Chế tạo chi tiết sử dụng trong kỹ thuật hàng không bằng hợp kim Titan

Thông tin khoa học công nghệ<br /> <br /> <br /> ChÕ t¹o chi tiÕt sö dông trong kü thuËt<br /> hµng kh«ng b»ng hîp kim titan<br /> <br /> NGUYỄN TÀI MINH *, NGUYỄN XUÂN PHƯƠNG **, LÊ MẠNH HÙNG**<br /> <br /> Tóm tắt: Hợp kim titan được sử dụng rộng rãi trong các ngành hàng không,<br /> tên lửa, vũ trụ nhờ các tính chất cơ lý của nó. Bài báo trình bày kết quả chế tạo chi<br /> tiết cốc đáy ứng dụng trong kỹ thuật hàng không từ hợp kim titan mác tương đương<br /> BT14 của Nga do nhóm đồng nghiệp tại Viện Công nghệ/Bộ Công thương kết hợp<br /> Viện Công nghệ/TCCNQP chế tạo.<br /> Từ khóa: Hợp kim titan, Dập nóng, Cơ tính, Thành phần hóa học<br /> <br /> 1. MỞ ĐẦU<br /> Hợp kim titan là vật liệu kết cấu hiện đại, thuộc loại vật liệu kết cấu vạn năng, nó tổ<br /> hợp được các tính chất cơ-lý của nhiều loại vật liệu khác. Hợp kim titan tổ hợp tính không<br /> giòn nguội của nhôm và thép austenit, độ ổn định chống ăn mòn tốt hơn hợp kim Cu-Ni và<br /> thép không gỉ, không từ tính, khối lượng riêng thấp, độ bền và độ bền nóng cao [1,5]. Đặc<br /> biệt so với các vật liệu kết cấu trên cơ sở nhôm, magie (vật liệu truyền thống chủ yếu trong<br /> ngành hàng không) thì hợp kim titan có độ bền riêng, độ cứng vững riêng cao nhất, nhờ<br /> vậy hợp kim titan dần dần trở thành vật liệu hàng không và tên lửa rất quan trọng, không<br /> thể thiếu, đồng thời nó cũng là vật liệu rất quý giá được ứng dụng rộng rãi trong các ngành<br /> kinh tế quốc dân khác.<br /> Trong bài báo, chúng tôi này trình bày một số kết quả nghiên cứu chế tạo chi tiết cốc<br /> đáy của tên lửa PKTT (hình 1) từ hợp kim titan do Viện Công nghệ/Bộ Công thương và<br /> Viện Công nghệ/TCCNQP phối hợp chế tạo có thành phần hóa học tương đương mác hợp<br /> kim BT14 của Nga (bảng 1). Việc này góp phần vào thành công nội địa hóa các chi tiết<br /> của TL PKTT.<br /> <br /> Bảng 1. Thành phần hóa học của hợp kim.<br /> Mác hợp Thành phần nguyên tố, % khối lượng<br /> kim Ti Al Mo V Zr Fe Si<br /> Nga Còn lại 3,5  6,3 2,5  3,8 0,9  1,9 ≤ 0,3 ≤ 0,25 ≤ 0,15<br /> Việt Nam<br /> Còn lại 5,87 2,70 1,38 0,13 0,046 0,042<br /> chế tạo<br /> Yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm:<br /> Chi tiết cốc đáy động cơ hành trình tên lửa PKTT (hình 1) được tính toán thiết kế, chế<br /> tạo đảm bảo độ bền dưới tác dụng của áp suất và nhiệt độ cao khi động cơ hoạt động. Khối<br /> lượng chi tiết cốc đáy động cơ hành trình làm là 0,12 kg. Các chỉ tiêu cơ tính cơ bản như<br /> sau:<br />  Giới hạn bền :  90 kG/mm2<br />  Độ thắt tỷ đối :  28%<br />  Độ dãn dài :  8%<br />  Độ dai va dập ak: (3  5) kG.m/cm2<br />  Độ cứng Brinen: (255  341) HB<br /> Thử áp suất: chịu áp suất (2055) kG/cm2 trong 30giây.<br /> <br /> <br /> <br /> 172 N.T.Minh,..,“Chế tạo chi tiết sử dụng trong…hợp kim Titan.”<br /> Thông tin khoa học công nghệ<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Bản vẽ chi tiết cốc đáy của tên lửa PKTT.<br /> <br /> 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU<br /> <br /> 2.1. Lựa chọn tiến trình công nghệ chế tạo: Tiến trình công nghệ chế tạo được giới thiệu<br /> theo sơ đồ sau:<br /> Kiểm tra cơ tính<br /> Phôi hợp kim Gia công biến dạng tạo mẫu đối chứng Gia công cơ<br /> sau đúc phôi (rèn+dập nóng) khí<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Đóng gói, Kiểm tra kích<br /> bảo quản thước<br /> <br /> Hình 2. Sơ đồ tiến trình công nghệ chế tạo cốc đáy cho tên lửa PKTT.