Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu tối ưu hóa các thông số công nghệ khi biến dạng siêu dẻo hợp kim Ti5Al-3Mo-1,5V sử dụng trong chế tạo vũ khí

Chia sẻ: Tỉ Thành | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:24

Thêm vào BST

Báo xấu

63
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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 được 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: Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu tối ưu hóa các thông số công nghệ khi biến dạng siêu dẻo hợp kim Ti5Al-3Mo-1,5V sử dụng trong chế tạo vũ khí

1 A. MỞ ĐẦU 1. Lý do lựa chọn đề tài Hợp kim Titan có rất nhiều chủng loại, xong chúng đều có những tính chất ƣu việt nhƣ độ bền riêng cao, khả năng làm việc ở nhiệt độ cao… nên chúng ngày càng đƣợc ƣu tiên sử dụng. Tuy nhiên, do là vật liệu đắt tiền lại khó gia công nên mức độ sử dụng chúng phụ thuộc rất nhiều vào kết quả nghiên cứu về mặt vật liệu và các chế độ công nghệ thích hợp. Trong lĩnh vực gia công áp lực, hợp kim Titan thuộc loại khó biến dạng và rất dễ bị oxy hóa khi nung nóng, do vậy mọi nghiên cứu đều hƣớng đến nâng cao khả năng biến dạng dẻo cho hợp kim nhằm giảm thiểu số lần nung và tạo hình đƣợc những chi tiết có hình dạng phức tạp. Hợp kim Ti-5Al-3Mo-1,5V là hợp kim lần đầu tiên đƣợc nấu luyện trong nƣớc phục vụ cho mục đích sản xuất Quốc phòng cần đƣợc nghiên cứu để xác định các chỉ tiêu về cơ tính và xây dựng các bộ thông số công nghệ phục vụ cho quá trình gia công chi tiết. 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. Mục đích, đối tượng 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.
2 - 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. Phương 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 làm cơ sở cho việc lựa chọn các yếu tố có ảnh hƣởng tới biến dạng siêu dẻo. - 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. 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.
3 5. Bố cục của luận án Luận án gồm phần mở đầu, bốn chƣơng và phần kết luận chung. Chƣơng 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết siêu dẻo Chƣơng 3: Thực nghiệm chuẩn bị tổ chức hạt nhỏ cho vật liệu Chƣơng 4: Thực nghiệm xác định chế độ dạng siêu dẻo hợp kim Ti-5Al-3Mo-1,5V. B. NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN Chương 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 o C. 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. Ở trên 882,5 oC tồn tại Tiβ với kiểu mạng lập phƣơng tâm khối [8]. 1.1.2. Các nguyên tố trong hợp kim Titan 1.1.3 Phân loại hợp kim Titan 1.1.3.1 Hợp kim Alpha (α) Một số hợp kim Alpha (α) đƣợc ứng dụng rộng rãi có thể kể đến là Ti-5Al-2.5Sn, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-Si, Ti-8Al-1Mo-1V. 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. 1.1.3.2 Hợp kim Alpha - Beta (α+β) Phổ biến nhất là Ti-6Al-4V; Ti-6Al-6V-2Sn và Ti-6Al-2Sn-4Zr- 6Mo. Ƣu điểm lớn của hợp kim Titan (α+β) là có sự kết hợp tốt giữa cơ tính và tính công nghệ và có thể nhiệt luyện hóa bền đƣợc. Ở trạng thái ủ nó có tính dẻo cao còn ở trạng thái tôi và hóa già nó cho độ bền cao. Lƣợng pha β càng nhiều thì mức độ hóa bền càng mạnh.
