Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NGHIÊN CỨU SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THAM SỐ CÔNG NGHỆ ĐẾN GÓC NGHIÊNG GIỚI HẠN CHI TIẾT THÀNH MỎNG CHẾ TẠO BỞI CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH BẰNG TIA LASER STUDY ON EFFECT OF PROCESS PARAMETERS ON THE ULTIMATE INCLINED ANGLE OF THIN-WALL PART FABRICATED BY LASER DIRECT METAL FORMING TECHNOLOGY Đoàn Tất Khoa1,a, Hồ Việt Hải1,b Học viện Kỹ thuật quân sự, Hà Nội, Việt Nam a doankhoactm@gmail.com; bhoviethai@andt.vn TÓM TẮT Bài báo nghiên cứu ảnh hưởng số tham số công nghệ đến góc nghiêng giới hạn chi tiết thành mỏng chế tạo công nghệ tạo hình tia laser Thông qua xây dựng mô hình toán học lực tác dụng lên vùng nóng chảy trình tạo hình tìm công thức toán học mô tả mối quan hệ góc nghiêng chi tiết thành mỏng với tham số công nghệ Thực nghiệm chế tạo chi tiết thành mỏng với tham số công nghệ khác nhau, tìm quy luật ảnh hưởng công suất nguồn laser tốc độ khí cấp bột đến góc nghiêng giới hạn chi tiết thành mỏng Kết thực nghiệm cho thấy công suất nguồn laser tốc độ khí cấp bột cao thấp làm giảm góc nghiêng giới hạn chi tiết thành mỏng; công suất laser khoảng 210 W, tốc độ khí cấp bột khoảng L/phút tạo hình chi tiết thành mỏng có góc nghiêng lớn 38 Từ khóa: công nghệ tạo hình tia laser, góc nghiêng, vùng nóng chảy, tham số công nghệ ABSTRACT The influence rule of forming process on the ultimate inclined angle of thin-wall parts was investigated An inclined angle calculation formula was offered by the force analysis of molten pool On the basis of the calculation formula, the effect of laser power, carrier gas flow on the ultimate inclined angle of thin-walled parts with different process parameters was analyzed and experimental The results showed that the ultimate inclined angle of thin-wall parts mainly detamined by laser power and carrier gas flow; if laser power and carrier gas were too low or too hight then ultimate inclined angle was decreased When laser power approximated 210 W and carrier gas approximated L/min, the 38oof maximum inclined angle of thin-wall parts was formed Keywords: laser direct metal forming (LDMF), inclined angle, molten pool, process parametters GIỚI THIỆU Cuối năm 1980 với phát triển mạnh mẽ công nghệ Laser Cladding (LC) công nghệ Tạo mẫu nhanh (Rapid Prototyping, RP), công nghệ tạo hình tia laser (Laser Direct Metal Forming, LDMF) phát triển nhanh đặc biệt lĩnh vực chế tạo loại vật liệu [1,2,3] Nghiên cứu công nghệ tạo hình LDMF nâng cao chất lượng chế tạo chi tiết kim loại, hợp kim có kết cấu phức tạp sử dụng lĩnh vực hàng không vũ trụ, hàng hải, công nghiệp ô tô, y học, công nghiệp quốc phòng, có ý nghĩa thực tiễn quan trọng[4,5] 468 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Tạo hình chi tiết thành nghiêng vấn đề khó khăn công nghệ LDMF Trong trình tạo hình, phía vùng nóng chảy kết cấu chống đỡ, tác dụng trọng lực vùng vật liệu nóng chảy lực đẩy dòng bột nên vùng nóng chảy dễ dàng bị chảy xuống dẫn đến trình tạo hình tiếp tục Đối với chi tiết thành mỏng nghiêng, nay, nghiên cứu chủ yếu tập trung vào vấn đề tối ưu hóa tham số