zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Kỹ Thuật - Công Nghệ

» Cơ khí - Chế tạo máy

Khảo sát đặc tính của hợp kim Ti6Al4V chế tạo bằng công nghệ in 3D

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Báo xấu

56
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Khảo sát đặc tính của hợp kim Ti6Al4V chế tạo bằng công nghệ in 3D khảo sát về hợp kim Ti6Al4V in 3D, tuy nhiên mỗi công nghệ in khác nhau,... thì cấu trúc và tính chất của vật in khác nhau.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Khảo sát đặc tính của hợp kim Ti6Al4V chế tạo bằng công nghệ in 3D

Journal of Science and Technology of 12 Công nghệ, thiết bị và vật liệu mới Khảo sát đặc tính của hợp kim Ti6Al4V chế tạo bằng công nghệ in 3D Characterization of 3D printed Ti6Al4V alloy 1,*, TRỊNH VĂN TRUNG NGUYỄN ANH SƠN 1, PHÙNG NHƯ CƯỜNG 1, CHRISTIAN SEIDEL 2, PHẠM GIA KHÁNH 2 1. Hanoi University of Science and Technology, School of Materials Science and Engineering, No.1 Dai Co Viet, Hanoi, Vietnam 2. Munich University of Applied Sciences, Department of Applied Sciences and Mechatronics, Lothstr. 34, 80335 Munich, Germany *Email: trung.trinhvan@hust.edu.vn Ngày nhận bài: 14/2/2022, Ngày duyệt đăng: 5/4/2022 TÓM TẮT Hình thái bề mặt, cấu trúc, tổ chức tế vi và độ cứng của các mẫu hợp kim Ti6Al4V chế tạo bằng công nghệ in 3D được khảo sát và nghiên cứu bằng cách sử dụng các thiết bị kiểm tra đánh giá như quang phổ kế phát xạ, chụp ảnh tia Rơnghen, máy đo độ nhám, kính hiển vi quang học, kính hiển vi kỹ thuật số, nhiễu xạ kế Rơnghen và máy đo độ cứng tế vi. Kết quả cho thấy bề mặt mẫu in có độ nhám khoảng (6 ÷ 12) µm. Cấu trúc của các mẫu in đồng đều và không có khuyết tật in có kích thước lớn hơn 0,5 µm. Tổ chức pha các mẫu in chủ yếu có thành phần pha là α hoặc α' và một lượng nhỏ pha β. Độ cứng bề mặt của mẫu trong khoảng (405 ÷ 424) HV1. Từ khóa: Ti6Al4V, công nghệ in 3D, hợp kim titan. ABSTRACT Surface morphology, structure/microstructure, and hardness of Ti6Al4V alloy samples fabricated by 3D printing technology were investigated by using optical emission spectrometer, X-ray scanner, roughness measurement instrument, optical microscope, digital microscope, X-ray diffractometer, and microhardness tester. The results show that the surface roughness is about (6 ÷ 12) µm. The printed samples have a uniform microstructure and are free of printing defects larger than 0.5 µm in size. The printed samples mainly have a phase composition of α or α' and a small amount of β phase. The surface hardness of the samples are in the range of (405 ÷ 424) HV1. Keywords: Ti6Al4V, 3D printing, titanium alloy. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ từ vật liệu nhựa. Khi in các vật liệu kim loại như Hợp kim Ti6Al4V là loại hợp kim titan 2 pha α Ti6Al4V thì cần giải quyết các bài toán về tối giản và β. Hợp kim này đã được nghiên cứu và sử chi phí nguyên vật liệu, tối ưu về chế độ in hoặc dụng rất nhiều trong các lĩnh vực như cơ khí hàng cấu trúc vật in để đạt được đặc tính cơ, lý, hóa và không và y sinh,... nhờ thừa hưởng các đặc tính sinh học tốt hơn. Ngoài ra, các nguyên công hậu chung của hợp kim titan về độ bền riêng lớn [1], xử lý như nhiệt luyện hoặc xử lý bề mặt cũng cần khả năng chống ăn mòn cao, độ bền mỏi và chống được áp dụng để cải thiện chất lượng vật in [3-4]. rão tốt, cũng như có khả năng tương thích sinh Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu khảo sát về học nhất định [2]. hợp kim Ti6Al4V in 3D, tuy nhiên mỗi công nghệ in Cùng với sự phát triển của cuộc cách mạng khác nhau,... thì cấu trúc và tính chất của vật in công nghiệp 4.0 mà một trong các thành tố quan khác nhau [5-6]. Ryan Cottam và cộng sự [5] đã trọng của nó về mặt kỹ thuật đó là công nghệ in nghiên cứu sử dụng 4 phương pháp in 3D khác 3D. Công nghệ này đã mở ra triển vọng rất lớn để nhau là nóng chảy bằng laze chọn lọc SLM (selec- tạo hình các chi tiết có kết cấu hay hình dạng phức tive laser melting); nóng chảy bằng chùm điện tử tạp một cách nhanh chóng. Tuy nhiên, công nghệ EBM (electron beam melting); lắng đọng kim loại in 3D thường áp dụng để tạo hình các chi tiết làm trực tiếp DMD (direct metal deposition) và bồi đắp Số 101 . tháng 4/2022 . TAP CHI KHOA HOC-CONG NGHE KIM LOAI
Journal of Science and Technology of Công nghệ, thiết bị và vật liệu mới 13 hồ quang dây WAAM (wire and arc additive man- Spectromaxx). Thiết bị chụp ảnh tia Rơnghen ufacturing) để tạo mẫu in hợp kim Ti6Al4V. Kết (XTH 320, Nikon) cũng như thiết bị chụp ảnh tia quả cho thấy các mẫu chế tạo bằng phương pháp Rơnghen (Micro-Focus SMX-1000Plus, SLM có mật độ lệch lớn nhất do quá trình chuyển Shinmazu) được sử dụng để quét, dựng hình 3D biến mactensit tạo ứng suất dư lớn vì tốc độ nguội và khảo sát khuyết tật (lỗ xốp) của các mẫu in. trong phương pháp này là lớn nhất. Do vậy, trong Phầm mềm Jmart Pro được sử dụng để tính các nghiên cứu này sẽ tập trung khảo sát mẫu hợp thông số động học của mẫu hợp kim. Máy đo độ kim Ti6Al4V được in bằng thiết bị EOS M290 của nhám (Surfcom Nex 001, Zeiss) được sử dụng để hãng EOS GmbH (CHLB Đức) sử dụng phương xác định độ nhám bề mặt mẫu in. Tổ chức tế vi pháp SLM. Các thông số in cụ thể chưa được được khảo sát trên kính hiển vi quang học công bố. Vì vậy, nghiên cứu mang tính khảo sát Axiovert C25A và kính hiển vi kỹ thuật số Keyence sơ bộ hoặc giải mã mẫu in để tạo tiền đề cho các VHX-7000 (thiết bị này cũng có thể dùng để xác nghiên cứu sâu hơn sau này về việc áp dụng các định độ nhám bề mặt của mẫu in). Để xác định công nghệ hậu xử lý như nhiệt luyện (ủ, tôi, ảnh tổ chức tế vi, mẫu được tẩm thực bằng cách ram/hóa già) và xử lý bề mặt (thấm nitơ) nhằm cải sử dụng dung dịch tẩm thực HNO3 + HF tỷ lệ (2- thiện các tính chất khác nhau của vật in như độ 6)% trong cồn. Thành phần pha của mẫu in được cứng bề mặt, khả năng chống ăn mòn, chống mài xác định bằng thiết bị nhiễu xạ Rơnghen (AERIS, mòn, chống rão hay tính tương thích sinh học sau Panalytical). Độ cứng của mẫu được đo trên máy khi xử lý của hợp kim này. đo độ cứng tế vi (Duramin-2, Struers). 