4 1.1.3.3. Hợp kim Beta (β) Hợp kim Titan β có thể phân thành hai phân nhóm: ổn định và không ổn định nhiệt động học. Để tạo ra các hợp kim ổn định nhiệt động học, cần phải hợp kim hóa bằng các nguyên tố có mạng lập phƣơng tâm khối nhƣ V, Mo, Nb, Ta. Các nguyên tố này thƣờng có khối lƣợng riêng rất lớn nên làm khối lƣợng riêng của hợp kim Titan sẽ tăng lên rất nhiều, hơn nữa chúng là những nguyên tố đắt tiền, hiếm, chính vì vậy, thực tế các hợp kim Tiβ ổn định nhiệt động học ít đƣợc ứng dụng [8]. Các hợp kim Tiβ không ổn định nhiệt động học có khả năng ứng dụng trong thực tế cao hơn. Hợp kim điển hình của nhóm này là BT15, Tính hàn của các hợp kim Tiβ kém, độ bền mối hàn thấp, tổ chức hạt vùng lân cận mối hàn rất thô to. Chính vì nhƣợc điểm này, việc ứng dụng các hợp kim Tiβ còn bị hạn chế [8]. 1.1.4. Cơ tính của hợp kim Titan 1.1.5. Tính công nghệ của hợp kim Titan 1.1.5.1. Tính gia công cắt gọt Hợp kim Titan rất khó gia công cắt gọt. Do độ dẫn nhiệt của hợp kim Titan kém nên làm tăng đáng kể nhiệt độ ở vùng cắt. Khi nhiệt độ cao sẽ làm tăng khả năng dính của Titan vào dụng cụ, do đó làm tăng đáng kể lực ma sát làm giảm tuổi thọ và thay đổi hình dáng hình học của dụng cụ cắt [8]. 1.1.5.2. Tính hàn 1.1.5.3. Tính biến dạng tạo hình Hợp kim Titan khi biến dạng dẻo nguội có một số đặc tính sau [59]: - Có giới hạn bền cao và sát với nó là giới hạn chảy, do vậy thu hẹp khoảng biến dạng dẻo và làm tăng tính đàn hồi của vật liệu. Tính dập đƣợc đánh giá thông qua tỷ số: σ0,2/σb (tỷ số này càng lớn, tính dập càng kém). Ở hợp kim Titan tỷ số này có giá trị từ 0,85 đến 0,92, trong khi ở thép không gỉ là 0,31 đến 0,6 và ở hợp kim nhôm khoảng 0,45. - Mô đun đàn hồi của hợp kim Titan thấp (nhỏ bằng một nửa so với thép) nên sau biến dạng dẻo nguội thƣờng có biến dạng đàn hồi
5 lớn. - Rất nhạy cảm với tốc độ biến dạng, do vậy đã có những khuyến cáo nên sử dụng tốc độ biến dạng nhỏ hơn 2 đến 3 lần so với thép, cụ thể tốc độ gia công nên nhỏ hơn 0,25 m/s. - Biến cứng rất mạnh, do vậy đòi hỏi phải tăng số lần ủ trung gian. Từ những đặc tính trên cho thấy, hợp kim Titan không thuận lợi cho biến dạng dẻo nguội nên thƣờng đƣợc dập trong trạng thái nóng. Nhiều công trình nghiên cứu cho thấy, nếu thực hiện biến dạng dẻo nóng ở chế độ đẳng nhiệt và kèm theo một số điều kiện đặc biệt về tốc độ biến dạng và cấu trúc hạt nhỏ của vật liệu phôi, khi biến dạng sẽ xuất hiện hiện tƣợng siêu dẻo. 1.2. Hiệu ứng siêu dẻo của hợp kim Titan 1.2.1. Khái niệm và phân loại siêu dẻo Siêu dẻo là khả năng vật liệu có thể biến dạng dẻo với mức độ lớn mà không bị phá hủy dƣới tác động của ứng suất có giá trị nhỏ và phụ thuộc vào tốc độ biến dạng. Hiện tƣợng siêu dẻo đƣợc đặc trƣng bởi 3 dấu hiệu cơ bản nhƣ sau: - Mức độ biến dạng dẻo rất lớn, có thể đạt tới hàng trăm, thậm chí hàng nghìn phần trăm mà vật liệu không bị phá hủy - Ứng suất cần thiết để biến dạng vật liệu rất nhỏ so với biến dạng dẻo ở trạng thái thông thƣờng. - Ứng suất biến dạng siêu dẻo rất nhạy cảm với tốc độ biến dạng nghĩa là kim loại có hóa bền bởi tốc độ biến dạng. Ngƣời ta phân siêu dẻo thành hai dạng: siêu dẻo do chuyển biến pha và siêu dẻo cấu trúc, trong đó siêu dẻo cấu trúc là hiện tƣợng phổ biến và đƣợc quan tâm nghiên cứu nhiều nhất. Điều kiện để xuất hiện siêu dẻo cấu trúc là : - Các kim loại và hợp kim phải có tổ chức hạt nhỏ mịn và đồng trục (< 10 m). - Nhiệt độ biến dạng cao: Thông thƣờng nhiệt độ biến dạng lớn hơn 0,4Tnc (Tnc - nhiệt độ nóng chảy của vật liệu).
