Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm xác định các tham số công nghệ tối ưu trong chế tạo lớp phủ AISI 316 trên bề mặt trong các chi tiết thép dạng ống

Bài báo này tiến hành nghiên cứu kết hợp thực nghiệm và sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để xác định các tham số phun phủ tối ưu khi chế tạo lớp phủ hồ quang điện thép không gỉ AISI 316 trên bề mặt trong các chi tiết thép không gỉ AISI 316 dạng xy lanh.

TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY ỨNG DỤNG QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ CÔNG NGHỆ TỐI ƯU TRONG CHẾ TẠO LỚP PHỦ AISI 316 TRÊN BỀ MẶT TRONG CÁC CHI TIẾT THÉP DẠNG ỐNG APPLICATION OF DESIGN OF EXPERIMENTS FOR DETERMINING OPTIMAL TECHNOLOGICAL PARAMETERS IN FABRICATING AISI 316 STEEL COATING ON THE INNER SURFACE OF CYLINDRICAL TUBES PHÙNG TUẤN ANH1*, THÁI VĂN HÀ2, ĐỖ THÀNH TRUNG2 Học viện Kỹ thuật Quân sự, Bộ Quốc phòng Nhà máy Z125, Tổng cục CNQP, Bộ Quốc phịng *Email liên hệ: phungtuananhmta@gmail.com Tóm tắt Bài báo tiến hành nghiên cứu kết hợp thực nghiệm sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để xác định tham số phun phủ tối ưu chế tạo lớp phủ hồ quang điện thép không gỉ AISI 316 bề mặt chi tiết thép không gỉ AISI 316 dạng xy lanh Thông qua xây dựng ma trận thực nghiệm tiến hành thực nghiệm theo ma trận quy hoạch nhóm tác giả xác định tham số công nghệ tối ưu với tham số chủ yếu định chất lượng lớp phủ: bao gồm điện áp hồ quang 30V; Áp lực khí nén 0,35MPa; Tốc độ quay chi tiết 50 vòng/phút; Tốc độ dịch chuyển súng phun 21cm/phút chế tạo lớp phủ bề mặt ống thép có đường kính 128mm Các tham số sở cho ứng dụng vào thực tế để sản xuất sửa chữa phục hồi chi tiết dạng trụ trịn xoay với đường kính không nhỏ 100mm, đáp ứng nhu cầu nước, giảm chi phí sản phẩm Từ khóa: Quy hoạch thực nghiệm, phun phủ hồ quang điện, ống dạng xy lanh, thép AISI 316, tham số công nghệ Abstract In this paper, a combination of experimental data and Design of Experiments (DoE) software to determine optimal technological parameters in fabricating electrical arc sprayed AISI 316 coating on the inner surface of cylindrical tubes was studied Through building experimental matrix and conducting detailed experimental plan, the authors determined the optimal parameter set, including arc load voltage of 30 V, air pressure of 0.34MPa, the rotational speed of workpiece of 50 rpm, the traverse speed of spray SỐ 63 (8-2020) gun of 21cm/min when fabricating the coating on the inner surface of a cylindrical tube with a diameter of 128 mm These parameters are the initial basis for practical applications to produce and repair cylindrical tubes with inner diameters less than 100 mm for meeting domestic demands and reducing product cost Keywords: Design of Experiments, electrical