công nghệ nâng cao giới hạn góc độ nghiêng thành mỏng [6,7] Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia Sandia Mỹ nghiên cứu tạo hình chi tiết hình trụ có góc nghiêng 40 [8] Phòng thí nghiệm RP thuộc đại học Birmingham – Anh Quốc thông qua việc tối ưu hóa công nghệ tạo hình chi tiết thành mỏng có góc nghiêng 30 [9] Phòng thí nghiệm công nghệ laser trường đại học Đại Liên – Trung Quốc nghiên cứu thay đổi lượng tăng trục Z tạo hình chi tiết hình nón có góc nghiêng 39 [10] Mặc dù nghiên cứu số phương pháp nâng cao độ xác tạo hình, thông qua thí nghiệm, tối ưu hóa tham số công nghệ nâng cao giới hạn độ nghiêng chi tiết Tuy nhiên, tính phức tạp công nghệ nên nhiều vấn đề liên quan đến độ xác tạo hình chưa sâu nghiên cứu vấn đề ảnh hưởng đặc trưng hình học kết cấu đến chất lượng tạo hình Nhằm mục đích nghiên cứu quy luật ảnh hưởng tham số công nghệ tính chất vật liệu đến góc nghiêng chi tiết thành mỏng, báo thông qua việc thiết lập mô hình lực tác dụng lên vùng nóng chảy, phân tích ảnh hưởng tham số công nghệ đến thay đổi tác dụng lực lên vùng nóng chảy góc nghiêng giới hạn, đồng thời thực thí nghiệm kiểm chứng, tìm tham số công nghệ hợp lí nâng cao góc nghiêng giới hạn thành mỏng THIẾT LẬP MÔ HÌNH TÁC DỤNG LỰC LÊN VÙNG NÓNG CHẢY 2.1 Đo hình dáng vùng nóng chảy Trong trình tạo hình chi tiết thành mỏng nghiêng, hình dáng vùng nóng chảy thay đổi theo góc nghiêng thành mỏng, thay đổi ảnh hưởng lớn đến tác dụng lực lên vùng nóng chảy Để thiết lập cách xác mô hình tác dụng lực lên vùng nóng chảy cần phải xem xét cách cụ thể hình dáng vùng nóng chảy với góc nghiêng khác Thực nghiệm tạo hình chi tiết thành mỏng nghiêng có góc nghiêng thay đổi từ 015 với tham số công nghệ khác giống nhau, kết thể hình Hình thể hình ảnh hình dáng vùng nóng chảy với góc nghiêng khác nhau, góc nghiêng chi tiết thành mỏng; góc nghiêng vùng nóng chảy Hình thể mối tương quan góc , thấy góc tăng góc tăng lên đáng kể, góc 15 hai góc gần Hình 3(a) thể hình ảnh chụp thực tế hình dáng vùng nóng chảy góc nghiêng =15, thấy vùng nóng chảy có dạng phần hình cầu, bán kính R độ cao h, đường kính vùng đáy d xấp xỉ đường kính vùng hội tụ chùm tia laser Hình 3(b) thể mô hình hình học vùng nóng chảy Hình Hình ảnh chi tiết thành mỏng nghiêng với góc độ khác nhau; (a) chi tiết thành mỏng nghiêng; (b) =0; (c) =5; (d) =10; (e) =15 469 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình Mối quan hệ góc nghiêng vùng nóng chảy góc nghiêng chi tiết Hình Hình ảnh mô hình vùng nóng chảy; (a) hình ảnh chụp vùng nóng chảy;(b) mô hình vùng nóng chảy 2.2.Thiết lập mô hình tác dụng lực lên vùng nóng chảy 2.2.1 Mô hình Như hình thể hiện, góc nghiêng chi tiết =015 góc nghiêng vùng nóng chảy xấp xỉ gần góc nghiêng chi tiết Hình thể hình dáng vùng nóng chảy phần hình cầu với bán kính R, chiều cao h bán kính đáy d bán kính hội tụ chùm laser Thiết lập mô hình tác dụng lực lên vùng nóng chảy hình thể [11], vùng nóng chảy chủ yếu chịu lực tác dụng là: trọng lực G; lực tác dụng dòng bột M; sức căng bề mặt N; phản lực Z; bỏ qua lực chảy vùng nóng chảy lực khác Hình Mô hình tác dụng lực lên vùng nóng chảy Hình Mô hình tác