Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết này trình bày kết quả nghiên cứu tối ưu hóa các thông số phun Plasma bao gồm: Cường độ dòng điện (I), Tốc độ cấp bột (M), khoảng cách phun (L) đến độ bám dính của lớp phủ Al2 O3 -TiO2 hệ (60-40)% trên nền thép tấm phẳng C45.
ISSN 2354-0575 TỐI ƯU HĨA CÁC THƠNG SỐ Q TRÌNH PHUN PLASMA ĐỂ NÂNG CAO ĐỘ BÁM DÍNH CỦA LỚP PHỦ Al2O3-40TiO2 Bùi Văn Khoản, Đồn Thanh Hịa Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên Ngày tòa soạn nhận báo: 15/03/2020 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 10/05/2020 Ngày báo duyệt đăng: 02/06/2020 Tóm tắt: Độ bám dính lớp phủ phun nhiệt có vai trị định đến tuổi thọ làm việc chi tiết điều kiện chịu mài mòn Ngồi yếu tố liên quan đến tính chất vật liệu thơng số q trình phun ảnh hưởng lớn đến khả bám dính lớp phủ với kim loại Bài báo trình bày kết nghiên cứu tối ưu hóa thơng số phun Plasma bao gồm: Cường độ dòng điện (I), Tốc độ cấp bột (M), khoảng cách phun (L) đến độ bám dính lớp phủ Al2O3-TiO2 hệ (60-40)% thép phẳng C45 Phương pháp Taguchi kỹ thuật ANOVA (Analysis of variance) sử dụng để tối ưu hóa đánh giá ảnh hưởng thông số phun tới độ bền bám dính lớp phủ với kim loại Kết cho thấy, với thông số: I = 600A, M = 1,7 kg/h, L = 110 mm cho lớp phủ có độ bám dính lớn với 58,2 MPa Thứ tự ảnh hưởng thông số nghiên cứu đến độ bám dính với I (73,6 %) > L (17,8 %) > M (8,3 %) Kết thí nghiệm kiểm chứng sau so sánh với giá trị tối ưu cho kết với sai số % Như vậy, khẳng định kết tối ưu đáng tin cậy Ngoài ra, hàm hồi quy toán học thể mối quan hệ độ bền bám dính thơng số phun xây dựng cho phép dự đoán giá trị độ bám dính dựa thơng số phun Từ khóa: Phun plasma, Tối ưu hóa, Độ bền bám dính, Thép C45, lớp phủ Al2O3-TiO2 Đặt vấn đề Phun phủ nhiệt ứng dụng rộng rãi ngành công nghiệp với lịch sử 100 năm Công nghệ dùng để chế tạo hay phục hồi chi tiết máy có yêu cầu đặc biệt bề mặt, tính chống mài mịn, chịu nhiệt thuộc tính đặc biệt khác [1-4] Để tạo lớp phủ có độ xốp thấp, độ bền bám dính cao phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: Xử lý bề mặt phun, vật liệu phun đặc biệt chế độ công nghệ phun Trong số phương pháp cơng nghệ phun phủ nhiệt phun phủ plasma có nhiều ưu điểm Phương pháp cơng nghệ sử dụng nhiệt dịng plasma để nung nóng vật liệu Plasma chất khí trạng thái nguyên tử phân tử bị ion hoá, thực chất hồ quang kéo dài Phun phủ plasma có cơng suất nhiệt lớn, cho suất cao, vật liệu phun đa dạng, chất lượng lớp phủ tốt [5-8] Những yếu tố góp phần tạo chất lượng lớp phủ liên quan đến thiết bị phun, vật liệu phun, chế độ cơng nghệ phun Trong yếu tố chế độ cơng nghệ phun có vai trị quan trọng Các vật liệu phun gốm oxit sở 14 Al2O3 có nhiều tính kỹ thuật tốt độ cứng cao, chịu mài mịn, bền hóa chất lớp phủ lựa chọn ứng dụng cho nhiều bề mặt chi tiết chịu mài mòn nhiệt độ cao tới 500°C Do việc tìm