Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí với đề tài "Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ công nghệ phun phủ plasma đến tính chất của lớp phủ gốm hệ $\text{Al}_2\text{O}_3\text{--TiO}_2$ trên nền thép", chuyên ngành Kỹ thuật cơ khí (mã số: 9520103), được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Bùi Văn Khoản tại Viện Nghiên cứu Cơ khí (Bộ Công Thương) dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Lê Thu Quý và TS. Phan Thạch Hổ, bảo vệ năm 2022.

Về tính cấp thiết, công nghệ phun phủ nhiệt là giải pháp kỹ thuật bề mặt được ứng dụng rộng rãi nhằm phục hồi các chi tiết máy bị mài mòn và chế tạo các bề mặt làm việc trong môi trường khắc nghiệt. Chi phí phục hồi chi tiết máy bằng phương pháp này thường chỉ chiếm khoảng 15--20% đến 50--60% so với giá thành mua mới. Trong các kỹ thuật phun phủ nhiệt, phun plasma có ưu thế nhờ nguồn nhiệt năng lượng cao (15.000--20.000°C), cho phép lắng đọng các vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao như gốm oxit với độ xốp thấp và độ bám dính tốt. Hệ gốm oxit $\text{Al}_2\text{O}_3\text{--TiO}_2$ có giá thành phù hợp hơn so với gốm cacbit nhưng vẫn đảm bảo độ cứng, khả năng chịu mài mòn, bền hóa chất và bền nhiệt.

Về khoảng trống nghiên cứu, các công trình trước đây chủ yếu tập trung khảo sát thành phần bột phun hoặc đánh giá ảnh hưởng của công nghệ đến một chỉ tiêu cơ tính riêng lẻ (độ cứng, độ xốp hoặc độ bám dính). Chưa có nghiên cứu hệ thống nào khảo sát ảnh hưởng đồng thời của các thông số công nghệ phun plasma đến nhiều chỉ tiêu cơ tính đầu ra, chưa xây dựng được hàm hồi quy toán học liên hệ giữa các thông số công nghệ với cơ tính lớp phủ, và chưa áp dụng phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu để tìm bộ thông số đáp ứng đồng thời các yêu cầu kỹ thuật.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án gồm ba nội dung chính:

  1. Chế tạo và kiểm soát được chất lượng của lớp phủ plasma hệ gốm composite $\text{Al}_2\text{O}_3\text{--40TiO}_2$ trên nền thép kết cấu C45.
  2. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ chính trong phương pháp phun phủ plasma đến chất lượng lớp phủ làm việc trong điều kiện chịu mài mòn.
  3. Nghiên cứu tối ưu hóa đơn mục tiêu và đa mục tiêu đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật về chất lượng lớp phủ.

Câu hỏi nghiên cứu của luận án:

  1. Quy luật tác động của ba thông số công nghệ phun plasma (cường độ dòng điện phun, khoảng cách phun và lưu lượng cấp bột) đến cấu trúc tế vi, thành phần pha và bốn chỉ tiêu cơ tính (độ cứng tế vi, độ bám dính trượt, độ xốp, hệ số ma sát khô) của lớp phủ $\text{Al}_2\text{O}_3\text{--40TiO}_2$ diễn ra như thế nào?
  2. Mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đầu vào và các chỉ tiêu cơ tính đầu ra có thể được mô hình hóa bằng các hàm hồi quy toán học nào?
  3. Bộ thông số công nghệ nào cho phép tối ưu hóa đồng thời các chỉ tiêu cơ tính đầu ra thông qua chỉ số đánh giá tổng thể OEC?

