Nghiên cứu nấu luyện hợp kim Titan trong lò cảm ứng chân không - Nguyễn Khải Hoàn

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 33, 10 - 2014 125 Nghiªn cøu nÊu luyÖn hîp kim titan trong lß c¶m øng ch©n kh«ng NGUYỄN KHẢI HOÀN *, NGUYỄN HỒNG SƯƠNG * NGUYỄN TIẾN TÀI **, NGUYỄN TÀI MINH ***, NGUYỄN XUÂN PHƯƠNG **** Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu ban đầu về nấu luyện hợp kim titan tương đương mác BT14 bằng lò cảm ứng chân không VIM02. Quá trình nghiên cứu đã xác lập được chế độ nấu luyện như: độ chân không, áp suất trong buồng nấu, nhiệt độ rót .... Qua kết quả phân tích thành phần hóa học, ảnh tổ chức tế vi thấy rằng, mẫu hợp kim đã chế tạo tương đương mác hợp kim BT14. Từ khóa: Hợp kim titan, Lò cảm ứng chân không, Tổ chức kim tương, Thành phần hóa học. 1. MỞ ĐẦU Nhờ có những tính năng đặc biệt mà hợp kim titan được sử dụng rộng rãi trong ngành chế tạo máy bay và tên lửa[1][4]. Các chi tiết được chế tạo từ hợp kim titan có khả năng chịu tải cao, chịu nhiệt cao đến 600 oC [1][2][6]. Hợp kim titan BT14 được dùng để chế tạo nhiều chi tiết cho tên lửa phòng không tầm thấp, đặc biệt các chi tiết có hình dáng phức tạp, yêu cầu làm việc trong điều kiện khắc nghiệt của nhiệt độ và áp suất cao nên đòi hỏi phải có tính ổn định, độ chính xác và độ bền cao như là chi tiết cốc đáy động cơ hành trình (Hình 1). Hình 1. Chi tiết cốc đáy động cơ hành trình tên lửa PKTT. Hợp kim titan mác BT14 là hợp kim độ bền cao, được hóa bền bằng nhiệt luyện, có tổ chức hai pha α+β loại mactenxit thuộc hệ Ti-Al-V-Mo[2,5]. Hợp kim này chứa một số lượng không lớn pha các nguyên tố ổn định β (Kβ= 0,35) và lượng vừa phải nhôm. Hợp kim có khả năng gia công nhiệt luyện hóa bền[7]. Ở trạng thái ổn định hợp kim BT14 chứa khoảng 10 % pha β, còn sau khi tôi chứa gần 37 % pha β [2,7]. Hợp kim này hiện nay trong nước chưa có nơi nào nghiên cứu chế tạo. Titan và hợp kim của nó là một trong những nhóm hợp kim khó nóng chảy, nhưng có hoạt tính hóa học cao. Ở nhiệt độ cao, nhất là ở trạng thái nóng chảy, titan tác dụng với hầu hết các chất khí trong đó có oxy, nitơ và hydro, cũng như vật liệu chịu lửa thông thường[4]. Các tạp chất oxy và nitơ làm xấu tính đúc và làm giảm tính dẻo của hợp kim. Sự nhiễm bẩn bởi các tạp chất làm hợp kim titan trở lên giòn và cứng, làm ảnh hưởng xấu tới tính gia công áp lực [3][4]. Bởi vậy, titan Hóa học & Kỹ thuật môi trường N.K.Hoàn, N.H.Sương, N.T.Tài, N.T.Minh, N.X.Phương, “Nghiên cứu . chân không.” 126 và hợp kim của nó cần phải được tiến hành nấu đúc trong môi trường chân không hoặc trong môi trường khí trơ, khuôn đúc, nồi nấu được làm từ vât liệu mà không tác dụng với titan. Để hạn chế khả năng nhiễm khí oxy và nitơ, khi nấu luyện trong lò cảm ứng chân không, độ chân không trong buồng lò đóng vai trò rất quan trọng. Sau khi hút chân không đạt yêu cầu, khí trơ được cung cấp vào buồng lò, nhằm giảm thiểu sự bay hơi của các nguyên tố hợp kim và giảm thiểu khả năng xâm nhập khí từ ngoài vào trong buồng lò. 