arc spray, cylindrical tubes, technological parameters AISI 316 steel, Đặt vấn đề Trong năm gần đây, công nghệ phun phủ kim loại ngày trở nên phổ biến sản xuất khí [1-5] Cơng nghệ tạo lớp phủ bề mặt chi tiết có chức khác chống ăn mịn, mài mịn, trang trí Nhiều cơng trình nghiên cứu phun phủ kim loại cơng bố ngồi nước, nghiên cứu chế tạo lớp phủ bề mặt bên chi tiết hạn chế, chưa công bố rộng rãi Các nghiên cứu nước chủ yếu chế tạo lớp phủ bề mặt ngồi Một số cơng trình chế tạo lớp phủ bề mặt chi tiết ống chưa xem xét tối ưu hóa tham số [6-7] Bài báo tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng thông số công nghệ chế tạo lớp phủ thép không gỉ AISI 316 bề mặt chi tiết thép không gỉ AISI 316 dạng xy lanh phương pháp phun phủ hồ quang điện sở trang thiết bị phun phủ hồ quang điện TAFA Praxair 8830 MHU (Mỹ) có Học viện Kỹ thuật Quân Thông qua lý thuyết quy hoạch thực nghiệm số liệu thực nghiệm, tác giả xác định tham số công nghệ chế tạo lớp phủ tối ưu, áp dụng cho sản xuất thực tiễn Việt Nam 35 TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Thực nghiệm Để đơn giản cho trình nghiên cứu chế tạo lớp phủ AISI 316, báo tiến hành giải hai toán quy hoạch thực nghiệm: 1) trước tiên nghiên cứu ảnh hưởng điện áp áp lực khí phun đến chất lượng lớp phủ vật liệu phẳng 2) sở tham số tối ưu mặt phẳng nghiên cứu tiếp ảnh hưởng tốc độ quay chi tiết tốc độ dịch chuyển súng phun bề mặt chi tiết dạng xy lanh đến tổ chức tính chất lớp phủ AISI 316 Vật liệu sử dụng để nghiên cứu gồm: vật liệu nền: 1) thép AISI 316 có kích thước 30x30x3 mm (dài x rộng x dày) 2) ống thép không gỉ AISI 316 dạng xy lanh có kích thước 128x6x230 mm (đường kính x dày x dài) Vật liệu phủ dạng dây AISI 316 cung cấp hãng TAFA Praxair (Mỹ) có đường kính Φ1,6 mm thành phần hóa học Bảng Bảng Thành phần hóa học đặc tính dây AISI 316 C 0,08 P 0,04 S 0,03 Mn 2,00 Ni 12,0 Cr 17,0 Si 1,0 Mo 2,5 dạng ống Fe Còn lại Ở đây, chi tiết nghiên cứu dạng xy lanh có đường kính không nhỏ 100mm lựa chọn dựa khuyến cáo nhà sản xuất hạn chế thiết bị [8] Công nghệ phun phủ hồ quang điện chế tạo lớp phủ chất lượng mặt chi tiết dạng xi lanh, bạc lót phụ thuộc vào nhiều tham tố cơng nghệ góc phun, khoảng cách phun, áp lực khí phun, điện áp hồ quang, tốc độ quay chi tiết, tốc độ dịch chuyển súng phun Kết cấu súng phun Hình Trong q trình phun, phơi quay trịn, súng phun chuyển động tịnh tiến bên dọc theo đường sinh chi tiết để tạo lớp phủ với chiều dày theo yêu cầu Để đảm bảo khảo sát đầy đủ yếu tố ảnh hưởng, cần tiến hành kiểm tra xác định cố định số tham số trình Với vật liệu phủ thép khơng gỉ AISI 316, góc phun lựa chọn theo thiết kế thiết bị 65o Áp lực cấp dây lựa chọn theo hãng TAFA bar Khoảng cách súng phun đến bề mặt chi tiết trình thử chùm tia hồ quang kết hợp đề xuất nhà sản