2. THỰC NGHIỆM 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Thành phần hóa học của mẫu in Bảng 1. Thành phần hoá học của hợp kim Ti6Al4V Kết quả phân tích thành phần hóa học trung bình 3 lần trên 3 mặt in A, B và C (bảng 1) cho thấy mẫu in 3D có thành phần hóa học phù hợp với mác hợp kim Ti6Al4V chế tạo bằng công nghệ luyện kim truyền thống là loại hợp kim 2 pha α và Hình 1. Hình dạng 3D của mẫu in Ti6Al4V β ở trạng thái cân bằng. Với kết quả phân tích thành phần hóa học như vậy, bằng cách sử dụng phần mềm Jmart Pro, có thể xác định được nhiệt Bốn mẫu thí nghiệm có hình dạng như thể hiện độ chuyển biến pha Tβ của hợp kim này ở nhiệt độ trong hình 1 được in bằng thiết bị EOS M290 của khoảng 975 °C. Tuy nhiên, cũng cần lưu ý rằng hãng EOS GmbH (CHLB Đức) với nguồn laser có các thông tin nhận được bằng phần mềm mô công suất 400 W, bước sóng 1070 mm và kích phỏng này thích hợp cho vật liệu chế tạo bằng các thước chùm tia laser tối thiểu 100 µm. Độ dày lớp công nghệ luyện kim truyền thống. Khi áp dụng tối thiểu là 20 µm. Môi trường trong buồng in được vào các vật liệu in 3D cần có những điều chỉnh bảo vệ bằng khí Argon. Tương quan giữa 3 mặt A, hoặc nghiên cứu sâu hơn để có thông tin được B và C với phương in (built up direction) là oz trên chính xác hơn [7-10]. Việc xác định được nhiệt độ hình 1. Vì hợp kim này thuộc loại khó gia công nên chuyển biến pha Tβ sẽ hỗ trợ trong việc tính các mặt C sau khi in được phun cát để làm sạch và thông số nhiệt luyện trong các nghiên cứu xử lý khảo sát khả năng làm nhẵn phẳng bề mặt. nhiệt sâu hơn sau này. Thành phần hóa học của mẫu in được xác định 3.2. Độ đồng nhất và khuyết tật in bằng thiết bị quang phổ phát xạ (LMF08, Kết quả quét và xây dựng hình ảnh 3D bằng TAP CHI KHOA HOC-CONG NGHE KIM LOAI . Số 101 . tháng 4/2022
Journal of Science and Technology of 14 Công nghệ, thiết bị và vật liệu mới Hình 3. Hình ảnh chụp của mẫu hợp kim Ti6Al4V Hình 2. Hình ảnh 3D của mẫu hợp kim Ti6Al4V ở trạng thái cung cấp bằng thiết bị chụp ảnh tia ở trạng thái cung cấp được quét và dựng hình X Micro-Focus SMX-1000Plus (Shinmazu) bằng thiết bị chụp ảnh tia Rơnghen XTH 320 (Nikon) Hình 4. Độ nhám bề mặt (trên 3 mặt A, B và C) của mẫu in ở trạng thái cung cấp thiết bị chụp ảnh tia Rơnghen XTH 320 của mẫu hiện trong hình 3. Độ phân giải tối đa của thiết bị hợp kim Ti6Al4V ở trạng thái cung cấp được thể chụp ảnh này là 0,5 µm. Trên ảnh chụp của mẫu hiện ở trên hình 2. in ở trạng thái cung cấp có độ tương phản đồng Ảnh chụp Rơbghen bằng thiết bị chụp ảnh đều và không phát hiện được bất kỳ khuyết tật nào Micro-Focus SMX-1000Plus theo phương oz, thể chứng tỏ mẫu in được có độ xít chặt cao, đồng Số 101 . tháng 4/2022 . TAP CHI KHOA HOC-CONG NGHE KIM LOAI
