NGHIÊN C ỨU CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM VẬT LIỆU HỢP KIM CHỊU NHI ỆT DZ125L CHẾ TẠO BỞI CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH BẰNG TIA LASER STUDY ON PRODUCT QUALITY OF NICKEL BASED SUPPER – ALLOY DZ125L FABRICAT
Trang 1NGHIÊN C ỨU CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM VẬT LIỆU HỢP KIM CHỊU NHI ỆT DZ125L CHẾ TẠO BỞI CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH BẰNG TIA LASER
STUDY ON PRODUCT QUALITY OF NICKEL BASED SUPPER – ALLOY DZ125L FABRICATED BY LASER DIRECT METAL FORMING TECHNOLOGY
Đoàn Tất Khoa 1,a , H ồ Việt Hải 1,b , Đỗ Xuân Tươi 1,c , Nguy ễn Tài Hoài Thanh 1,d
1Học viện Kỹ thuật quân sự, Hà Nội, Việt Nam
TÓM T ẮT
Bài báo sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm để xác định các đặc trưng về tổ
chức tế vi, cơ tính và chất lượng bề mặt của vật liệu hợp kim chịu nhiệt ni ken DZ125L chế
tạo bởi công nghệ tạo hình bằng tia laser Kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy: tổ chức
tế vi của vật liệu là tổ chức epitaxial dạng tinh thể hình trụ; giới hạn bền cho phép của chi tiết theo phương vuông góc với phương quét chùm tia laser lớn hơn giới hạn bền cho phép của chi
tiết theo phương song song với phương quét chùm tia laser, lần lượt đạt 827,47 MPa và 550,54 MPa Độ nhám bề mặt chi tiết trung bình đạt 27µm; mật độ chi tiết đạt từ 98,24% đến 98,93%
T ừ khóa: công nghệ tạo hình bằng tia laser, chất lượng sản phẩm, cơ tính vật liệu, tổ
ch ức vật liệu, hợp kim chịu nhiệt DZ125L
ABSTRACT
The forming quality of DZ125L parts fabricated by laser direct metal forming technology was evaluated from the microstructure, tensile properties, surface roughness and density The results showed that microstructure was epitaxial columnar of crystal; thetensile propertiesof DZ125Lparts in the laser scan vertical direction were significantly higher than thosein the longitudinal direction, alternately were 827,47MPa and 550,54Mpa The average plane roughness of the DZ125Lpartsis about 27μm, the relative density of DZ125Lpartsis
between 98,24 % to 98,93 %
Keywords: laser direct metal forming (LDMF), product quality, tensile properties,
microstructure, nickel based supper alloy DZ125L
1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay, các loại hợp kim chịu nhiệt như DZ125L, Inconel738, Rene95, Rene88DT, , được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp quan trọng như hàng không vũ trụ, quân
sự, thủy điện, hạt nhân, sử dụng để chế tạo các loại đĩa, cánh tuabin khí, tuabin thủy lực, Các chi tiết này trước đây thường được chế tạo theo phương pháp đúc, tuy nhiên cơ tính vật
liệu không cao, sản phẩm có nhiều khuyết tật, mật độ thấp [1-6], Những năm gần đây, các chi tiết quan trọng chế tạo từ hợp kim chịu nhiệt được chế tạo bởi công nghệ tạo hình bằng tia laser Công nghệ chế tạo sản phẩm sử dụng phương pháp thiêu kết trực tiếp bột kim loại bằng tia laser (Laser Direct Metal Forming, LDMF) là một trong những công nghệ tạo hình sản