xuất xác định 100mm [8] Như vậy, thơng số cơng nghệ chủ yếu cịn lại cần khảo sát áp lực khí phun, điện áp hồ quang, tốc độ quay chi tiết, tốc độ dịch chuyển súng phun 36 Hình Kết cấu súng phun bề mặt chi tiết Độ cứng lớp phủ xác định máy đo độ cứng Durajet (Hãng Struers - Đan Mạch) theo thang đo Rocwell bề mặt HR30N, sau quy đổi trực tiếp máy độ cứng HRC Độ sít chặt mẫu xác định thông qua đo tỷ trọng lớp phủ phương pháp cân trọng lượng, sử dụng cân kỹ thuật TE612 có độ xác đến 10-4 gam (hãng Sartorius AG - CHLB Đức) so sánh với tỷ trọng vật liệu AISI 316 Tổ chức tế vi soi chụp kính hiển vi quang học Axio Imager A2M (Hãng Carl Zeiss) Kết thảo luận 3.1 Ảnh hưởng điện áp áp lực khí phun đến tính chất lớp phủ thép không gỉ AISI 316 thép không gỉ AISI 316 phẳng Khi khảo sát tham số chế tạo lớp phủ bề mặt phẳng, tham số khảo sát xi (i = {1;2}) bao gồm: x1 - Điện áp hồ quang (V), x2 - Áp lực khí phun (MPa) Hàm mục tiêu yk (k = {1; 2}) xác định bao gồm: y1 - Độ sít chặt (%), y2 - độ cứng (HV) Để tìm cực trị hàm hồi quy, trước hết phải dùng mơ hình tốn học có dạng đa thức bậc 2, xây dựng quy hoạch thực nghiệm trực giao bậc đủ [9] Với số biến 2, tổng số thí nghiệm 9, thí nghiệm bản, thí nghiệm tâm thí nghiệm khơng gian mở rộng SỐ 63 (8-2020) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Tâm thí nghiệm xác định điện áp hồ quang (U): 30 V áp lực khí phun (P): 0,34MPa Khoảng biến thiên thí nghiệm là: ΔV = V; ΔP = 0,7MPa Mức thí nghiệm là: U = 34V; P = 0,41 MPa Mức thí nghiệm là: U = 26V; P = 0,27 MPa Khoảng biến thiên biến không gian mở rộng với điện áp hồ quang (U): ω.ΔV = x = với áp lực khí phun (P): ω.ΔP = x 0,7 = 0,7 Trên sở lý thuyết QHTN trực giao cấp với số biến 2, tổng số thí nghiệm cần thực Ma trận trực nghiệm xây dựng Bảng Sử dụng phần mềm tính tốn Modde 5.0 thu được: - Phương trình hồi quy độ sít chặt: y1 = 90,29 – 2,31x12 – 1,11x22 – 0,81x1x2 (1) - Phương trình hồi quy độ cứng: y2 = 36,68 – 1,51x12 – 1,14x22 – 0,56x1x2 (2) Ảnh hưởng điện áp hồ quang áp lực khí phun đến độ sít chặt độ cứng lớp phủ mơ tả Hình Các giá trị độ sít chặt độ cứng lớn xác định 90,3% 36,7 HRC, tương ứng điện áp hồ quang áp lực khí phun (29,8-30,0) V (0,34-0,35) MPa Bảng Ma trận thực nghiệm TT xo x1 x2 x1.x2 x1.x1 x2.x2 + + + + 1/3 1/3 + - + - 1/3 1/3 + + - - 1/3 1/3 + - - + 1/3 1/3 + 0 -2/3 -2/3 + + 0 1/3 -2/3 + - 0 1/3 -2/3 + + -2/3 1/3 + - -2/3 1/3 y1 y2 (a) Tiến hành thực nghiệm theo ma trận quy hoạch, xác định độ sít chặt độ cứng lớp phủ Kết thực nghiệm đưa Bảng Bảng Kết thực nghiệm Điện TT áp hồ quang, V Áp lực khí phun, MPa Độ sít Độ cứng, chặt, % HRC 26 0,27 84,4 32,1 34 0,27 87,0 33,5 26 0,41 86,7 34,1 34 0,41 85,0 32,5 26 0,34 86,2 35,0 34 0,34 88,0 34,7 30 0,27 88,5 35,1 30 0,41 88,9 35,6 30 0,34 90,5 36,3 SỐ 63 (8-2020) (b) Hình Sự phụ thuộc độ sít chặt (a) độ cứng (b) lớp phủ thép không gỉ AISI 316 vào điện áp hồ quang áp lực khí phun 3.2 Ảnh hưởng tốc độ quay chi tiết tốc độ dịch chuyển sung phun đến tính chất lớp phủ mặt chi tiết dạng ống Tiến hành thực nghiệm chế tạo lớp phủ thép không gỉ AISI 316 bề mặt chi tiết thép khơng gỉ AISI 316 trịn xoay có kích thước 128x6x230 mm 37 TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY (đường kính x chiều dày x chiều dài) sở Mức thí nghiệm là:  = 30 điện áp hồ quang 30 V áp lực khí phun 0,35 MPa tối vòng/phút; vsp = 12 cm/phút ưu vừa xác định tiến hành chế tạo lớp phủ Số biến số thí nghiệm 2, khoảng biến thiên bề mặt thép không gỉ AISI 316 phẳng biến không gian mở rộng với  = Xây dựng ma trận thực nghiệm với thí nghiệm xác định với tốc độ quay chi tiết (): .Δ = x 15 = tương ứng sau: 15 với áp lực khí phun (P): .ΔP = x = Tham số khảo sát xi (i = {3;4}) với: x3 - Tốc độ Tiến hành thực nghiệm theo ma trận quy hoạch, quay chi tiết (vòng/phút); x4 - Tốc độ dịch chuyển xác định độ sít chặt độ cứng lớp phủ Kết súng phun (cm/phút) thực nghiệm đưa Bảng Hàm mục tiêu yk (k = {3; 4}) với: y3 - Độ sít chặt Bảng Kết thực nghiệm ống thép không gỉ (%); y4 - độ cứng (HV) AISI 316 tròn xoay Tốc độ quay chi tiết tốc độ dịch chuyển Tốc độ Tốc độ dịch súng phun liên quan đến tốc độ lướt bề mặt chi Mẫu Độ quay chi chuyển Độ sít tiết phun súng phun Sự chuyển động tương đối TT thí cứng, tiết, súng phun, chặt, % dòng hồ quang vùng phun (nền) nghiệm HV vịng/phút cm/phút thể thơng qua tốc độ lướt (vlướt) súng phun N1 30 12 83,4 31,8 bề mặt chi tiết phun Nói chung, tốc độ lướt đối N2 60 12 86,9 33,2 với hầu hết ứng dụng phun phủ nhiệt (0,2-0,4) N3 30 24 85,5 32,9 m/s, tương ứng (12.000-30.000) mm/phút Khi đó, N4 60 24 87,6 35,4 tốc độ dịch chuyển súng phun (T) chi tiết quay N5 30 18 84,4 32,6 vịng thường nằm khoảng (3÷5) mm, N6 60 18 87,4 34,7 chọn T trung bình mm/vòng [1,8] Như N7 45 12 86,3 33,5 vậy, với đường kính xy lanh 128 mm, N8 45 24 88,5 35,6 vận tốc quay chi tiết () xác định sau: N9 45 18 88,9 36,0 v 12000 24000   luot    (30  60 )  D 3.14 128 3.14 128 Sử dụng phần mềm tính tốn Modde 5.0 xác định (vịng/phút) được: Tốc độ dịch chuyển súng phun (vsp) xác Phương trình hồi quy độ sít chặt: định: y3 = 88,26 + 1,24x3 + 0,73x4 – 1,53x32 (3) vluot 12000 24000 vsp  T  4   (120  240 ) Phương trình hồi quy độ cứng:  D 3.14 128 3.14 128 y4 = 35,5 + 0,87x3 + 0,80x4 – 1,20x32 (4) (mm/phút) = (12÷24) cm/phút Quan hệ hàm mục tiêu theo điện áp hồ quang Để xây dựng ma trận thực nghiệm, tâm thí áp lực khí phun Hình Các giá trị độ sít nghiệm xác định tốc độ quay chi tiết (Ω) chặt độ cứng lớn lớp phủ thép khơng gỉ 45 vịng/phút; tốc độ dịch chuyển súng phun (vsp) AISI 316 xác định 89,07% 36,2 HRC, 18 cm/phút tương ứng với điện áp hồ quang áp lực