Tổng quan nghiên cứu

Công nghệ phun phủ nhiệt HVOF (High Velocity Oxy-Fuel) đã trở thành giải pháp tiên tiến trong việc tạo lớp phủ bảo vệ bề mặt chi tiết máy, đặc biệt trong các môi trường làm việc khắc nghiệt như nhiệt độ cao, mài mòn và xói mòn. Theo ước tính, lớp phủ WC-20Cr3C2-7Ni được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp dầu khí, thủy lực và chế tạo máy nhờ khả năng chống mài mòn vượt trội và độ bền cơ học cao. Tuy nhiên, chất lượng lớp phủ phụ thuộc rất lớn vào các thông số công nghệ phun như lưu lượng khí oxy, lưu lượng khí LPG, khoảng cách phun và tốc độ cấp bột.

Mục tiêu chính của nghiên cứu là phân tích ảnh hưởng của các thông số công nghệ phun phủ HVOF đến các tiêu chí chất lượng lớp phủ WC-20Cr3C2-7Ni, bao gồm độ cứng, độ xốp và hiệu suất bám dính. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi thời gian từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2023 tại Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, sử dụng thiết bị phun HVOF hiện đại và phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu kết hợp Taguchi và phân tích quan hệ Grey Relational Analysis (GRA).

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp quy trình tối ưu hóa thông số phun phủ nhằm nâng cao chất lượng lớp phủ, giảm thiểu hao hụt vật liệu và tăng tuổi thọ chi tiết máy. Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng trực tiếp trong công nghiệp để phục hồi chi tiết mòn và chế tạo chi tiết mới, đặc biệt trong các điều kiện làm việc nhiệt độ cao từ 800 đến 900°C và môi trường xói mòn thủy lực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Công nghệ phun phủ HVOF là một bước tiến của các phương pháp phun nhiệt truyền thống, sử dụng súng phun dạng ống Laval để tạo vận tốc hạt phun lên đến 1000 m/s, giúp lớp phủ có mật độ cao, độ bám dính tốt và độ xốp thấp. Các lý thuyết nền tảng bao gồm:

  • Lý thuyết vận tốc và nhiệt độ hạt phun: Vận tốc và nhiệt độ hạt ảnh hưởng trực tiếp đến độ cứng và độ xốp của lớp phủ. Vòi phun dạng ống Laval giúp tăng vận tốc khí, giảm thời gian truyền nhiệt, hạn chế biến đổi pha vật liệu.
  • Lý thuyết Taguchi về thiết kế thí nghiệm: Phương pháp Taguchi sử dụng ma trận orthogonal để tối ưu hóa các thông số công nghệ với số lượng thí nghiệm tối thiểu, tập trung vào việc giảm thiểu biến động và nâng cao chất lượng sản phẩm.
  • Phân tích quan hệ Grey Relational Analysis (GRA): Phương pháp này cho phép tối ưu hóa đa mục tiêu bằng cách chuyển đổi các tiêu chí chất lượng khác nhau thành một chỉ số tổng hợp, giúp xác định bộ thông số công nghệ tối ưu đồng thời cho độ cứng, độ xốp và hiệu suất bám dính.

Các khái niệm chính trong nghiên cứu bao gồm: độ cứng (HV), độ xốp (%), hiệu suất bám dính (điểm), lưu lượng khí oxy (lít/phút), lưu lượng khí LPG (lít/phút), khoảng cách phun (mm), tốc độ cấp bột (g/phút).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các thí nghiệm phun phủ thực nghiệm trên mẫu phôi thép C45 kích thước đường kính 60 mm, chiều dài 25 mm. Bột phun WC-20Cr3C2-7Ni dạng cầu, kích thước hạt từ -45/+15 μm, được nung khô trước khi phun để tăng khả năng chảy. Thiết bị phun HVOF sử dụng súng phun làm mát bằng nước, đảm bảo vận tốc hạt cao và ổn định.

Phương pháp phân tích gồm:

  • Thiết kế thí nghiệm Taguchi L9 với 4 yếu tố (lưu lượng oxy, lưu lượng LPG, khoảng cách phun, tốc độ cấp bột), mỗi yếu tố 3 mức giá trị.
  • Đo đạc các chỉ tiêu chất lượng lớp phủ: độ cứng bằng máy đo Vickers, độ xốp bằng phần mềm ImageJ trên ảnh kính hiển vi quang học, hiệu suất bám dính theo tiêu chuẩn đánh giá điểm.
  • Tối ưu hóa đa mục tiêu bằng kết hợp Taguchi và GRA để xác định bộ thông số công nghệ tối ưu.
  • Thời gian nghiên cứu từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2023, với cỡ mẫu 9 thí nghiệm theo ma trận Taguchi, mỗi thí nghiệm được lặp lại để đảm bảo độ tin cậy.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của lưu lượng khí oxy: Lưu lượng oxy 130 lít/phút được xác định là mức tối ưu, giúp đạt độ cứng lớp phủ trung bình 1380 HV, cao hơn khoảng 5% so với mức thấp nhất trong thí nghiệm. Đồng thời, độ xốp giảm xuống còn 3,1%, thấp hơn khoảng 20% so với mức cao nhất.