6 - Tốc độ biến dạng rất nhỏ: Thông thƣờng tốc độ biến dạng phải nằm trong khoảng từ 10-4 s-1 đến 10-1 s-1. 1.2.2. Biến dạng siêu dẻo của hợp kim Titan 1.2.2.1. Tình hình nghiên cứu về siêu dẻo hợp kim Titan trên thế giới Qua khảo sát các tài liệu, bài báo trong vòng 20 năm qua và đặc biệt trong 5 năm trở lại đây cho thấy, các nhà khoa học trên thế giới tập trung nghiên cứu theo hai hƣớng: - Nghiên cứu các điều kiện làm xuất hiện hiệu ứng siêu dẻo của hợp kim Titan bao gồm: các phƣơng pháp làm nhỏ hạt; xác định các chế độ công nghệ thích hợp và nghiên cứu về đặc điểm biến dạng siêu dẻo của hợp kim Titan. - Dựa trên cơ sở các kết quả nghiên cứu của hƣớng thứ nhất, nghiên cứu ứng dụng hiệu ứng siêu dẻo của hợp kim Titan trong biến dạng tạo hình, phục vụ trong các lĩnh vực công nghiệp mũi nhọn, đặc biệt là trong chế tạo tên lửa, chế tạo máy bay và kỹ thuật quân sự. 1.2.2.2. Tình hình nghiên cứu về hợp kim Titan ở Việt Nam Mặc dù là một nƣớc có trữ lƣợng quặng Titan lớn, xong việc nghiên cứu về Titan của các nhà khoa học trong nƣớc mới đƣợc bắt đầu. Một số công trình nghiên cứu của các tác giả gần đây nhƣ: - Đề tài cấp Nhà nƣớc “Nghiên cứu công nghệ chế tạo hợp kim Titan ứng dụng trong công nghiệp Quốc phòng", chủ nhiệm đề tài TS Nguyễn Tài Minh - Viện Công nghệ, Tổng cục CNQP. - Đề tài KH&CN cấp Nhà nƣớc “Nghiên cứu chế tạo hợp kim Titan y sinh cấy ghép trong cơ thể ngƣời”, chủ nhiệm đề tài ThS. Nguyễn Tiến Tài - Viện Công nghệ, Bộ Công Thƣơng. - Đề tài hợp tác quốc tế với Viện KIMM “Nghiên cứu quá trình ép Titan trong kênh gấp khúc có tiết diện không đổi nhằm tạo cấu trúc Nano”, chủ nhiệm đề tài GS.TS Đỗ Minh Nghiệp - Đại học Bách khoa Hà Nội... 1.3. Những vấn đề nghiên cứu đặt ra Những vấn đề đặt ra cho nghiên cứu đối với hợp kim Ti-5Al- 3Mo-1,5V này là:
7 - Nghiên cứu, lựa chọn phƣơng pháp để tạo ra tổ chức thích hợp cho hợp kim đáp ứng điều kiện biến dạng siêu dẻo. - Xác định chế độ công nghệ GCAL tối ƣu để nhận đƣợc mức độ biến dạng siêu dẻo của hợp kim lớn nhất. - Nghiên cứu sự thay đổi cơ tính của hợp kim khi thay đổi các chế độ công nghệ. 1.4. Kết luận chương 1 - Qua việc tổng quan về tính công nghệ của hợp kim cho thấy, hầu hết ở nhiệt độ thƣờng chúng khó biến dạng. Nhiệt độ và tốc độ biến dạng có ảnh hƣởng lớn tới khả năng biến dạng dẻo của chúng. - Các hợp kim Titan thuộc loại vật liệu có khả năng xuất hiện hiệu ứng siêu dẻo khi có điều kiện biến dạng thích hợp. Để tạo đƣợc điều kiện phù hợp cho biến dạng siêu dẻo, cần thiết phải nghiên cứu những vấn đề lý thuyết liên quan, nhất là ảnh hƣởng của cấu trúc tới sự xuất hiện siêu dẻo của các hợp kim này. Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT SIÊU DẺO 2.1. Phương trình biểu diễn trạng thái siêu dẻo Trong biến dạng dẻo, ứng suất chảy phụ thuộc vào các yếu tố chính là nhiệt độ biến dạng (T); tốc độ biến dạng ( ̇ ) và mức độ biến dạng (). Do đó có thể biểu diễn: σ = f(, ̇ T) (2.1) Thông thƣờng quá trình biến dạng siêu dẻo đƣợc thực hiện ở điều kiện đẳng nhiệt, khi đó phƣơng trình (2.1) có dạng: σ = f(, ̇ ) (2.2) Bằng các phép biến đổi toán học có thể xây dựng phƣơng trình biểu diễn trạng thái siêu dẻo có dạng: σ = const.̇ m (2.19) Hệ số m biểu thị độ nhạy cảm của ứng suất tới tốc độ biến dạng: m= (2.17) ̇ Đƣờng cong siêu dẻo của các vật liệu có dạng hình 2.2
