Chế tạo chi tiết sử dụng trong hợp kim kỹ thuật hàng không bằng hợp kim Titan - Nguyễn Tài Minh

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