9. Bố cục luận án
4.1.6.3. Kết quả tối ưu hóa bộ thông số phun cho độ cứng tế vi lớp phủ
Giải bài toán tối ưu chỉ tiêu độ cứng lớp phủ với mong muốn càng lớn càng tốt, tiến hành chạy chức năng tối ưu hóa hàm mục tiêu (KLp). Kết quả đạt được giá trị bộ thông số phun tối ưu và kết quả dự đoán hàm mục tiêu (KLp) trong đồ thị (hình 4.20). 500 550 600 650 700 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Độ c ứn g tế v i K Lp (HV ) Thứ tự các thí nghiệm Kết quả thực nghiệm Kết quả dự đoán
Hình 4.20. Đồ thị tối ưu hóa hàm mục tiêu độ cứng lớp phủ (KLp)
Từ kết quả được xác định như trong (hình 4.20) cho thấy, nếu lấy và làm tròn giá trị kết quả sau chữ số thập phân một số thì giá trị của các thông số phun và kết quả dự đoán hàm mục tiêu (KLp) được thống kê trong (bảng 4.11).
Bảng 4.11. Giá trị tối ưu hóa các thông số phun và giá trị hàm mục tiêu (KLp)
Giá trị thông phun khi tối ưu Kết quả độ cứng lớp phủ KLp (HV) Độ sai lệch (%) Ip (A) mp (g/ph) Lp (mm) Kết quả dự đoán Kết quả kiểm chứng
595,9 30,5 149,8 701,3 689,2 1,8
Cũng để đánh giá mức độ phù hợp của bộ thông số khi tối ưu, ta tiến hành kiểm chứng bằng thực nghiệm bộ thông số tối ưu có trong (bảng 4.11). Kết quả đo trung bình của 5 mẫu khi thực nghiệm kiểm chứng cũng được trình bày trong này, so sánh kết quả thực nghiệm kiểm chứng với kết quả khi dự đoán cho thấy là rất sát nhau, có độ sai lệch là 1,8%. Điều đó chứng tỏ giá trị tối ưu các thông số phun đạt được là phù hợp để áp dụng vào thực tiễn.
4.2. PHÂN TÍCH CẤU TRÚC LỚP PHỦ Cr3C2 – 30%NiCr
a, Ảnh chụp vết đâm đo độ cứng b, Ảnh soi vùng biên giới liên kết Hình 4.21. Ảnh chụp tổ chức tế vi lớp phủ và lớp thép nền
Để khảo sát chất lượng lớp phủ nói chung và khả năng chịu mài mòn trong điều kiện xói mòn có nhiệt độ của lớp phủ nói riêng, ta có thể quan sát để thông
qua hình ảnh để phân tích và đánh giá thêm. Kết quả quan sát từ ảnh chụp tổ chức tế vi của lớp phủ trên mẫu thực nghiệm (hình 4.21b) cho thấy vùng biên giới giữa lớp phủ bột Cr3C2-30%NiCr với nền thép 16Mn có sự liên kết rất mịn, điều đó thể hiện sự hòa trộn kết dính giữa lớp phủ với thép nền và giữa lớp phủ với lớp phủ là rất tốt. Ngoài ra vùng biên giới liên kết giữa lớp phủ với thép nền không thấy có sự khiếm khuyết lớn của các lỗ rỗng xốp, mà ta thấy gần như 2 lớp vật liệu đã liên kết chặt chẽ với nhau tạo độ bám dính tốt. Như vậy gần như trong trường hợp này cho thấy không có sự ảnh hưởng của sự phản ứng hóa học nào giữa 2 vật liệu khác nhau và không thấy rõ ràng sự khuyếch tán kim loại khi phun. Điều này có thể giải thích là do quá trình nguội, sự khuếch tán qua lại giữa lớp phủ và vật liệu nền chỉ xảy ra ở mức độ hạn chế, do đó sự bám dính chủ yếu mang tính chất vật lý, chứ không mang tính chất luyện kim hay hóa học và điều này phù hợp với lý thuyết như đã phân tích ở chương 2. Để thấy rõ hơn điều này ta cũng có thể quan sát ảnh chụp bề mặt lớp phủ và bề mặt thép nền trên các mẫu sau khi đo độ bám dính (hình 4.22), qua hình ảnh cho thấy trên mẫu (hình 4.22a) có các vết lõm sâu và ngược lại trên (hình 4.22b) có các vùng nhô lên điều đó chứng tỏ các hạt phun găm sâu vào thép nền của mẫu. Đối với các mẫu thử độ bền bám trượt lại cho chúng ta thấy tình trạng đan xen sự lồi, lõm trên cả lớp phủ và bề mặt thép nền, điều đó chứng tỏ những tại những điểm lớp phủ găm sâu vào thép nền khi thử bám trượt lớp phủ tại vị trí đó bị vỡ còn những vị trí lớp phủ găm nông hơn thì có sự trượt trên bề mặt (hình 4.23).
a, Đầu chốt kéo mẫu thử b, Bề mặt lớp phủ sau khi kéo Hình 4.22. Ảnh chụp mẫu sau khi thử độ bền bám dính
Các kết quả phân tích bề mặt và cấu trúc tế vi của lớp phủ Cr3C2-30%NiCr trên nền thép 16Mn cho thấy lớp phủ có độ bám dính cao với nền, độ cứng tế vi đạt yêu cầu giúp tăng khả năng chịu mài mòn của bề mặt thép được phủ.