phẩm kim loại hiện đại hiện nay Công nghệ này bắt đầu phát triển từ những 90 của thế kỷ XIX, là sự tích hợp của công nghệ laser, công nghệ điều khiển số(CNC), công nghệ máy tính, công nghệ vật liệu,… sử dụng nguồn năng lượng laser để thiêu kết bột kim loại, sản phẩm hình thành theo nguyên lý tạo hình từng lớp vật liệu (layer by layer) Công nghệ này sau đó được phát triển rất nhanh, ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực hàng không vũ trụ, công
Trang 2nghiệp ô tô, tàu thủy, quân sự, y học [7-9], Các chi tiết chế tạo bởi công nghệ này có ưu điểm tổ chức tế vi mịn, cơ tính tốt hơn so với các công nghệ truyền thống như đúc, rèn, cán, Tuy nhiên, cơ tính của từng loại vật liệu phụ thuộc vào từng công nghệ cụ thể, bài báo dựa trên phương pháp thực nghiệm, nghiên cứu cơ tính của hợp kim chịu nhiệt DZ125L chế tạo
bởi công nghệ LDMF Điều này có ý nghĩa thực tiễn rất lớn trong việc ứng dụng công nghệ LDMF chế tạo các chi tiết quan trọng từ hợp kim chịu nhiệt DZ125L
2 THÍ NGHI ỆM
2.1 Thi ết bị và vật liệu thí nghiệm
Thiết bị thí nghiệm như thể hiện trên hình 1, bao gồm: nguồn phát chùm tia laser Nd: YAG, số hiệu JK1002SM, công suất 1kW; tiêu cự 160 mm, đường kính hội tụ chùm laser 0,5 mm; máy cấp bột kim loại số hiệu DSPF-2; đầu phun cấp bột đồng trục với đầu phát tia laser;
hệ thống điều khiển CNC ba trục; hệ thống cấp khí trơ Argon và một số thiết bị trợ giúp khác
Hình 1 H ệ thống tạo hình LDMF; (a) sơ đồ nguyên lí; (b) thiết bị thí nghiệm
Vật liệu thí nghiệm: tấm nền sử dụng loại hợp kim chịu nhiệt DZ125L dạng tấm; vật
liệu tạo hình sử dụng hợp kim chịu nhiệt DZ125L dạng bột, thành phần vật liệu hợp kim chịu nhiệt DZ125L như bảng 1 thể hiện [10]
B ảng 1 Thành phần vật liệu hợp kim chịu nhiệt DZ125L (%)
T ấm nền 0,07 9,09 10,00 2,09 7,17 4,48 3,05 3,64 0,011 Cân bằng
B ột 0,09 9,70 9,64 2,18 7,14 4,90 3,12 3,78 0,015 Cân bằng
2.2 K ết quả thí nghiệm và phân tích
2.2.1 Đo giới hạn bền của vật liệu DZ125L
Chế tạo mẫu thí nghiệm: Mẫu đo giới hạn bền được chế tạo theo công nghệ LDMF, hình dáng và kích thước căn cứ theo tiêu chuẩn về mẫu thí nghiệm ASTME8M-04 của Mỹ như thể hiện trong hình 2 [11] Để đo lường và phân tích toàn diện cơ tính của vật liệu, thí nghiệm chế tạo hai mẫu theo hai cách khác nhau như hình 3 thể hiện, mẫu số 1 phương kéo vuông góc với phương quét chùm laser, mẫu số 2 phương kéo song song với phương quét chùm tia laser Tham số công nghệ chế tạo mẫu như thể hiện trong bảng 2
Sau khi tạo hình xong, tiến hành hậu xử lí nhiệt mẫu nhằm mục đích khử ứng suất nhiệt nâng cao cơ tính của vật liệu, hình ảnh mẫu sau khi xử lí nhiệt như hình 4 thể hiện
Sau đó căn cứ theo hình dáng, kích thước hình 2 sử dụng phương pháp cắt dây tia lửa điện (WEDM) để cắt thành các mẫu thí nghiệm như hình 5 thể hiện Mỗi nhóm thí nghiệm 3
mẫu, lấy giá trị trung bình
Trang 3B ảng 2 Tham số công nghệ LDMF tạo hình mẫu đo Công
su ất
laser
(W)
T ốc độ
quét (mm/s)
T ốc độ
c ấp bột (g/phút)
Bán kính chùm tia laser (mm)
Lượng tăng
tr ục Z (mm)
Kho ảng cách gi ữa hai đường (mm)
