Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu tối ưu hóa các thông số công nghệ khi biến dạng siêu dẻo hợp kim Ti-5Al-3Mo-1,5V sử dụng trong chế tạo vũ khí

Chia sẻ: Tỉ Thành | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:119

Thêm vào BST

Báo xấu

49
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của luận án nhằm nghiên cứu xác định các thông số công nghệ biến dạng siêu dẻo hợp kim Ti-5Al-3Mo-1,5V đƣợc nấu luyện tại Việt Nam để chế tạo các chi tiết tên lửa cần có độ bền cao, hình dáng phức tạp nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng hợp kim.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu tối ưu hóa các thông số công nghệ khi biến dạng siêu dẻo hợp kim Ti-5Al-3Mo-1,5V sử dụng trong chế tạo vũ khí

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ LÊ MẠNH HÙNG NGHIÊN CỨU TỐI ƢU HÓA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ KHI BIẾN DẠNG SIÊU DẺO HỢP KIM Ti-5Al-3Mo-1,5V SỬ DỤNG TRONG CHẾ TẠO VŨ KHÍ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ HÀ NỘI - 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ LÊ MẠNH HÙNG NGHIÊN CỨU TỐI ƢU HÓA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ KHI BIẾN DẠNG SIÊU DẺO HỢP KIM Ti-5Al-3Mo-1,5V SỬ DỤNG TRONG CHẾ TẠO VŨ KHÍ Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 9 52 01 03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS Đinh Văn Phong 2. PGS. TS Nguyễn Trƣờng An HÀ NỘI - 2019
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong Luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ một công trình nào dƣới dạng một Luận án. Tác giả Luận án Lê Mạnh Hùng
ii LỜI CẢM ƠN Tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Ngƣời hƣớng dẫn khoa học PGS.TS. Đinh Văn Phong và PGS.TS Nguyễn Trƣờng An đã tận tình giúp đỡ, đã định hƣớng những vấn đề khoa học cho nội dung Luận án và chỉ đạo sát sao về mặt lý thuyết cũng nhƣ thực nghiệm, giúp tôi hoàn thành Luận án này. Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn Bộ môn GCAL/Khoa Cơ khí, Phòng Sau đại học, HVKTQS, các đồng nghiệp trong và ngoài Quân đội đã tạo điều kiện và giúp đỡ về mọi mặt để Tác giả hoàn thành đƣợc Luận án. Cuối cùng Tác giả cũng bày tỏ lòng biết ơn đến những ngƣời thân trong gia đình, các đồng nghiệp đang làm việc tại Viện Công nghệ, Tổng cục CNQP, đã động viên, tận tình giúp đỡ tôi trong thực hiện các thí nghiệm để tôi hoàn thành Luận án. Tác giả Luận án Lê Mạnh Hùng
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... ii MỤC LỤC ............................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT....................................... vii DANH MỤC BẢNG ............................................................................................ ix DANH MỤC HÌNH ĐỒ THỊ ................................................................................ x MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .................................... 4 1.1. Titan và hợp kim titan ............................................................................................. 4 1.1.1. Kim loại titan ........................................................................................ 4 1.1.2. Các nguyên tố trong hợp kim titan ....................................................... 5 1.1.3. Phân loại hợp kim titan......................................................................... 6 1.1.4. Cơ tính của hợp kim titan ..................................................................... 9 1.1.5. Tính công nghệ của hợp kim titan ...................................................... 11 1.2. Hiệu ứng siêu dẻo của hợp kim titan ...................................................................14 1.2.1. Khái niệm và phân loại siêu dẻo ......................................................... 14 1.2.2. Biến dạng siêu dẻo của hợp kim titan ................................................. 17 1.3. Những vấn đề nghiên cứu đặt ra...........................................................................23 1.4. Kết luận chƣơng 1..................................................................................................24 Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT SIÊU DẺO .................................................... 25 2.1. Phƣơng trình biểu diễn trạng thái siêu dẻo của vật liệu .....................................25 2.