  2. Ảnh hưởng của lưu lượng khí LPG: Lưu lượng LPG 44 lít/phút cho hiệu suất bám dính đạt 8,7 điểm, tăng 15% so với mức thấp nhất, đồng thời góp phần giảm độ xốp và tăng độ cứng lớp phủ.

  3. Ảnh hưởng của khoảng cách phun: Khoảng cách phun 310 mm giúp cân bằng giữa độ cứng và độ xốp, giảm ứng suất dư trong lớp phủ, từ đó nâng cao độ bền bám dính.

  4. Ảnh hưởng của tốc độ cấp bột: Tốc độ cấp bột 45 g/phút tối ưu hóa lượng vật liệu phun, đảm bảo lớp phủ đồng đều, giảm thiểu khuyết tật và tăng hiệu suất bám dính.

Các kết quả được minh họa qua biểu đồ phân tích S/N và phân tích trung bình trên phần mềm Minitab, cho thấy sự tương quan rõ ràng giữa các thông số công nghệ và chất lượng lớp phủ. Bảng tổng hợp kết quả tối ưu đa mục tiêu cho thấy bộ thông số: oxy 130 lít/phút, LPG 44 lít/phút, khoảng cách phun 310 mm, tốc độ cấp bột 45 g/phút cho lớp phủ có độ cứng 1380 HV, độ xốp 3,1% và hiệu suất bám dính 8,7 điểm.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các ảnh hưởng trên được giải thích bởi cơ chế truyền nhiệt và vận tốc hạt phun trong súng HVOF. Lưu lượng oxy và LPG điều chỉnh nhiệt độ ngọn lửa và vận tốc hạt, ảnh hưởng trực tiếp đến sự nóng chảy và kết dính của bột trên bề mặt. Khoảng cách phun ảnh hưởng đến thời gian làm nguội và sự phân bố hạt, trong khi tốc độ cấp bột điều chỉnh lượng vật liệu cung cấp, tránh hiện tượng quá tải hoặc thiếu vật liệu.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả phù hợp với báo cáo của ngành về ảnh hưởng của lưu lượng oxy và LPG đến độ cứng và độ xốp lớp phủ. Việc áp dụng phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu Taguchi kết hợp GRA giúp đồng thời cân bằng các tiêu chí chất lượng, vượt trội hơn so với tối ưu đơn mục tiêu truyền thống.

Ý nghĩa của kết quả thể hiện rõ trong việc nâng cao tuổi thọ chi tiết máy, giảm chi phí bảo trì và tăng hiệu quả sản xuất. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đường và bảng tổng hợp để minh họa sự thay đổi các chỉ tiêu chất lượng theo từng thông số công nghệ.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng bộ thông số phun phủ tối ưu: Đề nghị các nhà sản xuất và cơ sở phục hồi chi tiết áp dụng lưu lượng oxy 130 lít/phút, LPG 44 lít/phút, khoảng cách phun 310 mm và tốc độ cấp bột 45 g/phút để đạt chất lượng lớp phủ WC-20Cr3C2-7Ni tốt nhất. Thời gian triển khai trong vòng 3-6 tháng, chủ thể thực hiện là phòng kỹ thuật sản xuất.

  2. Đào tạo kỹ thuật viên vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về công nghệ phun HVOF và quy trình tối ưu hóa thông số nhằm nâng cao tay nghề, giảm sai sót trong quá trình phun phủ. Mục tiêu tăng hiệu suất phun và giảm tỷ lệ lỗi lớp phủ trong 6 tháng.

  3. Xây dựng hệ thống kiểm soát chất lượng: Thiết lập quy trình kiểm tra định kỳ độ cứng, độ xốp và hiệu suất bám dính lớp phủ bằng các thiết bị đo hiện đại, đảm bảo duy trì chất lượng ổn định. Chủ thể thực hiện là bộ phận kiểm soát chất lượng, thời gian áp dụng ngay sau khi hoàn thành đào tạo.

  4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng: Khuyến khích nghiên cứu tiếp tục mở rộng áp dụng công nghệ phun HVOF với các vật liệu khác và trong các điều kiện làm việc đa dạng như nhiệt độ cao trên 900°C hoặc môi trường ăn mòn phức tạp. Thời gian nghiên cứu dự kiến 1-2 năm, phối hợp giữa viện nghiên cứu và doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư công nghệ phun phủ: Nghiên cứu cung cấp kiến thức chuyên sâu về ảnh hưởng các thông số phun HVOF đến chất lượng lớp phủ, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao hiệu quả công việc.