4.3. KẾT QUẢ TỐI ƯU HÓA ĐA MỤC TIÊU
Với mục tiêu tạo lớp phủ có thể ứng dụng trong thực tế vào sản phẩm công nghiệp, luận án tiến hành giải bài toán tối ưu cho một số chỉ tiêu chất lượng quan trọng nhằm có được một bộ thông số phủ phù hợp, có thể đáp ứng cơ bản cùng lúc các chỉ tiêu.
Thực hiện giải bài toán tối ưu hàm đa mục tiêu với mong muốn các chỉ tiêu gồm (Bd, τBtr, k, KLp) đạt giá trị càng lớn càng tốt và chỉ tiêu độ xốp (Lp) đạt được giá trị càng bé càng tốt, tạo thành bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu như đã mô tả trong biểu thức (3.23) được trình bày trong chương 3. Tiến hành chạy chức năng tối ưu hóa theo các bước (Start/DOE/Responer Surface/Response Optimizer..) trong phần mềm Minitab 19, với các ràng buộc như trong biểu thức (3.24). Kết quả tối ưu hóa của hàm đa mục tiêu đạt được như đồ thị (hình 4.24). Từ kết quả có được trong đồ thị (hình 4.24), nếu lấy các giá trị kết quả và làm tròn sau chữa số thập phân một số thì giá trị của bộ thông số phun và kết quả dự đoán được thống kê lại như trong (bảng 4.12). Thông qua đồ thị kết quả tối ưu hóa hàm đa mục tiêu (hình 4.24) cho thấy giá trị kỳ vọng đạt được là khá cao (D = 96,36%), điều đó cũng cho thấy bộ thông số đạt được có độ tương thích giữa kết quả dự đoán với kết quả thực nghiệm.
Bảng 4.12. Kết quả tối ưu hóa các thông số đầu vào và giá trị hàm mục tiêu
Hàm mục tiêu Mục tiêu Giá trị đạt được khi tối ưu Kết quả dự đoán hàm mục tiêu Ip (A) mp (g/ph) Lp (mm) Bd (MPa) Maximum 582,3 31,5 160,7 38,7 τBtr (MPa) Maximum 49,7 k (MPa) Maximum 121,1 Lp (%) Minimum 3,0 KLp (HV) Maximum 698,5
* Thực nghiệm kiểm chứng giá trị hàm tối ưu hóa đa mục tiêu:
Để đánh giá mức độ phù hợp của bộ thông số đạt được khi giải bài toán tối ưu đa mục tiêu, ta tiến hành thí nghiệm kiểm chứng lại bằng thực nghiệm. Tiến hành thực nghiệm với 5 mẫu cho mỗi hàm mục tiêu, chế độ phun thực hiện theo bộ thông số trong (bảng 4.12). Kết quả đo thực nghiệm kiểm chứng là giá trị trung bình của 5 mẫu đo được thống kê và trình bày trong (bảng 4.13). So sánh kết quả thực nghiệm của tất cả các hàm mục tiêu đều cho thấy rất sát với kết quả khi dự đoán, hàm mục tiêu độ bền bám trượt có độ lệch lớn nhất (4,4%) và hàm mục tiêu độ cứng tế vi của lớp phủ có độ lệch nhỏ nhất với (2,0%). Qua kết quả so sánh cho thấy giá trị bộ thông số phun gồm (Ip, mp và Lp) được xác định là phù hợp để áp dụng vào thực tiễn.
Bảng 4.13. Kết quả đo trên mẫu phun kiểm chứng giá trị tối ưu
Hàm mục tiêu
Các chỉ tiêu đầu vào khi tối ưu Kết quả dự đoán Kết quả kiểm chứng Độ lệch (%) Ip (A) mp (g/ph) Lp (mm) Bd (MPa) 582,3 31,5 160,7 38,7 37,3 3,8 τBtr (MPa) 49,7 47,6 4,4 k (MPa) 121,1 118,4 2,3 Lp (%) 3,0 3,1 3,2 KLp (HV) 698,5 685,1 2,0
KẾT LUẬN CHƯƠNG 4
Từ những kết quả thực nghiệm, luận án tiến hành phân tích số liệu, đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ phủ và xây dựng các hàm hồi quy thực nghiệm, tiến hành tối ưu hóa các bộ thông số công nghệ phủ theo một số chỉ tiêu chất lượng của lớp phủ Cr3C2 - 30%NiCr trên bề mặt thép nền 16Mn. Các kết quả chính có thể kết luận như sau:
1. Các thông số công nghệ phủ (Ip, mp và Lp) và sự tương tác giữa các thông số này đều có ảnh hưởng đáng kể đến độ bền bám dính, độ bền bám trượt, độ bền kéo, độ xốp và độ cứng tế vi của lớp phủ. Sự ảnh hưởng đó được thể hiện qua năm phương trình trong các biểu thức (4.1), (4.2), (4.3), (4.4) và (4.5). Các phương trình này là cơ sở để điều khiển hay tối ưu hóa quá trình tạo lớp phủ Cr3C2 - 30%NiCr trên bề mặt thép 16Mn bằng phun phủ plasma theo các chỉ tiêu cụ thể về độ bền bám dính, độ bền bám trượt, độ bền kéo, độ xốp và độ cứng tế vi của lớp phủ.
