Luận văn Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ phun phủ HVOF đến chất lượng lớp phủ bề mặt chi tiết làm việc trong điều kiện khắc nghiệt bị mòn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ CÔNG THƢƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ NGUYỄN THANH PHÚ NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ HVOF ĐẾN CHẤT LƢỢNG LỚP PHỦ BỀ MẶT CHI TIẾT LÀM VIỆC TRONG ĐIỀU KIỆN KHẮC NGHIỆT BỊ MÒN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ MÃ SỐ: 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội - 2019 i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ CÔNG THƢƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU CƠ KHÍ NGUYỄN THANH PHÚ NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ HVOF ĐẾN CHẤT LƢỢNG LỚP PHỦ BỀ MẶT CHI TIẾT LÀM VIỆC TRONG ĐIỀU KIỆN KHẮC NGHIỆT BỊ MÒN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ MÃ SỐ: 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS Đinh Văn Chiến 2. PGS. TS Đào Duy Trung Hà Nội – 2019 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả trình bày trong Luận án này là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất cứ công trình nào khác. Hà Nội, tháng 04 năm 2019 Nghiên cứu sinh Nguyễn Thanh Phú TẬP THỂ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS. TS Đinh Văn Chiến PGS. TS Đào Duy Trung iii LỜI CẢM ƠN Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Đinh Văn Chiến, PGS.TS Đào Duy Trung đã tận tình hƣớng dẫn, tạo điều kiện, động viên trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Viện Nghiên cứu Cơ khí, lãnh đạo, chuyên viên cùng các Thầy của Trung tâm đào tạo sau đại học của Viện, đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu thực hiện luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu, lãnh đạo Khoa Cơ khí trƣờng Đại học SPKT Hƣng Yên đã có sự hỗ trợ kinh phí và tạo điều kiện về thời gian trong quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy, cô trong Khoa Cơ khí cùng các đồng nghiệp đã đóng góp ý kiến, hỗ trợ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu thực hiện luận án. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới toàn thể gia đình, bạn bè, những ngƣời đã luôn chia sẻ, động viên, giúp đỡ tôi học tập, nghiên cứu và hoàn thành Luận án này. Nghiên cứu sinh Nguyễn Thanh Phú iv MỤC LỤC MỤC LỤC ...................................................................................................................... v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .................................................... ix DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................... xii DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ ...................................................................... xiv MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHUN PHỦ NHIỆT ................................................. 6 1.1 Lịch sử phát triển phun phủ nhiệt .............................................................................. 6 1.2 Các phƣơng pháp phun phủ nhiệt .............................................................................. 8 1.2.1 Phun hồ quang điện ................................................................................................ 9 1.2.2 Phun khí cháy ....................................................................................................... 10 1.2.3 Phun Plasma ......................................................................................................... 11 1.2.4 Phun nổ ................................................................................................................. 12 1.2.5 Phun nguội ............................................................................................................ 12 1.2.6 Phun oxy nhiên liệu tốc độ cao (HVOF - High velocity oxy fuel) ...................... 13 1.3 Những kết quả nghiên cứu và ứng dụng phun HVOF trên thế giới ........................ 17 1.4 Những kết quả nghiên cứu và ứng dụng phun phủ nhiệt tại Việt Nam ................... 25 Kết luận chƣơng 1 ......................................................................................................... 29 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƢƠNG PHÁP PHUN HVOF ............... 30 2.1 Nguyên lý chung về phun phủ nhiệt ........................................................................ 30 2.1.1 Giai đoạn nung nóng và nóng chảy vật liệu phun ................................................ 30 2.1.2 Giai đoạn phân tán ................................................................................................ 