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Lớp phủ gốm oxit $\text{Al}_2\text{O}_3\text{--40TiO}_2$ (tỷ lệ 60% $\text{Al}_2\text{O}_3$ và 40% $\text{TiO}_2$ theo khối lượng) được chế tạo bằng phương pháp phun plasma trong không khí (APS) trên nền thép cacbon C45.
  • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát ba thông số công nghệ phun gồm cường độ dòng điện phun ($I$), khoảng cách phun ($L$) và lưu lượng cấp bột ($M$). Bốn chỉ tiêu cơ tính và tính chất lớp phủ được đánh giá gồm: tổ chức vật liệu (SEM/EDX), thành phần pha (XRD), độ cứng tế vi (HV), hệ số ma sát khô, độ bền bám dính trượt và độ xốp. Nghiên cứu thực hiện tại Viện Nghiên cứu Cơ khí và các phòng thí nghiệm chuyên ngành tại Hà Nội, hoàn thành năm 2022.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Công nghệ phun phủ nhiệt được khởi xướng từ đầu thế kỷ 20 bởi kỹ sư Thụy Sĩ Max Ulrich Schoop (1910) với thiết bị phun hồ quang điện đầu tiên, sau đó chuyển giao công nghệ cho công ty Metallizator (Đức), Metallisation (Anh) và Metallizing Company (Mỹ, tiền thân của Metco, nay thuộc tập đoàn Oerlikon). Hiện nay công nghệ này đã phát triển thành các phương pháp chính: phun hồ quang điện (AS), phun khí cháy (FS gồm phun dây WFS và phun bột PFS), phun nhiên liệu oxy tốc độ cao (HVOF), phun nổ (DGS), phun nguội (CS), phun plasma trong không khí (APS) và phun plasma chân không (VPS).

Bảng 1.1 trong luận án tổng hợp các thuộc tính kỹ thuật chính của các phương pháp phun nhiệt:

Quá trình phun Nhiệt độ nguồn nhiệt (°C) Vận tốc hạt (m/s) Độ bền bám dính (MPa) Độ xốp (%) Hàm lượng oxit (%) Xếp hạng chi phí Chiều dày lớp phủ (mm)
Phun khí cháy bột (PFS) 3.000 40 8 10--15 2--6 1 0,1--1,5
Phun khí cháy dây (WFS) 1.000 100 12 10--20 10 2 0,1--1,5
Phun oxy nhiên liệu tốc độ cao (HVOF) 3.000 800 > 70 1--5 1--2 3 0,1--2
Phun nổ (DGS) 1.000 800 > 70 1--5 1--2 4 0,05--0,3
Phun hồ quang điện (AS) 3.000 240 > 60 5--10 5 1 --
Phun plasma không khí (APS) 12.000 200--400 10--70 1--3 1--5 4 0,1--1
Phun plasma chân không (VPS) 12.000 100--600 > 70 0 < 0,5 5 0,1--1
Phun nguội (CS) < 500 550--1.000 20--70 0 < 0,5 3 0,1--2

Các nghiên cứu quốc tế về lớp phủ gốm hệ $\text{Al}_2\text{O}_3\text{--TiO}_2$ được tác giả phân tích gồm:

  • Yusoff và cộng sự (2012) khảo sát lớp phủ $\text{Al}_2\text{O}_3\text{--13TiO}_2$, chứng minh khi tăng công suất nhiệt phun từ 20 kW lên 40 kW thì độ xốp lớp phủ giảm từ 6,2% xuống 4%.
  • Kanta và cộng sự nghiên cứu lớp phủ $\text{Al}_2\text{O}_3\text{--13TiO}_2$ trên nền thép XC18, chỉ ra hạt nano tạo khả năng chống mòn tốt hơn hạt thông thường nhờ sự tồn tại đồng thời của hai pha $\alpha\text{--Al}_2\text{O}_3$ và $\gamma\text{--Al}_2\text{O}_3$.
  • Islak và cộng sự khảo sát lớp phủ $\text{Al}_2\text{O}_3$ bổ sung 3%, 13% và 40% $\text{TiO}_2$ trên nền thép SAE 1040 có lớp lót NiCr20; kết quả cho thấy khi hàm lượng $\text{TiO}_2$ tăng thì độ xốp giảm, độ cứng tế vi đạt 650--860 HV (cao hơn 3 đến 4,5 lần thép nền).
  • Nghiên cứu của Cục Năng lượng nguyên tử Pháp khảo sát lớp phủ $\text{Al}_2\text{O}_3$ và $\text{Al}_2\text{O}_3\text{--TiO}_2$ tẩm nhôm phốt phát làm việc ở nhiệt độ 850--1.500°C trên nền thép không gỉ AISI 304L.
  • K. Bundschuh và Zimmerlin nghiên cứu vi cấu trúc lớp phủ $\text{Al}_2\text{O}_3\text{--3%(Y}_2\text{O}_3\text{--ZrO}_2\text{)}$ xác định các cơ chế mòn gồm biến dạng dẻo, phân mảnh hạt và đứt gãy tách lớp.
  • Jordan và cộng sự (2000) cùng You Wang và cộng sự (1999) so sánh bột nano $\text{Al}_2\text{O}_3\text{--TiO}_2$ với bột thương mại Metco-130, ghi nhận độ cứng tăng và khả năng chống mài mòn của lớp phủ nano cao gấp 4 lần bột thông thường.
  • Mokhtar Bounazef và cộng sự (2004) khảo sát tính chất ma sát và ăn mòn của $\text{Al}_2\text{O}_3$ có và không có lớp lót Ni5Al trên nền AISI 304 khi ngâm trong dung dịch HCl 5%.
  • Zhijian Yin, Shunyan Tao, Xiaming Zhao, Chuanxian Ding phân tích độ cứng tế vi Vickers của lớp phủ $\text{Al}_2\text{O}_3$ qua phân phối Weibull, chỉ ra sự phụ thuộc kích thước vết đâm theo định luật Kick và chỉ số Meyer $k = 1{,}93$.
  • Tác giả That nghiên cứu lớp phủ $\text{Al}_2\text{O}_3$ với 13%, 40% và 50% $\text{TiO}_2$ trên nền AISI 304L, kết luận việc tăng tỷ lệ $\text{TiO}_2$ giúp nâng cao độ bám dính trượt nhưng làm giảm độ cứng vi mô.