dụng lực dòng bột lên vùng nóng chảy 2.2.2 Tính lực chủ yếu 1) Trọng lực Như hình 3(b) thể hiện, hình dáng vùng nóng chảy phần hình cầu, giả thiết tỷ lệ bề rộng chiều cao vùng nóng chảy =d/h trọng lực G tính sau: 470 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV G V g g d (3 4) 24 (1) Trong đó: G: trọng lực vùng nóng chảy (N); V: thể tích vùng nóng chảy (m3); : mật độ bột vật liệu (kg/m3); : tỷ lệ chiều rộng chiều cao; d: đường kính vùng hội tụ chùm laser (m); g: gia tốc trọng trường (m/s2) 2) Lực tác dụng dòng bột Mô hình tính lực tác dụng dòng bột lên vùng nóng chảy thể hình 5, giá trị lực M tính sau: M s sin (Mp Q1 ) d 4s Qsin (2) Trong đó: M: lực tác dụng dòng bột (N); : mật độ hai pha khí rắn; s: diện tích vùng nóng chảy tác dụng lực (m2); v: tốc độ dòng bột hai pha rắn khí (m/s); : góc nghiêng vùng nóng chảy (rad); Mp: lượng cấp bột (g/phút); Q: tốc độ dòng khí (L/phút); 1: mật độ khí (g/m3); d: đường kính hội tụ chùm tia laser (m); 3) Sức căng bề mặt N Sức căng bề mặt vùng nóng chảy phân bố bề mặt hình cầu hình thể Hình Mô hình sức căng bề mặt vùng nóng chảy; (a) mô hình sức căng bề mặt vùng nóng chảy; (b) hệ tọa độ tính 471 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Sức căng bề mặt N tính theo công thức sau: N 2 cos( / 2) cos d s d N1 N sin d sin (3) (4) Trong đó: N: lực căng bề mặt (N); N1: thành phần lực căng bề mặt (N); : hệ số lực căng bề mặt; d: đường kính vùng nóng chảy (m); hình thể 2.2.3 Mô hình tính góc nghiêng lớn Hình thể mô hình tác dụng lực lên vùng nóng chảy, N1 N2 hai thành phần lực lực căng bề mặt; F1 F2 hai lực thành phần hợp lực trọng lực G lực tác dụng dòng bột M; Z phản lực Để vùng nóng chảy ổn định trình tạo hình với góc nghiêng lực phải thỏa mãn điều kiện sau [12]: sin N1 3(M G ) (5) Khi tính cụ thể giá trị N1, M G thấy giá trị G nhỏ (ở cấp 10-3N), giá trị N1 M lớn nhiều (ở cấp N), tính toán ảnh hưởng đến góc nghiêng giới hạn bỏ qua tác dụng trọng lực G Từ công thức (15) điều kiện tham số công nghệ khác tính góc nghiêng giới hạn tạo hình chi tiết thành mỏng thỏa mãn điều kiện sau: sin 8 s sin 9 dQ( M p Q1 )sin (6) Từ công thức (6) thấy giá trị d, s,,1 thay đổi không thay đổi, ảnh hưởng nhỏ tới góc nghiêng giới hạn, góc nghiêng giới hạn chủ yếu phụ thuộc vào giá trị tốc độ khí Q hệ số sức căng bề mặt , mà sức căng bề mặt lại phụ thuộc vào nhiệt độ vùng nóng chảy nghĩa phụ thuộc vào công suất nguồn laser Từ phân tích tiến hành thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng công suất nguồn phát laser tốc độ khí cấp bột Q đến góc nghiêng giới hạn chi tiết thành mỏng THÍ NGHIỆM 3.1 Thiết bị vật liệu thí nghiệm Thiết bị thí nghiệm thể hình 7, bao gồm: nguồn phát chùm tia laser 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 đầu quét chùm laser; hệ thống điều khiển CNC trục; hệ thống cấp khí trơ Argon số thiết bị trợ giúp khác 472 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình Hệ thống tạo hình LDMF; (a) sơ đồ nguyên lí; (b) thiết bị thí nghiệm Vật liệu thí nghiệm: 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 bảng thể [13] Thông qua thí nghiệm sở xác định phạm vi tham số công nghệ để