30 2.1.3 Giai đoạn bay ........................................................................................................ 31 2.1.4 Giai đoạn va đập ................................................................................................... 31 2.2 Cơ sở của quá trình phun nhiệt HVOF .................................................................... 32 2.2.1 Quá trình cháy ...................................................................................................... 32 2.2.2 Động lực học chất khí và dòng chảy rối ............................................................... 33 2.2.3 Tƣơng tác giữa các pha trong dòng chảy ............................................................. 37 2.2.4 Biến dạng hạt và hình thành lớp phủ rắn .............................................................. 37 2.3 Các thuộc tính của lớp phủ HVOF .......................................................................... 39 2.3.1 Cấu trúc lớp phủ HVOF ....................................................................................... 39 2.3.1.1 Đặc điểm về cấu trúc ......................................................................................... 39 v 2.3.1.2 Độ xốp ............................................................................................................... 40 2.3.2 Tính chất cơ tính chính của lớp phủ phun nhiệt ................................................... 41 2.3.2.1 Độ bền bám dính của lớp phủ ............................................................................ 41 2.3.2.2 Độ cứng lớp phủ ................................................................................................ 43 2.4 Ảnh hƣởng của các thông số phun đến chất lƣợng lớp phủ HVOF ........................ 44 2.4.1 Nhiệt độ hạt .......................................................................................................... 44 2.4.2 Tốc độ hạt ............................................................................................................. 45 2.4.3 Tỷ lệ oxy/propan ................................................................................................... 46 2.4.4 Khoảng cách phun ................................................................................................ 48 2.4.5 Lƣu lƣợng phun .................................................................................................... 50 Kết luận chƣơng 2. ........................................................................................................ 51 CHƢƠNG 3. PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM VÀ KIỂM TRA ĐÁNH GIÁ ........ 52 3.1 Mô hình thực nghiệm .............................................................................................. 52 3.2 Vật liệu, thiết bị thực nghiệm .................................................................................. 52 3.2.1 Vật liệu thực nghiệm ............................................................................................ 52 3.2.1.1 Vật liệu nền ........................................................................................................ 52 3.2.1.2 Vật liệu phun ..................................................................................................... 53 3.2.2 Thiết bị phun HVOF ............................................................................................. 55 3.2.2.1 Bộ phận cấp bột phun ........................................................................................ 57 3.2.2.2 Hệ thống cấp khí ................................................................................................ 58 3.2.2.3 Hệ thống điều chỉnh lƣu lƣợng khí quá trình .................................................... 58 3.2.2.4 Súng phun HP-2700M ....................................................................................... 59 3.2.2.5 Thiết bị hỗ trợ khác ........................................................................................... 59 3.3 Phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm ..................................................................... 59 3.3.1 Thiết kế thực nghiệm theo phƣơng pháp Taguchi ................................................ 60 3.3.2 Phân tích phƣơng sai ............................................................................................ 62 3.3.3 Các phƣơng pháp tối ƣu cho nhiều mục tiêu đầu ra ............................................. 63 3.3.4 Tối ƣu đa mục tiêu dựa trên trọng số ảnh hƣởng của các yếu tố ảnh hƣởng tới chất lƣợng đầu ra (MRWSN) ........................................................................................ 