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Phối liệu cho nấu luyện: Hợp kim được nấu luyện từ các kim loại có độ sạch kỹ thuật cao như sau: Ti(99,75 %), Al(99,7 %), Mo (99,75 %), hồi liệu sạch Ti- 6Al-4V, hợp kim trung gian Al-Mo; hợp kim trung gian Al-Zr; hợp kim Ti-2,5Al hồi liệu. 2.2. Thực nghiệm nấu luyện hợp kim Hợp kim được chế tạo theo tiến trình công nghệ sau: Bước 1: Chuẩn bị liệu và thiết bị. Bước 2: Xếp liệu - Liệu xếp vào nồi lò theo trình tự Ti, Ti-4V-6Al và Ti-Al, liệu to xếp trước, liệu nhỏ xếp sau sao cho vừa kín không gian lò (tránh tổn hao công suất). Xếp Al-Mo, Al-Zr và Mo vào buồng tiếp liệu để hợp kim hóa giai đoạn cuối mẻ nấu. Bước 3: Hút chân không - Sau khi sắp xếp liệu xong, đóng cửa buồng lò để hút chân không đạt (2÷3)10- 2 mBar. Xả khí Ar đạt khoảng 700 mbar, tắt van khí Ar. Bước 4: Nấu luyện - Sau khi cân bằng áp suất bằng khí Argon ở mức 700 mbar, tiến hành nâng công suất lò lên 20 % để đồng đều nhiệt độ của liệu, giữ ở mức công suất này liệu titan chỉ đạt nhiệt độ là (1350÷1400) oC. Sau đó cứ (4÷5) phút nâng công suất lò lên 5%, mục đích để liệu đồng đều nhiệt độ, khi chảy lỏng sẽ tụt xuống nồi lò từ từ không bị hiện tượng chảy cục bộ gây treo liệu. Khi công suất đạt 35 % thì liệu bắt đầu chuyển sang trạng thái lỏng hoàn toàn. Lúc này bắt đầu thực hiện giai đoạn hợp kim hóa. Bước 5: Hợp kim hóa - Khi liệu đã chảy hết, bắt đầu công đoạn hợp kim hóa theo nguyên tắc nguyên tố có nhiệt độ chảy cao cho vào trước, nhiệt độ chảy thấp cho vào sau. Lần lượt Mo kim loại, hợp kim trung gian Al-Mo và hợp kim Al-Zr được đưa vào nồi nấu thông qua gầu tiếp liệu. Nguyên tố Mo có nhiệt độ chảy khá cao ở 2625 oC nên khi bắt tiến hành hợp kim hóa các nguyên tố thường cho vào trước. Với nhiệt độ chảy của hợp kim trung gian Al-Mo thấp hơn được hợp kim hóa sau, lúc này chủ yếu là bổ sung nguyên tố nhôm và tránh cháy hao nhôm, cuối cùng mới tiến hành biến tính mẻ nấu bằng Zr đồng thời bổ sung nguyên tố nhôm. Bước 6: Rót phôi - Khi nhiệt độ hợp kim đạt 1800 oC, thì được rót vào khuôn, nguội cùng lò đến 200 oC đưa mẫu ra khỏi buồng chân không. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 33, 10 - 2014 127 2.3. Thiết bị và phương pháp kiểm tra Hợp kim titan được nấu luyện trong lò cảm ứng chân không VIM02 của Cộng hòa LB Đức. Nồi nấu được chế tạo bằng gốm oxit zirconia. Các phương pháp kiểm tra, phân tích đánh giá chất lượng mẫu hợp kim nấu luyện gồm: Phân tích thành phần hóa học bằng thiết bị phân tích Matal Lab 75/80J MVU-GNR của Italia; chụp ảnh tổ chức kim loại bằng kính hiển vi NIKON của Nhật. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến chất lượng hợp kim Nghiên cứu ảnh hưởng của dải nhiệt độ 1750 oC, 1800 oC, 1850 oC đến chất lượng hợp kim cho thấy, khi tiến hành nấu luyện ở nhiệt độ là 1750 oC nguyên tố molipden không hòa tan hết và độ chảy loãng của kim loại lỏng là không tốt khi rót khuôn lượng kim loại bám lại trong nồi lò đến 15 % và phôi đúc bị nhăn nhiều trên bề mặt. Ở nhiệt độ nấu luyện ≥ 1850 oC, hàm lượng nguyên tố nhôm giảm mạnh, hàm lượng nguyên tố molipden tăng đến 2,9814 % (lượng tính toán đưa vào theo mác hợp kim chỉ là 2,85 %) điều này chứng tỏ có sự thất thoát titan rất mãnh liệt. Khi tiến hành nấu luyện ở nhiệt độ là 1800 oC, độ chảy loãng của kim loại lỏng tốt, thành phần hóa học của mác hợp kim gần đúng như tính toán phối liệu. 3.2. Xác định độ bay hơi của các nguyên tố hợp kim và áp suất khí trơ trong quá trình nấu luyện hợp kim Sau khi tiến hành bơm hút chân không và đạt đến độ chân không phù