Nghiên cứu ảnh hưởng của dây bù đến tổ chức và độ cứng mối hàn giữa Ti và TiAl6V4

Bài viết này trình bày kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của dây bù đến tổ chức và độ cứng của mối hàn giữa Ti và hợp kim TiAl6V4 sử dụng hai loại điện cực khác nhau. Titan và hợp kim TiAl6V4 là những vật liệu có vai trò quan trọng trong ngành hàng hải nói chung và công nghiệp tàu thủy nói riêng, cũng như trong ngành công nghiệp hàng không vũ trụ, hóa chất, y tế,...

TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA H C - CƠNG NGH KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY NGHIÊN C U NH H NG C A DÂY BÙ N T CH C VÀ C NG M I HÀN GI A Ti VÀ TiAl6V4 INFLUENCE OF SOLDER WIRE ON MICROSTRUCTURE AND HARDNESS OF WELDING JOINT BETWEEN Ti AND TiAl6V4 NGUY N ANH XUÂN Phòng t o, Tr ng i h c Hàng h i Vi t Nam Email liên h : nguyenanhxuan@vimaru.edu.vn Tóm t t Bài báo trình bày k t qu nghiên c u v nh h ng c a dây bù đ n t ch c đ c ng c a m i hàn gi a Ti h p kim TiAl6V4 s d ng hai lo i n c c khác Titan h p kim TiAl6V4 nh ng v t li u có vai trị quan tr ng ngành hàng h i nói chung cơng nghi p tàu th y nói riêng, c ng nh ngành công nghi p hàng không v tr , hóa ch t, y t , K t qu thu đ c cho th y, c hai tr ng h p, kích th c h t c a pha vùng kim lo i m i hàn vùng nh h ng nhi t (HAZ) đ u thô h n so v i vùng kim lo i c b n B ng ph ng pháp phân tích quang h c, SEM, EDS XRD tìm th y pha Widmanstatten pha liên kim Ti3Al7 vùng kim lo i m i hàn s d ng dây bù TiAl6V4 c ng l n nh t c hai tr ng h p đo đ c t i vùng kim lo i m i hàn Tuy nhiên, s d ng dây bù Ti đ c ng gi a vùng đ ng đ u h n so v i dây bù TiAl6V4 T khóa: T ch c, m i hàn, dây hàn Abstract This paper presents the research results on the influence of solder wire on the microstructure and hardness of the weld between Ti and TiAl6V4 alloy Titanium and TiAl6V4 alloys are important materials in the marine and shipbuilding industry, as well as in the aerospace, chemical, medical, The results show that: with both types of solder wire for the microstructure of the weld region, the grain size of the HAZ regions of these two regions is coarse compared with the base metal The microstructure in the center of the weld when using the TiAl6V4’s solder wire is the widmanstatten phase; In addition, by SEM, EDS, and XRD analysis, the Ti3Al17 intermetallic phase was identified in the weld Maximum hardness measured in the molten metal region Using Ti, the difference in hardness is less, S 70 (04-2022) creating uniformity in mechanical properties Keywords: Microstructure, welding joint, solder wire M đ u Titan h p kim TiAl6V4 có đ b n cao, tr ng l ng nh kh n ng ch ng n mịn t t, chúng đ c s d ng r ng rãi ngành hàng h i, hàng khơng v tr , hóa ch t, y t ,… [1], [2], [3]-[5] Khi xét v tính hàn, Titan h p kim TiAl6V4 đ u hàn đ c mơi tr ng khí tr b o v Tuy nhiên, d i nh h ng c a ngu n nhi t, nhi t đ t i đa t i m t c đ ngu i s hình thành vùng có t ch c, tính ch t khác m i hàn c bi t hàn hai v t li u khác lo i, yêu c u hàn s khó kh n h n s bi n đ i t ch c c ng ph c t p h n so v i hàn hai v t li u lo i Cùng v i s phát tri n c a khoa h c công ngh , k thu t hàn Titan h p kim Titan ngày phát tri n Ph m vi nghiên c u liên quan đ n nhóm đ i t ng đ c m r ng v i nhi u m c đích khác nhau, có th quy v ba h ng chính: (i) tìm ki m ph ng pháp