xét một cách tổng thể thì dạng phƣơng trình hàm hồi quy vẫn có thể chấp nhận vì hệ số hồi quy (R2) tính đƣợc có tới (93,85%) số liệu thực nghiệm tƣơng thích với số liệu dự đoán theo phƣơng trình cho thấy cũng là rất đáng kể. Nhƣ vậy việc chọn vùng khảo sát của các thông số đầu vào cũng cho là phù hợp vào đảm bảo đƣợc chất lƣợng của hàm mục tiêu đầu ra (τBtr). Để làm rõ hơn nội dung phân tích và nhận định trên, ta tiến hành phân tích sự tƣơng tác giữa các thông số đến hàm mục tiêu đầu ra trong biểu đồ (hình 4.6).
14 Hình 4.6. Biểu đồ sự tương tác giữa các thông số phun đến hàm mục tiêu (τBtr) - Xét ảnh hƣởng giữa (Ip) và (mp) cho thấy: Khi Ip = 550A, nếu tăng (mp) trong khoảng từ (13,18 ÷ 30)g/ph làm cho độ bền bám trƣợt của lớp phủ tăng. Tuy nhiên khi (mp) tiếp tục tăng trong khoảng từ (30 ÷ 46,82)g/ph, thì lại làm cho độ bền bám trƣợt của lớp phủ giảm. Trong cả hai trƣờng hợp khi (Ip = 450A và Ip = 650A) nếu tăng (mp) trong khoảng từ (20 ÷ 40)g/ph đều làm cho độ bền bám trƣợt của lớp phủ tăng, tuy nhiên khi Ip = 450A thì mức độ ảnh hƣởng của (mp) đến độ bám trƣợt lớn hơn khi Ip = 650A. Điều này có thể đƣợc giải thích, khi (Ip) tăng có nghĩa làm tăng công suất của hồ quang, khi đó các hạt phun có trạng thái nhiệt để nóng chảy tốt hơn làm cho sự lắng đọng lớp phủ cao hơn. Mặt khác khi (mp) cấp vào vùng phun càng lớn làm cho nhiệt độ nóng chảy hạt giảm do bị phân tán nhiệt bởi số lƣợng hạt phun, điều này cũng có thể làm giảm lực va đập của hạt phun với thép nền dẫn đến độ bền bám trƣợt giảm. Trong trƣờng hợp muốn cải thiện năng suất phun bằng cách tăng lƣu lƣợng cấp bột, khi đó ta cần tiếp tục tăng cƣờng độ dòng điện phun để có đƣợc nhiệt độ nóng chảy hạt tốt hơn, tuy nhiên sự cải thiện này có lẽ mang lại hiệu quả dự đoán sẽ không cao. - Ảnh hƣởng giữa (Ip) và (Lp) cũng cho ta thấy: Khi Ip = 550A, độ bền bám trƣợt của lớp phủ với thép nền tăng nếu tăng (Lp) trong khoảng từ (92,73 ÷ 160)mm và ngƣợc lại nếu tiếp tục tăng (Lp) thì lại làm cho độ bền bám trƣợt giảm. Độ bền bám trƣợt sẽ tăng trong cả hai trƣờng hợp (gồm Ip = 450A và Ip = 650A) khi (Lp) tăng trong khoảng từ (120 ÷ 200)mm, tuy nhiên mức độ ảnh hƣởng của (Lp) đến độ bám trƣợt khi Ip = 450A lớn hơn khi Ip = 650A. Điều này có thể giải thích là khi tăng khoảng cách phun làm một phần các hạt phun bị tái rắn trở lại do bị nguội (hạt càng nhỏ thời gian tái rắn càng nhanh), đồng thời các hạt bị ôxy hóa cũng nhiều hơn làm cho lớp phủ có độ bền bám trƣợt giảm. Ngƣợc lại khi khoảng cách phun quá gần làm hiệu suất phun giảm do lực va đập mạnh khiến cho các hạt bị văng