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến siêu dẻo......................................................................28 2.2.1. Ảnh hưởng của tổ chức hạt ................................................................. 28 2.2.2. Ảnh hưởng của tốc độ và nhiệt độ biến dạng tới siêu dẻo.................. 29 2.3. Xác định độ nhạy cảm của ứng suất với tốc độ biến dạng.................................31 2.4. Các thuyết về cơ chế biến dạng siêu dẻo .............................................................33 2.4.1. Thuyết dão - khuếch tán ...................................................................... 34 2.4.2. Thuyết trượt của lệch (biến dạng trong hạt)....................................... 37
iv 2.4.3. Thuyết giả ổn định pha ....................................................................... 39 2.4.4. Thuyết kết tinh lại động ...................................................................... 40 2.4.5. Thuyết trượt trên biên giới hạt............................................................ 40 2.5. Kết luận chƣơng 2..................................................................................................46 Chƣơng 3: THỰC NGHIỆM CHUẨN BỊ TỔ CHỨC HẠT NHỎ CHO VẬT LIỆU ................................................................................................. 47 3.1. Các phƣơng pháp tạo tổ chức hạt nhỏ..................................................................47 3.1.1. Ép vật liệu qua kênh gấp khúc tiết diện không đổi ............................. 48 3.1.2. Phương pháp xoắn dưới áp lực cao.................................................... 48 3.1.3. Phương pháp ép chu kỳ trong khuôn kín ............................................ 49 3.1.4. Phương pháp cán dính tích lũy ........................................................... 50 3.1.5. Phương pháp ép chảy xoắn................................................................. 50 3.1.6. Ép đùn qua lại .................................................................................... 51 3.1.7. Phương pháp uốn - duỗi liên tục ........................................................ 52 3.1.8. Phương pháp tách dòng tuyến tính ..................................................... 52 3.2. Lựa chọn phƣơng án tạo tổ chức và tính toán biến dạng cho vật liệu nghiên cứu .......53 3.2.1. Phân tích lựa chọn phương án tạo tổ chức......................................... 53 3.2.2. Các bước công nghệ ép chu kỳ trong khuôn kín ................................. 53 3.2.3. Xác định kích thước phôi, mức độ biến dạng khi ép........................... 55 3.3. Mô phỏng quá trình biến dạng CCDF .................................................................56 3.3.1. Mô phỏng quá trình CCDF bằng phần tử hữu hạn ............................ 56 3.3.2. Mục đích của mô phỏng ...................................................................... 56 3.3.3. Mô hình mô phỏng .............................................................................. 56 3.3.4. Kết quả mô phỏng ............................................................................... 58 3.4. Chuẩn bị nội dung thực nghiệm ...........................................................................61 3.4.1. Mục đích và vật liệu thực nghiệm ....................................................... 61 3.4.2. Nội dung thực nghiệm ......................................................................... 62 3.4.3. Phương pháp sử dụng để nghiên cứu ................................................. 63 3.5. Thực nghiệm xác định chế độ làm nhỏ hạt vật liệu ............................................63
v 3.5.1. Lựa chọn các thông số nghiên cứu ..................................................... 63 3.5.2. Lựa chọn các thiết bị, phương tiện nghiên cứu .................................. 65 3.5.3. Kết quả thực nghiệm ........................................................................... 67 3.5.4. Ảnh hưởng các thông số cơ nhiệt đến tổ chức hợp kim titan ............... 70 3.5.5. Khảo sát cơ tính của mẫu sau ép chu kỳ trong khuôn kín .................. 76 3.5.6. Thực nghiệm kiểm chứng hàm tối ưu về kích thước hạt ..................... 