thơng số phun cho chất lượng lớp phủ cải thiện tính chất cần thiết Vì nghiên cứu tiến hành tối ưu hóa thơng số phun đến độ bền bám dính lớp phủ kim loại Al2O3-TiO2 hệ (60-40)% [9-11] Thiết kế thực nghiệm theo mảng L9 TAGUCHI kết hợp phân tích phương sai ANOVA để tìm thông số tối ưu đánh giá ảnh hưởng thơng số tới độ bền bám dính Bên cạnh mối quan hệ tốn học thơng số tới độ bền bám dính xác lập, từ mối quan hệ thơng số công thức cho người thiết kế lớp phủ tính tốn Q trình tối ưu, phân tích ANOVA, phép tính tốn xây dựng hàm số thực phần mềm MINITAB 18 Kết tối ưu đưa thông số phun tạo lớp phủ có độ bền bám dính cải thiện với sai số thực nghiệm kiểm chứng nhỏ chứng tỏ hiệu phương pháp Khoa học & Công nghệ - Số 26/Tháng - 2020 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 nghiên cứu cho tốn phun phủ nhiệt cơng nghệ phun plasma Quá trình thực nghiệm phương pháp đánh giá 2.1 Vật liệu lớp phủ Các mẫu phun sử dụng thí nghiệm mẫu thép với kích thước 50 x 50 x mm phun tạo nhám bề mặt cần phủ với giá trị từ 8÷10 μm Q trình phun tạo nhám thực máy phun cát TSA Việt Nam đo đầu đo nhám Mitutoyo 178-954-4E (Nhật Bản) Vật liệu chế tạo mẫu phun lựa chọn thép C45 với thành phần hóa học Bảng [12] Bảng Thành phần hóa học thép C45 C45 0.42-0.50 0.17 – 0.37 0.50 – 0.80 0.04 0.04 0.25 0.25 Mác thép Hàm lượng nguyên tố (%) P S Cr Ni C S Mn Không lớn Bảng Các thông số phun khác sử dụng nghiên cứu Thông số phun Giá trị Tốc độ dịch chuyển đầu phun (m/phút) 15 Điện áp phun (V) 60 Áp suất khí Lưu lượng Áp suất khí mang bột Sơ cấp (l/phút) Khí thứ cấp (l/phút) 50 (l/phút) 5.5 2.3 Phương pháp kiểm tra Các phép đo xác định độ bền bám dính lớp phủ phương pháp bám trượt thực theo tiêu chuẩn JIS-H-8666-1980 [13,14] với sơ đồ nguyên lý Hình Trong phương pháp nàay, lớp phủ (có diện tích tiết diện bề mặt - S) làm bong tách lực ép (P) tác động lên phần chiều dày lớp phủ theo phương vng góc (Hình 2) Ứng suất bám dính (σbd) tính cơng thức: σ bd = Bột phun Al2O3-TiO2 bột thương mại sử dụng làm nguyên liệu phun cung cấp tập đoàn Eutectic (Mỹ), với cỡ hạt – 45 ± µm 2.2 Quá trình phun nhiệt plasma Quá trình phun mẫu thực hệ thống phun plasma PRAXAIR Model 3710 với đầu súng phun SG100 để chế tạo lớp phủ gốm Chiều dày lớp phủ thực 450 µm với độ sai lệch từ 10 - 30 µm Các thông số phun xác định theo ba mức xếp theo mảng trực giao L9 Taguchi (Bảng 2) Một số thông số phun khác xác định qua giá trị nhà sản xuất khuyến cáo (Bảng 3) P S (1) Để đảm bảo kết đo đạt độ xác mẫu phải chế tạo xác, đảm bảo độ vng góc kẹp chặt Lực ép khơng tác dụng lên phần vật liệu Trên sở đó, tiến hành chế tạo mẫu khuôn để kiểm tra mức độ bám dính lớp phủ theo nguyên lý Hình Máy kéo nén MTS 809 sử dụng để tạo lực ép P trình thực nghiệm Bảng Các thông số nghiên cứu mức sử dụng nghiên cứu Mức Ký hiệu Tốc độ cấp bột (kg/ giờ) M Khoảng cách phun (mm) Dịng điện phun (A) Thơng số phun Hình Nguyên lý mẫu kiểm tra độ bền bám dính 1.7 1.9 2.1 L 90 110 130 I 400 500 600 Kết thảo luận 3.1 Kết thực nghiệm Q trình thực nghiệm dựa thơng số thực nghiệm số thí nghiệm theo Taguchi L9 [11] Các Khoa học & Công nghệ - Số 26/Tháng - 2020 Journal of Science and Technology 15 ISSN 2354-0575 mẫu chuẩn bị phun theo trình tự thiết kế thực nghiệm cho kết Hình (a), (b) Mẫu lớp phủ sau phun mài phẳng để đạt chiều dày đồng 0.4mm cắt nhỏ với kích thước số lượng cho mẫu phun mẫu kiểm tra độ bền bám dính (hình 3) Dưới tác dụng lực nến, mẫu lớp phủ bị tách hình (a), (b), (c) Từ đó, dựa cơng thức (1) tính tốn giá trị ứng suất bám dính cho cá mẫu thử Giá trị độ bền bám dính mẫu trung bình ba mẫu thử kiểm tra trình bày bảng Hình Hình ảnh mẫu trước phun Hình Hình ảnh mẫu sau phun Hình Ảnh mẫu kiểm tra bám dính 16 Hình Ảnh mẫu trước - sau phun mẫu kiểm tra bám dính Bảng Thơng số thực nghiệm theo mảng L9 kết đo độ bám dính trung bình mẫu thí nghiệm Thí Độ bám Thơng số I M L nghiệm dính (MPa) 400 1.7 90 43.3 400 1.9 110 47.1 400 2.1 130 41.6 500 1.7 110 58.2 500 1.9 130 54.2 500 2.1 90 48.1 600 1.7 130 57.4 600 1.9 90 52.5 600 2.1 110 56.8 Kết từ Bảng cho thấy, mức thông số phun I3M1L2 tương ứng với I = 600 A, M = 1.7 kg/h, L = 110 mm cho lớp phủ có độ bám dính lớn 58.2 MPa Sự thay đổi thông số phun làm ảnh hưởng rõ rệt đến giá trị đo Chứng tỏ cường độ dòng điện, tốc độ cấp bột khoảng cách phun thơng số có ảnh hưởng lớn đến độ bám dính lớp phủ việc lựa chọn chúng để nghiên cứu phù hợp Trên sở kết nhận tiến hành phân tích tối ưu đánh giá ảnh hưởng thông số phun đến độ bền bám dính lớp phủ 3.2 Phân tích tỉ số S/N Độ bám dính lớp phủ nâng cao giúp lớp phủ cải thiện độ bền trình làm việc, đặc biệt với lớp phủ chịu mài mịn, va đập, Do đó, tỷ lệ S/N theo Taguchi với đặc tính lớn tốt sử dụng để tính tốn dựa kết thí nghiệm phần mềm Minitab trình bày Bảng Mức tác động trung bình yếu tố mức giá trị khác tính tốn dựa giá trị S/N minh họa biểu đồ phân mức (Hình 4) Thông số tối ưu mức thông số phun có giá trị S/N trung bình Khoa học & Công nghệ - Số 26/Tháng - 2020 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 mức tác động cao Các đường biểu diễn biểu đồ Hình thể thay đổi tác động yếu tố ảnh hưởng đến độ bền bám dính lớp phủ mức thơng số phun tối ưu dự đoán I3M1L2 (I = 600 A, M = 1.7 kg/h, L = 110 mm) Kết tối ưu đự doán cho thấy cải thiện độ bền bám dính Bảng Giá trị S/N tương ứng với thí nghiệm Thơng số Thí nghiệm A B C 400 400 400 500 500 500 600 600 600 1.7 1.9 2.1 1.7 1.9 2.1 1.7 1.9 2.1 90 110 130 110 130 90 130 90 110 Độ bám dính 43.3 47.1 41.6 58.2 54.2 48.1 57.4 52.5 56.8 S / N = −10log( 1 ∑ ) n yi 32.7298 33.4604 32.3819 35.2985 34.6800 33.6429 35.1782 34.4032 35.0870 Kết cho thấy, giá trị sai số nhỏ chứng minh thông số phun nghiên cứu thơng số phun ảnh hưởng đến độ bám dính lớp phủ chúng