Tại Việt Nam, công nghệ phun phủ nhiệt được nghiên cứu và ứng dụng từ thập niên 1970 qua các đề tài phục hồi chi tiết máy giao thông vận tải, nông nghiệp (luận án TS tại ĐH Nông nghiệp 1 năm 1980), đầu phun M-6 phục hồi trục bơm tại Hà Nam Ninh và Bắc Hà (1980--1985), phun bảo vệ kết cấu dàn khoan Vũng Tàu và cột mốc Trường Sa bằng thiết bị M9, M14-M. Viện Kỹ thuật nhiệt đới đã triển khai các nghiên cứu của Nguyễn Văn Tuấn (2017) về lớp phủ Ni-Cr thẩm thấu phốt phát nhôm, Lý Quốc Cường (2018) về hệ lớp phủ kép Al/Ni-20Cr xử lý nhiệt, và Phạm Thị Lý (2016) về gốm composite $\text{Al}_2\text{O}_3\text{--40%TiO}_2$ thẩm thấu phốt phát nhôm nano. Tại Viện Nghiên cứu Cơ khí, Trần Văn Dũng (2018) nghiên cứu lớp phủ 67Ni18Cr5Si4B có lớp lót Ni5Al trên trục tàu cuốc, và Phạm Đăng Lộc chủ nhiệm đề tài chế tạo bột $\text{Al}_2\text{O}_3\text{--TiO}_2$.

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết là: Tập trung nghiên cứu thực nghiệm có hệ thống về ảnh hưởng đồng thời của 3 thông số công nghệ phun plasma (dòng điện phun $I$, khoảng cách phun $L$, lưu lượng cấp bột $M$) đến tổ chức vi mô, thành phần pha và 4 chỉ tiêu cơ tính đầu ra; xây dựng các hàm hồi quy đa biến và ứng dụng chỉ tiêu đánh giá tổng thể OEC để tối ưu hóa đa mục tiêu cho lớp phủ gốm composite $\text{Al}_2\text{O}_3\text{--40TiO}_2$ trên nền thép C45.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên 4 quan điểm lý thuyết cơ bản về sự hình thành lớp phun nhiệt:

  • Lý thuyết của Pospisil - Sehyl: Quá trình phân rã giọt kim loại lỏng dưới luồng khí nén tốc độ cao (khoảng 200 m/s); hình dạng hạt phụ thuộc vào tính chất oxit (oxit lỏng tạo hạt cầu, oxit rắn tạo hạt đa cạnh), mức độ oxy hóa quyết định chất lượng lớp phủ.
  • Lý thuyết của Schoop: Các hạt kim loại nóng chảy va đập vào bề mặt nền, bị làm nguội nhanh bởi dòng khí và trải qua quá trình biến dạng dẻo để liên kết cơ học thành các lớp phủ.
  • Lý thuyết của Karg, Katsch, Reininger: Hạt bị nguội và đông đặc nhanh dưới động năng dòng khí nén, khi va đập không còn biến dạng dẻo.
  • Lý thuyết của Schenk: Nhiệt độ hạt va đập phải đạt trạng thái chảy lỏng làm nóng chảy cục bộ bề mặt nền để tạo liên kết hàn chặt.