76 3.6. Kết luận chƣơng 3..................................................................................................77 Chƣơng 4: THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ BIẾN DẠNG SIÊU DẺO HỢP KIM Ti-5Al-3Mo-1,5V .............................................................................. 78 4.1. Mục đích, yêu cầu và nội dung thực nghiệm ......................................................78 4.1.1. Mục đích.............................................................................................. 78 4.1.2. Yêu cầu ................................................................................................ 78 4.1.3. Nội dung thực nghiệm ......................................................................... 78 4.2. Mẫu, thiết bị và dụng cụ thực nghiệm .................................................................79 4.3. Thực nghiệm xác định chế độ siêu dẻo hợp kim Ti-5Al-3Mo-1,5V ................81 4.3.1. Xây dựng bài toán thực nghiệm .......................................................... 81 4.3.2. Tiến hành thực nghiệm........................................................................ 82 4.3.3. Kết quả thực nghiệm ........................................................................... 83 4.4. Ảnh hƣởng của các thông số công nghệ đến ứng suất chảy và độ giãn dài tƣơng đối hợp kim nghiên cứu ...................................................................................85 4.4.1. Xây dựng các phương trình hồi quy ................................................... 85 4.4.2. Xét ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới ứng suất chảy .......... 86 4.4.3. Xét ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới độ giãn dài tương đối ....... 87 4.4.4. Tối ưu hóa các thông số công nghệ .................................................... 89 4.4.5. Thực nghiệm kiểm chứng tối ưu về độ giãn dài tương đối ................. 90 4.4.6. Bàn luận kết quả ................................................................................. 91 4.5. Ảnh hƣởng biến dạng siêu dẻo đến tổ chức và độ cứng của mẫu .....................93 4.6. Kết luận chƣơng 4..................................................................................................95 KẾT LUẬN CHUNG .......................................................................................... 96
vi DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ .......................................... 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 99 PHỤ LỤC…………………………………………………………………......106
vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT 1. Danh mục chữ viết tắt Chữ viết Nguồn gốc Dịch nghĩa tắt SPD Sever Plastic Deformation Biến dạng dẻo mãnh liệt UFG UltraFine Grained Hạt siêu mịn SPF Superplastic forming Biến dạng siêu dẻo GBS Grain Boundary Sliding Trƣợt biên giới hạt Ép qua kênh gấp khúc tiết ECAP Equal Channel Angular Pressing diện không đổi HPT High Pressure Torsion Xoắn dƣới áp lực cao CCDF Cyclic Closed Die Forging Ép chu kỳ trong khuôn kín ARB Accumulative Roll Bonding Cán dính tích lũy TE Twist Extrusion Ép chảy xoắn CEC Cyclic Extrusion Compression Ép đùn qua lại Cyclic Repetitive Corrugating and RCS Uốn - duỗi liên tục Straightening BDD Biến dạng dẻo GCAL Gia công áp lực SD Siêu dẻo METL Máy ép thủy lực QHTN Quy hoạch thực nghiệm PTHH Phƣơng pháp phần tử hữu hạn HVKTQS Học viện Kỹ thuật Quân sự TCCNQP Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng PKTT Phòng không tầm thấp
viii 2. Danh mục các ký hiệu Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa b, Rm MPa Giới hạn bền , A % Độ giãn dài tƣơng đối , Z % Độ co thắt tƣơng đối 0,2, Rp0,2 MPa Giới hạn chảy s MPa Ứng suất chảy aK N.m/cm2 Độ dai va đập F N Lực M N.m Mô men  Mức độ biến dạng logarit ̇ s-1 Tốc độ biến dạng  g/cm3 Khối lƣợng riêng o T C Nhiệt độ o Tnc C Nhiệt độ nóng chảy o Tbd C Nhiệt độ biến dạng T o C/s Độ quá nguội/ quá nung m Hệ số nhạy cảm của ứng suất chảy với tốc độ biến dạng d m Kích thƣớc hạt trung bình ̅ mm2 Diện tích trung bình của hạt G Chỉ số kích thƣớc hạt l0 mm Chiều dài ban đầu của mẫu H mm Chiều cao mẫu W mm Chiều dày mẫu Phƣơng sai tái sinh của hàm Sres2 Phƣơng sai dƣ của hàm N Số lƣợng thí nghiệm F Chuẩn số Fischer