  2. Nhà quản lý sản xuất trong ngành cơ khí: Thông tin về quy trình tối ưu hóa giúp hoạch định chiến lược sản xuất, giảm chi phí vật liệu và tăng tuổi thọ sản phẩm, từ đó nâng cao lợi thế cạnh tranh.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên kỹ thuật cơ khí: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về phương pháp thiết kế thí nghiệm Taguchi kết hợp GRA trong tối ưu hóa đa mục tiêu, cũng như ứng dụng công nghệ phun phủ nhiệt hiện đại.

  4. Doanh nghiệp phục hồi và chế tạo chi tiết máy: Kết quả nghiên cứu giúp cải tiến công nghệ phục hồi chi tiết mòn, nâng cao chất lượng sản phẩm và mở rộng ứng dụng trong các ngành dầu khí, thủy lực, hóa chất.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phun phủ HVOF là gì và ưu điểm chính của công nghệ này?
    Phun phủ HVOF là phương pháp phun nhiệt sử dụng hỗn hợp oxy và nhiên liệu để tạo vận tốc hạt phun rất cao (khoảng 1000 m/s), giúp lớp phủ có mật độ cao, độ cứng và độ bám dính tốt. Ưu điểm gồm độ xốp thấp, khả năng chống mài mòn và ăn mòn vượt trội, phù hợp với các chi tiết làm việc trong môi trường khắc nghiệt.

  2. Tại sao cần tối ưu hóa các thông số phun HVOF?
    Các thông số như lưu lượng oxy, LPG, khoảng cách phun và tốc độ cấp bột ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng lớp phủ. Tối ưu hóa giúp đạt được độ cứng cao, độ xốp thấp và hiệu suất bám dính tốt, đồng thời tiết kiệm vật liệu và chi phí sản xuất.

  3. Phương pháp Taguchi và GRA được áp dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    Taguchi được sử dụng để thiết kế thí nghiệm với số lượng thí nghiệm tối thiểu, còn GRA giúp tổng hợp các tiêu chí chất lượng đa mục tiêu thành một chỉ số duy nhất để xác định bộ thông số tối ưu đồng thời cho nhiều tiêu chí.

  4. Lớp phủ WC-20Cr3C2-7Ni có ứng dụng thực tế nào?
    Lớp phủ này được sử dụng để bảo vệ các chi tiết như van, bơm, thiết bị hóa chất trong ngành dầu khí và thủy lực, đặc biệt trong các điều kiện làm việc nhiệt độ cao (800-900°C) và môi trường xói mòn, giúp tăng tuổi thọ và hiệu suất làm việc.

  5. Làm thế nào để kiểm tra chất lượng lớp phủ sau phun?
    Chất lượng được đánh giá qua các chỉ tiêu độ cứng (bằng máy đo Vickers), độ xốp (phân tích ảnh kính hiển vi với phần mềm ImageJ) và hiệu suất bám dính (theo tiêu chuẩn đánh giá điểm). Ngoài ra, phân tích cấu trúc tế vi bằng SEM/EDS và thành phần pha bằng XRD cũng được thực hiện để kiểm tra tính đồng nhất và thành phần lớp phủ.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định được ảnh hưởng rõ rệt của các thông số công nghệ phun HVOF đến chất lượng lớp phủ WC-20Cr3C2-7Ni, trong đó lưu lượng oxy và LPG đóng vai trò quan trọng nhất.
  • Bộ thông số tối ưu đa mục tiêu gồm: oxy 130 lít/phút, LPG 44 lít/phút, khoảng cách phun 310 mm và tốc độ cấp bột 45 g/phút, cho lớp phủ có độ cứng 1380 HV, độ xốp 3,1% và hiệu suất bám dính 8,7 điểm.
  • Phương pháp tối ưu hóa kết hợp Taguchi và GRA đã chứng minh hiệu quả trong việc cân bằng các tiêu chí chất lượng đa mục tiêu.
  • Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng trong công nghiệp phục hồi và chế tạo chi tiết làm việc trong môi trường mài mòn và nhiệt độ cao.
  • Đề xuất triển khai áp dụng bộ thông số tối ưu và tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng công nghệ phun HVOF trong các điều kiện làm việc đa dạng.

Để nâng cao hiệu quả ứng dụng, các đơn vị sản xuất và nghiên cứu được khuyến khích áp dụng quy trình tối ưu hóa này và phối hợp đào tạo kỹ thuật viên vận hành. Hành động ngay hôm nay sẽ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu chi phí bảo trì trong tương lai.