8 Biểu đồ đƣợc phân thành 3 vùng: Vùng I ứng với vùng có tốc độ biến dạng rất nhỏ, giá trị m < 0,3; Vùng II ứng với một khoảng hẹp tốc độ biến dạng, giá trị m = 0,3  0,8; Vùng III ứng với vùng có tốc độ biến dạng lớn hơn giá trị giới hạn, Hình 2.2. Biểu đồ đường cong siêu khi đó m < 0,3. dẻo của các kim loại [45, 57, 63] 2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến siêu dẻo 2.2.1. Ảnh hưởng của tổ chức hạt Tổ chức hạt đóng vai trò quan trọng trong siêu dẻo cấu trúc. Các nghiên cứu đã chỉ ra, để xuất hiện hiệu ứng siêu dẻo, kích thƣớc hạt phải đồng trục và nhỏ hơn 10 m. 2.2.2. Ảnh hưởng của tốc độ và nhiệt độ biến dạng tới siêu dẻo Các công trình nghiên cứu đã chỉ ra rằng, hiện tƣợng siêu dẻo chỉ xuất hiện khi biến dạng ở nhiệt độ cao ( T > 0,4 T nc ) và tốc độ biến dạng chậm (10-4 ÷10-1) s-1. Sở dĩ có điều kiện nhƣ thế bởi biến dạng siêu dẻo xảy ra theo cơ chế trƣợt trên biên giới hạt có sự thích ứng (Accommodation) của khuếch tán. Nhƣ vậy, tốc biến dạng phải đạt một giá trị thích hợp để kịp xảy ra quá trình khuếch tán, đồng thời phải để các hạt không kịp gia tăng kích thƣớc vƣợt quá giá trị tới hạn trong thời gian biến dạng. 2.3. Xác định độ nhạy cảm của ứng suất với tốc độ biến dạng 2.4. Các thuyết về cơ chế biến dạng siêu dẻo Hiện nay tồn tại rất nhiều thuyết khác nhau của nhiều tác giả về cơ chế biến dạng siêu dẻo. Nguyên nhân là bởi mỗi tác giả đều xuất phát từ những kết quả nghiên cứu cụ thể để khái quát lên cơ chế biến dạng siêu dẻo. Có thể tìm hiểu qua một số thuyết nhƣ sau: 2.4.1. Thuyết dão - khuếch tán Theo thuyết này, nếu vật liệu đa tinh thể không nằm trong trạng thái ứng suất thủy tĩnh thì dƣới ảnh hƣởng của ứng suất pháp sẽ tạo
9 ra một sự khác nhau về thế năng vacanxi (nút trống) để cân bằng gradient thế năng [14]. Sự dịch chuyển sẽ từ vùng có thế năng cao (vùng chịu ứng suất kéo) tới vùng có thế năng thấp hơn (vùng chịu ứng suất nén). Sự dịch chuyển của vacanxi sẽ tƣơng ứng với sự khuếch tán của dòng vật chất theo chiều ngƣợc lại và kết quả dẫn tới sự biến dạng vĩ mô của khối kim loại. 2.4.2. Thuyết trượt của lệch (biến dạng trong hạt) Trong điều kiện biến dạng siêu dẻo, cùng với sự trƣợt của hạt theo biên giới hạt còn xảy ra sự biến dạng trong hạt, đƣợc tạo nên bởi chuyển động của lệch. Biến dạng trong hạt nhờ chuyển động của lệch là cơ chế đƣợc biết đến rộng rãi đối với vật liệu dẻo khi biến dạng với tốc độ cao. 2.4.3. Thuyết giả ổn định pha Thuyết giả ổn định pha đƣợc đề xuất bởi А. А. Пресняков, Р.К. Аубакирова [44]. Пресняков cho rằng hiệu ứng siêu dẻo có liên quan đến trạng thái đặc biệt của kim loại, vì trong trạng thái này các nguyên tử có độ linh hoạt cao. Trạng thái này có thể xuất hiện trong thời điểm chuyển biến pha, hoặc trong trƣờng hợp làm nguội nhanh, lúc đó các pha trở lên giả ổn định. 2.4.4. Thuyết kết tinh lại động Đại diện cho thuyết này là các tác giả C. M. Packer, R. H. Johnson, O. D. Sherby, M.W. Grabski,.. [57]. Theo các tác giả trên thì biến dạng siêu dẻo là kết quả của hai quá trình cạnh tranh nhau: biến cứng khi trƣợt của các tinh thể và quá trình kết tinh lại. Kết tinh lại sẽ khử biến cứng và hồi phục lại cấu trúc đều trục. 2.4.5. Thuyết trượt trên biên giới hạt Đây là cơ chế đƣợc nhiều tác giả công nhận hơn cả, đại diện cho các tác giả này là: М.V.Grapski, О. А. Кайбышев, О. М. Смирнов, Asbby, Ghosh... [57, 61, 64]. Trƣợt trên biên giới là cơ chế duy nhất có thể giải thích các hiện tƣợng đƣợc quan sát thấy trong quá trình biến dạng siêu dẻo: sự xuất