ra ngoài làm thất thoát vật liệu phủ. - Xét đến cặp tƣơng tác giữa (mp) và (Lp) cho thấy: Khi mp = 30g/ph, nếu (Lp) tăng trong khoảng từ (92,73 ÷ 160)mm thì độ bám trƣợt tăng, mặt khác nếu tiếp tục tăng (Lp) trong khoảng từ (160 ÷ 227,27)mm lại làm cho độ bám trƣợt giảm. Khoảng cách phun tăng trong khoảng từ (120 ÷ 200)mm, sẽ làm cho độ bám trƣợt tăng khi mp = 20g/ph, ngƣợc lại cũng trong khoảng cách phun này độ bền bám trƣợt lại có xu hƣớng giảm khi mp = 40g/ph. Điều này có thể đƣợc giải thích là khi tăng (Lp) thì (mp) vào phải nhỏ có thể sẽ làm độ bền bám bám trƣợt tăng, bởi nhiệt tăng do mật độ hạt giảm nhƣng khoảng cách tăng làm hiệu suất nhiệt tại thời điểm va chạm thuận lợi cho độ bám trƣợt tốt nhất. Ngƣợc lại (mp) tăng quá cao làm cho nhiệt độ hồ quang trong buồng đốt giảm xuống, vận tốc hạt cũng giảm theo và điều đó làm cho chất lƣợng lớp phủ nói chung, độ bền bám trƣợt của lớp phủ nói riêng giảm theo. Khi (mp) cấp vào lớn thì cần giảm khoảng cách phun để cải thiện chất lƣợng lớp phủ. 4.1.3.2. Xây dựng phương trình hàm hồi quy thực nghiệm Phƣơng trình hàm hồi quy thực nghiệm chỉ tiêu độ bền bám trƣợt của lớp phủ với thép nền, đƣợc xây dựng thể hiện mối quan hệ giữa độ bền bám trƣợt của lớp phủ với các thông số phun đạt đƣợc nhƣ biểu thức (4.2). τBt = -143,1 + 0,3227Ip + 2,498mp + 0,723Lp - 0,000244Ip*Ip - 0,02261mp*mp - (4.2) 0,001723Lp*Lp - 0,000900Ip*mp - 0,000075Ip*Lp - 0,00331mp*Lp
15 Phƣơng trình hàm hồi quy đã đƣợc sử dụng để dự đoán độ bền bám trƣợt của lớp phủ với thép nền. Kết quả so sánh cho biết, độ bền bám trƣợt khi tính dự đoán khớp với số liệu độ bền bám trƣợt đo đƣợc khi thực nghiệm, độ sai lệch trung bình là 2,1% và có điểm sai lệch lớn nhất là 4,5%. Nhƣ vậy, có thể thấy phƣơng trình hàm hồi quy của hàm mục tiêu (τBtr) đã đƣợc kiểm tra thành công và có thể dùng để dự đoán độ bền bám trƣợt của lớp phủ với thép nền và để tối ƣu chỉ tiêu này. 4.1.3.3. Kết quả tối ưu hóa bộ thông số phun cho độ bền bám trượt Giải bài toán tối ƣu chỉ tiêu độ bền bám trƣợt của lớp phủ với thép nền với mong muốn càng lớn càng tốt, kết quả đƣợc thống kê trong (bảng 4.5). Bảng 4.5. Giá trị tối ưu hóa các thông số phun và giá trị hàm mục tiêu (τ Btr) Giá trị thông số phun tối ƣu Kết quả độ bền bám trƣợt τBt (MPa) Độ sai lệch Ip (A) mp (g/ph) Lp (mm) Kết quả dự đoán Kết quả kiểm chứng (%) 578,9 31,5 166,1 49,8 48,1 3,5 Kết quả đo thực nghiệm kiểm chứng cũng đƣợc trình bày trong (bảng 4.5) này, so sánh kết quả thực nghiệm kiểm chứng với kết quả khi dự đoán cho thấy rất gần nhau, có độ sai lệch 3,5%. Điều đó chứng tỏ giá trị tối ƣu các thông số đạt đƣợc là phù hợp để áp dụng vào thực tiễn. 4.1.4. Phân tích kết quả chỉ tiêu độ bền kéo đứt sự liên kết lớp phủ: 4.1.4.1. Sự ảnh hưởng của các thông số phun đến độ bền kéo đứt sự liên kết lớp phủ Kết quả phân tích phƣơng sai (ANOVA) cho thấy giá trị xác suất (P-value) của các yếu tố bậc nhất và bậc 2, đều cho các giá trị tƣơng ứng nhỏ hơn so với mức ý nghĩa  (chọn  = 0,05). Điều đó cho thấy sự xuất hiện của các yếu tố là rất có ý nghĩa đối với mô hình hàm mục tiêu. Mặt khác ta cũng nhận thấy giá trị xác suất ở mục kiểm định sự thiếu phù hợp (Lack-of-Fit) của mô hình có giá trị (P~0,0001) nhỏ hơn nhiều so với mức ý nghĩa , điều này cho biết dạng phƣơng trình hàm hồi quy có đƣợc rất khớp với dữ liệu đo đƣợc. Hệ số xác định của hàm hồi quy (R2) tính đƣợc cũng cho thấy có tới (95,98%) số liệu thực nghiệm tƣơng thích với số liệu dự đoán theo phƣơng trình. Nhƣ vậy có thể thấy việc chọn các thông số đầu vào là phù hợp và có vùng khảo sát đã đảm bảo độ bền kéo đứt lớp phủ đạt giá trị là lớn nhất. Để làm rõ hơn nội dung phân tích và nhận định trên, ta tiến hành phân tích sự tƣơng tác giữa các thông số đến hàm mục tiêu đầu ra trong biểu đồ (hình 4.10). Hình 4.10. Biểu đồ sự tương tác giữa các thông số phun đến hàm mục tiêu (σk) - Xem xét ảnh hƣởng giữa (Ip) và (mp) cho ta thấy: Khi Ip = 550A, nếu tăng (mp) trong khoảng từ (13,18 ÷ 30)g/ph làm cho độ bền kéo đứt lớp phủ tăng. Tuy nhiên khi (mp) tiếp tục tăng trong khoảng từ (30 ÷ 46,82)g/ph thì lại làm cho độ bền kéo đứt lớp phủ giảm. Mặt khác trong cả hai trƣờng hợp khi (Ip = 450A và Ip = 650A) nếu tăng (mp) trong khoảng từ (20 ÷ 40)g/ph thì đều làm cho độ bền kéo đứt lớp phủ tăng. Tuy nhiên khi Ip = 650A thì mức độ ảnh hƣởng của (mp) đến độ bền kéo đứt của lớp phủ lớn hơn khi Ip = 450A. Điều này có thể đƣợc giải thích là, khi tăng (Ip) lúc này làm tăng nhiệt độ nung nóng trong buồng phun, khi đó các hạt phun có trạng thái nhiệt để nóng chảy tốt hơn và sự liên kết lớp phủ cao hơn. Khi (mp) cấp vào vùng phun càng lớn làm cho nhiệt độ nóng chảy hạt phun giảm xuống do bị phân tán nhiệt bởi số lƣợng hạt phun, điều này
16 cũng có thể làm giảm sự liên kết giữa các phần tử hạt phun dẫn đến độ bền kéo đứt của lớp phủ giảm. - Tiếp theo ảnh hƣởng giữa (Ip) và (Lp) cũng cho ta thấy rất rõ là: Khi Ip = 550A, độ bền kéo đứt của lớp phủ tăng khi tăng (Lp) trong khoảng từ (92,73 ÷ 160)mm. Ngƣợc lại nếu tiếp tục tăng (Lp) trong khoảng từ (160 ÷ 227,27)mm lại làm cho độ bền kéo đứt của lớp phủ giảm. Độ bền kéo đứt của lớp phủ sẽ tăng đối với cả hai trƣờng