Nghiên cứu cấu trúc và tính chất hợp kim sử dụng chế tạo khung thân thanh giằng trong thân vỏ tên lửa đối hải

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số 29, 02 - 2014 9 NGHIÊN CứU cấu trúc và tính chất HợP KIM sử dụng chế tạo khung thân thanh giằng trong thân vỏ TêN LửA ĐốI HảI sái mạnh thắng, Trần ngọc thanh Tóm tắt: Lựa chọn đúng vật liệu chế tạo các kết cấu chịu lực là vấn đề quan trọng của quá trình thiết kế chế tạo tên lửa. Bằng các phương pháp nghiên cứu hợp kim hiện đại: phân tích quang phổ phát xạ, X-Ray, hiển vi quang học, hiển vi điện tử quét (SEM), phương pháp thử kéo, đã xác định được thành phần hóa học, cấu trúc pha, tổ chức tế vi và cơ tính hợp kim sử dụng chế tạo khung thân-thanh giằng trong thân vỏ tên lửa đối hải. Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu đã xác định đầy đủ các tính chất cần thiết của vật liệu chế tạo các chi tiết khung thân-thanh giằng, phục vụ cho quá trình tính toán thiết kế và nghiên cứu công nghệ chế tạo thân vỏ tên lửa đối hải. Từ khóa: Công nghệ chế tạo tên lửa, Công nghệ vật liệu, Hợp kim nhôm-magiê. 1. Mở đầu Trong tên lửa đối hải (TLĐH), thân vỏ có chức năng tạo ra lực khí động để duy trì bay, tạo mômen và lực khí động để điều khiển tên lửa bay theo quỹ đạo cần thiết, đồng thời tạo ra không gian để lắp đặt tất cả các bộ phận khác của tên lửa và chịu tải do các bộ phận này tạo ra. Về cơ bản thân vỏ có kết cấu từ các tấm vỏ và các gân chịu lực liên kết với nhau bằng các mối ghép không tháo được (hàn, đinh tán). Các gân chịu lực bao gồm gân ngang, gân dọc sẽ tạo thành kết cấu khung thân-thanh giằng chịu lực cơ bản cho thân vỏ tên lửa. Trong TLĐH kết cấu khung thân - thanh giằng bao gồm 16 loại chi tiết khác nhau. Đặc trưng các chi tiết trong kết cấu khung thân-thanh giằng trong TLĐH được mô tả trên hình 1. a, b, c Hình 1. Dạng đặc trưng của các chi tiết trong kết cấu khung thân-thanh giằng của TLĐH: a- bích trước khoang 2, b - thanh giằng khoang 2, c-vành chịu lực khoang 7. Kết cấu thân vỏ chiếm một khối lượng vật liệu và số lượng chi tiết khá lớn so với tổng thể quả đạn TLĐH. Các vấn đề về vật liệu các tấm mỏng trong kết cấu thân vỏ TLĐH đã được nhóm nghiên cứu công bố trong công trình [1]. Trong khi đó, toàn bộ khối lượng khung thân, thanh giằng chiếm tỷ phần khá lớn (khoảng bằng 70%) trong toàn bộ khối lượng thân vỏ của quả đạn TLĐH. Vì vậy, vấn đề đặt ra ở đây là cần nghiên cứu, xác định các tính chất cơ bản của vật liệu chế tạo các khung thân, thanh giằng trong thân vỏ TLĐH nhằm xác định được các thông tin cần thiết phục vụ cho quá trình tính toán thiết kế và nghiên cứu công nghệ chế tạo Tên lửa S. M. Thắng, T. N. Thanh, "Nghiên cứu cấu trúc và tính chất thân vỏ tên lửa đối hải." 10 thân vỏ tên lửa đối hải. 2. phương pháp Và THIếT Bị nghiên cứu - Xác định thành phần hóa học vật liệu chế tạo các chi tiết trong khung thân- thanh giằng của thân vỏ TLĐH bằng phương pháp quang phổ phát xạ với thiết bị FOUDRYMASTER, trực tiếp trên các chi tiết khung thân-thanh