có ý nghĩa thống kê với độ tin cậy cao giá trị P < 0.05 Phần trăm ảnh hưởng yếu tố dựa giá trị tổng bình phương độ lệch Bảng cho thấy: dịng điện phun yếu tố ảnh hưởng lớn đến độ bám dính lớp phủ với 73.6%, khoảng cách phun 17.8%, Tốc độ cấp bột 8.3% minh họa qua biểu đồ Hình Hình Phần trăm ảnh hưởng thông số I, M, L đến độ bền bám dính lớp phủ 3.4 Đánh giá quan hệ độ bề bám dính với thơng số phun Hình Phân mức tác động thơng số I, M, L dựa tỷ số S/N tới độ bám dính lớp phủ 3.3 Phân tích ANOVA Để xác định mức độ ảnh hưởng thông số (I, M, L) tới độ bám dính lớp phủ, phân tích phương sai dựa kết thí nghiệm giá trị S/N Bảng dựa phần mềm Minitab thu kết thể Bảng Bảng Kết phân tích ANOVA dựa tỷ số S/N Yếu tố Bậc tự f I M L Error Total 2 2 Tổng Trung Giá trị bình bình thống Giá phương bình kê trị xác độ lệch phương Fisher xuất P - SS - MS -F 228.31 114.15 294.38 0.003 25.89 12.95 33.39 0.029 55.22 27.61 71.19 0.014 0.78 0.39 - -310.19 - - Khoa học & Công nghệ - Số 26/Tháng - 2020 Để phân tích xu hướng ảnh hưởng thơng số I, M, L tới độ bám dính lớp phủ (σbd ), hàm hồi quy biểu diễn quan hệ toán học σbd với thông số phun I, M, L dạng tuyến tính xây dựng Cơng cụ hỗ trợ xây dựng hàm hồi quy dạng tuyến tính phần mềm Minitab với thuật toán Gau-Newton sử dụng giúp cho q trình tính tốn nhanh chóng xác Kết thu hàm tốn học (1): σbd = -73 -0.330*I -25.6*M +4.22*L +0.328*I*M -0.00240*I*L -1.461*M*L (1) Với R2 = 0,93, R2adj = 0,9, hàm toán học nhận với số R2 R2adj cho độ tin cậy cao chúng có giá trị tiệm cận Điều chứng tỏ mơ hình tốn cho độ tin cậy cao phù hợp với tốn thực nghiệm Bộ thơng số phun tối ưu cho độ bền bám dính lớn xác định I3M1L2, kết hợp với phương trình hồi quy (2) cho phép tiến hành xác định ảnh hưởng thơng số phun tới độ bám dính lớp phủ qua đồ thị Hình Journal of Science and Technology 17 ISSN 2354-0575 a Ảnh hưởng I b Ảnh hưởng I L b Ảnh hưởng M c Ảnh hưởng M L Hình Đồ thị phụ thuộc độ bám dính vào thông số phun mức tối ưu dạng tuyến tính 3D c Ảnh hưởng L Hình Đồ thị phụ thuộc độ bám dính vào thông số phun mức tối ưu dạng tuyến tính 2D a Ảnh hưởng I M 18 Trên đồ thị biểu diễn mối quan hệ thơng số phun tới độ bền bám dính lớp phủ thông số cố định giữ mức độ tối ưu cho thấy: độ bền bám dính có xu hướng tăng I tăng Ngược lại lưu lượng phun giảm làm cho độ bền bám dính giảm (Hình 6a, Hình 7a) Điều giải thích do, dịng hàn tăng, hạt phun có trạng thái nhiệt để nóng chảy phun tốt hơn, trình bay va đập tạo lớp phủ nhiệt độ giảm tạo thành lớp phủ tố Khi I cao, M thấp hiệu nung chảy hạt tố hơn, nên độ bền bám dính có xu hướng tăng; Ở Hình (b) Hình (b) cho thấy M cố định, L I có xu hướng tăng để đạt độ bền bám dính cao Điều giải thích tăng khoảng cách phun, hiệu suất nhiệt giảm khoảng cách giảm dần I cần tăng để trì hiệu suất va đập tăng độ bền bám dính; trường hợp I mức cao nhất, M lớn khoảng cách phun