hợp của cƣờng độ dòng điện phun (gồm Ip = 450A và Ip = 650A), khi tăng (Lp) trong khoảng từ (120 ÷ 200)mm, tuy nhiên mức độ ảnh hƣởng của khoảng cách phun đến độ bền kéo đứt của lớp phủ khi Ip = 650A lớn hơn khi Ip = 450A. Điều này có thể giải thích là khi tăng (Lp) làm một phần các hạt phun bị tái rắn trở lại do bị nguội, đồng thời các hạt bị ôxy hóa cũng nhiều hơn làm sự liên kết giữa các phần tử phun với nhau kém dẫn đến độ bền kéo đứt lớp phủ giảm. Ngƣợc lại khi (Lp) quá gần làm hiệu suất phun giảm do lực va đập mạnh giữa hạt phun với thép nền khiến cho các hạt bị văng ra ngoài làm thất thoát vật liệu phủ. - Xét đến cặp tƣơng tác giữa (mp) và (Lp) cho ta thấy: Khi mp = 30g/ph, nếu tăng (Lp) trong khoảng từ (92,73 ÷ 160)mm thì độ bền kéo đứt của lớp phủ tăng và nếu tiếp tục tăng (Lp) trong khoảng từ (160 ÷ 227,27)mm lại làm cho độ bền kéo đứt của lớp phủ giảm. Tiếp theo trong cả hai trƣờng hợp phun khi lƣu lƣợng cấp bột phun (gồm mp = 20g/ph và mp= 40g/ph) nếu tăng (Lp) trong khoảng từ (120 ÷ 200)mm sẽ làm cho độ bền kéo đứt của lớp phủ tăng, tuy nhiên mức độ ảnh hƣởng của (Lp) đến độ bền kéo đứt của lớp phủ khi mp = 20g/ph lớn hơn khi mp = 40g/ph. Điều này có thể đƣợc giải thích, khi (Lp) tăng làm cho động năng các hạt giảm dần dẫn đến độ liên kết giữa các phần tử phun giảm. Khi (mp) cấp vào nhỏ sẽ làm độ bền kéo đứt của lớp phủ tăng, điều này có thể do mật độ hạt cấp vào buồng phun giảm làm hiệu suất nung nóng hạt phun nhiều hơn. Ngƣợc lại, (mp) tăng quá cao làm cho nhiệt độ hồ quang trong buồng đốt giảm xuống và đồng thời làm vận tốc hạt cũng giảm theo, điều đó làm cho chất lƣợng và độ bền kéo đứt của lớp phủ giảm xuống. Do vậy khi lƣu lƣợng cấp bột vào lớn ta cần giảm (Lp) để cải thiện chất lƣợng lớp phủ. 4.1.4.2. Xây dựng phương trình hàm hồi quy thực nghiệm Phƣơng trình hàm hồi quy thực nghiệm đƣợc xây dựng thể hiện mối quan hệ giữa độ bền kéo của lớp phủ với các thông số phun đƣợc trình bày nhƣ biểu thức (4.3). σk = -171,5 + 0,5019Ip + 3,184mp + 1,115Lp – 0,000466Ip*Ip – 0,04394mp*mp (4.3) - 0,003288Lp*Lp + 0,000350Ip*mp + 0,000163Ip*Lp – 0,00281mp*Lp Phƣơng trình hàm hồi quy đã đƣợc sử dụng để dự đoán độ bền kéo đứt của lớp phủ. Kết quả so sánh cho biết, độ bền kéo đứt lớp phủ khi tính dự đoán khớp với số liệu độ bền kéo đo đƣợc khi thực nghiệm, độ sai lệch lớn nhất là 2,9% và độ sai lệch trung bình là 1,2%. Nhƣ vậy, có thể thấy phƣơng trình hàm hồi quy của hàm mục tiêu (σk) đã đƣợc kiểm tra thành công và có thể dùng để dự đoán độ bền kéo đứt lớp phủ và để tối ƣu chỉ tiêu này. 4.1.4.3. Kết quả tối ưu hóa