khí phun Khoảng biến thiên thí nghiệm là: Δ 50 vịng/phút 21 cm/phút = 15 vòng/phút; Δvsp = cm/phút Tiến hành kiểm nghiệm thực nghiệm chế tạo Mức thí nghiệm là:  = 60 lớp phủ không gỉ AISI 316 mặt ống thép vòng/phút; vsp = 24 cm/phút Bảng So sánh giá trị độ sít chặt độ cứng lý thuyết với thực nghiệm Điện áp Áp lực TT hồ quang, khí nén, Tốc độ quay chi tiết, chuyển súng V MPa vòng/phút phun, cm/phút 30 0,34 40 30 0,34 45 30 0,34 50 38 Độ sít chặt, % Tốc độ dịch Lý Thực Độ cứng, HRC Sai số Lý Thực Sai số thuyết nghiệm (%) thuyết nghiệm (%) 18 87,56 87,3 0,31 35,0 33,6 4,17 21 88,54 87,0 1,77 35,8 34,5 3,78 18 88,51 89,1 0,67 35,7 36,3 1,68 SỐ 63 (8-2020) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY không gỉ AISI 316 theo kết tính tốn tối ưu Bảng cho thấy, giá trị so sánh giá trị độ sít chặt độ cứng xác định thực nghiệm với giá trị thu tính tốn theo phương trình hồi quy khơng vượt q 5% cho phép (α = 5%) [9] lỗ xốp nhỏ thấy rõ liên kết chặt chẽ lớp phủ với kim loại (Hình 4b) (a) (a) (b) Hình Tổ chức tế vi lớp phủ (a) mặt phân cách lớp phủ-nền (b) mẫu sít chặt nhất, x100 Kết luận (b) Hình Sự phụ thuộc độ sít chặt (a) độ cứng (b) lớp phủ thép không gỉ AISI 316 vào tốc độ quay chi tiết tốc độ dịch chuyển súng phun Kiểm nghiệm tốc độ ăn mòn lớp phủ 316 xác định thông qua việc xác định cường độ dịng ăn mịn phương pháp điện hóa theo theo tiêu chuẩn ASTM G102 [10] máy đo dòng ăn mòn Autolan (Hà Lan) cho thấy, với chế độ phun tối ưu, tốc độ ăn mòn lớp phủ dung dịch 3,5% NaCl khoảng từ (0,012-0,015) mm/năm Thử nghiệm xác định độ bám dính lớp phủ AISI 316 theo tiêu chuẩn ASTM C633 mẫu có độ sít chặt cao cho giá trị độ bám dính xác định nằm khoảng từ (28,7-29,4) MPa Giá trị tương đối phù hợp với tài liệu cơng trình cơng bố [8,11,13] Tổ chức tế vi lớp phủ mẫu có độ sít chặt cao cho Hình Có thể thấy, lớp phủ (Hình 3a) có tổ chức đồng với SỐ 63 (8-2020) Trên sở nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm kết hợp với phương pháp Quy hoạch thực nghiệm, tác giả xác định tham số công nghệ tối ưu chế tạo lớp phủ vật liệu thép không gỉ AISI 316 bề mặt chi tiết thép không gỉ AISI 316 tròn xoay Với chi tiết ống thép có đường kính 128 mm, tham số cơng nghệ phun phủ tối ưu xác định bao gồm điện áp hồ quang 30 V, áp lực khí nén 0,35 MPa, tốc độ quay chi tiết 50 vòng/phút, tốc độ dịch chuyển súng phun 21 cm/phút Với chi tiết có đường kính khác khơng nhỏ 100 mm, tham số công nghệ phun tối ưu điện áp hồ quang, áp lực khí phun khơng thay đổi, tham số tốc độ quay chi tiết tốc độ dịch chuyển súng phun thay đổi phù hợp với đường kính chi tiết TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Joseph R Davis Handbook of Thermal Spray Technology ASM International, 338 p, 2004 [2] Wang Ruijun, Xu Lin The Properties of the 39 TẠP CHÍ KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ High Productive High Velocity Arc Sprayed Coatings and its Applications Thermal Spray 2004: Advances in Technology and Application: Proceedings of the International Thermal Spray Conference [3] Ashgriz, Nasser (Ed.) Handbook of Atomization and Sprays Theory and Applications.