phải nhỏ L tăng hiệu suất nhiệt giảm Ngược lại Khoa học & Công nghệ - Số 26/Tháng - 2020 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 lưu lượng phun nhỏ khoảng cách phun tăng độ bền bám dính tăng, nhiệt tăng mật độ hạt giảm khoảng cách tăng làm hiệu suất nhiệt thời điểm va chạm cho độ bám dính tốt mơ tả Hình (c) Hình (c) 3.5 Thí nghiệm kiểm chứng Để xác minh thơng số q trình phun tối ưu hóa, thí nghiệm kiểm chứng với mức tối ưu I3M1L2 thực Kết đo mẫu kiểm chứng giá trị dự đốn tối ưu trình bày Bảng cho thấy độ bám dính mẫu kiểm chứng lớn giá trị từ thí nghiệm ban đầu nhỏ giá trị tối ưu dự đoán với độ sai lệch % Sai số tính tốn lý thuyết thực nghiệm vấn đề dự báo trước Tuy nhiên, mức sai lệch với giá trị nhỏ chứng tỏ kết toán tối ưu tin cậy Bảng So sánh kết thí nghiệm kiểm chứng với kết tối ưu Thông số Mức Giá trị Tốt từ thí nghiệm I2M1L2 58.2 MPa Tối ưu I3M1L2 60.5 MPa Kiểm chứng I3M1L2 61.7 MPa Sai lệch giá trị kiểm -2% chứng - Tối ưu (%) Kết luận Trong nghiên cứu này, phương pháp Taguchi - Kỹ thuật ANOVA sử dụng để tối ưu hóa nghiên cứu ảnh hưởng thơng số phun bao gồm dòng phun (I), khoảng cách phun (L) tốc độ cấp bột (M) đến độ bám dính lớp phủ Al2O3-TiO2 thép C45 phương pháp phun PLASMA Quá trình tối ưu phương pháp Taguchi đề xuất chế độ phun tối ưu (I = 600 A, M = 1.7 kg/h, L = 110 mm) cho lớp phủ có độ bám dính lớn dự đốn 66,9 MPa Kết phân tích ANOVA cho thấy thứ tự ảnh hưởng thông số đến độ bám dính là: dịng phun (73.6%) > khoảng cách phun (17.8%) > tốc độ cấp bột (8.3%) Thí nghiệm kiểm chứng với độ bám dính thu 61.7 MPa lớn giá trị độ bám dính mẫu thực nghiệm (Bảng 4) có độ sai lệch % so với kết dự đốn Điều khẳng định thơng số tối ưu cho lớp phủ có chất lượng tốt với độ bám dính nâng cao Sự kết hợp phương pháp Taguchi - ANOVA công cụ hiệu cho ứng dụng tối ưu hóa tốn có nhiều yếu tố ảnh hưởng Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Văn Thông, Công nghệ phun phủ bảo vệ phục hồi, NXB KH&KT, 2006 [2] Hồng Tùng, Cơng nghệ phun phủ ứng dụng, NXB KH&KT, 2006 [3] Vũ Minh Thành công sự, Lớp phủ vô cơ, NXB KHTN&CN, 2017 [4] P222-32, Aluminia oxide 60%, Titanium dioxide 40%, Metallisation, 2.9.12.5.ISSUE: 1/95-12 [5] Yao Sun-Hui, Su Yan-Liang and Kao Wen-xian, Thermal shock performance of Al2O3/TiO2 air plasma spray coatings, Taiwan, 2011 [6] Snehlatakumari Roll, Effect of TiO2 addition in Al2O3: Phase evolution, densification, microstructure and mechanical properties, No-109CR0676 2013 [7] V Fervel, B Normand and C Coddet: Wear Vol 230, p.70, 1999 [8] G Bolelli, V Cannillo, L Lusvarghi, T Manfredini Wear behaviour of thermally sprayed ceramic oxide coatings Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e dell’Ambiente, University a di Modena e Reggio Emilia, Via Vignolese 905, 41100 Modena, MO, Italy 2006 [9] A Rico, J Rodriguez, E Otero, P Zeng, W.M Rainforth, Wear