tạo hình chi tiết công nghệ LDMF, tham số công nghệ bảng thể hiện, công suất nguồn phát laser tốc độ khí cấp bột thay đổi, tham số công nghệ khác giữ nguyên Chi tiết thành mỏng chế tạo có kích thước chiều dài 40 mm, 300 lớp tạo hình Thành phần Bảng Thành phần vật liệu hợp kim chịu nhiệt DZ125L (%) C Cr Co Mo W Al Ti Ta B Ni Tấm 0,07 9,09 10,00 2,09 7,17 4,48 3,05 3,64 0,011 Cân Bột 0,09 9,70 9,64 2,18 7,14 4,90 3,12 3,78 0,015 Cân Công suất laser (W) 180,210,240 Bảng Tham số công nghệ LDMF tạo hình mẫu đo Tốc độ Tốc độ cấp bột Bán kính chùm tia laser Tốc độ quét khí(L/phút) (g/phút) (mm) (mm/s) 10 6,5 5,6,7 0,5 3.2 Kết phân tích 3.2.1 Ảnh hưởng công suất nguồn laser đến góc nghiêng lớn Ảnh hưởng công suất nguồn laser đến góc nghiêng lớn chi tiết thông qua ảnh hưởng nhiệt độ vùng nóng chảy làm thay đổi lực căng bề mặt Khi công suất tăng lên nhiệt độ vùng nóng chảy tăng lên Trong trình thí nghiệm với giá trị công suất nguồn laser định tạo hình chi tiết thành mỏng có giá trị góc nghiêng tăng dần Kết thí nghiệm cho thấy tăng dần góc nghiêng đến giá trị góc nghiêng tới hạn định bề mặt chi tiết thành mỏng xuất nhiều sóng bề mặt lớn, dẫn tới tạo hình Kết thí nghiệm với ba giá trị công suất nguồn laser (180,210,240) khác thể hình Hình Chi tiết thành mỏng với góc giới hạn lớn thay đổi công suất nguồn laser; (a) P=180 W, max=15; (b) P=210 W, max=30; (c) P=240 W, max=13 473 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Kết thí nghiệm cho thấy, công suất laser 180 W góc nghiêng giới hạn tương đối nhỏ (max=15), công suất laser tăng lên 210 W góc nghiêng giới hạn tăng lên (max=30), công suất laser tiếp tục tăng lên 240 W góc nghiêng giới hạn giảm xuống (max=13), tiếp tục tăng công suất laser lên 260 W tạo hình khoảng 10 lớp đầu tiên, sau xuất hiện tượng sóng bề mặt nghiêm trọng tạo hình Đó công suất tương đối nhỏ nhiệt độ vùng nóng chảy thấp, vùng nóng chảy chịu ảnh hưởng số yếu tố tác động dòng bột, trình tạo hình bị ảnh hưởng lớn, dẫn tới tạo hình Khi công suất laser tăng lên đến giá trị định nhiệt độ vùng nóng chảy tăng cao, ổn định giá trị khoảng 1650C khả tạo hình chi tiết có góc nghiêng tăng lên, tiếp tục tăng công suất nguồn laser nhiệt độ vùng nóng chảy tiếp tục tăng cao dẫn đến làm cho lực căng bề mặt giảm xuống, vật liệu bị chảy xuống thành bên dẫn đến tạo hình 3.2.2 Ảnh hưởng tốc độ khí cấp bột đến góc nghiêng lớn Tốc độ khí cấp bột ảnh hưởng lớn đến lực N1 tác dụng lên vùng nóng chảy, ảnh hưởng trực tiếp đến góc nghiêng chi tiết Dựa vào phân tích lí thuyết ta thấy tốc độ khí nhỏ lực tác dụng lên vùng nóng chảy nhỏ, làm tăng góc nghiêng , nhiên tốc độ khí nhỏ ảnh hưởng đến tốc độ cấp bột, phân bố dòng bột vùng nóng chảy Thông qua tính toán thí nghiệm sở tốc độ khí góc nghiêng chi tiết thí nghiệm với tốc độ khí Q = 5, 6, L/phút Kết thí nghiệm hình thể Kết thí nghiệm cho thấy với giá trị Q = L/phút góc nghiêng thành mỏng đạt lớn max = 34, với giá trị Q lớn nhỏ L/phút góc nghiêng giảm Hình Chi tiết thành mỏng với góc giới hạn lớn thay đổi tốc độ khí; (a) Q=5L/phút, max=22; (b) Q=6L/phút, max=34; (c) Q=7L/phút, max=11 Sau xác định tham số công nghệ hợp lí, công