Hàn ma sát khuấy chi tiết dập bán lỏng từ hợp kim nhôm AK4-1

HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hàn ma sát khuấy chi tiết dập bán lỏng từ hợp kim nhôm AK4-1 Friction stir welding of thixoformed AK4-1 aluminum alloy Ngơ Thanh Bình1,*, Лаптева А.Ю.2, Đào Ngọc Lâm1, Huỳnh Đức Thuận1, Đỗ Mạnh Dũng1 Trường Sỹ quan Kỹ Thuật Quân Sự Trường Đại học Tổng hợp Kỹ thuật Quốc gia Matxcơva mang tên N.E Bauman *Email: binhbauman85@gmail.com Mobile: 0974889785 Tóm tắt Từ khóa: AK4-1; Dập bán lỏng; Hàn ma sát khuấy; Hợp kim nhôm biến dạng; Piston Sự chuyển biến cấu trúc tế vi tính vùng chịu ảnh hưởng nhiệt - nghiên cứu trình hàn ma sát khuấy chi tiết dập bán lỏng từ hợp kim nhôm biến dạng AK4-1 Các kết động học trình kết tinh lại phân ly học chế tinh luyện hạt Sơ đồ công nghệ "chi tiết dập bán lỏng + hàn ma sát khuấy" giải pháp triển vọng để tối ưu hóa cho giải pháp thiết kế công nghệ nhằm chế tạo chi tiết từ hợp kim nhơm có độ bền cao phục vụ ngành công nghiệp tên lửa hàng không vũ trụ ngành công nghiệp ôtô Abstract Keywords: AK4-1; Thixoforming; Friction stir welding; Piston; Wrought aluminum alloy The microstructural evolution and mechanical properties of thermomechanically affected zone were investigated during the friction stir welding (FSW) of the thixoformed wrought aluminum alloy AK4-1 The results indicated that the dynamic recrystallization and mechanical separation are the main mechanisms of grain refinement A technological scheme of "thixoformed part + friction stir welding treatment" is a promising technique for the optimization of designing and technological solutions for manufacturing components made from high-strength aluminum alloys used rocket-aerospace technology and automotive industries made Ngày nhận bài: 13/7/2018 Ngày nhận sửa: 08/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 GIỚI THIỆU 1.1 Công nghệ bán lỏng (semi-solid processing) Cuối kỷ XIX - đầu kỷ XX lĩnh vực công nghệ chế tạo phôi người ta đặc biệt ý đến công nghệ, công nghệ q trình tạo hình hợp kim khơng phải trạng thái lỏng (như công nghệ đúc) hay trạng thái rắn (như công nghệ dập, rèn…) mà trạng thái hai pha, tức tồn tỉ phần pha rắn định phân bố dung dịch kim loại nóng chảy - gọi cơng nghệ bán lỏng SSP (semi-solid processing) hay SSM (semi-solid HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 metal) [1-3] Điểm đặc biệt công nghệ việc sử dụng hợp kim kim loại với đặc tính cơng nghệ mới, xuất trạng thái bán lỏng cho phép tạo hình sản phẩm phức tạp qua bước cơng nghệ với hao phí lượng thấp Những đặc tính cơng nghệ tính xúc biến (thixotropy) tính siêu giả dẻo (pseudo-superplastic), biết nhiều hình thái học sử dụng lĩnh vực cơng nghệ tạo hình kim loại hợp kim Dung dịch kim loại nóng chảy xuất đặc tính nêu tồn hai điều kiện chính: (1)- xuất khoảng tỉ phần pha rắn xác định; (2)- phân bố hình thái học phần tử (hạt, tinh thể) rắn khoảng xác định Những điều kiện xác định cấu trúc công nghệ cần phải có giai đoạn tiên sau: - chuẩn bị phần dung dịch bán lỏng từ kim loại nóng chảy cách gián đoạn trình chuyển pha kết tinh Trong dung dịch bán lỏng bắt