65 3.3.5 Phƣơng pháp xây dựng hàm hồi quy .................................................................... 67 3.4 Quy trình phun thực nghiệm .................................................................................... 69 vi 3.5 Kỹ thuật phun .......................................................................................................... 72 3.6 Thực nghiệm thăm dò xác định khoảng giá trị thực nghiệm ................................... 73 3.7 Phƣơng pháp đánh giá tính chất của lớp phủ .......................................................... 77 3.7.1 Cấu trúc của lớp phủ thông qua chụp SEM .......................................................... 77 3.7.2 Thành phần pha của lớp phủ................................................................................. 78 3.7.3 Độ xốp của lớp phủ .............................................................................................. 78 3.7.4 Độ cứng của lớp phủ ............................................................................................ 79 3.7.5 Độ bền bám dính của lớp phủ với bề mặt nền ...................................................... 80 3.7.6 Độ mài mòn của lớp phủ ...................................................................................... 82 Kết luận chƣơng 3 ......................................................................................................... 84 CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN ...................................... 85 4.1 Kết quả phun thực nghiệm....................................................................................... 85 4.2 Cấu trúc và thành phần pha của lớp phủ ................................................................. 86 4.3 Đánh giá các tính chất lớp phủ và mức độ ảnh hƣởng của các thông số phun ....... 89 4.3.1 Kết quả đo và mức độ ảnh hƣởng của các thông số phun đến độ cứng lớp phủ .. 90 4.3.1.1 Kết quả đo độ cứng lớp phủ trên các mẫu thực nghiệm .................................... 90 4.3.1.2 Mức độ ảnh hƣởng của các thông số phun tới độ cứng lớp phủ ....................... 90 4.3.2 Kết quả đo độ bền bám dính và mức độ ảnh hƣởng của các thông số phun ........ 91 4.3.2.1 Kết quả đo độ bền bám dính lớp phủ trên các mẫu thực nghiệm ...................... 91 4.3.2.2 Mức độ ảnh hƣởng của các thông số phun tới độ bền bám dính lớp phủ ......... 92 4.3.3 Kết quả đo và mức độ ảnh hƣởng của các thông số phun tới độ xốp lớp phủ ..... 93 4.3.3.1 Kết quả đo độ xốp của lớp phủ trên các mẫu thực nghiệm ............................... 93 4.3.3.2 Mức độ ảnh hƣởng của các thông số phun tới độ xốp lớp phủ ......................... 93 4.4 Thông số phun phù hợp và ảnh hƣởng của các thông số phun đến các tính chất lớp phủ. ................................................................................................................................ 95 4.4.1 Thông số phun phù hợp và quan hệ toán học giữa các thông số phun tới độ cứng lớp phủ ........................................................................................................................... 95 4.4.1.1 Thông số phun phù hợp tới độ cứng lớp phủ .................................................... 95 4.4.1.2 Quan hệ toán học giữa các thông số phun tới độ cứng lớp phủ ........................ 97 4.4.1.3 Sự phù hợp của hàm toán học với kết quả thực nghiệm ................................... 99 4.4.1.4 Ảnh hƣởng của các thông số phun tới độ cứng lớp phủ .................................... 99 vii 4.4.1.5 Thực nghiệm kiểm chứng thông số phun đơn mục tiêu của độ cứng lớp phủ 103 4.4.2 Thông số phun phù hợp và quan hệ toán học giữa các thông số phun với độ bền bám dính lớp phủ ......................................................................................................... 103 4.4.2.1 Thông số phun phù hợp tới độ bền bám dính lớp phủ..................................... 103 4.4.2.2 Ảnh hƣởng của các thông số phun tới độ bền bám dính lớp phủ .................... 104 4.4.2.3 Thực nghiệm kiểm chứng thông số phun đơn mục tiêu của độ bền bám dính lớp phủ ............................................................................................................................... 108 4.4.3 Thông số phun phù hợp và quan hệ toán học giữa các thông số phun tới độ xốp lớp phủ ......................................................................................................................... 108 4.4.3.1 Thông số phun phù hợp tới độ xốp lớp phủ .................................................... 