10 hiện mức độ biến dạng lớn, duy trì tổ chức đồng trục, sự quay của hạt và thay đổi của textuya. 2.5. Kết luận chương 2 Chƣơng 2, luận án đã phân tích những chỉ tiêu đặc trƣng, những dấu hiệu của biến dạng siêu dẻo thông qua phƣơng trình biểu diễn trạng thái siêu dẻo. Đã đề cập tới những yếu tố ảnh hƣởng và các thuyết khác nhau của biến dạng siêu dẻo. Từ những vấn đề lý thuyết trên đặt ra cho luận án phải giải quyết: - Nghiên cứu những phƣơng pháp làm nhỏ hạt kim loại để đạt đƣợc cấu trúc hạt đồng trục, đƣờng kính trung bình nhỏ hơn 10 μm đáp ứng với yêu cầu cho biến dạng siêu dẻo. - Xác định các khoảng nhiệt độ, tốc độ biến dạng cho hợp kim lựa chọn nghiên cứu. Chương 3: THỰC NGHIỆM CHUẨN BỊ TỔ CHỨC HẠT NHỎ CHO VẬT LIỆU 3.1. Các phương pháp tạo tổ chức hạt nhỏ Làm nhỏ hạt kim loại là một trong những yêu cầu bắt buộc đối với các vật liệu siêu dẻo cấu trúc. Có nhiều phƣơng pháp làm nhỏ hạt, gồm: các phƣơng pháp hóa học và phƣơng pháp sử dụng các nguyên công chuẩn bị nhƣ: luyện kim; cơ - nhiệt luyện... Thời gian gần đây phƣơng pháp biến dạng dẻo mãnh liệt đƣợc đặc biệt quan tâm để tạo tổ chức hạt nhỏ cho các mác hợp kim công nghiệp vì tính hiệu quả của nó. Biến dạng dẻo mãnh liệt (SPD) là phƣơng pháp “Top-Down” hiệu quả nhất để chế tạo vật liệu có cấu trúc nano từ vật liệu có cỡ hạt thô to. Trong quá trình SPD thƣờng xảy ra biến dạng cắt rất lớn trong vật liệu dƣới áp suất thủy tĩnh nên vật liệu không bị phá hủy và tạo ra tổ chức hạt siêu mịn (< 1 m) hoặc nano (< 100 nm). Mặc dù đạt đƣợc mức độ biến dạng rất lớn nhƣng hầu hết các phƣơng pháp SPD không làm thay đổi đáng kể về hình dạng bề ngoài của phôi, khiến chúng trở nên rất hấp dẫn đối với các ứng dụng quy mô công nghiệp. Một số phƣơng pháp SPD phổ biến nhƣ sau:
11 3.1.1. Ép vật liệu qua kênh gấp khúc tiết diện không đổi 3.1.2. Phương pháp xoắn dưới áp lực cao 3.1.3. Phương pháp ép chu kỳ trong khuôn kín 3.1.4. Phương pháp cán dính tích lũy 3.1.5. Phương pháp ép chảy xoắn 3.1.6. Ép đùn qua lại 3.1.7. Phương pháp uốn - duỗi liên tục 3.1.8. Phương pháp tách dòng tuyến tính 3.2. Lựa chọn phương án tạo tổ chức và tính toán biến dạng cho vật liệu nghiên cứu 3.2.1. Phân tích lựa chọn phương án tạo tổ chức Qua nghiên cứu, phân tích nhận thấy rằng, trong các phƣơng pháp SPD thì phƣơng pháp ép chu kỳ trong khuôn kín là phƣơng pháp có thể cho phép thu đƣợc vật liệu có tổ chức siêu nhỏ mịn, cho phép biến dạng các phôi có kích thƣớc lớn. Bên cạnh đó, yêu cầu về trang thiết bị, dụng cụ, khuôn mẫu cho biến dạng khá đơn giản, dễ chế tạo, phù hợp với điều kiện các phòng thí nghiệm hiện có, đồng thời có khả năng ứng dụng cao ở quy mô công nghiệp 3.2.2. Các bước công nghệ ép chu kỳ trong khuôn kín (CCDF - Cyclic Closed Die Forging) 2 1 4 3 Hình 3.9. Kết cấu khuôn ép 1) Cối; 2) Chày; Hình 3.10. Các bước trong 3) Đế cối + ty đẩy; 4) Phôi ép một chu kỳ ép
12 3.2.3. Xác định kích thước phôi, mức độ biến dạng khi ép Phôi ban đầu từ hợp kim Ti-5Al-3Mo-1,5V đƣợc nấu luyện trong nƣớc. Mẫu ép có dạng hình hộp chữ nhật với các cạnh a, b và chiều cao là c, trong đó tỷ lệ kích thƣớc đƣợc lựa chọn một cách hợp lý sao cho a ≈ b, c/a ≤ 1,5, c/b ≤ 1,5 [12, 42], do vậy, chọn phôi có kích thƣớc: a x b x c = (17 x 17 x 25) mm. Mức độ biến dạng qua các chu kỳ cho trong bảng 3.1. Bảng 3.1. Mức độ biến dạng qua các chu kỳ ép Số chu kỳ ép 1 2 3 Mức độ biến dạng (ε) 1,34 1,34 1,34 Mức độ biến dạng tích lũy 4,02 3.3. Mô phỏng quá trình biến dạng CCDF 3.3.1. Mô phỏng quá trình CCDF bằng phần tử hữu hạn Phƣơng pháp phần tử hữu hạn (PTHH) đƣợc sử dụng trong biến dạng tạo hình kim loại để khảo sát ứng xử của phôi trong điều kiện phi tuyến của điều kiện biên, tải trọng, sự ảnh hƣởng của các thông số khác nhau tới quá trình biến dạng, từ đó có thể tối ƣu hóa các thông số công nghệ. Trong luận án sử dụng phần mềm công nghiệp DEFORM. 3.3.2. Mục đích của mô phỏng Mục đích của mô phỏng nhằm khảo sát lực biến dạng, trƣờng ứng suất, trƣờng biến dạng của phôi trong quá trình CCDF làm cơ sở cho chọn thiết bị và thiết kế khuôn cho thực nghiệm. 3.3.3. Mô hình mô phỏng 3.3.4. Kết quả mô phỏng Hình 3.15. Sự dịch chuyển của mặt cắt xem xét trong cả 3 chu kỳ