suất nguồn laser 230 W, tốc độ khí cấp bột L/phút, tham số công nghệ khác bảng thể hiện, tiến hành tạo hình chi tiết thành mỏng đạt giá trị góc nghiêng giới hạn lên tới 38 hình 10 thể Hình 10 Chi tiết thành mỏng với góc giới hạn lớn P=210W, Q=6L/phút KẾT LUẬN Thông qua việc nghiên cứu xây dựng mô hình toán học lực tác dụng lên vùng nóng chảy chi tiết thành mỏng trình tạo hình tia laser xác định mối quan hệ tham số công nghệ với góc nghiêng giới hạn chi tiết thành mỏng Từ 474 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV công thức toán học ta thấy tham số công nghệ ảnh hưởng lớn đến góc nghiêng giới hạn chi tiết thành mỏng công suất nguồn laser tốc độ khí cấp bột Kết thực nghiệm cho thấy công suất nguồn laser tốc độ khí cấp bột cao thấp làm giảm góc nghiêng giới hạn chi tiết thành mỏng; công suất laser khoảng 210 W, tốc độ khí cấp bột khoảng L/phút tạo hình chi tiết thành mỏng có góc nghiêng 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hebin, dichen Li., Influence of scanning pattern on the edge collapse of solid parts in laser metal direct forming Optics & Laser Technology, 2013, vol.48, p 171177 [2] A.J Pinkerton, Laser direct metal deposition: theory and applications in manufacturing and maintenance Advances in Laser Materials Processing, 2010 [3] Lei W, Shuai., Effects of precipitated phases on the crack propagation behaviour of a Ni-based superalloy International Journal of Fatigue, 2014, Vol.62, p 210216 [4] Li.W.J, Investigation on selection crystal behavior of a Ni3Al-based single crystal superalloy IC6SX Procedia Engineering, 2012, Vol.27, p 1135 1140 [5] 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 11011110 [6] Liou F, Slattery K, Kinsella M, Applications of a hybrid manufacturing process for fabrication of metallic structures Rapid Prototyping Journal, 2007, Vol.13, p 236-244 [7] Dwivedi R, Kovacevic R, An expert system for generation of machine inputs for laserbased multi-directional metal deposition International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2006, Vol.46, p.1811-1822 [8] Dwivedi R, Zekovic S, Kovacevic R, A novel approach to fabricate uni-directional and branching slender structures using laser-based direct metal deposition International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2007, Vol 47, p 1246-1256 [9] Dwivedi R, Kovacevic R, Process planning for multi-directional laser-based direct metal deposition Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part CJournal of Mechanical Engineering Science, 2005, Vol.219 (7), p 695-707 [10] 尚晓峰，刘伟军，王维等，金属粉末激光成形零件倾斜极限 机械工程学报 ， 2007，Vol 43(8), p 97-100 [11] 贺斌.,面向涡轮叶片结构特征的激光金属成形工艺研究，西安交通大学，2013, p.85 [12] Fima P, Nowak R, Sobczak N, Effect of metal purity and testing procedure on surface tension measurements of liquid tin Journal of materials science, 2010, Vol 45(8), p 2009-2014 [13] 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 THÔNG TIN TÁC GIẢ 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 Hồ Việt Hải Cơ quan: Học viện Kỹ thuật quân sự, 236, Hoàng Quốc Việt, Nam Từ Liêm, Hà Nội Email: hoviethai@andt.com; Tel: 0936.680.755 475