bộ thông số phun cho độ bền kéo đứt sự liên kết lớp phủ Tƣơng tự giải bài toán tối ƣu chỉ tiêu độ bền kéo đứt sự liên kết lớp phủ với mong muốn càng lớn càng tốt. Kết quả tối ƣu đƣợc thống kê trong (bảng 4.7). Bảng 4.7. Giá trị tối ưu hóa các thông số phun và giá trị hàm mục tiêu (σk) Giá trị thông số phun tối ƣu Kết quả độ bền kéo lớp phủ σk (MPa) Độ sai lệch (%) Ip (A) mp (g/ph) Lp (mm) Kết quả dự đoán Kết quả kiểm chứng 582,3 33,2 170,2 121,5 118,7 2,4 Kết quả đo thực nghiệm kiểm chứng cũng đƣợc trình bày trong (bảng 4.7) này, so sánh kết quả thực nghiệm kiểm chứng với kết quả khi dự đoán cho thấy số liệu rất sát nhau, có độ sai lệch 2,4%. Điều đó chứng tỏ giá trị tối ƣu các thông số đạt đƣợc là phù hợp để áp dụng vào thực tiễn.
17 4.1.5. Phân tích kết quả chỉ tiêu độ xốp của lớp phủ: 4.1.5.1. Sự ảnh hưởng của các thông số phun đến độ xốp lớp phủ Kết quả phân tích phƣơng sai (ANOVA) cho thấy giá trị xác suất (P-value) của các yếu tố bậc nhất và bậc 2, đều có giá trị tƣơng ứng nhỏ hơn so với mức ý nghĩa  (chọn  = 0,05). Điều đó cho thấy sự xuất hiện của các yếu tố là rất có ý nghĩa đối với mô hình hàm mục tiêu. Mặc khác ta cũng nhận thấy ở mục kiểm định sự thiếu phù hợp (Lack-of-Fit) của mô hình có giá trị xác suất (~0,0001) cũng nhỏ hơn nhiều so với mức ý nghĩa , điều này có nghĩa là dạng phƣơng trình có đƣợc khớp với dữ liệu đo đƣợc. Hệ số xác định của hàm hồi quy thực nghiệm (R2) tính đƣợc cũng cho thấy có tới (98,03%) số liệu thực nghiệm tƣơng thích với số liệu dự đoán theo phƣơng trình. Nhƣ vậy có thể thấy việc chọn các thông số đầu vào và vùng khảo sát của các thông số đã đảm bảo cho hàm mục tiêu có giá trị là lớn nhất. Để làm rõ hơn nội dung phân tích và nhận định trên, ta tiến hành phân tích sự tƣơng tác giữa các thông số đến hàm mục tiêu đầu ra trong biểu đồ (hình 4.14). Hình 4.14. Biểu đồ sự tương tác giữa các thông số đến độ xốp của lớp phủ. - Xét cặp ảnh hƣởng giữa (Ip) và (mp) cho ta thấy: Khi Ip = 550A, nếu tăng (mp) trong khoảng từ (13,18 ÷ 30)g/ph sẽ làm cho độ xốp giảm, ngƣợc lại khi tiếp tục tăng (mp) trong khoảng từ (30 ÷ 46,82)g/ph lại làm cho độ xốp tăng. Mặt khác độ xốp lớp phủ giảm khi (mp) tăng trong khoảng từ (20 ÷ 40)g/ph trong cả hai trƣờng hợp (gồm Ip = 450A và Ip = 650A), tuy nhiên mức độ ảnh hƣởng của lƣu lƣợng cấp bột phun khi Ip = 650A lớn hơn và cũng cho độ xốp nhỏ hơn khi Ip = 450A. Điều này có thể đƣợc giải thích, khi (Ip) tăng có nghĩa làm tăng công suất hồ quang và khi đó các hạt phun có trạng thái nhiệt để nóng chảy tốt hơn, do đó làm cho sự lắng đọng lớp phủ tốt hơn thì