Về nguyên lý công nghệ, phương pháp phun plasma trong không khí (APS) sử dụng nguồn điện một chiều tạo hồ quang giữa điện cực âm vonfram và điện cực dương bằng đồng làm mát bằng nước. Dòng khí plasma (thường là argon kết hợp hydro) đi qua hồ quang bị ion hóa tạo ra luồng nhiệt độ cao (15.000--20.000°C). Hạt bột gốm được khí mang đưa vào ngọn lửa plasma, bị nóng chảy và gia tốc đến vận tốc 200--400 m/s, va đập lên bề mặt nền tạo thành các phần tử dạng dẹt (splats có kích thước 0,1--0,2 mm, chiều dày 0,005--0,01 mm), phân cách bởi màng oxit mỏng (0,001 mm) và các lỗ xốp, với tốc độ nguội nhanh vượt quá $10^6\text{--}10^7$ °C/s.

Vật liệu và thiết bị thực nghiệm:

  • Vật liệu nền: Thép cacbon kết cấu C45 dạng tấm phẳng. Bề mặt nền được tạo nhám bằng thiết bị phun hạt mài TM-R-6F (Italia) và kiểm tra độ nhám bằng máy Mitutoyo SJ-410. Lớp lót trung gian được phun trước khi phủ gốm.
  • Vật liệu phun: Bột gốm composite $\text{Al}_2\text{O}_3\text{--40TiO}_2$ (tỷ lệ khối lượng 60% $\text{Al}_2\text{O}_3$ và 40% $\text{TiO}_2$). Khối lượng và lưu lượng bột được xác định qua cân tiểu ly kỹ thuật.
  • Thiết bị phun: Hệ thống phun plasma Model 3710 của hãng Praxair Surface Technologies (Mỹ), súng phun SG-100 (công suất 40--80 kW), tích hợp bộ điều khiển thông số, hệ thống cấp khí, bộ cấp bột và đồ gá phun gắn robot chuyển động.

Phương pháp quy hoạch thực nghiệm và xử lý số liệu:

  • Quy hoạch thực nghiệm: Sử dụng phương pháp Taguchi với mảng trực giao $L_9$ ($3^3$ gồm 9 thí nghiệm, 3 yếu tố khảo sát ở 3 mức giá trị). Ba thông số công nghệ đầu vào gồm: cường độ dòng điện phun ($I$, A), khoảng cách phun ($L$, mm) và lưu lượng cấp bột ($M$).
  • Tỷ số tín hiệu trên nhiễu (S/N): Áp dụng hàm "càng lớn càng tốt" (Larger-the-better) cho độ cứng tế vi và độ bền bám dính trượt; áp dụng hàm "càng nhỏ càng tốt" (Smaller-the-better) cho độ xốp và hệ số ma sát khô.
  • Phân tích phương sai (ANOVA): Xác định mức độ ảnh hưởng và tỷ lệ phần trăm đóng góp ($P_j$) của từng yếu tố công nghệ ($I, L, M$) tới từng chỉ tiêu cơ tính đầu ra.
  • Phương pháp hồi quy bình phương tối thiểu: Thiết lập các hàm toán học bậc hai biểu diễn mối quan hệ giữa ba thông số công nghệ với từng chỉ tiêu cơ tính.
  • Tối ưu hóa đa mục tiêu: Sử dụng chỉ tiêu đánh giá tổng thể OEC (Overall Evaluation Criteria) kết hợp trọng số của từng chỉ tiêu chất lượng để xác định bộ thông số công nghệ tối ưu đồng thời.