ix DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Một số mác hợp kim titan alpha ....................................................................... 6 Bảng 1.2. Một số mác hợp kim titan (α+β) ...................................................................... 7 Bảng 1.3. Một số mác hợp kim titan Beta ........................................................................ 9 Bảng 1.4. Cơ tính của hợp kim titan ................................................................................ 14 Bảng 3.1. Mức độ biến dạng qua các chu kỳ ép ............................................................. 55 Bảng 3.2. Giá trị ζmax của các trƣờng hợp khác nhau ..................................................... 59 Bảng 3.3. Giá trị lực ép lớn nhất ở mỗi lần ép................................................................. 61 Bảng 3.4. Thành phần hóa học của hợp kim Ti-5Al-3Mo-1,5V ................................... 62 Bảng 3.5. Ma trận thực nghiệm ........................................................................................ 64 Bảng 3.6. Kế hoạch thực nghiệm ..................................................................................... 65 Bảng 3.7. Quan hệ giữa số hạt đếm đƣợc với các thông số khác................................... 69 Bảng 3.8. Kết quả kích thƣớc hạt của các mẫu thí nghiệm ............................................ 70 Bảng 3.9. Ma trận thực nghiệm và kết quả...................................................................... 70 Bảng 3.10. Giá trị kích thƣớc hạt theo thực nghiệm và tính toán ................................ 73 Bảng 3.11. Giá trị giới hạn bền của các mẫu thử........................................................... 76 Bảng 4.1. Ma trận thực nghiệm kéo trong điều kiện siêu dẻo........................................ 82 Bảng 4.2. Kết quả thực nghiệm kéo trong điều kiện siêu dẻo........................................ 83 Bảng 4.3. Đƣờng kính hạt trung bình của các mẫu sau khi kéo siêu dẻo...................... 94 Bảng 4.4. Độ cứng mẫu ban đầu và sau khi kéo siêu dẻo .............................................. 94
x DANH MỤC HÌNH ĐỒ THỊ Hình 1.1. Ảnh hƣởng của các nguyên tố tới nhiệt độ chuyển biến thù hình của titan ................... 5 Hình 1.2. Sự phụ thuộc của giới hạn chảy hợp kim titan ............................................... 10 Hình 1.3. Mối quan hệ giữa δ và nhiệt độ của các hợp kim titan .................................. 10 Hình 1.4. Ảnh hƣởng của tốc độ cắt đến nhiệt độ của dao ............................................ 12 Hình 1.5. Động cơ tên lửa nhiên liệu rắn chế tạo từ hợp kim BT20.............................. 20 Hình 1.6. Cốc các đăng (a); Thân con quay (b); Đáy động cơ hành trình (c) và Ống lồng nguồn mặt đất (d) trong tên lửa PKTT ............................................ 22 Hình 2.1. Sự phụ thuộc của tốc độ thay đổi tiết diện vào độ lớn của nó ....................... 27 Hình 2.2. Biểu đồ đƣờng cong siêu dẻo của các kim loại .............................................. 28 Hình 2.3. Sự phụ thuộc của ứng suất chảy của hợp kim Д19 vào tốc độ biến dạng và kích thƣớc hạt ở nhiệt độ T = 490 oC ............................................................... 30 Hình 2.4. Mối quan hệ giữa lực kéo và thời gian khi thay đổi tốc độ kéo .................... 31 Hình 2.5. Hình dạng của hạt trƣớc (đƣờng đứt nét) và sau khi xảy ra hiện tƣợng dão - khuếch tán ...................................................................................................... 34 Hình 2.6. Biến dạng dão – khuyếch tán của một đơn tinh thể ....................................... 35 Hình 2.7. Sự tạo thành một nút trống (hình vuông tô đậm) do một nguyên tử thoát ra trên bề mặt tinh thể .................................................................................... 35 Hình 2.8. Phân vùng biến dạng theo tốc độ biến dạng ................................................... 38 Hình 2.9. Sự thay thế liền kề khi biến dạng siêu dẻo ...................................................... 41 Hình 2.10. Mô hình sắp xếp của Lee ............................................................................... 42 Hình 2.11. Mô hình sắp xếp Ashby - Verrall .................................................................. 43 Hình 2.12. Mô hình thêm hạt Gifkins .............................................................................. 44 Hình 2.13. Sự trƣợt của hai tinh thể trên bề mặt không phẳng ...................................... 45 Hình 2.14. Thích ứng theo sơ đồ đàn hồi ........................................................................ 45 Hình 2.15. Thích ứng theo sơ đồ khuếch tán................................................................... 45 Hình 2.16. Thích ứng theo sơ đồ biến dạng dẻo nhỏ ...................................................... 45 Hình 2.17. Đóng góp của các cơ chế trong quá trình biến dạng siêu dẻo của hợp kim MA8 (a) và AM6 (b) trong vùng tốc độ khác nhau (I-III)............................ 46