hàn t i u; (ii) phân tích s thay đ i t ch c hình thành pha liên k t hàn; (iii) tìm ki m ch đ x lý nhi t sau hàn nh m gi m ng su t nâng cao ch t l ng m i hàn [6]-[9] Hi n nay, ph ng pháp hàn nóng ch y đ c s d ng hàn Titan h p kim Titan g m hàn h quang n c c không nóng ch y d i khí b o v (GTAW), hàn h quang n c c nóng ch y d i khí b o v (GMAW), hàn h quang plasma (PAW), hàn tia lazer (LBW) hàn chùm tia n t (EBW) [7], [10], [11] i m khác c b n gi a ph ng pháp hàn ngu n nhi t cung c p vào m i hàn C th , quy trình hàn EBW LBW th ng có ngu n nhi t đ u vào th p, ph ng pháp hàn GTAW GMAW có ngu n nhi t l n h n, t ch c đ c ng m i hàn c ng khác [8], [12], [13] Trong nghiên c u c a Wei Zhou c ng s [14] ti n hành so sánh đ dai va đ p gi a ph n kim lo i m i hàn so v i vùng HAZ c a m i hàn TiAl6V4 s 81 TẠP CHÍ KHOA H C - CÔNG NGH d ng ph ng pháp GTAW K t qu thu đ c cho th y, vùng kim lo i m i hàn có t ch c h t thô h n so v i vùng HAZ kim lo i c b n, nhiên đ c ng t vi vùng đ t giá tr cao nh t Bên c nh đó, đ dai va đ p c ng cao h n 50% so v i vùng khác gi m m nh h t s c p Các h t th ng v trí u tiên t o m m vi mô cung c p đ ng thu n l i cho s lan truy n đ t gãy Trong nghiên c u c a J.L Barreda c ng s [15], nhóm tác gi s d ng ph ng pháp hàn chùm tia n t (EBW) cho h p kim TiAl6V4 tìm cách c i thi n tính ch t c a t m hàn có chi u dày l n (17mm) thông qua đánh giá nh h ng c a kim lo i n c c t i vi c gi m s hình thành l h ng, gi m y u t nh y c m v i v t n t J.L Barreda nh n đ nh, vùng kim lo i m i hàn có đ b n cao h n vùng HAZ s hình thành c a mactenxit ’ Bên c nh đó, s d ng t m n c c Ti grade s giúp c i thi n c tính c a m i hàn TiAl6V4 M t cơng trình nghiên c u mang tính t ng h p v nh h ng c a ph ng pháp hàn nh TIG, PAW, LBW EBW thành ph n h p kim c a TiAl6V4 t i t ch c tính ch t m i hàn đ c th c hi n b i Sakari Tolvanen c ng s [3] Khi áp d ng ph ng pháp hàn khác nhau, t ch c, kích th c s phân b pha t i vùng khác S n ph m trình hàn b ng TIG PAW cho vùng hàn r ng, c u trúc h t thô h n so v i ph ng pháp khác Phân tích b ng nh quang h c Xray cho th y, k thu t hàn TIG LBW có đ x p kích th c l n h n EBW PAW Trong cơng trình nghiên c u hi n m i ch t p trung vào nghiên c u v nh h ng c a công ngh hàn t i t ch c tính ch t c a m i hàn Titan ho c h p kim Titan ch a có nghiên c u v m i hàn hai v t li u khác lo i Nh ng nghiên c u m i ch t p trung ch y u cho m t lo i dây bù h p kim Titan ho c nghiên c u v s phá h y c a m i hàn Nh v y, có th th y ch a có nghiên c u v nh h ng v t li u bù đ n m i hàn hai v t li u khác lo i Trong cơng trình này, tác gi s d ng hai lo i dây bù khác đ hàn Ti v i TiAl6V4 b ng ph ng pháp hàn GTAW, sau đánh giá nh h ng c a chúng t i t ch c đ c ng c a m i hàn Nh ng k t qu trình bày báo nh ng nghiên c u ban đ u v s bi n đ i t ch c hình thành pha th c hi n trình hàn hai lo i v t li u khác V t li u ph JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY h c c a kim lo i c b n dây bù đ B ng c cho B ng Thành ph n hóa h c c a kim lo i c b n dây bù (% kh i l ng) M u Thành ph n Ti Ti (Grade2) >99,5 TiAl6V4 90 Al V 5,5-6,5 3,5-4,5 Ph ng pháp hàn đ c s d ng hàn n c c khơng nóng ch y d i l p khí b o v (GTAW) Thông s công ngh hàn đ c tham kh o d a quy chu n hàn c a nhà máy X56 tài li u [16] nh sau: + Ngu n n vào 380V; +C 70A; ng đ dòng n: Ipulse = 150A, Icrater = + i n c c: W-Th1 2,4 mm; +L ng khí b o v : 5lít/phút, áp su t 12Mpa; + Khí b o v : Argon Quy cách vát mép kích th c m i hàn đ c s d ng theo tiêu chu n ISO 15614-1 c a Hi p h i Hàn th gi i đ c đ a Hình Hình M u hàn Ti h p kim TiAl6V4 Sau hàn, m u đ c c t nh phân tích t ch c t vi kính hi n vi quang h c Leica MDS4000M kính hi n vi n t quét FESEM Jeol JSM-7600F c ng t i vùng khác m i hàn đ c đo thi t b đo đ c ng t vi Mitutoyo K t qu bàn lu n 3.1 T ch c t vi m i hàn s d ng dây bù Ti ng pháp nghiên c u Nghiên c u đ c th c hi n hai lo i v t li u Titan (grade 2) h p kim TiAl6V4 Thành ph n hóa 82 ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI Hình T ch c t vi vùng b nh h ng nhi t vùng kim lo i m i hàn phía Ti s d ng dây bù Ti S 70 (04-2022) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Phân tích t ch c t vi Hình nh n th y, t ch c c a kim lo i c b n Ti h t sáng đa c nh, t ch c vùng nh h ng nhi t nh ng h t thô, h t nh xen k l n khơng có d ng đa giác Phân tích t ch c t vi vùng nh h ng nhi t phía bên h p kim TiAl6V4 cho th y t m có kích th c thô h n so v i kim lo i n n KHOA H C - CÔNG NGH làm rõ h n pha hình thành vùng kim lo i m i hàn, k t qu phân tích SEM Hình quan sát th y pha d ng t m phi n theo m t h ng ho c đa h ng có chi u dày kho ng 0,2 m0,3 m Phân tích t ch c vùng m i hàn Hình cho th y h t v i hình d ng khơng đ ng đ u, có d ng t m d ng đa c nh u đ c ch Hình theo nh k t qu nghiên c u c a [12], [17], [18] Kích th c h t c ng khơng đ ng đ u, h t thô to c 100 m h t nh c 20 m đ n 30 m Nh n th y, h t có kích th c l n s làm gi m c tính c a v t li u, v y c tính c a vùng s khơng đ ng đ u Hình Phân tích EDS lines vùng m i hàn v i dây bù Ti Hình T ch c ti p giáp vùng HAZ kim lo i n n phía TiAl6V4 Hình bi u di n k t qu EDS line nh m phân tích s thay đ i thành ph n c a Al t phía kim lo i c b n n n TiAl6V4 sang vùng kim lo i m i hàn s d ng n c c Ti Nh n th y, thành ph n c a Al phía m i hàn kim lo i c b n không đ i (đ th n m ngang); t i vùng biên gi i nóng ch y, hàm l ng c a Al gi m d n hình thành nên vùng chuy n ti p m i hàn i u đ c gi i thích d a s khu ch tán c a vùng kim lo i l ng Trong q trình hàn, dịng h quang s làm nóng ch y c kim lo i c b n v t li u bù m t lúc, vùng chuy n ti p s x y s khu ch tán, hòa tr n thành ph n hóa h c c a hai lo i v t li u u c ng đ c cơng trình nghiên c u v trình hàn th hi n [17], [19], [20] Hình T ch c t vi vùng m i hàn v i dây bù Ti Hình Phân tích nh SEM vùng m i hàn v i dây bù S 70 (04-2022) Hình Phân tích XRD t i vùng ti p giáp v ng hàn h p kim TiAl6V4 83 TẠP CHÍ KHOA H C - CÔNG NGH ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY Bên c nh đó, s khác v thành ph n hóa h c c a nhôm d n đ n s thay đ i v m t t ch c tính ch t vùng nh phân tích Theo k t qu phân tích XRD (Hình 7) tìm th y pha liên kim Al3Ti17 t i vùng chuy n ti p c a m i hàn Vi c xu t hi n pha liên kim có giá tr đ c ng cao s góp ph n t ng giá tr đ c ng khu v c m i hàn vùng chuy n ti p c a m i hàn 3.2 T ch c t vi s d ng dây bù h p kim TiAl6V4 T ch c thu đ c sau hàn có s thay đ i v kích th c h t s hình thành pha T i g n biên gi i nóng ch y h t có kích th c l n h n, sau gi m d n v phía kim lo i c b n Các pha có hình thái Ti , Ti , vùng có hình thái c u trúc nh widmanstatten đ c tìm th y t i v trí khác vùng HAZ vùng hàn S thay đ i kích th c h t t ch c vùng HAZ chuy n bi n hàn