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. Mẫu hợp kim titan trước khi dập<br /> tạo phôi cốc đáy<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 35, 02 - 2015 173<br />  Thông tin khoa học công nghệ<br /> <br /> 2.2. Lựa chọn nhiệt độ biến dạng: Thỏi hợp kim titan sau đúc được rèn bằng máy búa<br /> 400 kG, kích thước Ø50x50, nhiệt độ rèn được lựa chọn dựa trên giản đồ dẻo của hợp kim<br /> BT14 [2,4]. Căn cứ theo giản đồ dẻo hình 4, hợp kim BT14 sau đúc được rèn ở nhiệt độ<br /> (1000 ± 10) oC, sau đó gia ủ khử ứng suất ở (78010) oC, thời gian ủ 1h, tiến hành ủ trong<br /> lò có khí bảo vệ. Phôi rèn sau đó được gia công biến dạng dập nóng trong tạo phôi dạng<br /> cốc (hình 9) trong khoảng nhiệt độ từ (850  1000) oC, sau dập nóng được ủ ở (78010)<br /> o<br /> C, thời gian 1 h. Các mẫu được lựa chọn dập nóng với các mức nhiệt độ 850 oC, 900 oC,<br /> 950 oC và 1000 oC để nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ biến dạng đến cơ tính, độ cứng<br /> của phôi sản phẩm.<br /> <br /> <br /> Hình 4. Giản đồ dẻo của<br /> hợp kim BT14 [3].<br /> <br /> B- giới hạn bền<br /> - độ dãn dài tương đối<br /> - mức độ biến dạng<br /> ak – độ dai va đập<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 2.3. Lựa chọn mức độ biến dạng<br /> Phân tích giản đồ (hinh 5) cho thấy, các hợp kim titan ở trạng thái sau biến dạng (sau<br /> rèn) có lượng dự trữ độ dẻo đủ cao cho phép gia công các thỏi rèn bằng phương pháp rèn<br /> dập rất dễ dàng và với mức độ biến dạng lớn hơn so với trạng thái đúc. Từ giản đồ biến<br /> dạng của hợp kim, lựa chọn mức độ biến dạng cải thiện cơ tính phôi đúc là 35%.<br /> <br /> <br /> Hình 5. Khả năng biến dạng<br /> dẻo của hợp kim BT14 khi<br /> chồn trên máy ép và máy búa:<br /> _________chồn trên máy ép,<br /> ------------- chồn trên máy búa.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 2.4. Phương pháp và thiết bị thử nghiệm<br /> a. Phương pháp thử độ bền theo ГOCT 1497-84, sử dụng thiết bị kéo nén TT-HW2-1000.<br /> Thử độ dai va đập theo ГOCT 9454-78, sử dụng trên thiết bị WPM.<br /> Quy cách mẫu thử: Mẫu thử độ bền và độ dai va đập được cắt từ phôi đối chứng sau<br /> khi dập với các nhiệt độ 850oC, 900oC và 950oC, qua ủ như đối với phôi sản phẩm để xác<br /> định các chỉ tiêu cơ tính, độ cứng. Qua đố đánh giá chất lượng phôi sản phẩm đảm bảo yêu<br /> <br /> <br /> <br /> 174 N.T.Minh,..,“Chế tạo chi tiết sử dụng trong…hợp kim Titan.”<br /> Thông tin khoa học công nghệ<br /> <br /> cầu kỹ thuật trước khi đưa vào lắp ráp, thử nghiệm cùng với cụm sản phẩm động cơ hành<br /> trình.<br /> <br /> <br /> <br /> Hình 6. Mẫu thử kéo xác<br /> định giới hạn bền, độ dãn<br /> dài, độ thắt tỷ đối.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 7. Mẫu thử độ dai va đập.<br /> <br /> b. Phương pháp thử áp suất thủy lực (hình 8): Sản phẩm sau khi gia công cơ khí chế tạo<br /> hoàn chỉnh được kiểm tra khả năng chịu áp suất thủy lực (2051,5) kG/cm2 trong 30s. Chi<br /> tiết cốc đáy được lắp vào ống công nghệ bằng ren, sau đó lắp vào hệ thống dẫn thủy lực<br /> qua van dẫn vào ống ông nghệ với áp suất (2051,5) kG/cm2 được giữ trong thời gian 30s<br /> mà không bị rò rỉ dầu ra ngoài cũng như sản phẩm không bị phá hủy, biến dạng.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> b.<br /> a.