giằng. - Đo độ cứng trên thiết bị đo TH130, - Khảo sát tổ chức tế vi của mẫu nghiên cứu bằng chụp kim tương với kính hiển vi quang học AXIOVERT-25CA, Viện Công nghệ-Tổng cục công nghiệp quốc phòng. - Phân tích cấu trúc bằng Rơn ghen thực hiện trên thiết bị X-ray XPERTPRO, Viện Hóa học và Vật liệu,Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự. Thông số đo trên máy: anốt điện cực Cu có bước sóng phát xạ Kα1= 1,54060 , nhiệt độ đo 25 0C. - Phân tích tổ chức và phân bố pha trên máy hiển vi điện tử quét HITACHI S4800, Viện Vệ sinh dịch tễ-Bộ Y tế. - Khảo sát cơ tính của vật liệu theo phương pháp thử kéo trên máy W300 có hệ thống ghi giản đồ kéo kết nối máy tính. Các mẫu thử được cắt ra từ khung thân- thanh giằng trong thân vỏ TLĐH, có các kích thước phù hợp với OCT 11701-84. - Thử độ bền kéo trên máy kéo nén WP-300, Phòng thí nghiệm Khí động Động lực, Viên Tên lửa- Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự. 3. Kết quả Và THảO LUậN Kết quả phân tích thành phần hóa học vật liệu chế tạo các chi tiết khung thân- thanh giằng của TLĐH được trình bày trên bảng 1 cho thấy, vật liệu chế tạo các chi tiết này là hợp kim nhôm hệ Al-Mg có thành phần hóa học tương đương mác AMг6 OCT 4784-97. So với hợp kim nhôm nói chung, hợp kim hệ Al-Mg có độ bền riêng khá cao. Tính công nghệ tốt nhờ có tính dẻo và tính hàn tốt. Hợp kim Al- Mg còn có đặc tính giảm chấn do vậy nó có khả năng triệt tiêu các dao động, ngoài ra đây là hợp kim không nhiễm từ và có khả năng bảo vệ từ do vậy có thể bảo vệ các cấu kiện điện tử bên trong. Bảng 1. Thành phần vật liệu chi tiết khung thân thanh giằng trong TLĐH. Chi tiết khung thân,thanh giằng Thành phần khối lượng, % Fe Si Mn Al Ti Cu Be Zr Mg Zn Khoang 1 Bích trước 0,0192 0,275 0,583 91.8 0,0711 0,135 0,0001 0,0074 6.57 <0,006 Bích sau 0,0181 0,262 0,590 92.1 0,0730 0,127 0,0001 0,0035 6.09 <0,005 Khoang 2 Bích trước 0,172 0,242 0,576 92.0 0,0733 0,127 0,0001 0,0045 6.18 <0,005 Bích sau 0,0193 0,280 0,599 91.8 0,0869 0,132 0,0001 0,0062 6.57 0,0062 Thanh giằng 0,381 0,325 0,671 91.7 0,0791 0,0428 0,0004 0,0036 6.49 0,234 Khoang 4 Bích trước 0,141 0,325 0,655 91.9 0,0807 0,0441 0,0004 0,0039 6.47 0,0155 Bích sau 0,242 0,313 0,612 91.6 0,0901 0,0431 0,0004 0,0037 6.61 0,0145 Khoang 5 Bích trước 0,312 0,309 0,686 91.6 0,0766 0,0422 0,0005 0,0037 6.50 0,0269 Bích sau 0,341 0,355 0,645 91.7 0,0807 0,0441 0,0004 0,0036 6.67 0,0155 Khoang 7 Vành 0,188 0,308 0,609 92.2 0,0715 0,124 0,0001 0,0038 5.94 - Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số 29, 02 - 2014 11 Giản đồ pha hệ Al-Mg được mô tả trên hình 2. Theo [3], kim loại Mg tạo với Al dung dịch rắn  có kiểu mạng lập phương tâm mặt (lptm). Dung dịch rắn thay thế  có thể tồn tại đến hàm lượng 17,1 %Mg tại nhiệt độ 450 0C. Pha thứ hai có thể tạo ra trong hợp kim này là β(Al3Mg2), có kiểu mạng lập phương tâm mặt (lptm). Theo [4] pha β nóng chảy ở 450 0C và ổn định trong khoảng 38,5 tới 40,3 %Mg. Tiếp sau pha β là khoảng hỗn hợp hai pha β+. Pha  Al12Mg17 