108 4.4.3.2 Ảnh hƣởng của các thông số phun tới độ xốp lớp phủ .................................... 110 4.4.3.3 Thực nghiệm kiểm chứng thông số phun đơn mục tiêu của độ xốp lớp phủ .. 112 4.5 Nghiên cứu ảnh hƣởng của các thông số phun đến đồng thời độ xốp, độ bền bám dính và độ cứng của lớp phủ ....................................................................................... 113 4.5.1 Xác định giá trị S/Ni tƣơng ứng cho các tính chất lớp phủ ................................ 113 4.5.1.1 Xác định các giá trị S/Ni với trƣờng hợp độ cứng lớp phủ ............................. 113 4.5.1.2 Xác định các giá trị S/Ni với trƣờng hợp độ bền bám dính lớp phủ................ 114 4.5.1.3 Xác định các giá trị S/Ni với trƣờng hợp độ xốp lớp phủ ............................... 116 4.5.2 Xác định các giá trị MRWSNi tổng thể .............................................................. 117 4.5.3 Ảnh hƣởng của các thông số phun tới đồng thời các tính chất lớp phủ ............. 119 4.5.4 Thực nghiệm kiểm chứng thông số phun tối ƣu đa mục tiêu ............................. 120 4.5.5 Sự cải thiện của lớp phủ đa mục tiêu so với đơn mục tiêu đến khả năng chịu mài mòn. ............................................................................................................................. 121 Kết luận chƣơng 4 ....................................................................................................... 122 KẾT LUẬN CHUNG .................................................................................................. 124 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 126 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ................................................... 139 PHỤ LỤC .................................................................................................................... 140 viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Thứ tự Ký hiệu Ý nghĩa của ký hiệu 1 A Lƣu lƣợng phun 2 ANOVA Analysys of variance - Phân tích phƣơng sai 3 APS Air plasma spray - Phun plasma trong không khí 4 Ap Diện tích chùm phun 5 AS Phun hồ quang điện 6 Af Diện tích tiết diện lỗ khí đi qua 7 a, a ,..., a Các hệ số của phƣơng trình 1 2 10 8 B Khoảng cách phun 9 C Tỷ lệ oxy/propan 10 CD Hệ số kéo 11 CF Hệ số điều chỉnh 12 CS Cold spray - Phun nguội 13 CS Vận tốc âm thanh 14 D Phƣơng sai 15 d, d’ Kích thƣớc vết đâm của mũi đâm đo độ cứng 16 DGS Detonation gun spray - Phun nổ 17 Dp Đƣờng kính hạt phun sau va chạm 18 dp Đƣờng kính hạt phun trƣớc va chạm 19 EDX/EDS Phổ tán sắc năng lƣợng 20 ep Nhiệt đã khuyếch tán của các lớp phủ 21 F Diện tích bề mặt xung quanh lớp phủ tiếp xúc với mẫu (mm2) 22 f(BD) Hàm số quan hệ giữa độ bền bám dính và thông số phun 23 f(DX) Hàm số quan hệ giữa độ xốp và thông số phun 24 fk Lực vật rắn của phần tử thứ k 25 f(HV) Hàm số quan hệ giữa độ cứng và thông số phun 26 fj Bậc tự do các yếu tố 27 ft Bậc tự do thực nghiệm 28 h Chiều rộng lớp phủ (mm) 29 hk Entanpy của loại khí k 30 HV Độ cứng đo theo thang HV 31 HVOF High velocity oxy fuel - Phun oxy nhiên liệu tốc độ cao 32 iC Sức căng bề mặt hạt 33 I Cƣờng độ mài mòn (g/N.mm) 34 J Yếu tố ảnh hƣởng 35 j Số mức của yếu tố J 36 K Tỷ lệ các nhiệt dung của oxy nhiên liệu 37 k Hệ số tổn thất 38 Lm Là chiều dài mẫu (mm); ix 39 L Hàm tổn thất 40 MI Tỷ số thời gian của hạt trong ngọn lửa 41 l Số mức của yếu tố j 42 La Khoảng cách giữa hai đƣờng phun liên tiếp 43 L9 Mảng trực giao L9 theo Taguchi 44 mf Tốc độ dòng chảy tối đa 45 m Trung bình của các giá trị S/N 46 Ma Tốc độ tính bằng Mach 47 MCA Máy phân tích chức năng 48 mij Trung bình S/N ứng với mức i Multi-Response optimization using multiple regression-Based 49 MRWSN weighted signal-to-noise ratio - Tối ƣu đa mục tiêu dựa trên hồi quy và trọng số ảnh hƣởng thông qua tỷ số S/N 50 n Tổng số thí nghiệm thực hiện 51 nji là số thử nghiệm của yếu tố j ở mức i 52 N Tải trọng tác dụng 53 OAs Mảng trực giao 54 op Áp lực lên bề mặt của giọt phun 55 p Áp suất khí 56 Pe Hằng số pelec 57 PFS Powder flame spray - Phun khí cháy với bột phun 58 Pj Phần trăm phân bố ảnh hƣởng của các yếu tố 59 P0 Áp suất ở trạng thái tốt nhất 60 Lực nén (kg) P 61 q Lƣợng nhiệt 62 R Hằng số khí 63 Re Chỉ số Reynolds 2 64 R Hệ số xác định của hàm số 65 R2 Hệ số xác định điều chỉnh của hàm số adj 66 S Chiều dài quãng đƣờng di chuyển của que thử mòn trên mẫu 67 SEM Ảnh chụp bằng kính hiển vi điện tử quét 68 Sj Tổng bình phƣơng phƣơng sai. 69 S/N Tín hiệu/nhiễu 70 SSR Tổng bình phƣơng tất cả các phần dƣ 71 SST Tổng bình phƣơng tất cả các sai lệch 72 ST Tổng bình phƣơng 73 T Nhiệt độ 74 T0 Tổng nhiệt độ ở trạng thái tốt nhất 75 u Vector vận tốc x