S ố lớp tạo hình (l ớp)
180-230 10 6,5 0,5 0,07 0,34 Mẫu 1: 1200
Mẫu 2: 400
Hình 2 M ẫu đo ứng suất bền theo tiêu chuẩn ASTME8M-04 của Mỹ
Hình 3 Mẫu trước khi xử lí nhiệt; (a) mẫu số 1; (b) mẫu số 2
Hình 4 M ẫu sau khi xử lí nhiệt; (a) mẫu số 1; (b) mẫu số 2
Hình 5 M ẫu thử kéo sau khi cắt dây bằng tia lửa điện
Trang 4Trong điều kiện phòng thí nghiệm, sử dụng máy đo ứng suất kéo INSTRON119 tiến hành đo các chỉ tiêu về cơ tính của các mẫu, các chỉ tiêu chủ yếu bao gồm: giới hạn bền cho phép, giới hạn chảy cho phép, độ giãn dài Kết quả đo tương ứng như bảng 3 thể hiện
B ảng 3 Các giá trị về cơ tính vật liệu hợp kim chịu nhiệt DZ125
M ẫu đo Gi ới hạn bền cho phép σ
b (MPa)
Gi ới hạn chảy cho phép
σ 0.2 (MPa)
Độ giãn dài
δ (%)
Mẫu số 1 (No1) 827,47 788,39 4,16
Mẫu số 2 (No2) 550,54 346,42 3,13
Từ kết quả đo cho thấy, giới hạn bền cho phép trung bình của mẫu số 1 là 827,47 MPa,
giới hạn chảy cho phép là 788,39 MPa; giới hạn bền cho phép trung bình của mẫu số 2 là 550,54 MPa, giới hạn chảy cho phéplà 346,42 MPa Kết quả đo cho thấy giới hạn bền cho phép và giới hạn chảy cho phép của mẫu số 1(phương thẳng đứng) lớn hơn nhiều so với giới
hạn bền cho phép và giới hạn chảy cho phép của mẫu số 2 (phương ngang) Điều này có thể được lí giải thông qua đặc tính về tổ chức vật liệu của chi tiết chế tạo bằng công nghệ LDMF, theo đó tổ chức vật liệu của chi tiết là tổ chức epitaxi dạng tổ chức hình trụ phát triển thẳng đứng theo chiều cao tạo hình như hình 6 thể hiện, do đó giới hạn bền cho phép theo phương vuông góc với phương quét chùm tia laser sẽ lớn hơn so với giới hạn bền cho phép theo phương song song với phương quét chùm tia laser Sử dụng máy quét điện tử SEM HITACHI S-3000 quan sát miệng vết gẫy của mẫu đo như hình 7 thể hiện Từ hình ảnh có thể thấy, về
cơ bản miệng vết gẫy của các mẫu đều giống nhau, bề mặt không bằng phẳng, tồn tại các đỉnh
nhọn, hốc sâu; điều đó chứng tỏ đây là trường hợp phá hủy dẻo, có độ dẻo thấp
Hình 6 thể hiện hình ảnh về tổ chức tế vi của vật liệu hợp kim chịu nhiệt tạo hình bằng tia laser, trong đó hình 6(a) thể hiện tổ chức tế vi của vật liệu theo mặt cắt ngang song song
với phương quét chùm tia laser (vuông góc với phương thẳng đứng), hình 6(b) thể hiện hình ảnh tổ chức tế vi vật liệu theo phương mặt cắt bên vuông góc với phương quét chùm tia laser Trên hình 6 có thể thấy đặc điểm quan trọng về tổ chức của vật liệu hợp kim chịu nhiệt DZ125L khi tạo hình bởi công nghệ LDMF là tổ chức epitaxi dạng tinh thể hình trụ rất nhỏ, dài, phát triển thẳng đứng (vuông góc với phương quét chùm tia laser) Đó là do quá trình kết tinh với tốc độ rất nhanh, thang độ nhiệt độ lớn, do đó mà tổ chức tinh thể nhỏ, đồng đều, mặt khác quá trình kết tinh diễn ra trên bề mặt biên giới giữa thể rắn và thể lỏng, điều này đảm
bảo trong toàn bộ quá trình kết tinh pha lỏng và pha rắn luôn luôn tiếp xúc với nhau, tổ chức
vật liệu này thuộc loại tổ chức epitaxi dạng tinh thể hình trụ điển hình Trên hình 6(b) còn có