là có kiểu mạng lập phương tâm khối (lptk) và chỉ tồn tại ở khoảng nhiệt độ cao. Xen giữa hai pha đó là pha R có kiểu mạng lục giác, tồn tại trong khoảng rất hẹp của thành phần là 39 %Mg [5]. Thành phần hợp kim AMг6 có hàm lượng Mg khoảng 5,5-6,8 %. Khi nâng nhiệt độ lên trên 350 0C sẽ hòa tan hoàn toàn thành dung dịch rắn 1 pha α và khi làm nguội cân bằng xuống nhiệt độ thường sẽ tạo tổ chức 2 pha α+β. Pha  có thể tồn tại khi các phôi đúc khung thân, thanh giằng bị nguội nhanh và quá trình ủ đồng đều hóa xảy ra không hoàn toàn. Các nguyên tố hợp kim khác như Mn, Fe, Si, Ti có hàm lượng nhỏ hòa tan trong dung dich rắn ít có khả năng tham gia tạo các pha. Để xác định các pha thực hiện phân tích cấu trúc bằng tia rơnghen xác định thông số mạng đặc trưng của các pha. Hình 2. Giản đồ trạng thái hợp kim nhôm hệ Al-Mg [2]. Giản đồ kết quả phân tích Rơnghen trên mẫu chi tiết khung thân-thanh giằng được chỉ ra trên hình 3. Với pha nền α của hợp kim Al-Mg có kiểu mạng lptm, theo chiều tăng của góc quét 2 < 900, đã xuất hiện các vạch theo thứ tự ứng với các 5 mặt phản xạ: (111), (200) , (220), (311), (222), theo các góc 2 và khoảng cách mặt d như trong bảng 2. Theo [2], thông số mạng a được tính toán theo công thức: (1) Kết quả tính toán thông số mạng pha nền α được trình bày trên bảng 2. Tên lửa S. M. Thắng, T. N. Thanh, "Nghiên cứu cấu trúc và tính chất thân vỏ tên lửa đối hải." 12 C ư ờ n g đ ộ n h iễ u x ạ Vị trí góc 2 Hình 3. Giản đồ Rơnghen mẫu chi tiết hợp kim nhôm trong khung thân -thanh giằng TLĐH. Bảng 2. Tính thông số mạng trên các mặt pha nền α. STT Mặt tinh thể, hkl Mẫu chi tiết trong khung thân –thanh giằng d[] 2 (độ) Thông số mạng a[] 1 111 2,34700 38,353 4,065 2 200 2,03059 44,521 4,061 3 220 1,44132 64,672 4,076 4 311 1,23061 77,580 4,081 5 222 1,17678 81,776 4,076 Kết quả đo xuất hiện một số vạch với cường độ yếu của pha β, tương ứng thứ tự ứng với các 3 mặt phản xạ: (12 4 2), (12 4 4) ( 16 14 2); theo các góc 2: 40,1920, 41,6810, 72,2190 và khoảng cách mặt d là 2,24375 , 2,16698 , 1,29664 . Kết quả tính toán thông số mạng pha β theo công thức (1) được trình bày trên bảng 3. Bảng 3. Tính thông số mạng trên các mặt pha β. STT Mặt tinh thể, hkl Mẫu chi tiết trong khung thân -thanh giằng d[] 2 (độ) Thông số mạng a[] 1 12 4 2 2,25031 40,192 28,818 2 12 4 4 2,17509 41,681 28,8558 4 16 14 2 1,29664 72,219 27,668 Từ kết quả tính toán các thông số mạng đã khẳng định, trong tổ chức hợp kim chế tạo chi tiết trong khung thân, thanh giằng, chỉ gồm 2 pha là α và β. Thông số mạng của pha α khoảng 4.07 , Giá trị này lớn hơn đôi chút thông số mạng của kim loại Al (bằng 4,05  theo [5]), do có sự hòa tan của các nguyên tố hợp kim: Mg. Mn, Ti. Gian đồ nhiễu xạ cho thấy, pha β có cường độ rất nhỏ. Điều này chứng tỏ tỷ lệ pha β chiếm một lượng rất nhỏ so với nền α. Thông số mạng của pha β tính Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số 29, 02 - 2014 13 được khoảng 28,8 khá phù hợp với các kết quả được trình bày trong [3]. Hình 