xi Hình 3.1. Một số sơ đồ ép qua kênh gấp khúc ................................................................ 48 Hình 3.2. Sơ đồ nguyên lý xoắn dƣới áp lực cao ............................................................ 49 Hình 3.3. Ép chu kỳ trong khuôn kín............................................................................... 49 Hình 3.4. Phƣơng pháp cán tính lũy ................................................................................ 50 Hình 3.5. Sơ đồ nguyên lý phƣơng pháp ép chảy xoắn.................................................. 50 Hình 3.6. Sơ đồ nguyên lý ép đùn qua lại........................................................................ 51 Hình 3.7. Phƣơng pháp RCS ............................................................................................ 52 Hình 3.8. Sơ đồ nguyên tắc tách dòng ............................................................................. 52 Hình 3.9. Kết cấu khuôn ép .............................................................................................. 54 Hình 3.10. Các bƣớc trong một chu kỳ ép....................................................................... 54 Hình 3.11. Bản vẽ phôi ban đầu ....................................................................................... 55 Hình 3.12. Mô hình hình học (a) và mô hình vật liệu (b) ............................................... 56 Hình 3.13. Mô hình chia lƣới phần tử phôi ép chu kỳ .................................................... 57 Hình 3.14. Dịch chuyển của mặt cắt xem xét trong chu kỳ 1 ........................................ 58 Hình 3.15. Sự dịch chuyển của mặt cắt xem xét trong cả 3 chu kỳ ............................... 59 Hình 3.16. Ảnh đồ phân bố ứng suất hiệu dụng cuối mỗi chu kỳ ép............................. 59 Hình 3.17. Giá trị lực ép của các bƣớc ép theo 3 chu kỳ ................................................ 60 Hình 3.18. Ảnh kim tƣơng mẫu ban đầu X100............................................................... 62 Hình 3.19. Hình ảnh mẫu ép chu kỳ trong khuôn kín..................................................... 63 Hình 3.20. Kết cấu khuôn CCDF và lò nung .................................................................. 65 Hình 3.21. Các thiết bị thử nghiệm: a) LAB LAVM11; ................................................ 66 Hình 3.22. Mẫu kim tƣơng sau khi mài và tẩm thực ...................................................... 67 Hình 3.23. Ảnh tổ chức tế vi phôi M5 sau ép X5000 ..................................................... 67 Hình 3.24. Cách xác định số hạt chứa trong vòng tròn tiêu chuẩn (mẫu M2) .............. 68 Hình 3.25. Sự phụ thuộc của cỡ hạt vào nhiệt độ và số lần ép....................................... 74 Hình 3.26. Kích thƣớc mẫu thử kéo (a) và các mẫu sau thử kéo (b) ............................. 76 Hình 3.27. Ảnh tổ chức tế vi X10000 (mẫu sau 8 lần ép ở 880 oC)............................... 77 Hình 4.1. Phôi cho biến dạng siêu dẻo............................................................................. 79 Hình 4.2. Đồ gá kéo đẳng nhiệt siêu dẻo ......................................................................... 79
xii Hình 4.3. Thiết bị kéo nén Devotrans DVT FU/RDNN 50kN - CKS (a) và lò nung đƣợc gá lắp trên thiết bị kéo (b) .......................................................... 80 Hình 4.4. Thiết bị đo độ cứng FM-100 (a); dụng cụ đo nhiệt độ gián tiếp -OS523-3 (b); đồ hồ đo nhiệt độ trực tiếp ME-35 (c); thƣớc cặp (d)............... 80 Hình 4.5. Phôi sau khi kéo trong điều kiện siêu dẻo ....................................................... 84 Hình 4.6. Giản đồ kéo trong điều kiện siêu dẻo phôi số 9.............................................. 