độ xốp giảm. Mặt khác khi thay đổi (mp) đồng nghĩa với việc thay đổi mật độ hạt đƣợc cấp vào buồng đốt, điều này làm thay đổi nhiệt độ hồ quang trong buồng đốt và điều đó có thể làm nóng chảy một phần hoặc hoàn toàn hạt phun. Do vậy khi mật độ hạt quá lớn phần nào đó làm ảnh hƣởng đến khả năng nóng chảy của các hạt bột, làm gia tăng các hạt không đƣợc nóng chảy hoàn toàn và có thể đó là nguyên nhân tạo nên sự ôxy hóa của các hạt tăng cao tạo ra các lỗ rỗng xốp lớp phủ tăng theo. - Tiếp theo xét cặp ảnh hƣởng giữa (Ip) và (Lp) cho thấy rằng: Khi Ip = 550A, độ xốp lớp phủ sẽ giảm khi tăng (Lp) trong khoảng từ (92,73 ÷ 160)mm, ngƣợc lại độ xốp lớp phủ tăng khi (Lp) tiếp tục tăng trong khoảng từ (160 ÷ 227,27)mm. Mặt khác độ xốp lớp phủ sẽ tăng dần khi khoảng cách phun tăng từ (120 ÷ 200)mm đối với cả hai trƣờng hợp của cƣờng độ dòng điện phun (gồm Ip = 450A và Ip = 650A), tuy nhiên mức độ ảnh hƣởng của khoảng cách phun đến độ xốp của lớp phủ khi Ip = 450A lớn hơn khi Ip = 650A, nhƣng độ xốp lớp phủ lại giảm khi Ip = 650A. Điều này có thể giải thích là khi tăng (Lp) làm gia tăng số các hạt phun bị tái rắn trở lại do bị nguội, đồng thời các hạt bị ôxy hóa cũng nhiều hơn làm cho độ xốp lớp phủ tăng. Đồng thời (Lp) càng lớn làm các hạt phun bị giảm động năng va đập, điều đó cũng có thể làm giảm sự liên kết dẫn đến độ xốp có xu hƣớng tăng. Ngƣợc lại khi (Lp) gần có thể làm cho độ xốp có xu hƣớng giảm, nhƣng hiệu suất phun giảm theo do lực va đập mạnh làm cho các hạt bị văng ra ngoài.
18 - Xét đến cặp tƣơng tác giữa (mp) và (Lp) cũng cho ta thấy rất rõ: Khi mp = 30g/ph, nếu tăng (Lp) trong khoảng từ (92,73 ÷ 160)mm sẽ làm cho độ xốp giảm, ngƣợc lại nếu tiếp tục tăng (Lp) trong khoảng từ (160 ÷ 227,27)mm lại làm cho độ xốp có xu hƣớng tăng cao. Mặt khác khi (mp) đƣợc cấp ở 2 mức giá trị (gồm mp = 20g/ph và ms = 40g/ph), độ xốp sẽ tăng khi (Lp) tăng từ (120 ÷ 200)mm, tuy nhiên mức độ ảnh hƣởng của (mp) đến độ xốp khi mp = 20g/ph lớn hơn khi mp= 40g/ph. Vấn đề này có thể đƣợc giải thích là khi tăng (Lp) làm cho nhiệt độ hạt giảm do bị nguội bởi quãng đƣờng di chuyển, đồng thời làm giảm động năng hạt phun điều đó có thể dẫn đến độ xốp lớp phủ tăng. Ngƣợc lại khi (Lp) gần lớp phủ có xu hƣớng cho độ xốp giảm, tuy nhiên hiệu suất phun sẽ giảm do lực va đập lớn làm các hạt bị văng ra khỏi bề mặt phun. Đối với lƣu lƣợng cấp bột cấp bột vào buồng đốt tăng làm cho nhiệt độ hồ quang của buồng đốt giảm xuống, vận tốc hạt cũng có thể giảm theo và điều đó làm cho độ xốp tăng. Để có đƣợc độ xốp lớp phủ thấp thì lƣu lƣợng cấp bột vào buồng