behaviour of nanostructured alumina–titania coatings deposited by atmospheric plasma spray Wear, Vol 267, Issues 5-8, 11911197, 2009 [10] V.V Narulkar, S Prakash, K Chandra, Effects of temperature on tribological properties of Al2O3TiO2 coating Defence Science Journal, Vol 58, No.4, 582-587, 2008 [11] Taguchi G, Konishi S, Taguchi Methods, orthogonal arrays and linear graphs, tools for quality Khoa học & Công nghệ - Số 26/Tháng - 2020 Journal of Science and Technology 19 ISSN 2354-0575 American supplier institute, American Supplier Institute, pp - 35, 1987 [12] Tiêu chuẩn thép cacbon kết cấu chất lượng tốt, TCVN 1766 - 75, 2009 [13] http://www.mecpl.com/pdf-files/HIPOJET_2700_ONE.pdf [14] Test methods for build - up thermal spraying - JIS-H-8666,1980 OPTIMIZING PLASMA SPRAY PROCESS PARAMETERS TO IMPROVE ADHESION OF AL2O3-40TiO2 COATINGS Abstract: The adhesion of thermal spray coating has a decisive role in the longevity of the parts work in conditions of abrasion In addition to the factors related to the material properties, the spraying process parameters greatly affect the ability of the coating adhesion to the base metal This paper presents the results of research on optimizing Plasma spray parameters including current (I), Powder feeding speed (M), spray distance (L) to adhesion of Al2O3-TiO2 coating (60-40)% on flat steel plate C45 Taguchi method and analysis of variance technique are used to optimize and evaluate the effect of spray parameters on the adhesion strength of the coating to the metal substrate The results showed that, with parameters: I = 600A, M = 1.7 kg.h-1, L = 110 mm for the coating with the largest adhesion with 58.2 Mpa The order of influence of the study parameters to the adhesion to I (73.6 %)> L (17.8 %)> M (8.3 %) The result of the verification experiment was then compared with the optimal value and gave an error of % In addition, a mathematical regression function showing the relationship between adhesion strength and spray parameters has been formulated to allow predictions of adhesion values based on spray parameters Keywords: Plasma spray, Optimization, Adhesion strength, C45 steel, Al2O3-TiO2 coating layer 20 Khoa học & Công nghệ - Số 26/Tháng - 2020 Journal of Science and Technology ... để tối ưu hóa nghiên cứu ảnh hưởng thơng số phun bao gồm dịng phun (I), khoảng cách phun (L) tốc độ cấp bột (M) đến độ bám dính lớp phủ Al2O3-TiO2 thép C45 phương pháp phun PLASMA Quá trình tối. .. hưởng thông số I, M, L đến độ bền bám dính lớp phủ 3.4 Đánh giá quan hệ độ bề bám dính với thơng số phun Hình Phân mức tác động thông số I, M, L dựa tỷ số S/N tới độ bám dính lớp phủ 3.3 Phân... quan hệ thông số phun tới độ bền bám dính lớp phủ thơng số cố định giữ mức độ tối ưu cho thấy: độ bền bám dính có xu hướng tăng I tăng Ngược lại lưu lượng phun giảm làm cho độ bền bám dính giảm