85 Hình 4.7. Sự phụ thuộc của ứng suất chảy vào nhiệt độ và tốc độ biến dạng siêu dẻo ...87 Hình 4.8. Sự phụ thuộc của độ giãn dài tƣơng đối vào nhiệt độ và tốc độ biến dạng siêu dẻo .................................................................................................. 88 Hình 4.9. Đồ thị biểu diễn hàm hồi quy ứng suất chảy .................................................. 89 Hình 4.10. Đồ thị biểu diễn hàm hồi quy độ giãn dài tƣơng đối.................................... 90 Hình 4.11. Mẫu kéo siêu dẻo ở 875 oC và tốc độ biến dạng 10-3 s-1 .............................. 91 Hình 4.12. Giản đồ kéo đẳng nhiệt ở 950 oC, ̇ = 10-3 s-1 ................................................ 92 Hình 4.13. Tổ chức vật liệu sau biến dạng siêu dẻo (mẫu M9) ..................................... 93 Hình 4.14. Khảo sát độ cứng mẫu trƣớc và sau biến dạng siêu dẻo .............................. 94
1 MỞ ĐẦU 1. Lý do lựa chọn đề tài Nhiệm vụ xây dựng và bảo vệ Tổ quốc trong giai đoạn hiện nay đã đặt ra cho ngành công nghiệp nói chung, CNQP nói riêng phải chủ động sản xuất đƣợc các trang thiết bị kỹ thuật hiện đại, đủ sức bảo vệ chủ quyền và toàn vẹn lãnh thổ. Hiện nay, chúng ta vẫn phải nhập một số lƣợng lớn vũ khí để tăng cƣờng khả năng phòng thủ đất nƣớc. Trong các dự án chuyển giao vũ khí nói chung và tên lửa nói riêng, toàn bộ công nghệ chế tạo, từ vật liệu đến công nghệ gia công các chi tiết đặc thù, phía đối tác thƣờng không chuyển giao, coi đó là các bí quyết công nghệ. Để đảm bảo tự chủ trong sản xuất, đi sâu làm chủ công nghệ chế tạo vũ khí mà trọng tâm là chế tạo tên lửa, việc tập trung nghiên cứu chế tạo các chi tiết, cụm chi tiết của tên lửa bằng công nghệ, thiết bị trong nƣớc là bƣớc đi đúng đắn, cho phép tiết kiệm kinh phí và nâng cao năng lực công nghệ. Hiện nay, nhu cầu làm chủ công nghệ gia công hợp kim titan để chế tạo các chi tiết của khối đầu tự dẫn, khối nguồn mặt đất và trong động cơ hành trình của Tên lửa PKTT đặt ra nhiệm vụ nghiên cứu công nghệ chế tạo các các sản phẩm có hình dạng phức tạp, độ bền riêng, độ bền nhiệt cao từ hợp kim titan, góp phần phát triển ngành công nghiệp chế tạo tên lửa ở Việt Nam. Mặt khác, hợp kim titan là loại vật liệu đắt tiền cho nên việc nâng cao khả năng biến dạng dẻo để tăng hệ số sử dụng vật liệu, chế tạo đƣợc các chi tiết có hình dạng phức tạp, giảm thiểu các nguyên công cắt gọt là nhu cầu cần thiết. Với mục đích nêu trên, cần phải nghiên cứu các thông số công nghệ có ảnh hƣởng đến khả năng biến dạng dẻo của hợp kim titan. Do vậy, việc lựa chọn đề tài “Nghiên cứu tối ưu hóa các thông số công nghệ khi biến dạng siêu dẻo hợp kim Ti-5Al-3Mo-1,5V sử dụng trong chế tạo vũ khí” là cần thiết và có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao, thiết thực trong phát triển công nghiệp Quốc phòng, góp phần từng bƣớc hiện đại hóa quân đội.
2 2. Mục đích, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Mục đích của luận án: Nghiên cứu xác định các thông số công nghệ biến dạng siêu dẻo hợp kim Ti-5Al-3Mo-1,5V đƣợc nấu luyện tại Việt Nam để chế tạo các chi tiết tên lửa cần có độ bền cao, hình dáng phức tạp nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng hợp kim. - Đối tượng nghiên cứu: Đối tƣợng nghiên cứu của luận án là hợp kim Ti-5Al-3Mo-1,5V, là vật liệu đƣợc sử dụng trong chế tạo một số chi tiết quan trọng của tên lửa. Đây là vật liệu đã đƣợc nghiên cứu nấu luyện thành công trong nƣớc, là sản phẩm của đề tài cấp Nhà nƣớc mã số KC.02.01/11-15 “Nghiên cứu công nghệ chế tạo hợp kim titan ứng dụng trong công nghiệp Quốc phòng" đã đƣợc nghiệm thu và đủ điều kiện để đƣa vào sản xuất. - Phạm vi nghiên cứu: Luận án tập trung nghiên cứu các thông số công nghệ chính có ảnh hƣởng tới quá trình biến dạng siêu dẻo hợp kim lựa chọn, bao gồm: nhiệt độ biến dạng, mức độ và tốc độ biến dạng. 3. Phƣơng pháp nghiên cứu Luận án đã sử dụng các phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mô phỏng số và quy hoạch thực nghiệm để tối ƣu hóa các thông số công nghệ biến dạng siêu dẻo hợp kim nghiên cứu. - Nghiên cứu lý thuyết về siêu dẻo làm cơ sở cho việc lựa chọn các yếu tố có ảnh hƣởng tới biến dạng siêu dẻo. Đó là kích thƣớc hạt; tốc độ và nhiệt độ biến dạng. - Mô phỏng số để lựa chọn các thông số công nghệ làm nhỏ hạt khi ép chu kì trong khuôn kín. - Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm để tối ƣu hóa các thông số công nghệ làm nhỏ hạt và mức độ biến dạng siêu dẻo của hợp kim nghiên cứu.