Phương pháp kiểm tra, đo lường:

  • Đo độ cứng tế vi: Thực hiện theo tiêu chuẩn ASTM E384-17 trên thiết bị IndentaMet 1106.
  • Đo hệ số ma sát khô: Sử dụng thiết bị đo ma sát Tribo-Tester.
  • Đo độ bền bám dính trượt: Thực hiện theo tiêu chuẩn JIS H 8666-1980 trên máy thử kéo nén vạn năng WEW-1000B với đồ gá và khuôn trượt chuyên dụng do tác giả tự thiết kế, chế tạo.
  • Đo độ xốp: Đánh giá theo tiêu chuẩn ASTM B276-21 thông qua xử lý ảnh kim tương mặt cắt ngang.
  • Kiểm tra chiều dày lớp phủ: Sử dụng thiết bị đo Mitutoyo Digi-Derm 745.
  • Phân tích hình thái vi cấu trúc và phân bố nguyên tố: Kính hiển vi điện tử quét SEM Jeol 6490 tích hợp đầu thu phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX/EDS).
  • Phân tích thành phần pha tinh thể: Thiết bị nhiễu xạ tia X D8-Advance (Bruker).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về phun phủ nhiệt

Chương này hệ thống hóa lịch sử phát triển của công nghệ phun phủ nhiệt từ phát minh năm 1910 của M. Schoop đến các dây chuyền tự động hiện đại. Tác giả phân tích chi tiết nguyên lý hoạt động, ưu nhược điểm và phạm vi áp dụng của các phương pháp: phun hồ quang điện, phun ngọn lửa khí cháy (dây và bột), phun oxy nhiên liệu tốc độ cao (HVOF), phun nổ (D-Gun), phun nguội và phun plasma (APS, VPS). Dựa trên phân tích so sánh kỹ thuật và chi phí (Bảng 1.1), tác giả chỉ ra phương pháp phun plasma trong không khí (APS) có ưu thế nổi bật nhờ nhiệt độ nguồn nhiệt đạt 12.000--20.000°C, cho phép phun các loại gốm oxit khó nóng chảy với chi phí vận hành hợp lý. Chương 1 điểm lại các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về hệ gốm $\text{Al}_2\text{O}_3\text{--TiO}_2$, phân tích vai trò của pha $\text{TiO}_2$ trong việc hạ nhiệt độ nóng chảy và cải thiện độ dai va đập của nền $\text{Al}_2\text{O}_3$. Từ đó, tác giả xác định rõ sự cần thiết phải nghiên cứu tối ưu hóa đa mục tiêu chế độ công nghệ phun cho hệ gốm $\text{Al}_2\text{O}_3\text{--40TiO}_2$ tại Việt Nam.

Chương 2: Đặc trưng cấu trúc và sự hình thành lớp phủ phun nhiệt

Chương 2 trình bày cơ sở lý thuyết về sự hình thành lớp phủ từ 4 trường phái lý thuyết (Pospisil - Sehyl, Schoop, Karg - Katsch - Reininger, Schenk) và khẳng định bản chất cấu trúc lớp phủ phun nhiệt là tập hợp các hạt dẹt (splats) xếp chồng lớp không đồng nhất, chứa lỗ xốp và màng oxit biên giới. Tác giả mô tả cấu tạo hệ thống phun plasma thương mại SG-100 của hãng Praxair, sơ đồ nguyên lý hồ quang DC, cấu tạo điện cực âm vonfram, điện cực dương đồng làm mát bằng nước và cơ chế cấp bột. Chương này phân tích chi tiết các đặc tính cơ học chủ yếu của lớp phủ gồm: độ bền bám dính (chủ yếu là liên kết cơ học phụ thuộc động năng hạt và độ nhám bề mặt), độ cứng tế vi (chịu ảnh hưởng của biến dạng và mức độ kết tinh), độ xốp (hình thành do hạt không nóng chảy hoàn toàn và co ngót khi nguội) và độ bền mài mòn. Đồng thời, chương 2 tổng kết các nhóm yếu tố công nghệ ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng lớp phủ gồm: đặc tính vật liệu bột phun, cấu tạo thiết bị súng phun và các thông số chế độ công nghệ phun (dòng điện, khoảng cách, lưu lượng bột, áp suất khí).