thể thấy được liên kết giữa các lớp tạo hình liên tục, điều này không chỉ nâng cao cơ tính vật
liệu mà còn đảm bảo cho tổ chức tế vi phát triển liên tục giữa các lớp
Hình 6 Tổ chức Epitaxi của vật liệu tạo hình bởi LDMF;
2.2.2 Đo độ nhám bề mặt
Sử dụng hai phương pháp đo tiếp xúc và không tiếp xúc để đo độ nhám bề mặt mẫu: sử
dụng phương pháp đo không tiếp xúc là máy đo laser ba chiều LEXT OLS4000 để đánh giá
độ nhám theo một diện tích bề mặt Sa; sử dụng phương pháp đo tiếp xúc là máy đo độ nhám
Trang 5Mitutoyo để đo nhám bề mặt theo đường Đo 6 vị trí tùy ý trên bề mặt mẫu, kết quả đo và hình ảnh mẫu thển hiện trong hình 8 và bảng 4
Hình 8 Hình ảnh đo độ nhám bề mặt; (a) máy đo độ nhám laser; (b) hình ảnh bề mặt
chi ti ết đo bằng laser; (c) giá trị Sa và Ra
B ảng 4 Giá trị đo nhám bề mặt theo hai phương pháp
( µm)
Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 4 Lần 5 Giá trị TB
1 35,055 35,858 31,549 35,407 29,842 33,542 34,360
2 28,131 24,533 24,794 23,607 22,459 24,704 26,511
3 25,631 25,553 22,931 26,049 22,517 24,536 27,461
4 26,335 27,353 24,083 25,929 23,176 25,375 26,479
5 23,154 22,065 22,361 22,925 24,163 22,933 23,863
6 24,647 23,211 23,804 21,360 25,656 23,735 24,709
2.2.3 Xác định mật độ của vật liệu DZ125L chế tạo bởi công nghệ LDMF
Dựa vào tiêu chuẩn ISO3369-1975 [12] và nguyên lý Archimedes để đo mật độ của vật
liệu chi tiết chế tạo bởi công nghệ LDMF như hình 9 thể hiện Đầu tiên đo trọng lượng của chi tiết trong không khí, sau đó đo trọng lượng của chi tiết trong nước để xác định mật độ vật
liệu theo công thức [13]:
�𝜌𝜌 =
𝑚𝑚 1 ×𝜌𝜌 𝑛𝑛ướ𝑐𝑐
∆𝑚𝑚 = (𝑚𝑚1× 𝜌𝜌𝑛𝑛ướ𝑐𝑐)/(𝑚𝑚3− 𝑚𝑚2)
𝜌𝜌𝑟𝑟 = (𝜌𝜌𝜌𝜌
Trong đó:
ρ: mật độ của vật liệu chi tiết chế tạo bởi công nghệ LDMF (g/cm3);
ρnước: mật độ nước cất ở nhiệt độ thường, khi t = 25οC thì ρnước = 0,9960g/cm3
;
∆m: khối lượng của mẫu khi làm sạch hết nước (g);
m1: khối lượng của mẫu trong không khí (g);
m2: khối lượng dây khi cân trong nước (g);
m3: tổng khối lượng của mẫu và dây khi cân trong nước (g);
ρr: mật độ tương đối của mẫu (g);
ρ0: mật độ theo lí thuyết của hợp kim DZ125L là 8,35 (g/cm3)
Trang 6Hình 9 Hình ảnh mẫu thí nghiệm xác định mật độ vật liệu
Các bước đo cụ thể nhưu sau:
- Đo trọng lượng của mẫu trong không khí 3 lần, lấy giá trị trung bình m1;
- Đo trọng lượng của dây treo trong nước 3 lần, lấy giá trị trung bình m2;
- Mang mẫu buộc vào dây và cân 3 lần trong nước, lấy giá trị trung bình m3;
- Lấy các giá trị trung bình m1, m2, m3 đưa vào công thức (1) tính được các giá trị tương ứng
Kết quả đo được hiển thị trong bảng 5, mật độ của vật liệu hợp kim DZ125L chế tạo bởi công nghệ LDMF từ khoảng 98,24% đến 98,93%, giá trị này lớn hơn rất nhiều so với mật độ chi tiết chế tạo bởi phương pháp đúc
B ảng 5 Mật độ và độ chặt vật liệu hợp kim chịu nhiệt DZ125L chế tạo bởi công nghệ
LDMF đo ở nhiệt độ 25οC
M ẫu Giá tr ị L ần 1 L ần 2 L ần 3 Trung bình M ật độ
(g·cm -3 )
Độ chặt (%)
No1
1
8,261 98,93%
2
3
No2
1
8,203 98,24%
2
3
3 K ẾT LUẬN
Thông qua thực nghiệm nghiên cứu các đặc trưng về tổ chức tế vi, cơ tính và chất lượng