<br /> Hình 8. Sơ đồ thử thủy lực cốc đáy (a) và lắp ráp cốc đáy vào thiết bị thử (b).<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 35, 02 - 2015 175<br />  Thông tin khoa học công nghệ<br /> <br /> c. Phương pháp đo độ cứng: Đo độ cứng Brinen (HB) trên thiết bị AT200-DR-TM.<br /> <br /> 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN<br /> <br /> * Ảnh hưởng của nhiệt độ biến dạng đến cơ tính của phôi sau dập nóng<br /> <br /> <br /> Hình 9. Mẫu hợp kim titan sau dập<br /> nóng tạo phôi.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Các phôi được dập ở các nhiệt độ 850 oC, 900 oC, 950 oC và 1000 oC, tổng mức độ biến<br /> dạng sau hai bước dập là 35%. Mỗi một phôi có một mẫu đối chứng để kiểm tra cơ tính,<br /> độ cứng sau biến dạng. Kết quả khảo sát độ cứng, cơ tính các mẫu đối chứng được trình<br /> bày trong bảng 2.<br /> * Ảnh hưởng của nhiệt độ biến dạng đến độ cứng<br /> Kết quả kiểm tra cơ tính cho thấy, đối với nhiệt độ dập nóng dưới 850 oC, phôi bị biến<br /> cứng mạnh do nhiệt độ bị giảm xuống dưới vùng kết tinh lại trong quá trình dập. Do đó,<br /> độ cứng mẫu dập nóng ở nhiệt độ 850 oC chưa qua ủ có độ cứng lớn nhất. Nhiệt độ biến<br /> dạng càng tăng, khả năng bị biến cứng giảm đi, độ cứng của mẫu cũng giảm. Với vùng<br /> nhiệt độ dập nóng từ 900 oC đến 950 oC cho kết quả độ cứng phù hợp với yêu cầu của sản<br /> phẩm.<br /> Bảng 2. Kết quả khảo sát độ cứng, cơ tính mẫu đối chứng<br /> ở các nhiệt độ dập nóng khác nhau.<br /> Độ cứng sau Cơ tính sau biến dạng, ủ<br /> Mẫu Nhiệt độ biến<br /> o biến dạng, B, ak,<br /> số dạng, C , % , %<br /> HB kG/mm2 kG.m/cm2<br /> 1 850 355 98 7,8 25 5,5<br /> 2 900 302 93 9,2 31 4,2<br /> 3 950 280 90 9,5 35 3,4<br /> 4 1000 230 82 11 38 2,8<br /> <br /> * Ảnh hưởng của nhiệt độ biến dạng đến cơ tính<br /> Mẫu sau dập nóng được ủ ở nhiệt độ (78010) oC, thời gian 1 h. Với nhiệt độ biến dạng<br /> 850 oC, sau ủ có độ bền cao nhất, do ở nhiệt độ này quá trình nung chưa ảnh hưởng nhiều<br /> đến độ lớn hạt ban đầu. Nhiệt độ dập càng cao, tổ chức phôi khi nung thay đổi theo hướng<br /> tăng dần độ lớn của hạt. Do vậy độ bền giảm dần theo việc tăng nhiệt độ dập nóng. Các<br /> chỉ số độ dãn dài và độ thắt tỷ đối tăng khi tăng nhiệt độ dập nóng, còn độ dai va đập<br /> giảm.<br /> Kết quả khảo sát tổ chức kim tương mẫu sau dập nóng, ủ (hình 10) cho thấy, độ lớn hạt<br /> tăng lên khi tăng nhiệt độ dập nóng, đặc biệt là ở nhiệt độ 1000 oC (810m). Ở nhiệt độ<br /> 850 oC tổ chức tế vi còn thấy dấu vết của biến dạng.<br /> Đối với các mẫu biến dạng ở nhiệt độ 900 oC, 950 oC có tổ chức hạt nhỏ mịn, đều, kết<br /> quả đo độ cứng và cơ tính phù hợp với yêu cầu của sản phẩm. Vì vậy, đối với quy trình<br /> công nghệ dập nóng chi tiết cốc đáy, lựa chọn nhiệt độ dập nóng trong khoảng từ<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 176 N.T.Minh,..,“Chế tạo chi tiết sử dụng trong…hợp kim Titan.”<br /> Thông tin khoa học công nghệ<br /> <br /> (900950) oC là phù hợp với giản đồ biến dạng của hợp kim cũng như thỏa mãn yêu cầu<br /> cơ tính, độ cứng của chi tiết cốc đáy.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Nhiệt độ dập 850 oC Nhiệt độ dập 900 oC<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Nhiệt độ dập 950 oC Nhiệt độ dập 950 oC<br /> Hình 10. Ảnh tổ chức kim tương các mẫu hợp kim titan ở trạng thái ủ<br /> sau dập nóng ở các nhiệt độ khác nhau, 200.