Chương 3: Vật liệu, thiết bị thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu

Chương 3 xây dựng quy trình thực nghiệm hoàn chỉnh: lựa chọn thép kết cấu C45 làm nền, bột composite $\text{Al}_2\text{O}_3\text{--40TiO}_2$ làm lớp phủ và lớp lót kết nối. Tác giả trình bày kết quả thực nghiệm thăm dò để xác định khoảng biến thiên phù hợp cho 3 thông số công nghệ chính: cường độ dòng điện phun ($I$), khoảng cách phun ($L$) và lưu lượng cấp bột ($M$). Tác giả thiết kế ma trận thực nghiệm theo phương pháp Taguchi mảng trực giao $L_9$ ($3^3$), thiết lập quy trình tính toán tỷ số S/N, phân tích phương sai ANOVA, phương pháp hồi quy đa thức bậc hai và quy trình tối ưu hóa đa mục tiêu bằng chỉ tiêu OEC. Toàn bộ quy trình chuẩn bị bề mặt nền (phun hạt mài tạo nhám trên máy TM-R-6F), chế tạo đồ gá phun, thiết kế và gia công bộ khuôn thử độ bền bám dính trượt theo tiêu chuẩn JIS H 8666-1980 trên máy kéo nén WEW-1000B được mô tả chi tiết kèm theo quy trình đo đạc các chỉ tiêu theo các tiêu chuẩn ASTM E384-17 (độ cứng), ASTM B276-21 (độ xốp), đo hệ số ma sát trên Tribo-Tester, phân tích vi cấu trúc SEM/EDX (Jeol 6490) và nhiễu xạ tia X XRD (D8-Advance).

Chương 4: Kết quả thực nghiệm và bàn luận

Chương 4 công bố toàn bộ dữ liệu thực nghiệm trên 9 mẫu theo mảng trực giao $L_9$:

  • Cấu trúc và thành phần pha: Ảnh chụp SEM mặt cắt ngang cho thấy lớp phủ có cấu trúc phân lớp sít chặt đặc trưng, các hạt nóng chảy bám dính tốt với lớp lót và chất nền, xen kẽ một số lỗ xốp nhỏ và hạt nóng chảy một phần. Phân tích phổ XRD xác định các pha tinh thể chính tồn tại trong lớp phủ gồm $\alpha\text{--Al}_2\text{O}_3$, $\gamma\text{--Al}_2\text{O}_3$, các pha oxit titan ($\text{TiO}_2$ dạng rutile/anatase) và hợp chất liên kết $\text{Al}_2\text{TiO}_5$.
  • Ảnh hưởng đến độ cứng tế vi: Phân tích tỷ số S/N và bảng ANOVA chỉ ra mức độ ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến độ cứng lớp phủ; xây dựng hàm hồi quy biểu diễn sự phụ thuộc của độ cứng vào $I, L, M$ và biểu đồ đáp ứng bề mặt dạng 2D, 3D; thực hiện thí nghiệm kiểm chứng xác nhận độ tin cậy của mô hình.
  • Ảnh hưởng đến hệ số ma sát khô: Đưa ra bảng kết quả đo, phân tích ANOVA, xác định thứ tự tác động của các thông số công nghệ và kiểm chứng thực nghiệm mô hình ma sát.
  • Ảnh hưởng đến độ bền bám dính trượt: Đánh giá lực phá hủy trên mẫu trượt, tính toán giá trị S/N, lập bảng ANOVA xác định tỷ lệ phần trăm đóng góp của từng yếu tố công nghệ và kiểm chứng mô hình bám dính.
  • Ảnh hưởng đến độ xốp: Công bố dữ liệu đo độ xốp trên 9 mẫu, phân tích phương sai ANOVA, xây dựng hàm hồi quy và đồ thị 3D thể hiện sự phụ thuộc của độ xốp vào $I, L, M$.
  • Tối ưu hóa đa mục tiêu: Tổng hợp các thông số đầu vào và kết quả OEC cho 9 thí nghiệm (Bảng 4.17), phân tích mức độ và tỷ lệ ảnh hưởng của các yếu tố $I, L, M$ tới chỉ số OEC (Bảng 4.18), từ đó xác định bộ thông số công nghệ tối ưu đồng thời đáp ứng cả 4 chỉ tiêu cơ tính và dự đoán các giá trị đạt được (Bảng 4.19).