Journal of Science and Technology of Công nghệ, thiết bị và vật liệu mới 15 Hình 5. Ảnh tổ chức tế vi chụp bằng kính hiển vi kỹ thuật số (trên) và hiển vi quang học (dưới) trên 3 mặt A, B và C của mẫu ở trạng thái cung cấp đều và không có khuyết tật in có kích thước > 0,5 µm ở bên trong. 3.3. Độ nhám bề mặt của mẫu in Hình 4 cho thấy kết quả xác định độ nhám trên 3 mặt A, B và C của mẫu in ở trạng thái cung cấp có giá trị trong khoảng Ra = 6,8468÷11,606 µm khi đo bằng thiết bị đo độ nhám và Ra = 6,76 ÷ 12,08 µm khi phân tích bằng thiết bị chụp ảnh hiển vi kỹ thuật số. Kết quả phân tích bằng thiết bị hiển vi kỹ thuật số có thể hiểu là độ nhám trung bình trên bề mặt (2D). Kết quả phân tích độ nhám bằng 2 Hình 6. Giản đồ nhiễu xạ tia Rơnghen của mẫu phương pháp (trên 2 thiết bị khác nhau) là tương ở trạng thái cung cấp trên 3 mặt A, B và C đối tương đồng với nhau. 3.4. Tổ chức tế vi bằng công nghệ sử dụng laze có tốc độ nguội Tổ chức tế vi của mẫu hợp kim Ti6Al4V in 3D nhanh hơn so với công nghệ sử dụng chùm điện (hình 5) cho thấy sự xuất hiện của các vết in dạng tử [5] nên hình thành pha mactensit. Sự xuất hiện lớp có kích thước khoảng 120 µm (ở bề mặt A và của pha mactensit khi in làm tăng độ cứng của vật B của mẫu) tương ứng với lượng thụt xuống của in nhưng cũng làm giảm độ dẻo dai nên sẽ cần áp bàn in khi in mẫu. Trên mặt C có các vết in kích dụng các công nghệ nhiệt luyện để điều chỉnh cho thước khoảng 200 µm tương ứng với kích thước phù hợp với từng ứng dụng cụ thể sau này. chùm tia laze khi in. Tổ chức tế vi không đồng đều (dị hướng) cũng là một vấn đề của công nghệ in 3.5. Thành phần pha 3D (đặc biệt là in vật liệu kim loại) nên cần áp Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen trên 3 mặt A, B và dụng các công nghệ hậu xử lý như ủ đồng đều C của mẫu ở trạng thái cung cấp (hình 6) tương tự hóa sau này chẳng hạn. nhau với thành phần pha chủ yếu là pha α/α'. Tổ chức tế vi là khá mịn, có các pha dạng tấm Các đỉnh nhiễu xạ của pha β khó phát hiện có với pha β màu tối và pha α (hoặc α') màu sáng. Sự thể do sự trùng (chồng chập) một số peak nhiễu xuất hiện của pha mactensit α' (ở các ảnh có độ xạ hoặc do hàm lượng nhỏ nên khó phát hiện phóng đại cao không nêu ở đây) có thể là do in được bằng phương pháp nhiễu xạ Rơnghen. TAP CHI KHOA HOC-CONG NGHE KIM LOAI . Số 101 . tháng 4/2022
Journal of Science and Technology of 16 Công nghệ, thiết bị và vật liệu mới 3.6. Độ cứng tế vi 4. KẾT LUẬN Độ cứng trên 3 mặt của mẫu ban đầu được Tổ chức tế vi mẫu Ti6Al4V in 3D ở trạng thái đo bằng đơn vị HV cho trong bảng 2. Kết quả cung cấp có dạng lớp trên mặt A và B có chiều dày cho thấy độ cứng của các mặt in là tương đối khoảng 120 µm và có dạng mắt lưới trên mặt C đồng đều (sự khác biệt không nhiều có thể là do của mẫu in với các thớ có chiều