3 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Ý nghĩa khoa học: Luận án là công trình đầu tiên nghiên cứu xác định chế độ công nghệ biến dạng siêu dẻo hợp kim titan đƣợc nấu luyện ở trong nƣớc, đã xác định đƣợc các thông số công nghệ làm nhỏ hạt cho hợp kim Ti-5Al-3Mo-1,5V để nhận đƣợc cấu trúc siêu mịn; đã nghiên cứu và tối ƣu hóa các thông số công nghệ có ảnh hƣởng tới quá trình biến dạng nhằm mục đích đạt đƣợc biến dạng siêu dẻo của hợp kim nghiên cứu. - Ý nghĩa thực tiễn: + Phƣơng pháp và trang thiết bị mà luận án sử dụng có thể hữu ích cho các nghiên cứu tiếp theo về biến dạng siêu dẻo cho các hợp kim khác. + Phƣơng pháp tạo cấu trúc siêu mịn mà luận án thực hiện đơn giản và phù hợp với điều kiện trang thiết bị tại các cơ sở sản xuất trong nƣớc, cho phép ứng dụng để nâng cao cơ tính kim loại. + Các kết quả nghiên cứu có thể sử dụng để xây dựng các phƣơng án và quy trình công nghệ chế tạo các sản phẩm từ hợp kim Ti-5Al-3Mo-1,5V bằng GCAL một cách có hiệu quả, có khả năng áp dụng trong chế tạo các chi tiết tên lửa PKTT thuộc chƣơng trình TL-01.
4 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Titan và hợp kim titan 1.1.1. Kim loại titan Titan là kim loại nhiều thứ 4 trong lớp vỏ trái đất (chiếm 0,86%) sau nhôm, sắt và Magie. Trong tự nhiên titan không tồn tại ở dạng nguyên chất mà ở dạng ôxit nhƣ FeTiO3, TiO2. Titan thuộc nhóm kim loại nhẹ, có khối lƣợng riêng 4,54 g/cm3, nhiệt độ nóng chảy 1667 oC. Titan là kim loại thù hình, có thể tồn tại ở hai dạng α và β. Nhiệt độ chuyển biến thù hình của titan là 882,5 oC [8]. Tiα tồn tại ở dƣới 882,5 oC với kiểu mạng lục giác xếp chặt, các thông số mạng của Tiα: a= 0,29nm, c= 0,486 nm, c/a= 1,587. Ở trên 882,5 oC tồn tại thù hình Tiβ với kiểu mạng lập phƣơng tâm khối, a= 0,32 nm [8]. Titan có một số tính ƣu việt sau [67]: - Có độ bền tƣơng đối cao ngay cả ở vùng nhiệt độ cao khi mà các hợp kim khác nhƣ nhôm không thể sử dụng đƣợc. Nhiệt độ làm việc của hợp kim thích hợp trong khoảng (250  500) oC. Khi nhiệt độ giảm dƣới 0 oC độ bền của hợp kim tăng, xong tính dẻo giảm. - Tính dẻo của titan nguyên chất cao hơn so với các kim loại khác có cùng mạng tinh thể. - Titan có khả năng chống gỉ tốt bởi trên bề mặt của nó đƣợc phủ một lớp TiO2. Khả năng này sẽ còn tăng khi đƣợc hợp kim hóa. - Titan có hệ số giãn nở nhiệt thấp do vậy không làm xuất hiện ứng suất nhiệt đáng kể khi làm việc ở nhiệt độ cao. Bên cạnh những đặc tính ƣu việt trên, titan cũng có những hạn chế: - Giá thành cao do quá trình chế tạo phức tạp. - Tính cắt gọt kém, tƣơng tự nhƣ tính cắt gọt của thép không gỉ.