buộc phải có tỉ phần pha rắn, hình thái tinh thể rắn số lượng mầm tinh thể đơn vị thể tích (khoảng 700 mầm/mm3) phù hợp với công nghệ bán lỏng; - biến dạng tạo hình phải thực chế độ phù hợp cho việc xuất đặc tính xúc biến dung dịch bán lỏng Dung dịch lý tưởng cho cơng nghệ bán lỏng dung dịch có chứa tỉ phần pha rắn định (40-90 %), có dạng tinh thể cầu trịn (dhạt < 100 µm), phân bố bên thể tích (Hình 1) Nó chất lỏng Newton, điểm khác biệt với dung dịch kim loại lỏng bình thường khác Với dung dịch bán lỏng kể ứng suất với vận tốc cắt có mối quan hệ phức tạp định luật Newton Độ nhớt dung dịch bán lỏng phụ thuộc vào tỉ phần pha rắn (tức nhiệt độ), vận tốc cắt, áp suất thời gian, để đánh giá người ta sử dụng giá trị độ nhớt biểu kiến Hình Cấu trúc nhánh điển hình (a) cấu trúc dạng cầu trịn hợp kim sau đông rắn (b) Để ứng dụng công nghệ bán lỏng cần phải nắm công nghệ mức độ cao: luyện kim sản xuất phôi bán lỏng; công nghệ gia nhiệt chuẩn bị phôi bán lỏng để đảm bảo xuất hiệu ứng xúc biến; thành thạo chế độ, phương pháp đặc biệt để định hình phơi bán lỏng 1.2 Công nghệ hàn ma sát khuấy FSW Trong năm gần xuất ghi nhận ứng dụng rộng rãi công nghiệp phương pháp gia công hàn đầy triển vọng trạng thái rắn, gọi hàn ma sát khuấy, mà kèm với thay đổi mãnh liệt cấu trúc vật liệu gia công Trong phương pháp nhiệt sinh ma sát làm vật liệu nung nóng đến trạng thái dẻo Sự mài mịn mãnh liệt việc tổ chức dịng chảy q trình khuấy nhờ chuyển động quay tịnh tiến dụng cụ chun dụng (Hình 2) HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Năm 1991 viện hàn TWI cấp sáng chế 9125978.8 phương pháp hàn ma sát khuấy [4] Từ thời điểm bắt đầu hàng loạt nghiên cứu công nghệ nước Thụy Sĩ, Mỹ, Hà Lan, Nhật Bản… Xuất hàng loạt sáng chế công bố quốc tế, nhiên thơng số q trình cơng nghệ chế độ hàn bí mật Trong giai đoạn chuyển giao này, ghi nhận hàng loạt nghiên cứu tính cấu trúc mối hàn, bắt đầu xu hướng nghiên cứu để ứng dụng biên dạng bề mặt khác từ loại vật liệu Hai năm lần nước khác người ta tổ chức hội nghị thảo luận tiến đạt công nghệ Mối hàn FSW chất lượng so với hàn hồ quang điện truyền thống Đây phương pháp hàn có suất chất lượng cao, sử dụng để lắp ghép chi tiết phổ biến cơng nghệ tên lửa, hàng khơng vũ trụ, đóng tàu, ô tô lĩnh vực khác Tuy nhiên việc ứng dụng cơng nghệ FSW vào sản xuất cịn có nhiều hạn chế, nguyên nhân chủ yếu phải kể đến cần phải có thiết bị chuyên dụng (máy móc robot cơng nghiệp) u cầu khắt khe chuẩn bị liên kết giáp mối trước hàn Những hạn chế kể bù lại mối ghép hàn chất lượng, tốc độ hàn tương đối cao độ bền mối ghép gần độ bền vật liệu gốc Hình Hàn ma sát khuấy [5] Vài chục năm gần cơng nghệ thay đổi tính cục vật liệu phương pháp FSW gây ý đặc biệt trung tâm nghiên cứu lớn Cụ thể, piston động đốt sản phẩm tối ưu hóa cho nhu cầu sản xuất hàng loạt, nên cần giảm trọng lượng Chính ngun nhân mà năm gần sản xuất piston, chủ yếu dùng công nghệ đúc, người ta chuyển từ hợp kim nhôm đúc sang hợp kim nhơm biến dạng có độ bền cao Piston cấu tạo gồm phần váy (mỏng) phần đỉnh (dày) yêu cầu tính cao, riêng phần đỉnh cần thêm khả chịu nhiệt Trên Hình (trái) cấu