làm ngu i m i hàn Trong q trình hàn, v trí g n biên gi i nóng ch y ch u nh h ng nhi t nhi u h n Kích th c h t vùng HAZ có xu h ng l n lên, biên gi i h t có xu h ng co l i t o đ ng cong m m m i h n d i nh h ng c a nhi t đ hàn Hình T ch c t vi vùng m i hàn c a TiAl6V4 Hình Phân tích EDS m vùng m i hàn c a TiAl6V4 Phân tích k t qu EDS m cho th y v i vùng t m có pha sáng k t qu t ng đ ng Có th th y s thay đ i s thay đ i thành ph n kim lo i nóng ch y q trình hàn t i v trí ti p giáp c a vùng hàn kim lo i c b n Cịn spectrum pha t i có l ng V cao h n h n (5,3 so v i 2,6) 3.3 Phân tích giá tr đ c ng T k t qu phân tích đ c ng t vi (Hình 10) nh n th y, đ c ng c a m u (v t li u bù TiAl6V4) t vùng n n Ti sang n n TiAl6V4 có s thay đ i đ t ng t chênh l ch h n r t nhi u so v i m u (v t li u bù Ti) m u 2, đ c ng m i hàn th m chí cịn cao h n c n n TiAl6V4 Khi s d ng v t li u bù TiAl6V4 t ch c sau hàn pha , t ch c d ng 84 Hình 10 V trí đo k t qu phân tích đ c ng t vi S 70 (04-2022) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY KHOA H C - CƠNG NGH widmanstatten Mà pha có đ c ng cao h n nhi u so v i pha Và trình hàn, b n ch t v t li u bù h p kim kim lo i n n b nóng ch y k t tinh giúp hình thành nh ng pha liên kim; c u trúc d ng widmanstatten có đ c ng cao s làm t ng đ c ng vùng hàn [4] M Peters and C Leyens, Titanium and Titanium Alloys: Fundamentals and Applications, Vol.1 2003 S thay đ i v đ c ng c ng x y m u 1, nhiên s chênh l ch nh h n c ng vùng hàn 265 HV đ m b o không th p không cao đ n i ph n Ti TiAl6V4 có đ c ng chênh l ch l n nh Nguyên nhân s d ng v t li u bù Ti nên sau hàn t ch c h t , v y nên đ c ng s th p h n [6] C T Hsieh, C Y Chu, R K Shiue, and L W Tsay, The effect of post-weld heat treatment on the notched tensile fracture of Ti-6Al-4V to Ti-6Al-6V-2Sn dissimilar laser welds, Mater Des., Vol.59, 2014 K t lu n S thay đ i t ch c c a kim lo i m i hàn thay đ i đáng k so v i t ch c c a kim lo i ban đ u M i hàn chia thành vùng: Vùng nóng ch y, vùng nh h ng nhi t vùng kim lo i c b n T ch c t i vùng nóng ch y: Các h t v i hình d ng khơng đ ng đ u có d ng t m d ng đa giác Kích th c h t c ng không đ ng đ u Vùng nh h ng nhi t bên phía Ti: T ch c b thay đ i đáng k Không h t đa giác ban đ u, mà biên h t d ch chuy n m m m i h n, thay đ i t o h t có hình d ng r t khác l Vùng nh h ng nhi t bên phía TiAl6V4: Các h t d ng t m tr nên thơ h n g p nhi u l n Có s xu t hi n c a pha m i Al3Ti17 đ c hình thành s khu ch tán trình hình thành Giá tr đ c ng l n nh t đ c tìm th y vùng tâm m i hàn (382HV) đ i v i dây bù h p kim s d ng dây bù h p kim hình thành pha liên kim c ng nh d ng c u trúc widmanstatten S d ng v t li u bù Ti s chênh l ch v đ c ng h n, t o nên s đ ng đ u v c tính L ic m n Nghiên c u đ c tài tr b i Tr ng i h c Hàng h i Vi t Nam đ tài mã s : DT21-22.95 TÀI LI U THAM KH O [1] C Leyens and M Peters., Titanium and Titanium Alloys Wiley-VCH, 2003 [2] Y M Ahmed, K Salleh, M Sahari, and M Ishak, Welding of Titanium (Ti-6Al-4V) Alloys : A Review, Natl Grad Conf 2012 (NatGrad2012), Univ Tenaga Nasional, Putrajaya Campus, 8-10 Nov 2012 Weld., Vol.2012, No.November, pp.8-10, 2012 [3] G L̈tjering and J C Williams, Titanium: Engineering Materials and Processes, Ed SPRINGER, Vol Second edi, 2007 S 70 (04-2022) [5] R R Boyer, An overview on the use of titanium in the aerospace