đốt vừa đủ để nhiệt hồ quang nung chảy gần nhƣ hoàn toàn số lƣợng hạt phun và đồng thời khoảng cách phun phù hợp, trong nghiên cứu này khoảng cách phun cho thấy lân cận 160mm. 4.1.5.2. Xây dựng phương trình hàm hồi quy thực nghiệm Phƣơng trình hàm hồi quy thực nghiệm ở dạng đa thức bậc 2 đƣợc xây dựng thể hiện mối quan hệ giữa độ xốp của lớp phủ với các thông số phun đƣợc trình bày nhƣ biểu thức (4.4). γLp = 45,10 – 0,08590Ip – 0,4038mp – 0,1475Lp + 0,000082Ip*Ip + 0,007884mp*mp (4.4) + 0,000582Lp*Lp – 0,000064Ip*mp – 0,000038Ip*Lp – 0,000307mp*Lp Phƣơng trình hàm hồi quy đã đƣợc sử dụng để dự đoán độ xốp của lớp phủ. Kết quả so sánh cho biết, độ xốp lớp phủ khi tính dự đoán khớp với số liệu độ xốp lớp phủ đo đƣợc khi thực nghiệm, độ sai lệch lớn nhất là 5,7% và độ sai lệch trung bình là 2,8%. Nhƣ vậy, có thể thấy phƣơng trình hàm hồi quy của hàm mục tiêu (γLp) đã đƣợc kiểm tra thành công và có thể dùng để dự đoán độ xốp lớp phủ và để tối ƣu chỉ tiêu này. 4.1.5.3. Kết quả tối ưu hóa bộ thông số phun cho độ xốp lớp phủ Giải bài toán tối ƣu chỉ tiêu độ xốp lớp phủ với mong muốn càng thấp càng tốt. Kết quả tối ƣu đƣợc thống kê trong (bảng 4.9). Bảng 4.9. Giá trị tối ưu các thông số phun cho chỉ tiêu độ xốp lớp phủ Giá trị thông số phun tối ƣu Kết quả độ xốp lớp phủ γLp (%) Độ sai lệch Ip (A) mp (g/ph) Lp (mm) Kết quả dự đoán Kết quả kiểm chứng (%) 572,1 30,8 153,9 2,98 3,07 2,93 Kết quả đo thực nghiệm kiểm chứng cũng đƣợc trình bày trong (bảng 4.9) này, so sánh kết quả thực nghiệm kiểm chứng với kết quả khi dự đoán cho thấy số liệu rất sát nhau, có độ sai lệch 2,93%. Điều đó cho thấy giá trị tối ƣu các thông số đạt đƣợc là phù hợp để áp dụng vào thực tiễn. 4.1.6. Phân tích kết quả chỉ tiêu độ cứng của lớp phủ: 4.1.6.1. Sự ảnh hưởng của các thông số phun đến độ cứng lớp phủ Số liệu chỉ tiêu độ cứng lớp phủ có trong (Bảng 4.1), đƣợc tiến hành phần tích. Kết quả phân tích phƣơng sai (ANOVA) cho thấy giá trị xác suất (P-value) của các yếu tố bậc nhất và bậc 2, đều có giá trị tƣơng ứng nhỏ hơn so với mức ý nghĩa  (chọn  = 0,05). Điều đó cho thấy sự xuất hiện của các yếu tố là rất có ý nghĩa đối với mô hình hàm mục tiêu. Mặc khác ta cũng nhận thấy ở mục kiểm định sự thiếu phù hợp (Lack-of- Fit) của mô hình có giá trị xác suất (~0,024) cũng nhỏ hơn so với mức ý nghĩa , điều này có nghĩa là dạng phƣơng trình có đƣợc khớp với dữ liệu đo đƣợc. Hệ số xác định của hàm hồi quy thực nghiệm (R2) tính đƣợc cũng cho thấy có tới (95,28%) số liệu thực nghiệm tƣơng thích với số liệu dự đoán theo phƣơng trình. Nhƣ vậy có thể thấy việc