trúc piston tối ưu cơng nghệ truyền thống Hình hai phương án piston loại, sản xuất công nghệ từ hợp kim Tuy nhiên chúng khác khối lượng Hình (phải) sản phẩm nâng cao tính phần đỉnh piston FSW Chiều sâu lớp gia cơng chiều sâu lỗ khuyết phần đầu chốt (mũi hàn) để lại hình cắt bổ đơi piston Cơ tính, khả chịu nhiệt phần đỉnh piston sau FSW cải thiện đáng kể, cấu trúc tế vi vật liệu qua khuấy tốt hẳn [9] Khi cần phải nâng cao tính cục sản phẩm ta sử dụng giải pháp cơng nghệ khác Piston máy nén khí ДРЦ-85 chế tạo công nghệ dập bán lỏng ví dụ, yêu cầu đặt nâng cao tính phần đỉnh Để giải vấn đề nhóm tác giả chọn phương pháp hàn ma sát khuấy FSW HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Piston sau xử lý qua FSW (cấu trúc tế vi piston cải thiện đáng kể) CÔNG NGHỆ CHẾTẠO PISTON BẰNG DẬP BÁN LỎNG VÀ THỰC HIỆN FSW 2.1 Chế tạo chi tiết piston công nghệ dập bán lỏng [8] Chế tạo phôi bán lỏng có cấu trúc dạng cầu trịn: Hợp kim nhơm AK4-1 nấu chảy lị điện trở, kim loại lỏng nhiệt 660°C rót vào khn kim loại hình trụ thành mỏng (dày mm) nhờ máng nghiêng làm lạnh nước Khi kim loại lỏng tiếp xúc với thành máng lạnh bị kết tinh phát triển thành nhánh Các nhánh vừa sinh bị phá gãy dòng kim loại lỏng rót xuống, chúng bị vào khn, phần gãy vụn nhánh tạo thành mầm kết tinh lịng khn Những phần gãy vụn kể lăn tròn máng nghiêng cầu hóa phần Ngồi cách mầm kết tinh hình thành trên, mầm kết tinh sinh kim loại lỏng tiếp xúc trực tiếp với khuôn, ta vô số mầm bên lịng khn Giai đoạn phải điều khiển trình lớn lên mầm kết tinh để chúng phát triển thành hạt dạng cầu tròn Khi tỉ phần pha rắn dung dịch bán lỏng đạt khoảng 40-60%, khuôn phôi bán lỏng nước để lưu giữ cấu trúc tế vi dạng cầu tròn, cấu trúc thích hợp cho cơng nghệ bán lỏng Gia nhiệt cho phôi đến trạng thái bán lỏng để tiến hành dập tạo hình: thỏi đúc chế tạo bước cắt thành đoạn với khối lượng xác định phù hợp với chi tiết dự kiến dập ép tạo hình Trước tạo hình, phơi bán lỏng phải gia nhiệt đến nhiệt độ bán lỏng (620°C) để tiến hành dập Quá trình quan trọng, phải kiểm soát chặt chẽ nhiệt tốc độ gia nhiệt nung Ở nhiệt độ bán lỏng phơi cịn khả giữ hình dáng bên ngoài, giữ nhiệt lâu nhiệt độ lý tăng cao 1-2°C so với u cầu tạo thành hình “chân voi”, lúc khơng cịn thích hợp cho tạo hình Hình Mẫu phơi piston máy nén khí ДРЦ-85 Giai đoạn tạo hình sản phẩm piston máy nén khí ДРЦ-85: để tránh mát giảm gradient nhiệt cho phơi, người ta đồng thời nung nóng khn chày ép đến nhiệt độ 250°C HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Phôi sau gia nhiệt đến nhiệt độ thích hợp cho tạo hình chuyển đến máy ép thủy lực để tiến hành dập Piston dập máy ép thủy lực 400 Sản phẩm sau dập tơi nước Hình dáng bề ngồi mẫu phơi piston máy nén khí ДРЦ-85 từ hợp kim nhơm AK4-1 (Hình 4) 2.2 Hàn ma sát khuấy phần đỉnh piston Phôi chuẩn bị cho hàn ma sát khuấy (Hình 5) Hàn FSW phần đỉnh piston thực máy phay đứng, trang bị dụng cụ chuyên dụng phục vụ cho FSW Các thông số hàn lựa chọn phù hợp với hợp kim nghiên cứu Chiều sâu hàn mm, phương pháp hàn tịnh tiến với bước mm Sơ đồ bố trí gia công giống nghiên cứu [6, 7] Phần gia công