industry, Mater Sci Eng A, Vol.213, No.1-2, 1996 [7] T Pasang, Y Tao, M Azizi, O Kamiya, M Mizutani, and W Misiolek, Welding of titanium alloys, MATEC Web Conf., Vol.123, pp.1-8, 2017 [8] N Eswara Prasath and R Selvabharathi, Influence of Plasma Transfer Arc Cladding of NiCrBFe filler powder on microstructure and tensile properties of Titanium Grade and Ti 6Al-4V alloy dissimilar joint prepared by laser beam welding, Opt Laser Technol., Vol.128, 2020 [9] K Gangwar and M Ramulu, Friction stir welding of titanium alloys: A review, Mater Des., Vol.141, pp.230-255, 2018 [10] N Singh, P Hameed, R Ummethala, G Manivasagam, K G Prashanth, and J Eckert, Selective laser manufacturing of Ti-based alloys and composites: impact of process parameters, application trends, and future prospects, Materials Today Advances, vol 2020 [11] G Turichin, I Tsibulsky, V Somonov, M Kuznetsov, and A Akhmetov, Laser-TIG Welding of Titanium Alloys, IOP Conf Ser Mater Sci Eng., Vol.142, No.1, 2016 [12] L Weiss, J Zollinger, P Sallamand, E Cicala, A Mathieu, and E Fleury, Mechanical properties and microstructural study of homogeneous and heterogeneous laser welds in , , and + titanium alloys, Weld World, Vol.63, No.1, pp.5362, 2019 [13] R M Baitimerov, P A Lykov, and L V Radionova, Influence of heat treatment on microstructure and mechanical properties of selective laser melted TiAl6v4 alloy, Solid State Phenom., Vol.284 SSP, pp.615-620, 2018 [14] W Zhou and K G Chew, Effect of welding on impact toughness of butt-joints in a titanium alloy, Mater Sci Eng A, Vol.347, No.1-2, 2003 85 TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA H C - CÔNG NGH JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY [15] J L Barreda, F Santamaría, X Azpiroz, A M Irisarri, and J M Varona, Electron beam welded high thickness Ti6Al4V plates using filler metal of similar and different composition to the base plate, Vacuum, Vol.62, No.2-3, 2001 [19] A Abdollahi, A S A Huda, and A S Kabir, Microstructural characterization and mechanical properties of fiber laser welded CP-Ti and Ti-6Al4V similar and dissimilar joints, Metals (Basel)., Vol.10, No.6, 2020 [16] N L Thông, Công ngh hàn kim lo i có ho t tính cao nhi t đ nóng ch y cao, 2005 [20] American Welding Society, Specification for Titanium and Titanium-Alloy Welding Electrodes and Rods 6th Edition 2013 [17] S Tolvanen, Welding of Ti-6Al-4V : Influence of welding process and alloy composition on microstructure and properties Doctoral thesis, 2018 [18] S Tolvanen, Microstructure and mechanical properties of Ti-6Al-4V welds produced with different processes, pp.12-21, 2016 86 Ngày nh n bài: Ngày nh n b n s a: Ngày t đ ng: 04/03/2022 14/03/2022 23/03/2022 S 70 (04-2022) ... u (v t li u bù TiAl6V4) t vùng n n Ti sang n n TiAl6V4 có s thay đ i đ t ng t chênh l ch h n r t nhi u so v i m u (v t li u bù Ti) m u 2, đ c ng m i hàn th m chí cịn cao h n c n n TiAl6V4 Khi... i hàn đ c đo thi t b đo đ c ng t vi Mitutoyo K t qu bàn lu n 3.1 T ch c t vi m i hàn s d ng dây bù Ti ng pháp nghiên c u Nghiên c u đ c th c hi n hai lo i v t li u Titan (grade 2) h p kim TiAl6V4. .. vùng m i hàn v i dây bù Ti Hình T ch c ti p giáp vùng HAZ kim lo i n n phía TiAl6V4 Hình bi u di n k t qu EDS line nh m phân tích s thay đ i thành ph n c a Al t phía kim lo i c b n n n TiAl6V4