4 mô tả tổ chức tế vi của chi tiết trong khung thân, thanh giằng TLĐH với độ phóng đại 200 lần. Quan sát ảnh tổ chức tế vi thấy trên nền α xuất hiện các pha liên kim nằm cả trong hạt và xen giữa các hạt, đây chính là pha β. Tổ chức phân bố không đều và vẫn còn hiện tượng tổ chức thiên tích thành phần sau đúc, hạt thô to. Tổ chức tế vi cho thấy phôi chế tạo chi tiết trong khung thân, thanh giằng được chế tạo theo công nghệ đúc. Hình dạng các hạt và phân bố của pha β cho thấy chi tiết được xử lý nhiệt làm đồng đều tổ chức và giảm hiện tượng thiên tích sau đúc. Hình 4. Tổ chức tế vi hợp kim nhôm được tẩm thực dung dịch 9%H3PO4 x200, chế tạo chi tiết trong khung thân-thanh giằng TLĐH. ảnh tổ chức trên hiển vi quét SEM trên hình 5a cho thấy sự phân bố của pha β trên nền pha α, pha β phân bố rải rác không đều và có kích thước khoảng 10 m. Hình 5b (phóng đại 5.000 lần với khoảng thước đo là 10 m) cho thấy hình dạng của pha β tạo ra là đa cạnh. Hình 4c (phóng đại 10.000 lần, khoảng thước đo là 50 m) là tổ chức vùng biên hạt có vết mài cắt qua. Vùng biên hạt có pha β nằm xen kẽ và xen xung quanh biên hạt. a, b, c, Hình 5. ảnh SEM mẫu thanh giằng khoang 2: a- pha nền; b- pha β; c- biên giới hạt. Tổ chức bề mặt chi tiết thanh giằng khoang 2 cho thấy ảnh hưởng của quá trình nguội và xử lý nhiệt sau đúc phôi của chi tiết thanh giằng. Với kích thước nhỏ và phân bố đều cả trong hạt và vùng biên hạt chứng tỏ hợp kim sau đúc đã được xử lý đồng đều thành phần. Nhiệt độ ủ được lựa chọn phù hợp để pha β tiết ra nhỏ mịn, có phân bố đều trên nền và kích thước hạt không lớn. Các kết quả đo độ cứng các chi tiết trong khung thân-thanh giằng được chỉ ra trên bảng 4. Qua phân tích kết quả nhận thấy,các chi tiết khung thân-thanh giằng của thân vỏ TLĐH có độ cứng nằm trong khoảng 72,6-87HB. Với giá trị độ cứng Tên lửa S. M. Thắng, T. N. Thanh, "Nghiên cứu cấu trúc và tính chất thân vỏ tên lửa đối hải." 14 như vậy, có thể định tính thấy các khung thân-thanh giằng TLĐH được chế tạo cùng một loại vật liệu, trong cùng một chế độ xử lý nhiệt. Bảng 4. Kết quả đo độ cứng khung thân-thanh giằng thân vỏ TLĐH. Khoang Chi tiết khung thân- thanh giằng Kết quả đo độ cứng HB Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 4 Lần 5 Trung bình Khoang 1 Bích trước 68 72 75 77 78 74,6 Bích sau 70 72 76 76 79 74,6 Khoang 2 Bích trước 80 73 78 79 77 77,4 Bích sau 66 70 72 76 79 72,6 Thanh giằng 82 81 83 84 81 82,5 Khoang 3 Bích trước 75 76 74 79 69 74,6 Bích sau 70 72 76 76 79 74,6 Gân ngang số 1 70 73 75 76 81 75,0 Gân ngang số 2 73 78 79 76 79 77,0 Gân ngang số 3 73 76 76 79 78 76,4 Khoang 4 Bích trước 75 68 72 79 78 74,4 Bích sau 76 76 79 69 73 74,6 Gân ngang 82 81 73 79 78 78,6 Khoang 5 Bích trước 74 76 76 79 77 76,4 Bích sau 73 69 73 79 78 74,4 Khoang 7 Vành chịu lực 73 75 75 76 74 74,6 Kết quả thử kéo xác định cơ tính mẫu chi tiết trongkhung thân-thanh giằng có giới hạn bền 346,3 MPa, giới hạn đàn hồi là 180 MPa và độ dãn dài tương đối 19%. Kết quả này cho thấy cho