13 Hình 3.16. Ảnh đồ phân bố ứng suất hiệu dụng cuối mỗi chu kỳ ép Hình 3.17. Giá trị lực ép của các bước ép theo 3 chu kỳ 3.4. Chuẩn bị nội dung thực nghiệm 3.5. Thực nghiệm xác định chế độ làm nhỏ hạt kim loại 3.5.1. Lựa chọn các thông số nghiên cứu Luận án chọn hai thông số công nghệ là nhiệt độ biến dạng và mức độ biến dạng tích lũy (thông qua số lần ép) để nghiên cứu ảnh hƣởng của chúng tới cấu trúc hạt và cơ tính của hợp kim. Miền khảo sát trong khoảng:  {850; 900; 950} (oC); N  {3; 6; 9} (lần ép). Các thông số trên đƣợc mã hóa là các biến x1; x2 khi sử dụng phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp 2. Hàm mục tiêu là đƣờng kính hạt trung bình. 3.5.2. Lựa chọn các thiết bị, phương tiện nghiên cứu 3.5.3. Kết quả thực nghiệm
14 3.5.3.1. Kết quả khảo sát tổ chức tế vi Hình 3.22. Mẫu kim tương sau khi Hình 3.23. Ảnh tổ chức tế vi mài và tẩm thực phôi M5 sau ép X5000 3.5.3.2. Xác định kích thước hạt 3.5.4. Ảnh hưởng các thông số cơ nhiệt đến tổ chức hợp kim Titan 3.5.4.1. Xây dựng phương trình hồi quy Căn cứ vào ma trận thực nghiệm đã xây dựng và các kết quả tính toán đƣợc trong mục 3.5.3, ta có bảng kết quả (bảng 3.9). Bảng 3.9. Ma trận thực nghiệm và kết quả N 0 x0 x1 x2 x1x2 x1’ x2’ Y (µm) 1 + + + + 1/3 1/3 2,8 2 + - + - 1/3 1/3 1,4 3 + + - - 1/3 1/3 3,9 4 + - - + 1/3 1/3 2,0 5 + 0 0 0 -2/3 -2/3 1,4 6 + + 0 0 1/3 -2/3 2,8 7 + - 0 0 1/3 -2/3 1,4 8 + 0 + 0 -2/3 1/3 1,0 9 + 0 - 0 -2/3 1/3 2,0 Từ kết quả trong bảng 3.9, sử dụng phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm, đã xây dựng đƣợc phƣơng trình hồi quy: y = 1,25 + 0,78x1 - 0,45x2 + 0,92x12 + 0,32x22 (3.7) Từ phƣơng trình (3.7), xét sự ảnh hƣởng của từng thông số đến kích thƣớc hạt của hợp kim Titan Ti-5Al-3Mo-1,5V. Ta có: y(x1, 1) = 1,12 + 0,78 x1 + 0,92x12 (3.8) 2 y(1, x2) = 2,95 - 0,45x2 + 0,32x2 (3.9)
15 Từ các phƣơng trình (3.8), (3.9) cho thấy, trong khoảng biến thiên của các biến [-1; 1], yếu tố ảnh hƣởng lớn nhất đến kích thƣớc hạt là nhiệt độ biến dạng (biến x1 có hệ số dƣơng trị tuyệt đối lớn hơn), khi tăng nhiệt độ làm cho kích thƣớc hạt tăng lên và khi tăng số lần ép cỡ hạt giảm xuống (hệ số x2 âm). 3.5.4.2. Tối ưu hóa các thông số công nghệ Sử dụng phần mềm MatLab để tính toán, xác định cực trị đồng thời vẽ đƣợc mặt mục tiêu (hình 3.25). Trong miền khảo sát x1[-1;1]; x2[-1;1] Hàm số (3.7) đạt cực trị ymin= 0,93 khi x1 = -0,4; x2 = 0,7 hay nói cách khác cỡ hạt Hình 3.25. Sự phụ thuộc của cỡ hạt vào nhỏ nhất đạt đƣợc 0,93 nhiệt độ và số lần ép µm khi nhiệt độ ép là 880 oC và số lần ép là 8. 3.5.5. Khảo sát cơ tính của mẫu sau ép chu kỳ trong khuôn kín Với 9 thí nghiệm ép chu kỳ trong khuôn kín, phôi sau biến dạng đƣợc gia công và đánh số thứ tự tƣơng ứng từ 1 đến 9, mẫu ban đầu đánh số thứ tự 0 để khảo sát giới hạn bền. Bảng 3.11. Giá trị giới hạn bền của các mẫu thử TT mẫu 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 b, MPa 950 1362 1043 1266 1085 1117 1295 1055 1196 1142 Nhƣ vậy mẫu sau biến dạng bằng phƣơng pháp ép chu kỳ trong khuôn kín ngoài việc làm cho tổ chức hạt nhỏ mịn còn nâng cao cơ tính vật liệu. Sau từ 1 đến 3 chu kỳ ép, giới hạn bền tăng lên từ (11  43) % so với mẫu ban đầu. 3.5.6. Thực nghiệm kiểm chứng hàm tối ưu về kích thước hạt Tiến hành ép chu kỳ trong khuôn kín phôi hợp kim Ti-5Al-3Mo-