FSW cắt để chế tạo mẫu thử kéo đo độ cứng (Hình 6) KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết thử nghiệm kéo Hình 7-9 kết nghiên cứu vật liệu mẫu thử kéo cắt từ vị trí gia cơng FSW Nhìn vào cấu trúc tế vi bề mặt chỗ đứt mẫu dễ dàng thấy rằng, phần vật liệu khuấy chiếm phần mẫu thử kéo Mẫu gần cấu trúc vật liệu dập bán lỏng ban đầu, tỉ lệ vật liệu qua FSW khoảng 25%; mẫu 2- khoảng 70%; mẫu 3- cho kết kéo cao nhất, phần vật liệu qua FSW khoảng 80%, làm ảnh hưởng đáng kể đến tính vật liệu, đặc biệt độ dẻo so với hai mẫu cịn lại Hình Phơi chuẩn bị cho hàn ma sát khuấy Hình Vùng thực FSW vị trí cắt mẫu để thử nghiệm kéo Trong q trình gia công tiện mẫu, khuyết tật dạng rỗ hở vật liệu dập bán lỏng bị che khuất nên mắt thường khơng thể nhìn thấy, cơng đoạn nhiệt luyện (NL) thực khơng khí bề mặt rỗ hở bị oxy hóa Hình Cấu trúc tế vi (a) bề mặt chỗ đứt (b) mẫu №1 sau thực FSW thử kéo HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Khi mũi hàn qua vùng chịu ảnh hưởng nhiệt - có xáo trộn mạnh cấu trúc vật liệu, hạt α-Al bị làm mịn Những chế tinh luyện hạt động học trình kết tinh lại phân ly học Qua quan sát cấu trúc tế vi mẫu không nhận thấy tồn khuyết tật lỗ rỗng, rỗ khí… thường gặp FSW Hình Cấu trúc tế vi (a) bề mặt chỗ đứt (b, c) mẫu №2 Các mẫu №2, kích thước hạt α-Al bị thay đổi đáng kể không đồng theo chiều dày vật liệu gia công, tương đối đồng dọc theo hướng gia cơng Nhìn vào bề mặt chỗ đứt kéo ta dễ dạng nhận thấy khu vực trải qua FSW, kích thước hạt tương đối mịn Hình Cấu trúc tế vi (a) bề mặt chỗ đứt (b, c) mẫu №3 Ảnh hưởng FSW tỉ lệ đươc hàn khuấy mẫu thử đến tính hợp kim AK4-1 chi tiết piston chế tạo công nghệ dập bán lỏng thể qua Hình 10 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 350 300 286 250 234 4.5 4.3 312 217 200 2.5 2.4 166 150 100 σb , MPa σch, MPa δ, % 1.3 50 1.5 Độ dẻo δ, % Độ bền, MPa 3.5 241 0.5 0 20 30 40 50 60 70 80 90 Tỉ lệ khuấy, % Hình 10 Kết thử nghiệm kéo Từ kết thử nghiệm kéo đưa kết luận sau đây: - Các lớp vật liệu dập công nghệ bán lỏng chưa khuấy nơi bị phá hủy sớm ứng suất tập trung; - Ứng suất bền ứng suất chảy tỉ lệ thuận với tỉ lệ phần trăm vật liệu khuấy, tiến đến giá trị tính tiêu chuẩn vật liệu; - Tăng tỉ lệ khuấy làm tăng mạnh độ dẻo vật liệu 3.2 Kết khảo sát độ cứng Độ cứng đo máy đo độ cứng DuraScan 20 ba vùng (vùng 1-vật liệu dập bán lỏng chưa khuấy (vùng biến dạng dẻo ít); vùng 2- chuyển tiếp (vùng biến dạng lớn); vùng 3-vùng vật liệu chịu khuấy), vật liệu trước sau nhiệt luyện (Hình 11) Kết đo độ cứng thể Bảng HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 vùng biến dạng dẻo vùng biến dạng lớn vùng chịu khuấy Hình 11 Các vết đo độ cứng thay đổi đặc điểm cấu trúc vật liệu vùng khác đỉnh piston trước NL Bảng Độ cứng HV1 điểm, giá trị trung bình (TB) vùng khác phần đỉnh piston trước sau NL Vùng vật liệu ban đầu (chế tạo dập bán lỏng) Vật liệu trước NL Mẫu sau thử nghiệm kéo sau NL Vùng chuyển tiếp Vùng chịu khuấy Vị trí 10 11 12 13 14 HV1 62,9 66,5 63,9 77,4 85,5 86,6 83,9 81,3 81,3 83,4 88,9 86,6 91,9 91,9 TB = 64,4 77,4 TB = 86,1 №1 TB = 116,4 - - №2 TB = 108,8 - TB = 114,8 №3 TB = 126 - TB = 127 Phân tích kết đo độ cứng vùng khác phần đỉnh piston trước sau nhiệt luyện ta có nhận xét sau: - Trước nhiệt luyện, độ cứng vật liệu gốc vật liệu trải qua FSW từ hợp kim AK4-1 có khác đáng kể, FSW làm độ cứng tăng 30 %; - Sau nhiệt luyện, độ cứng vật liệu gốc vật liệu trải qua FSW khác trung bình khoảng 116 HV; KẾT LUẬN Trong viết tác giả giới thiệu hai công nghệ mới, cịn ứng dụng Việt Nam cơng nghệ bán lỏng công nghệ hàn ma sát khuấy Đã khảo sát khả thực FSW vật liệu chế tạo công nghệ bán lỏng, cụ thể hợp kim nhôm AK4-1 Kết cho thấy FSW phù hợp với vật liệu chế tạo cơng nghệ bán lỏng, tính cải thiện nhiều, cần có nhiều nghiên cứu sâu thông số tối ưu dành cho vật liệu bán lỏng Có thể sử dụng FSW để nâng cao tính cục cho sản phẩm chế tạo công nghệ bán lỏng Sơ đồ công nghệ "chi tiết dập bán lỏng + hàn ma sát khuấy" giải pháp triển vọng để tối ưu hóa cho giải pháp thiết kế cơng nghệ nhằm chế tạo chi tiết từ hợp kim nhôm có độ bền cao phục vụ ngành tên lửa - hàng không vũ trụ ngành công nghiệp ôtô HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nafisi, S., Ghomashchi, R Semi-Solid Processing of Aluminum Alloys Springer: Berlin, Germany, 2016 [2] Kirkwood, D.H., Suéry, M., Kapranos, P., Atkinson, H., Young, K.P Semi-Solid Processing of Alloys; Springer: Berlin, Germany, 2010 [3] Семенов, Б.И., Куштаров, К.М Производство изделий из металла в твердожидком состоянии М.: Издательство МГТУ им Баумана, 2010 [4] Thomas, W.M., Nicholas, E.D., Needham, J.C., Murch, M.G., Templesmith, P., Dawes, C.J., “Improvements to Friction Welding” GB Patent Application No.9125978.8, (1991) [5] Mishra, R.S., De, P.S., Kumar, N Friction Stir Welding and Processing: Science and Engineering, Springer, USA, 2014 [6] Корневич А.П., Семенов Б.И., 2011 Локальное повышение механических характеристик готовых изделий и полуфабрикатов на примере колесного диска большегрузного автомобиля из алюминиевого сплава 2014 Заготовительные производства в машиностроении №8, 8-14 [7] Корневич А.П., Семенов Б.И., Чуфринова Я.В., Шилло Г.В., 2009 Особенности технологии сварки трением с перемешиванием Заготовительные производства в машиностроении, № 9, 7-14 [8] Нго, Т.Б Тиксоформинг фасонных деталей из эвтектических и деформируемых алюминиевых сплавов: дис … канд техн наук М., 2015 186 с [9] Sarang Shah, Sabri Tosunoglu, 2012 Friction Stir Welding: Current State of the Art and Future Prospects The 16th World Multi-Conference on Systemics, Cybernetics and Informatics, USA  ... nghệ bán lỏng công nghệ hàn ma sát khuấy Đã khảo sát khả thực FSW vật liệu chế tạo công nghệ bán lỏng, cụ thể hợp kim nhôm AK4-1 Kết cho thấy FSW phù hợp với vật liệu chế tạo cơng nghệ bán lỏng, ... BẰNG DẬP BÁN LỎNG VÀ THỰC HIỆN FSW 2.1 Chế tạo chi tiết piston công nghệ dập bán lỏng [8] Chế tạo phơi bán lỏng có cấu trúc dạng cầu trịn: Hợp kim nhơm AK4-1 nấu chảy lị điện trở, kim loại lỏng. .. tối ưu dành cho vật liệu bán lỏng Có thể sử dụng FSW để nâng cao tính cục cho sản phẩm chế tạo công nghệ bán lỏng Sơ đồ công nghệ "chi tiết dập bán lỏng + hàn ma sát khuấy" giải pháp triển vọng