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận:

  • Đã xác định được quy luật ảnh hưởng đồng thời của 3 thông số công nghệ phun plasma chính (cường độ dòng điện phun $I$, khoảng cách phun $L$, lưu lượng cấp bột $M$) đến tổ chức vi mô, thành phần pha và 4 chỉ tiêu cơ tính quan trọng (độ cứng tế vi, hệ số ma sát khô, độ bền bám dính trượt, độ xốp) của lớp phủ gốm $\text{Al}_2\text{O}_3\text{--40TiO}_2$ trên nền thép C45.
  • Đã xây dựng được hệ thống các phương trình hồi quy toán học mô tả định lượng mối quan hệ giữa các thông số công nghệ đầu vào ($I, L, M$) với từng chỉ tiêu cơ tính đầu ra.
  • Đã áp dụng thành công phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu dựa trên chỉ tiêu đánh giá tổng thể OEC (Overall Evaluation Criteria) kết hợp quy hoạch thực nghiệm Taguchi để xác định bộ thông số công nghệ tối ưu đáp ứng đồng thời 4 chỉ tiêu chất lượng lớp phủ.

Các đóng góp mới về mặt kỹ thuật và thực tiễn:

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công bộ đồ gá phun mẫu và bộ khuôn chuyên dụng kiểm tra độ bền bám dính trượt cho lớp phủ gốm dạng tấm phẳng theo tiêu chuẩn JIS H 8666-1980 trên máy kéo nén WEW-1000B.
  • Xác lập được quy trình công nghệ phun plasma ổn định, có thể làm tài liệu công nghệ phục vụ trực tiếp công tác phục hồi hoặc chế tạo mới các chi tiết máy làm việc trong môi trường chịu mài mòn, giúp giảm chi phí nhập khẩu linh kiện thay thế và làm tài liệu tham khảo trong đào tạo kỹ thuật cơ khí.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

  • Nghiên cứu giới hạn khảo sát trên 3 thông số công nghệ chính ($I, L, M$), các thông số khác như lưu lượng khí chính, khí phụ, áp suất phun, góc phun và tốc độ dịch chuyển súng phun được giữ cố định.
  • Đối tượng thử nghiệm thực hiện trên mẫu thép tấm phẳng C45, chưa tiến hành thực nghiệm trên các chi tiết có biên dạng hình học phức tạp (bề mặt trụ trong của xi lanh hoặc trục có rãnh).
  • Mới khảo sát một tỷ lệ thành phần bột gốm cố định là $\text{Al}_2\text{O}_3\text{--40TiO}_2$.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Mở rộng khảo sát chế độ phun plasma trên các bề mặt chi tiết máy có dạng hình học phức tạp trong điều kiện chuyển động quay và tịnh tiến tự động bằng robot.
  • Nghiên cứu các giải pháp xử lý sau phun như thẩm thấu chất điền đầy (dung dịch phốt phát nhôm) hoặc xử lý nhiệt ủ để giảm thiểu triệt để độ xốp và triệt tiêu ứng suất dư.
  • Khảo sát bổ sung độ bền mỏi nhiệt, khả năng chịu sốc nhiệt và độ bền ăn mòn hóa học của lớp phủ trong các môi trường axit, kiềm và nước biển.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao đối với:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật cơ khí, Kỹ thuật vật liệu, Công nghệ hàn và Xử lý bề mặt: Cung cấp phương pháp luận kết hợp giữa thiết kế thực nghiệm Taguchi mảng trực giao $L_9$, phân tích phương sai ANOVA, thiết lập hàm hồi quy đa biến và kỹ thuật tối ưu hóa đa mục tiêu OEC.
  • Các kỹ sư công nghệ tại các viện nghiên cứu cơ khí và doanh nghiệp chế tạo máy: Tham khảo trực tiếp quy trình công nghệ phun plasma hệ gốm oxit, bộ thông số công nghệ tối ưu để phục hồi các chi tiết máy bị mài mòn (như trục bơm, cánh van, chi tiết chịu ma sát trong ngành xi măng, hóa chất, khai thác mỏ).
  • Cán bộ kỹ thuật phòng thử nghiệm cơ tính: Tham khảo thiết kế bản vẽ và kết cấu khuôn thử độ bền bám dính trượt theo tiêu chuẩn JIS H 8666-1980.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao tác giả lựa chọn hệ gốm composite $\text{Al}_2\text{O}_3\text{--40TiO}_2$ để nghiên cứu lớp phủ? Vật liệu gốm oxit $\text{Al}_2\text{O}_3$ có độ cứng cao, bền nhiệt và chịu mài mòn tốt nhưng giòn và có nhiệt độ nóng chảy cao. Việc bổ sung 40% $\text{TiO}_2$ giúp hạ thấp nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp, cải thiện độ dẻo dai va đập, giảm độ xốp và tăng cường độ bền bám dính của lớp phủ với kim loại nền, đồng thời hệ gốm oxit này có giá thành thấp hơn đáng kể so với các hệ gốm cacbit hay ceramic đặc biệt.