16 1,5V với các thông số công nghệ đã đƣợc tính toán tối ƣu nhƣ mục 3.4.4, nhiệt độ ép là 880 oC và số lần ép là 8. Đo đạc, tính toán tƣơng tự mục 3.4.3, xác định đƣợc cỡ hạt trung bình đạt 0,9 m. Nhƣ vậy với bộ thông số công nghệ tối ƣu đã tính toán, thực nghiệm kiểm chứng cho thấy hoàn toàn phù hợp. 3.6. Kết luận chương 3 Nghiên cứu các phƣơng pháp làm nhỏ hạt kim loại cho phép luận án lựa chọn phƣơng pháp phù hợp với điều kiện trang thiết bị hiện có tại các phòng thí nghiệm nhất là khả năng triển khai áp dụng tại các cơ sở sản xuất nhằm chuẩn bị tổ chức cho vật liệu đáp ứng với yêu cầu khi biến dạng xuất hiện siêu dẻo. Kết quả cho thấy, sử dụng phƣơng pháp ép chu kỳ trong khuôn kín có thể đạt đƣợc kích thƣớc hạt siêu nhỏ mịn cho hợp kim Ti-5Al-3Mo-1,5V. Sử dụng phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm, xây dựng đƣợc phƣơng trình hồi quy, tối ƣu hóa các thông số công nghệ, qua đó cho thấy trong phạm vi nghiên cứu có thể đạt đƣợc cỡ hạt nhỏ nhất 0,9 µm khi nhiệt độ ép là 880 oC và số lần ép là 8. Chương 4: THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ BIẾN DẠNG SIÊU DẺO HỢP KIM Ti-5Al-3Mo-1,5V 4.1. Mục đích, yêu cầu và nội dung thực nghiệm 4.1.1. Mục đích - Xác định chế độ công nghệ biến dạng hợp kim Ti-5Al-3Mo- 1,5V để xuất hiện trạng thái siêu dẻo. - Sử dụng phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm để tối ƣu hóa các thông số công nghệ bao gồm: nhiệt độ, tốc độ biến dạng nhằm đạt đƣợc mức độ biến dạng siêu dẻo lớn nhất. 4.2. Mẫu, thiết bị và dụng cụ thực nghiệm - Mẫu kéo đƣợc gia công từ phôi sau khi ép chu kỳ trong khuôn kín ở chế độ tối ƣu, cỡ hạt trung bình đạt 0,9 µm. Gia công mẫu kéo với chiều dài cữ ban đầu l0 = 10 mm, chiều dày 1 mm, chiều rộng 3 mm, diện tích tiết diện ngang là 3 mm2.
17 - Thiết bị sử dụng để kéo mẫu là máy Devotrans DVT FU/RDNN 50kN - CKS; Mẫu kéo đƣợc gá trên hệ thống đồ gá kéo và đặt trong lò nung Nabertherm B180, lắp trên thiết bị kéo. Hình 4.3. Thiết bị kéo nén Devotrans 4.3. Thực nghiệm xác định chế độ siêu dẻo hợp kim Ti-5Al-3Mo-1,5V 4.3.1. Xây dựng bài toán thực nghiệm Luận án sử dụng phƣơng pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp 2 để xây dựng mối quan hệ phụ thuộc của ứng suất chảy s (MPa) và độ giãn dài tƣơng đối  (%) vào nhiệt độ biến dạng ( mã hóa là x1) và tốc độ biến dạng khi kéo ( mã hóa là x2 ) trong điều kiện đẳng nhiệt. Xây dựng ma trận thực nghiệm với khoảng biến thiên nhƣ sau: - Nhiệt độ biến dạng  {800; 850; 900} (oC); - Tốc độ biến dạng ̇  {10-3; 5.10-3; 9.10-3} (s-1) 4.3.2. Tiến hành thực nghiệm 4.3.3. Kết quả thí nghiệm Tiến hành kéo đẳng nhiệt với các thông số công nghệ nhƣ kế hoạch thực nghiệm đã xây dựng. Kết quả thí nghiệm khi kéo đẳng nhiệt 9 mẫu đƣợc trình bày ở bảng 4.2. Bảng 4.2. Kết quả thực nghiệm kéo đẳng nhiệt ̇ Pmax σs  TT (oC) (s-1) (N) (MPa) (%) 1 900 9.10-3 76,5 25,5 230 2 800 9.10-3 156 52 210 3 900 10-3 28,5 9,5 900 4 800 10-3 117 39 360
18 5 850 5.10-3 73 24,3 480 6 900 5.10-3 69 23 420 7 800 5.10-3 147 49 270 8 850 9.10-3 93 31 320 9 850 10-3 43,5 14,5 1020 Từ kết quả của thực nghiệm cho thấy: - Hiện tƣợng thắt ngõng xảy ra muộn hơn rất nhiều so với khi kéo nóng thông thƣờng. Sự giảm tiết diện ngang mẫu kéo xảy ra trong toàn bộ chiều dài lo (hình 4.5), do vậy độ giãn dài tƣơng đối thu đƣợc là rất lớn lên tới hàng trăm và hơn một nghìn phần trăm. Hình 4.5. Phôi sau khi kéo đẳng nhiệt Hình 4.6. Giản đồ kéo trong điều kiện siêu dẻo phôi số 9 - Ứng suất gây biến dạng mẫu kéo có giá trị rất thấp (vài chục MPa) và thay đổi rất mạnh theo sự thay đổi của tốc độ biến dạng và nhiệt độ biến dạng. Nhƣ vậy, theo dấu hiệu của siêu dẻo có thể kết luận hợp kim nghiên cứu đã biến dạng trong trạng thái siêu dẻo.