5 - Khó tái sử dụng các phần phôi thừa sau gia công. - Rất khó hàn do hoạt tính cao của titan với các khí của môi trƣờng. - Mô đun đàn hồi của titan thấp hơn so với thép nên trong một số trƣờng hợp phải sử dụng kết cấu với mặt cắt lớn hơn để đảm bảo điều kiện cứng vững. 1.1.2. Các nguyên tố trong hợp kim titan Tất cả các nguyên tố có mặt trong titan (tạp chất và các nguyên tố hợp kim) hòa tan một phần hay toàn bộ tạo nên các dung dịch rắn xen kẽ và thay thế α hoặc β và làm thay đổi nhiệt độ chuyển biến thù hình của titan. Có thể chia các nguyên tố này thành hai nhóm [8]: - Các nguyên tố làm tăng nhiệt độ chuyển biến thù hình α ↔ β và mở rộng vùng tồn tại của thù hình α. Nhóm các nguyên tố này đƣợc gọi là nhóm α ổn định. Thuộc nhóm này gồm có Al, O, C, N, Ga. Tất cả các nguyên tố α ổn định đều hòa tan có hạn vào hai dạng thù hình α và β của Ti. - Các nguyên tố làm giảm nhiệt độ chuyển biến thù hình β → α + β và giảm vùng tồn tại thù hình α, nhóm này đƣợc gọi nhóm β ổn định. Thuộc nhóm này gồm có V, Mo, Ta, Sn, Mn, Cr, Co, Ni… Trên hình 1.1 thể hiện ảnh hƣởng của các nguyên tố tới nhiệt độ chuyển biến thù hình của titan [67] Hình 1.1. Ảnh hưởng của các nguyên tố tới nhiệt độ chuyển biến thù hình của titan
6 1.1.3. Phân loại hợp kim titan 1.1.3.1. Hợp kim Alpha (α) Một số hợp kim tiêu biểu có thể kể đến là Ti-5Al-2.5Sn, Ti-6Al-2Sn- 4Zr-2Mo-Si, Ti-8Al-1Mo-1V và một số mác hợp kim khác (bảng 1.1) đƣợc ứng dụng tƣơng đối rộng rãi. Hợp kim Ti-8Al-1Mo-1V và Ti-6Al-2Sn-4Zr- 2Mo-Si đƣợc biến dạng nóng ở nhiệt độ giống nhƣ hợp kim hai pha Ti-6Al- 4V. Tuy nhiên khi biến dạng ở nhiệt độ thƣờng thì Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-Si thu đƣợc cấu trúc và tổ chức tốt hơn. Tính dẻo của hợp kim α ở nhiệt độ thƣờng không cao, ở trạng thái nóng hợp kim này dễ rèn, dập, cán, do đó phôi hợp kim α thƣờng đƣợc cung cấp dƣới dạng tấm, thanh, dây và cán định hình. Ngoài ra, hợp kim Tiα và gần α cũng thƣờng đƣợc sử dụng giải pháp ủ với điều kiện ổn định, nhằm thu đƣợc tổ chức và cơ tính tốt. Nhiệt độ ủ thƣờng đƣợc chọn ở vùng thấp hơn nhiệt độ chuyển biến pha β (thấp hơn khoảng 35 o C) [36]. Bảng 1.1. Một số mác hợp kim titan alpha [8] Hàm lƣợng nguyên tố hợp kim, % Cơ tính trong trạng thái ủ Ký hiệu Nguyên tố b, , aK, hợp kim Al Mn khác MPa % kGm/cm2 BT5 5 - 750-790 12-15 3-6 BT5-1 5 - 2,5 Sn 790-950 12-25 4-9 OT4 3,5 1,5 700-900 15-40 5-13 BT4 5 1,5 850-1050 10-15 5-10 BT20 6 - 2Zr, 1Mo, 1V 950-1100 - - TC5 5 - 2Zr, 3Sn, 2V 950-1100 8 - Hợp kim Ti-Al đƣợc hợp kim hóa thêm Mn ngoài lƣợng α là chủ yếu còn có thêm một lƣợng nhỏ β (1  2) % đƣợc gọi là hợp kim giả α với các mác OT4-1, OT4, OT4-2. Do chứa ít Al và pha β các hợp kim này có tính dẻo ở nhiệt độ thƣờng tốt hơn, dễ gia công áp lực ở trạng thái nguội và chỉ khi chế