//1st Edition, XVI, 935 p, 2011 [4] Stephan Siegmann, Christoph Abert - 100 years of thermal spray About the inventor Max Ulrich Schoop, Surface & Coatings Technology 220, pp 3-13, 2013 [5] Robert B Heimann Recently patented word on thermally sprayed coatings for protection against wear and corrosion of engineered structures.//Recent patents on materials science, Vol.1, pp 41-55, 2008 [6] Phùng Tuấn Anh, Nguyễn Đình Chiến, Lê Viết Bình Chế tạo lớp phủ chống ăn mòn mài mòn mặt chi tiết dạng ống trụ tròn cơng nghệ phun phủ hồ quang điện Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải, Số 47, tr.18-23, 2016 [7] Phùng Tuấn Anh Nghiên cứu chế tạo lớp phủ hồ quang điện AISI 316 chống ăn mòn mặt chi tiết thép dạng ống xi lanh Hội nghị KH&CN tồn quốc Cơ khí - Động lực, ngày 13/10/2016 trường ĐH Bách Khoa Hà Nội; ISBN 978-604-95-0041-1, tr 429-433, 2016 40 ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY [8] Model 839 I.D and Straight ahead Sprayer Operator’s Manual TAFA Praxair (Mỹ) [9] Nguyễn Minh Tuyển Quy hoạch thực nghiệm NXB KHKT, 2005 [10] ASTM G102-89 Standard Practice for Calculation of Corrosion Rates and Related Information from Electrochemical Measurements, 2010 [11] B Sun and H Fukanuma, Saitama Study on stainless steel 316L coatings sprayed by high pressure HVOF Thermal Spray 2011: Proceedings of the International Thermal Spray Conference (DVS-ASM), pp 49-54, 2011 [12] ASTM C633 Standard test method for adhesion or cohesion strength of thermal spray coatings [13] Fred M Reinhart and James F Jenkins Corrosion of materials in surface seawater after 12 and 18 months of exposure Technical Note N-1213, Naval Civil Engineering Laboratory, Port Hueneme, California, 1972 Ngày nhận bài: 07/3/2020 Ngày nhận sửa: 25/3/2020 Ngày duyệt đăng: 30/3/2020 SỐ 63 (8-2020) ... lớp phủ mặt chi tiết dạng ống Tiến hành thực nghiệm chế tạo lớp phủ thép không gỉ AISI 316 bề mặt chi tiết thép không gỉ AISI 316 trịn xoay có kích thước 128x6x230 mm 37 TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X... với SỐ 63 (8-2020) Trên sở nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm kết hợp với phương pháp Quy hoạch thực nghiệm, tác giả xác định tham số công nghệ tối ưu chế tạo lớp phủ vật liệu thép không gỉ AISI 316. .. vật liệu thép không gỉ AISI 316 bề mặt chi tiết thép khơng gỉ AISI 316 trịn xoay Với chi tiết ống thép có đường kính 128 mm, tham số công nghệ phun phủ tối ưu xác định bao gồm điện áp hồ quang