2. Đã tiến hành giải các hàm mục tiêu đầu ra, bằng thuật toán tối ưu Nelder - Mead (NM) xác định các bộ thông số công nghệ phun phủ tối ưu (Ip, mp và Lp) cho các chỉ tiêu. Bằng thực nghiệm kiểm chứng đã đưa ra được kết quả cho các hàm mục tiêu với từng bộ thông số phủ tối ưu cụ thể như sau:
- Đối với hàm mục tiêu độ bền bám dính (Bd): Bộ thông số phun khi tối ưu Ip = 572,1(A); mp = 30,8(g/ph); Lp= 168,8(mm). Tương ứng với kết quả dự đoán
Bd = 38,8(MPa) và giá trị khi thực nghiệm đạt được Bd = 37,6(MPa).
- Đối với hàm mục tiêu độ bền bám trượt (τBtr): Bộ thông số phun khi tối ưu Ip = 578,9(A); mp = 31,5(g/ph); Lp= 166,1(mm). Tương ứng với kết quả dự đoán τBtr = 49,8(MPa) và giá trị khi thực nghiệm đạt được τBtr = 48,1(MPa).
- Đối với hàm mục tiêu độ bền kéo đứt sự liên kết lớp phủ (k): Bộ thông số phun khi tối ưu Ip = 582,3(A); mp = 33,2(g/ph); Lp= 170,2(mm). Tương ứng
với kết quả dự đoán k = 121,5(MPa) và giá trị khi thực nghiệm đạt được
- Đối với hàm mục tiêu độ xốp của lớp phủ (Lp): Bộ thông số phun khi tối ưu Ip = 572,1(A); mp = 30,8 (g/ph); Lp= 153,9(mm). Tương ứng với kết quả dự đoán Lp = 2,98(%) và giá trị khi thực nghiệm đạt được Lp = 3,07(%).
- Đối với hàm mục tiêu độ cứng tế vi của lớp phủ (KLp): Bộ thông số phun khi tối ưu Ip = 595,9(A); mp = 30,5(g/ph); Lp= 149,8(mm). Tương ứng với kết
quả dự đoán KLp = 701,3(HV) và giá trị khi thực nghiệm đạt được
KLp = 689,2(HV).
- Đối với hàm đa mục tiêu (Bd, τBtr,k, Lp, KLp): Bộ thông số phun hàm đa mục đạt được khi tối ưu Ip = 582,3(A); mp = 31,5(g/ph); Lp= 160,7(mm). Tương ứng với kết quả dự đoán là Bd = 38,7(MPa); τBtr = 49,7(MPa); k = 121,1(MPa);
Lp = 3,0(%); Klp = 698,5(HV) và giá trị khi thực nghiệm đạt được là Bd = 37,3(MPa); τBtr = 47,6(MPa); k = 118,4(MPa); Lp = 3,1(%); KLp = 685,1(HV).
3. Kết quả phân tích cấu trúc lớp phủ cho thấy vùng biên giới liên kết giữa lớp phủ Cr3C2 - 30%NiCr và thép nền 16Mn liên kết tốt, có ít tạp chất, cấu trúc tế vị mịn, độ xốp thấp và có độ cứng cao. Lớp phủ có độ cứng cao và độ bám dính tốt với thép nền, có thể áp dụng lên chi tiết, sản phảm cơ khí nâng cao tuổi thọ cho các chi tiết làm việc trong môi trường chịu mài mòn.
CHƯƠNG 5: ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀO PHỤC HỒI CÁNH QUẠT KHÓI TRONG NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN
Trong chương này luận án tập trung phân tích điều kiện làm việc và tình trạng hư hỏng của cánh quạt khói, trên cơ sở đó đưa ra giải pháp phục hồi phù hợp cho cách quạt. Kết quả tối ưu hóa đa mục tiêu đạt được trong chương 4, được ứng dụng vào tạo lớp phủ lên bề mặt các cánh quạt được phục hồi. Sau khi phục hồi, quạt được đưa vào hoạt động trong điều kiện làm việc thực tế nhằm đánh giá hiệu quả của phương pháp. Kết quả có được sau khi thử nghiệm là cơ sở để áp dụng rộng rãi trong thực tế.