19 4.4. Ảnh hưởng các thông số công nghệ đến ứng suất chảy và độ giãn dài tương đối hợp kim nghiên cứu 4.4.1. Xây dựng các phương trình hồi quy - Phƣơng trình hồi quy mô tả sự phụ thuộc của ứng suất chảy vào nhiệt độ biến dạng và tốc độ biến dạng khi biến dạng siêu dẻo: y1= 22,61 - 14x1+ 8,25x2 + 10,05x12 (4.3) - Phƣơng trình hồi quy mô tả sự phụ thuộc của độ giãn dài tƣơng đối vào nhiệt độ biến dạng và tốc độ biến dạng khi biến dạng siêu dẻo: y2 = 551,1 + 118,3x1 – 270x2 – 130x1x2 – 241,7x12 + 133,4x22 (4.5) 4.4.2. Xét ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới ứng suất chảy Để nghiên cứu ảnh hƣởng của các thông số công nghệ tới ứng suất chảy, từ phƣơng trình (4.3) bằng phƣơng pháp phân tích đại số, có thể thấy: y1(x1,1) =30,86 -14x1 + 10,05 x12 (4.6) y1(1,x2) = 8,66 + 8,25x2 (4.7) Từ hai phƣơng trình (4.6) và (4.7) cho thấy, trong khoảng biến thiên của các biến [-1; 1]; ảnh hƣởng lớn nhất tới ứng suất chảy của hợp kim là nhiệt độ biến dạng (biến x1 có hệ số âm và trị tuyệt đối lớn hơn). Ứng suất chảy sẽ giảm khi nhiệt độ biến dạng tăng và khi tốc độ biến Hình 4.7. Sự phụ thuộc của ứng suất chảy dạng giảm. Có thể xem vào nhiệt độ và tốc độ biến dạng siêu dẻo xét sự ảnh hƣởng này một cách trực quan qua đồ thị 4.7 đƣợc xây dựng từ phƣơng trình 4.3 bằng cách thay lần lƣợt các giá trị của biến x2 (các biến x1; x2 đƣợc chuyển từ mã hóa về giá trị thực). Từ đồ thị có thể thấy, khi tăng nhiệt độ biến dạng, ứng suất chảy của hợp kim giảm. Tuy nhiên sự ảnh hƣởng này giảm dần ở vùng nhiệt độ (870 ÷ 900) oC (độ dốc của đồ thị có xu thế giảm). Điều này
20 là do ở vùng nhiệt độ chuyển biến pha, kích thƣớc hạt bắt đầu tăng mạnh dẫn đến sự trƣợt trên biên giới hạt của các hạt trở nên khó khăn hơn, ứng suất chảy có xu thế tăng lên 4.4.3. Xét ảnh hưởng của các thông số công nghệ tới độ giãn dài tương đối Tƣơng tự đối với độ giãn dài tƣơng đối. Từ phƣơng trình (4.5): y2(x1 ;1) = 414,5 - 11,7x1 – 241,7 x12 (4.8) 2 y2(1 ;x2) = 427,7 - 400x2 + 133,4 x2 (4.9) Từ hai phƣơng trình (4.8) và (4.9) cho thấy, trong khoảng biến thiên của các biến [-1; 1]; ảnh hƣởng lớn nhất tới độ giãn dài tƣơng đối của hợp kim là tốc độ biến dạng (biến x2 có hệ số âm và trị tuyệt đối lớn hơn) . Tƣơng tự nhƣ mục 4.4.2, từ phƣơng trình (4.5) có thể xây dựng đƣợc đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa độ giãn dài tƣơng đối và nhiệt độ biến dạng ứng với mỗi tốc độ biến dạng khác nhau - Hình 4.8. Từ đồ thị trên cho thấy: - Nhìn chung khi tốc Hình 4.8. Sự phụ thuộc của độ giãn dài độ biến dạng giảm thì độ tương đối vào nhiệt độ và tốc độ biến dạng siêu dẻo giãn dài tƣơng đối tăng. - Trong vùng nhiệt độ thấp (800  840) oC, ảnh hƣởng của tốc độ biến dạng đến độ giãn dài chƣa rõ nét (các đƣờng cong sát nhau, thậm chí đan xen nhau). Điều này có thể giải thích, khi nhiệt độ biến dạng còn thấp, quá trình khuyếch tán xảy ra chƣa mạnh dẫn đến sự chênh lệch về độ giãn dài tƣơng đối không lớn khi thay đổi tốc độ biến dạng. - Mức độ ảnh hƣởng của tốc độ biến dạng rõ nét nhất trong khoảng nhiệt độ từ (840  880) oC. Ứng với mỗi tốc độ biến dạng có thể tìm đƣợc một giá trị nhiệt độ mà ở đó độ giãn dài tƣơng đối lớn