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 CƠNG 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: PGS.TS PHẠM ĐỨC CƯỜNG PGS.TS HOÀNG VĂN GỢT Hà Nội - 2022 i LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc chân thành đến hai thầy hướng dẫn khoa học PGS.TS Phạm Đức Cường PGS.TS Hoàng Văn Gợt định hướng hỗ trợ tận tình suốt trình nghiên cứu để tơi hồn thành luận án Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới Ban giám hiệu Trường đại học Công nghiệp Hà Nội, phịng tổ chức hành chính, trung tâm đào tạo sau Đại học, khoa Cơ khí, Trung tâm Cơ khí đơn vị khác trường tạo điều kiện giúp đỡ suốt thời gian học tập nghiên cứu; tới phịng thí nghiệm trọng điểm công nghệ hàn xử lý bề mặt - Viện Nghiên cứu Cơ khí Bộ Cơng thương giúp đỡ, tạo điều kiện sử dụng trang thiết bị thí nghiệm hướng dẫn tơi làm thực nghiệm Tơi xin gửi lời cám ơn tới nhà khoa học, giảng viên, bạn bè đồng nghiệp chia sẻ, đóng góp ý kiến quý báu, tư vấn, hỗ trợ cho tơi suốt q trình thực luận án Cuối cùng, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc chân thành tới gia đình, bố, mẹ, vợ, con, anh, chị, em hai bên nội, ngoại ủng hộ động viên, giúp đỡ vật chất lẫn tinh thần thời gian nghiên cứu mà thiếu họ, tơi khơng thể hồn thành luận án 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 cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các thí nghiệm số liệu trình bày luận án hoàn toàn trung thực Các kết luận án chưa cơng bố cơng trình nghiên cứu 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 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài luận án Những đóng góp đề tài luận án Bố cục luận án CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP PHUN PHỦ NHIỆT 1.1 LÝ THUYẾT VỀ SỰ HÌNH THÀNH LỚP PHỦ 1.2 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP PHUN PHỦ NHIỆT 1.2.1 Phương pháp phun phủ hồ quang điện 1.2.2 Phương pháp phun phủ lửa khí cháy 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 kích nổ khí 12 1.2.6 Phương pháp phun phủ 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 ứng dụng phun nhiệt giới 16 1.3.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng phun phủ nhiệt Việt Nam 19 KẾT LUẬN CHƯƠNG 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 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 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 phần tử phun 25 2.1.2.4 Giai đoạn va đập giọt kim loại vào bề mặt kim loại 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 lớp phủ 31 2.3.3 Độ xốp 34 2.3.4 Độ cứng lớp phủ 35 2.3.5 Khả chịu mài mòn 36 2.3.6 Khả 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 48 v CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM, VẬT LIỆU, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 49 3.1 XÂY DỰNG MƠ 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 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 đánh giá đặc tính lớp phủ 52 3.2.4.1 Máy kéo nén vạn 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 lớp phủ (σBd) 57 3.4.2 Phương pháp xác định độ bền bám trượt 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 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 mơ hình hàm hồi quy thực nghiệm 78 vi 3.6.3.1 Xác định mức ý nghĩa hệ số hồi quy theo tiêu chuẩn Student 80 3.6.3.2 Kiểm tra tính thích ứng mơ hình tốn 81 3.6.3.3 Phương pháp đánh giá phương sai 81 3.6.4 Tối ưu hóa thơng số cơng 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 biến thí nghiệm 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 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 thực nghiệm 87 4.1.2 Phân tích kết tiêu độ bền bám dính lớp phủ với thép 88 4.1.2.1 Sự ảnh hưởng thông số phun đến độ bền bám dính 88 4.1.2.2 Xây dựng phương trình hàm hồi quy thực nghiệm (σBd) 92 4.1.2.3 Kết tối ưu hóa thơng số phun cho hàm mục tiêu (σBd) 93 4.1.3 Phân tích kết tiêu độ bền bám trượt lớp phủ với thép 94 4.1.3.1 Sự ảnh hưởng thông số phun đến độ bền bám trượt 94 4.1.3.2 Xây dựng phương trình hàm hồi quy thực nghiệm (τBtr) 98 4.1.3.3 Kết tối ưu hóa thông số phun cho độ bền bám trượt 99 4.1.4 Phân tích kết tiêu độ bền kéo đứt liên kết lớp phủ: 100 4.1.4.1 Sự ảnh hưởng thông số phun đến độ bền kéo đứt lớp phủ 100 4.1.4.2 Xây dựng phương trình hàm hồi quy thực nghiệm (σk) 104 4.1.4.3 Kết tối ưu hóa thơng số phun cho độ bền kéo đứt lớp phủ 105 4.1.5 Phân tích kết tiêu độ xốp lớp phủ: 106 4.1.5.1 Sự ảnh hưởng 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 tối ưu hóa thơng số phun cho độ xốp lớp phủ 111 4.1.6 Phân tích kết tiêu độ cứng tế vi lớp phủ: 112 4.1.6.1 Sự ảnh hưởng thông số phun đến độ cứng tế vi lớp phủ 112 4.1.6.2 Xây dựng phương trình hàm hồi quy thực nghiệm (KLp) 116 4.1.6.3 Kết tối ưu hóa thơng 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 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 mẫu cong đồng dạng 128 5.2.1.1 Mẫu cong đồng dạng cánh quạt khói 129 5.2.1.2 Quy trình phục hồi mẫu cong đồng dạng 129 5.2.2 Quy trình phục hồi cánh quạt khói 132 5.3 LẮP ĐẶT VÀ CHẠY THỬ NGHIỆM QUẠT TRONG THỰC TẾ 135 KẾT LUẬN CHƯƠNG 137 KẾT LUẬN CHUNG 138 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 140 DANH MỤC CÁC BÀI BÁO, CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 141 TÀI LIỆU THAM KHẢO 142 PHỤ LỤC 152 viii DANH MỤC THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ý nghĩa TT Ký hiệu Đơn vị APS Phun plama khơng khí (Air Plasma Spray) AS Phun hồ quang điện (Arc spraying) CCD d Đường kính mm F Diện tích mm2 FPS Phun lửa dạng bột (Powder Flame Spray) g/ph Gam/phút gn Gia tốc trọng trường 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 Hỗn hợp tâm xoay (Central Composite Design) m/s2 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) Cường độ dòng điện phun 17 Ip 18 KLp Độ cứng tế vi lớp phủ 19 l/ph Lít/phút 20 Lp 21 LPPS 22 mp Lưu lượng cấp bột phun 23 NM Thuật toán Nelder – Mead 24 PAr Lưu lượng khí argon 25 PTA Khoảng cách phun A HV mm Phun plama áp suất thấp (Low Pressure Plasma Spray) Phun hồ quang chuyển plasma (Plasma Transferred Arc) g/phút l/phút ...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... TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG PHUN PHỦ NHIỆT TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 15 1.3.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng phun nhiệt giới 16 1.3.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng phun phủ nhiệt. .. Chương 5: Ứng dụng kết nghiên cứu vào phục hồi cánh quạt khói nhà máy nhiệt điện CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP PHUN PHỦ NHIỆT Trong chương này, luận án tìm hiểu số phương pháp phun phủ nhiệt,