thấy hợp kim chế tạo các chi tiết khung thân-thanh giằng ở trạng thái ủ mềm [5]. Biểu đồ kéo mẫu chi tiết trong khung thân-thanh giằng mô tả trên hình 6. ứ ng s u ất Độ dãn dài tương đối Hình 6. Giản đồ thử kéo mẫu chi tiết trong khung thân, thanh giằng trong thân vỏ TLĐH. 4. Kết luận Vật liệu chế tạo các chi tiết trong khung thân-thanh giằng trong thân vỏ TLĐH là hợp kim nhôm hệ Al-Mg mác АМг6 ГОСT 4784-97; Tổ chức hợp kim gồm 2 pha α và β, trong đó pha nền α là chủ yếu, pha β chiếm Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số 29, 02 - 2014 15 tỷ lệ nhỏ so với nền, pha β có kích thước nhỏ phân bố cả trong hạt và ở biên hạt. Phôi chế tạo các chi tiết khung thân-thanh giằng trong thân vỏ TLĐH có độ cứng khoảng 72,6-87 HB, độ bền kéo 346,3 MPa, độ dãn dài tương đối 19 %. Qua khảo sát tổ chức và cơ tính của hợp kim chế tạo các chi tiết khung thân- thanh giằng nhận thấy các phôi hợp kim ban đầu được chế tạo theo công nghệ đúc và ở trạng thái phù hợp ở trạng thải ủ mềm. Các tính chất chống rung, chống ăn mòn của hợp kim chế tạo khung thân-thanh giằng cần được tiếp tục nghiên cứu chi tiết. Tài liệu tham khảo [1]. Trần Ngọc Thanh, Sái Mạnh Thắng, Trần Xuân Tiến và các cộng sự, “Nghiên cứu hợp kim sử dụng trong thân cánh tên lửa đối hải” Tạp chí Nghiên cứu KHCNQS, số 11 (năm 2011), tr. 22-28. [2]. Lê Công Dưỡng, “Kỹ thuật phân tích cấu trúc bằng tia Rơnghen”, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật (1984), tr. 113. [3]. ASM metal handbook, “Alloys phase diagrame” Vol. 03 (1991), pp 81. [4]. D. Mukherjeea, V. Andea, R. Mannaa, B.S. Murtyb, N.K. Mukhopadhyaya, “Formation of nanostructured and amorphous-Al3Mg2 based alloys by rapid solidification and mechanical milling”, Materials Science and Engineering A 527 (2010), pp.5078–5083. [5]. D. Singh, C. Suryanarayana, L. Mertus, R.-H. Chen, “Extended homogeneity range of intermetallic phases in mechanically alloyed Mg-Al alloys” , Intermetallics 11 (2003), pp.373–376. Abstract STUDY OF THE STRUCTURE AND PROPERTIES OF ALLOY USED FOR HARDEN RIBS IN THE ANTISHIP MISSILE'S BODY The choice of materials for force bearing structures is an important issue in the design and manufacture of missiles. The chemical composition, phase structures, microstructure and mechanical properties of alloys used for harden ribs in the antiship missile's fuselage clad have been determined by using of modern methods in studying alloys: emission spectrometry, X- ray, optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM), tensile testing methods. The results of the study have revealed in detail essential material properties of the harden ribs, and help the design and technological research of seashell missile’s fuselage clad. Keywords: Missile manufacturing technology, Materials technology, Aluminum magiesium alloy. Nhận bài ngày 05 tháng 11 năm 2013 Hoàn thiện ngày 01 tháng 12 năm 2013 Chấp nhận đăng ngày 14 tháng 1 năm 2014 Địa chỉ: Phòng Công nghệ/Viện Tên lửa, ĐT: 069516080; 0983316239.