<br /> <br /> <br /> Sản phẩm sau chế tạo được kiểm tra kích thước đạt theo yêu cầu kỹ thuật của bản vẽ<br /> thiết kế.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 9. Sản phẩm cốc đáy sau gia công cơ khí hoàn chỉnh.<br /> <br /> Kết quả thử nghiệm chịu áp suất thủy lực cốc đáy:<br /> Cốc đáy sau chế tạo hoàn chỉnh được thử thủy lực với áp suất 2051,5)kG/cm2 trong<br /> thời gian 30 giây. Kết quả thử cho thấy sản phẩm đạt yêu cầu, sau thử nghiệm không bị<br /> biến dạng.<br /> Các kết quả kiểm tra, thử nghiệm được ghi trong biên bản thử nghiệm, là cơ sở cho<br /> đánh giá chất lượng và nghiệm thu sản phẩm.<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 35, 02 - 2015 177<br />  Thông tin khoa học công nghệ<br /> <br /> 4. KẾT LUẬN<br /> Từ các kết quả nghiên cứu có thể rút ra các kết luận sau:<br /> 1. Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết biến dạng phôi hợp kim titan và thực nghiệm đã xác<br /> lập được các thông số công nghệ dập nóng phôi cốc đáy từ hợp kim titan tương đương mác<br /> BT14 như sau:<br /> Mức độ biến dạng:  = 35, %<br /> Nhiệt độ dập nóng: (900950) oC<br /> Nhiệt độ ủ: (75010) oC trong thời gian 1h trong lò có khí bảo vệ.<br /> 2. Với chế độ công nghệ dập nóng đã lựa chọn, đã chế tạo chi tiết cốc đáy tên lửa<br /> PKTT. Kết quả cơ tính, độ cứng của mẫu đối chứng với phôi sản phẩm với chế độ công<br /> nghệ dập nóng như trên đạt được như sau:<br />  Giới hạn bền: B = 93, kG/mm2<br />  Độ thắt tỷ đối:  = 31, %<br />  Độ dãn dài:  = 9,2, %<br />  Độ dai va dập: ak= 4,2, kG.m/cm2<br />  Độ cứng Brinen: 302, HB<br /> Kết quả này đảm bảo được theo yêu cầu của điều kiện kỹ thuật sản phẩm cốc đáy của<br /> tên lửa PKTT.<br /> 3. Đã thử nghiệm kiểm tra độ bền bằng áp suất thủy lực đạt yêu cầu của sản phẩm.<br /> - Chịu áp suất thủy lực: (2051,5) kG.m/cm2 trong thời gian 30 giây<br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. Nguyễn Khắc Xương. Vật liệu kim loại màu. NXB KHKT, Hà Nội, 1992.<br /> [2]. Б.К. Вульф Термическая обработка титановых сплавов. Вульф Б.К , М.<br /> Металлургия, 1969. 96 с.<br /> [3]. Г.Е. Мажарова, А.З. Комановский, Б.Б. Чечулин, С.Ф. Важенин. Обработка<br /> титановых сплавов давлентем, Металлургия, 1978. 382 с.<br /> [4]. Ковка и штамповка цветных металлов. Справочник. Колл. Авторов. М.<br /> Машиностроение», 1971.<br /> [5]. Б. А. Колачев, Ливанов В.А., Елагин В. И. Металловедение и термическая<br /> обработка цветных металлов. Изд. 2-е, испр. М. Металлургия, 1981. 416 с.<br /> <br /> ABSTRACT<br /> ADVANCED MANUFACTURING TECHIQUES USED<br /> IN AEROSPACE TITANIUM ALLOY<br /> <br /> Titanium alloys are widely used in the fields of aviation, missile, space thanks<br /> to its physical properties. This paper presents the results of some detailed<br /> manufacturing applications in aerospace engineering from titanium alloy by the<br /> Institute of Technology/Ministry of Industry and Trade combination Institute of<br /> Technology/TCCNQP made BT14 Russian equivalent grade.<br /> Keywords: Titanium alloys, Hot stamping, Mechanical properties, Chemical composition<br /> <br /> Nhận bài ngày 14 tháng 10 năm 2014<br /> Hoàn thiện ngày 10 tháng 12 năm 2014<br /> Chấp nhận đăng ngày 10 tháng 02 năm 2015<br /> * **<br /> Địa chỉ: Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng; Viện Công nghệ/TCCNQP.<br /> <br /> <br /> 178 N.T.Minh,..,“Chế tạo chi tiết sử dụng trong…hợp kim Titan.”<br />