rộng khoảng 200 sai số đo). µm. Bề mặt mẫu in có độ nhám khoảng (6 ÷ 12) µm. Mẫu in có độ xít chặt cao, đồng đều và không Bảng 2. Kết quả đo độ cứng tế vi HV trên 3 mặt có khuyết tật in có kích thước lớn hơn 0,5 µm. của mẫu ở trạng thái cung cấp Thành phần pha mẫu sau in bao gồm chủ yếu là Mặt phân tích pha α/α' và một lượng nhỏ pha β. Độ cứng bề mặt Mặt A, HV1 Mặt B, HV1 Mặt C, HV1 của mẫu trong khoảng (406÷425) HV1. Công nghệ Lần đo in 3D có khả năng tạo mẫu nhanh cho hợp titan rất Lần 1 428 432 410 tốt, tuy nhiên cần nghiên cứu áp dụng thêm các Lần 2 422 421 405 nguyên công xử lý nhiệt và bề mặt để thay đổi Lần 3 422 421 402 hoặc cải thiện đặc tính của vật in theo hướng Trung bình 424 425 406 mong muốn. LỜI CẢM ƠN Độ cứng trên các mặt in khá cao có thể là do Nghiên cứu này được tài trợ bởi Trường Đại trong công nghệ in dùng laze thì tốc độ nguội học Bách khoa Hà Nội (HUST) trong đề tài mã số tương đối lớn nên hình thành pha α’. Độ cứng sau T2021-SAHEP-015. in có thể đạt tới khoảng 424 HV1. TÀI LIỆU TRÍCH DẪN 1. M. Motyka, K. Kubiak, J. Sieniawski, and W. Ziaja; Phase Transformations and Characterization of α + β Titanium Alloys, vol. 2. Elsevier, 2014. 2. Barriobero Vila; Phase transformation kinetics during continuous heating of alpha+beta and metastable β tita- nium alloys, Dissertation, Vienna University of Technology, 2015. 3. Zhong et al.; Laser metal deposition of Ti6Al4V-A brief review, Appl. Sci., vol. 10, no. 3, 2020, pp. 1-12. 4. S. Liu and Y. C. Shin; Additive manufacturing of Ti6Al4V alloy: A review, Mater. Des., vol. 164, 2019, p. 107552. 5. R. Cottam et al.; Diffraction line profile analysis of 3D wedge samples of Ti-6Al-4V fabricated using four dif- ferent additive manufacturing processes, Metals (Basel)., vol. 9, no. 1, 2019. 6. M. Gushchina, G. Turichin, O. Klimova-Korsmik, K. Babkin, and L. Maggeramova; Features of heat treatment the ti-6al-4v gtd blades manufactured by dld additive technology, Materials (Basel)., vol. 14, no. 15, 2021. 7. W. Rae; Thermo-metallo-mechanical modelling of heat treatment induced residual stress in Ti-6Al-4V alloy, Mater. Sci. Technol. (United Kingdom), vol. 35, no. 7, 2019, pp. 747-766,. 8. S. M. Kelly; Thermal and Microstructure Modeling of Metal Deposition Processes with Application to Ti-6Al- 4V, Mater. Sci. Eng., no. November, 2004, p. 319. 9. J. T. Tchuindjang et al.; A New Concept for Modeling Phase Transformations in Ti6Al4V Alloy Manufactured by Directed Energy Deposition, Materials (Basel)., vol. 14, no. 11, 2021, p. 2985. 10. E. Salsi, M. Chiumenti, and M. Cervera; Modeling of microstructure evolution of Ti6Al4V for additive manu- facturing, Metals (Basel)., vol. 8, no. 8, 2018, pp. 1-24. Số 101 . tháng 4/2022 . TAP CHI KHOA HOC-CONG NGHE KIM LOAI

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí

65 tài liệu

2430 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.