bề mặt vật liệu hợp kim chịu nhiệt DZ125L chế tạo bằng phương pháp tạo hình bằng tia laser,
đã xác định tổ chức tế vi là tổ chức epitaxial dạng tính thể hình trụ điển hình; giới hạn bền cho phép theo phương vuông góc với phương quét chùm laser là 827,47 MPa và giới hạn bền cho phép theo phương quét chùm laser là 550,54 MPa Độ nhám bề mặt chi tiết trung bình đạt 27µm, mậtđộ đạt từ 98,24% đến 98,93%
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Lei,W., Shuai W., Effects of precipitated phases on the crack propagation behaviour of
a Ni-based superalloy.International Journal of Fatigue, 2014, Vol 62(5), p 210-216
Trang 7[2] Li,W,J., Investigation on selection crystal behavior of a N3Al-based single crystal superalloy IC6SX.Procedia Engineering, 2012, Vol.27, p 1135 ÷ 1140
[3] Francesco, B., Giovanni, B., Diffusion mechanisms and microstructure development in
pack aluminizing of Ni-based alloys.Surface and Coatings Technology, 2014, Vol.239,
p 147 ÷ 159
[4] J,Cao., Y,F,Wang., Effects of post-weld heat treatment on microstructure and
mechanical properties of TLP bonded Inconel718 superalloy.Materials Science and
Engineering: A, 2014, Vol 590, p 1 ÷ 6
[5] M, Pouranvari., A, Ekrami., Microstructure development during transient liquid phase
bonding of GTD-111 nickel-based superalloy.Journal of Alloys and Compounds, 2008,
Vol.641, p 641 ÷ 647
[6] M, Pouranvari., Microstructure–properties relationship of TLP-bonded GTD-111
nickel-base superalloy.Materials Science and Engineering: A, 2008, Vol.490, p 229 ÷ 234
[7] Z,L,Lu., D,C,Li., Investigation into the direct laser forming process of steam turbine
blade.Optics and Lasers in Engineering, 2011, Vol.49, p.1101÷1110
[8] Hebin., dichenLi., Influence of scanning pattern on the edge collapse of solid parts in
laser metal direct forming.Optics & Laser Technology, 2013, Vol.48, p 171÷177
[9] A,J,Pinkerton., Laser direct metal deposition: theory and applications in manufacturing
and maintenance.Advances in Laser Materials Processing, 2010, Vol.34, p 461÷491
[10] Feixue, Y., Influence of Ti content on microstructure, mechanical properties and
castability of directionally solidified superalloy DZ125L.Materials & Design, 2014,
vol.61, p 41 ÷ 49
[11] 王滨.,ASTM 金属材料拉伸试样介绍.理化检验, 2004, Vol.27, p 477÷480
[12] L,D,C., 致 密 烧 结 金 属 材 料 与 硬 质 合 金 密 度 测 定 方 法 GB/T3850-1983,1983, p.186÷188
[13] Wang,Z,X.,中国航空材料手册编辑委员会, 中国航空材料手册, 变形高温合金铸造 高温合金, 北京:中国标准出版社, 2001, Vol.2, p 784÷791
THÔNG TIN TÁC GI Ả
1 Đoàn Tất Khoa
Cơ quan: Học viện Kỹ thuật quân sự; 236,Hoàng Quốc Việt,Nam Từ Liêm,Hà Nội
Email: doankhoactm@gmail.com; TEL: 0963.389.325
2 H ồ Việt Hải
Cơ quan: Học viện Kỹ thuật quân sự; 236,Hoàng Quốc Việt,Nam Từ Liêm, Hà Nội
Email: hoviethai@andt.com; TEL: 0936.680.755
3 Đỗ Xuân Tươi
Cơ quan: Học viện Kỹ thuật quân sự; 236,Hoàng Quốc Việt,Nam Từ Liêm, Hà Nội
Email: dxtuoi76@gmail.com
4 Nguy ễn Tài Hoài Thanh
Cơ quan: Học viện Kỹ thuật quân sự; 236,Hoàng Quốc Việt,Nam Từ Liêm, Hà Nội
Email: thanhnguyenctm@gmail.com