hợp với từng loại hợp kim. Khí trơ được cung cấp vào buồng lò, một phần áp lực khí có tác dụng giảm thiểu sự bay hơi, phần khác giảm thiểu khả năng xâm nhập khí từ ngoài vào trong buồng lò. Thường áp suất khí trơ sử dụng để cân bằng áp suất trong buồng lò là khí argon, tùy thuộc vào loại hợp kim, áp suất khí trơ có thể từ (100 ÷ 900) mbar. Khi tiến hành nấu luyện ở áp suất càng thấp thì khả năng loại bỏ các chất khí có hại càng tốt. Nên khi nghiên cứu thường thực nghiệm ở áp suất từ thấp lên cao, đến khí mẻ nấu không còn hiện tượng sôi, bắn té kim loại lỏng thì dừng và thực hiện mẻ nấu tại áp suất cân bằng đó. Hình 2. Kim loại lỏng bị bắn té khi ở trạng thái áp suất cân bằng dưới 600 mbar. Hóa học & Kỹ thuật môi trường N.K.Hoàn, N.H.Sương, N.T.Tài, N.T.Minh, N.X.Phương, “Nghiên cứu . chân không.” 128 Ở các chế độ áp suất khí trơ trong dải từ (300  600) mbar do cân bằng ở áp suất thấp nên tỉ lệ hao hụt do bay hơi của nguyên tố Al và Ti lớn 10 % với Al và 7 % với Ti. Cũng ở các chế độ áp suất khí trơ trong dải từ (300  600) mbar hiện tượng kim loại lỏng bắn té xảy ra mạnh mẽ có thể dẫn đến bị treo liệu như trình bày trong hình 2. Khi tiến hành nấu luyện ở áp suất cân bằng trong buồng lò là 700 mbar, mẻ nấu không có hiện tượng bắn té kim loại, liệu tan chảy từ từ mẻ nấu diễn ra thuận lợi cho đến khi đạt nhiệt độ để rót khuôn. 3.3. Ảnh hưởng của độ chân không đến chất lượng hợp kim Để hạn chế khả năng nhiễm khí oxy và nitơ, độ chân không trong buồng lò đóng vai trò rất quan trọng. Khi tiến hành mẻ nấu hợp kim titan BT14 với độ chân không trong buồng lò ở mức (2÷4)10-2 mbar, phân tích hàm lượng khí oxy nhỏ hơn 0,015 %, khí nitơ nhỏ hơn 0,005. Khi nấu luyện hợp kim titan BT14 với độ chân không trong buồng lò ở mức lớn hơn 410-2 mbar, phân tích thấy hàm lượng oxy lớn hơn 0,015 %, vượt trên giới hạn cho phép. 3.4. Kết quả phân tích thành phần hóa học của hợp kim sau nấu luyện Thành phần hóa học của mẫu hợp kim BT14 theo tiêu chuẩn ОСТ1 90013-81 của Nga trình bày trong bảng 1 và thành phần hóa học của 05 mẻ nấu khác nhau được trình bày ở bảng 2. Bảng 1. Thành phần hóa học của hợp kim titan BT14. Mác hợp kim Thành phần hóa học, % Ti Al Mo V Zr Fe Si BT14 Còn lại 3,5  6,3 2,5  3,8 0,9 1,9 ≤ 0,3 ≤ 0,25 ≤ 0,15 Bảng 2. Thành phần hóa học của hợp kim titan sau nấu luyện. ST T Thành phần hóa học, % Ti Al Mo V Zr Fe Si M1 Còn lại 6,04 2,84 1,35 0,10 0,036 0,035 M2 Còn lại 5,95 2,72 1,40 0,12 0,030 0,040 M3 Còn lại 5,87 2,70 1,38 0,13 0,046 0,042 M4 Còn lại 6,12 2,63 1,50 0,09 0,038 0,038 M5 Còn lại 6,20 2,59 1,63 0,11 0,042 0,037 Từ bảng 2 cho thấy, thành phần của các nguyên tố hợp kim đều nằm trong khoảng giới hạn đối với mác BT14 (bảng 1) theo tiêu chuẩn ОСТ1 90013-81 của Nga. Điều này chứng tỏ quá trình nấu chảy trong điều kiện chân không có thể khống chế thành phần hóa học các nguyên tố chính xác. Quá trình nấu luyện trong điều kiện buồng lò đạt độ chân không khoảng (2÷3)10-2 mbar, sau đó cân bằng áp suất ở 700 mbar, kết quả cho thấy các nguyên tố dễ bị oxy hóa và cháy hao như Ti, Al có hàm lượng gần như theo tính toán phối liệu. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 33, 10 - 2014 129 3.5. Kết quả khảo sát tổ chức kim tương Khảo sát tổ chức kim tương của mẫu sau nấu luyện cho thấy, tổ chức tế vi mẫu hợp kim titan nấu luyện (hình 3.a) phù hợp với tổ chức tế vi của hợp kim BT14 (hình 3.b) [2], bao gồm dải các pha α và pha β nằm xen kẽ đồng đều. a) b) Hình 3. Ảnh kim tương hợp kim titan nấu luyện, a)( x500) và hợp kim titan BT14 ở trạng thái đúc,b) (x500) [2]. 4. KẾT LUẬN Từ các kết quả nghiên cứu có thể rút ra các kết luận sau: 1. Phương pháp nghiên cứu: Sử dụng lò cảm ứng chân không có thể nấu được hợp kim titan có thành phần tương đương mác BT14 theo tiêu chuẩn OCT1 90013- 81 của Nga và có cấu trúc gồm các pha α và pha β nằm xen kẽ, đồng đều. 2. Chế độ công nghệ: Chế độ công nghệ hợp lý để chế tạo được hợp kim titan tương đương mác BT14 có thành phần và tính chất theo tiêu chuẩn là: + Áp suất chân không trong buồng lò từ (2÷4)10-2 mbar; + Cân bằng áp suất buồng lò bằng khí Argon 99,999 % tại 700 mbar; + Nhiệt độ nấu luyện, rót đúc: 1800 oC. 3. Kết quả thực tiễn và triển vọng: Việc làm chủ được công nghệ chế tạo hợp kim titan nói chung và hợp kim mác BT14 nói riêng có ý nghĩa thực tiễn và ý nghĩa khoa học to lớn, giải quyết được nguồn vật tư đầu vào, giảm sự phụ thuộc vào nguồn cung từ nước ngoài. Qua đó, góp phần vào thành công của việc nội địa hóa các chi tiết của tên lửa cũng như các chi tiết sử dụng trong kỹ thuật hàng không. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. И. Н. Фридляндер., О. Г. Сенаторова,О. Е. Осинцев и др. Цветные металлы и сплавы. Композиционные металлические материалы. Под общ. ред. И. Н. Фридляндера. 2001. 880 с. [2]. Н.Ф. Анощкин, Г.А Бочвар и др. Титановые сплавы. Металлография титановых сплавов. М.: Металлургия. 1980. 464с. [3]. Н.Ф. Аношкин, С.Г. Гларунов, Е.И. Мозоров и др. Плавка и литье титановых сплавов. М., Металлургия, 1978. 382 с. Hóa học & Kỹ thuật môi trường N.K.Hoàn, N.H.Sương, N.T.Tài, N.T.Minh, N.X.Phương, “Nghiên cứu . chân không.” 130 [4]. В.К. Александров, Н.Ф. Аношкин Ю, А.Ф. Белов и др. Плавка и литье титановых сплавов. М. Металлургия, 1994. 382 с. [5]. Б. А. Колачев, Ливанов В.А., Елагин В. И. Металловедение и термическая обработка цветных металлов. Изд. 2-е, испр. И доп. М.: Металлургия, 1981. 416 с. [6]. Г. Е Мажарова, А.З. Комановский, Б.Б. Чечудин, С.Ф. Важенин. Обработка титановых сплавов давлением. М. Металлургия, 1977. 96 с. [7]. Вульф Б.К. Термическая обработка титановых сплавов. Изд. “Металлургия”, 1969, 376 c. ABSTRACT RESEARCH ON MELTING TECHNOLOGY FOR BT14 Ti-BASED ALLOY BY VACUUM INDUCTION FURNACE In this paper, results of synthesizing Titanium based BT14 alloy using VIM02 vacuum induction furnace are reported. Technology related factors as well as alloy’s properties are investigated. Vacuum condition, balancing pressure and casting temperature are determined. Chemical composition analysis, microstructure characterization and mechanical testing results indicate that the as synthesized alloy has equivalent properties as standard BT14 alloy. Keywords: Titanium alloys, Vacuum induction furnace, Metallographic, Chemical composition Nhận bài ngày 30 tháng 05 năm 2014 Hoàn thiện ngày 12 tháng 7 năm 2014 Chấp nhận đăng ngày 20 tháng 7 năm 2014 Địa chỉ: * Cục Khoa học Quân sự/Bộ Quốc phòng; ** Viện Công nghệ/Bộ Công thương; *** Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng; **** Viện Công nghệ/TCCNQP.