  2. Ba thông số công nghệ phun plasma được khảo sát trong luận án là gì? Ba thông số công nghệ đầu vào được tác giả lựa chọn khảo sát là: Cường độ dòng điện phun ($I$, đơn vị Ampe), Khoảng cách phun ($L$, đơn vị milimét) và Lưu lượng cấp bột ($M$). Ba yếu tố này được bố trí thực nghiệm theo mảng trực giao Taguchi $L_9$ với 3 mức giá trị cho mỗi yếu tố.

  3. Độ bền bám dính của lớp phủ được đo đạc theo tiêu chuẩn và phương pháp nào? Độ bền bám dính của lớp phủ gốm với nền thép được đánh giá theo phương pháp bám dính trượt tuân thủ tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản JIS H 8666-1980. Để thực hiện phép thử này trên mẫu phẳng, tác giả đã tự thiết kế và gia công bộ khuôn gá trượt chuyên dụng lắp trên máy thử kéo nén vạn năng WEW-1000B.

  4. Chỉ số đánh giá tổng thể OEC (Overall Evaluation Criteria) có vai trò gì trong luận án? Chỉ số OEC là công cụ toán học dùng để giải bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu. Vì mỗi chỉ tiêu cơ tính đầu ra (độ cứng, hệ số ma sát, độ bền bám dính, độ xốp) có thể đạt giá trị tối ưu ở các bộ thông số công nghệ khác nhau, OEC tích hợp cả 4 chỉ tiêu này theo các hàm S/N và trọng số tương ứng thành một chỉ số duy nhất, cho phép xác định một chế độ phun dung hòa đáp ứng đồng thời các tiêu chí chất lượng.

  5. Những pha tinh thể nào được phát hiện trong lớp phủ sau khi phun plasma? Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) trên thiết bị D8-Advance xác định trong lớp phủ tồn tại các pha tinh thể gồm: $\alpha\text{--Al}_2\text{O}_3$, pha biến thái $\gamma\text{--Al}_2\text{O}_3$ do quá trình nguội nhanh đột ngột, các pha oxit titan ($\text{TiO}_2$) và pha hợp chất liên kết giữa hai oxit là $\text{Al}_2\text{TiO}_5$.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Bùi Văn Khoản đã giải quyết có hệ thống vấn đề công nghệ chế tạo lớp phủ gốm composite $\text{Al}_2\text{O}_3\text{--40TiO}_2$ trên nền thép C45 bằng phương pháp phun plasma trong không khí. Công trình đã thiết lập thành công mô hình thực nghiệm Taguchi $L_9$, xác định quy luật ảnh hưởng của dòng điện phun, khoảng cách phun và lưu lượng cấp bột đến cấu trúc vi mô, thành phần pha và các chỉ tiêu cơ tính lớp phủ. Bằng việc xây dựng các hàm hồi quy đa biến và ứng dụng chỉ số đánh giá tổng thể OEC, luận án đã tìm ra bộ thông số công nghệ tối ưu đa mục tiêu, cung cấp cơ sở khoa học và quy trình thực tiễn tin cậy cho việc ứng dụng công nghệ phun plasma phục hồi, chế tạo chi tiết máy chịu mài mòn trong công nghiệp.