Phƣơng pháp CEC đơn giản về mặt cơng nghệ, có khả năng tự động hóa, năng suất cao do đùn ép liên tục trong một khuôn. Tuy nhiên, chỉ áp dụng cho
loại phơi có kích thƣớc vừa và nhỏ để đảm bảo biến dạng đồng đều.
3.1.7. Phương pháp uốn - duỗi liên tục
Hình 3.7. Phương pháp RCS
Phƣơng pháp uốn - duỗi liên tục (RCS - Cyclic Repetitive Corrugating and Straightening) là phƣơng pháp đƣợc thực hiện theo sơ đồ biến dạng nhƣ trên hình 3.7, khi đó phơi đƣợc uốn và duỗi phẳng liên tục trong khn [23].
3.1.8. Phương pháp tách dịng tuyến tính
Tách dịng chảy tuyến tính (LFS - Linear Flow Splitting) đƣợc phát triển bởi P. Groche [9] là một phƣơng pháp sử dụng biến dạng dẻo để có đƣợc kim loại siêu mịn.
Hình 3.8. Sơ đồ nguyên tắc tách dịng
Ngun lý q trình này đƣợc thể hiện trong hình 3.8, một tấm kim loại đƣợc nén giữa các con lăn tách và con lăn hỗ trợ. Trong trạng thái này ứng suất nén đƣợc hình thành vào khoảng cách giữa tách và hỗ trợ. Kết quả là, các khu vực bề mặt ngồi của các mặt bích kim loại nhận đƣợc biến dạng lớn, tạo
thành tổ chức siêu mịn. Các thuộc tính của kim loại trong trạng thái này có thể đƣợc sử dụng để tăng khả năng chịu tải ví dụ nhƣ vịng bi, con lăn.
3.2. Lựa chọn phƣơng án tạo tổ chức và tính tốn biến dạng cho vật liệu nghiên cứu
3.2.1. Phân tích lựa chọn phương án tạo tổ chức
Qua nghiên cứu, phân tích nhận thấy rằng, trong các phƣơng pháp tạo tổ chức hạt nhỏ mịn nói chung thì phƣơng pháp ép chu kỳ trong khn kín là phƣơng pháp có thể cho phép thu đƣợc vật liệu dạng khối có tổ chức siêu nhỏ mịn, thậm chí tổ chức nano đối với các mác hợp kim cơng nghiệp; có thể tiến hành đƣợc trong khoảng nhiệt độ rộng (20 950) o
C nhờ sử dụng các kết cấu khuôn và thiết bị gia nhiệt chuyên dùng; cho phép biến dạng các phơi có kích thƣớc và khối lƣợng lớn hơn so với một vài phƣơng pháp khác nhƣ: xoắn áp lực cao, ép qua kênh gãy khúc… Bên cạnh đó, u cầu về trang thiết bị, dụng cụ, khn mẫu cho biến dạng khá đơn giản, dễ chế tạo, phù hợp với điều kiện các phịng thí nghiệm hiện có, đồng thời có khả năng ứng dụng cao ở quy mơ công nghiệp. Do vậy luận án lựa chọn phƣơng pháp ép chu kỳ trong khn kín làm phƣơng pháp chế tạo tổ chức hạt nhỏ mịn cho vật liệu nghiên cứu.
3.2.2. Các bước cơng nghệ ép chu kỳ trong khn kín
Q trình ép chu kỳ trong khn kín đối với một mẫu đƣợc thực hiện ép nhiều lần theo các bƣớc và chu kỳ trong khn kín. Một chu kỳ biến dạng bao gồm 3 bƣớc I, II, III. Kết cấu khuôn và thứ tự các bƣớc trong một chu kỳ đƣợc trình bày trên hình 3.9 và 3.10.
Phơi trƣớc khi ép đƣợc kiểm tra thành phần hóa học, tổ chức tế vi và đƣợc đánh dấu các mặt lần lƣợt là A, B, C (hình 3.10), các mặt này tƣơng ứng với các mặt phẳng của hệ tọa độ X,Y,Z.
Ở bƣớc I (hình 3.10a), khi chày tiến hành ép xuống, chiều cao phôi theo phƣơng Y đƣợc giảm xuống, kích thƣớc phơi đƣợc giãn dài theo phƣơng X, kích thƣớc phơi theo phƣơng Z khơng thay đổi do bị giới hạn bởi khn.
Hình 3.9. Kết cấu khuôn ép 1) Cối; 2) Chày; 3) Đế cối + ty đẩy;
4) Phơi ép
Hình 3.10. Các bước trong một chu kỳ ép
Trong bƣớc II (hình 3.10b), phơi đƣợc lấy ra từ khn sau bƣớc I, đặt phôi vào khuôn sao cho chiều của lực ép trùng với phƣơng X (quay phôi 90o). Sau khi ép kích thƣớc phơi dọc theo trục X giảm theo hành trình ép, kích thƣớc phơi theo trục Z đƣợc tăng lên, kích thƣớc phơi theo trục Y khơng đổi.
Sau khi kết thúc bƣớc II, lấy phôi ra và xoay phôi đi 900 và tiến hành ép bƣớc III của chu kỳ (hình 3.10c). Trong bƣớc này, phơi đƣợc giảm kích thƣớc theo trục Z, kích thƣớc tăng theo trục Y, kích thƣớc theo trục X khơng đổi.
Nhƣ vậy, sau khi hoàn thành các bƣớc I, II, III phôi đã trải qua biến dạng dọc theo tất cả các trục X, Y, Z, đó là một chu kỳ. Mức độ biến dạng tích lũy đƣợc xác định bằng số bƣớc ép nhân với mức độ biến dạng của một bƣớc ép.
Khi ép cƣỡng bức theo sơ đồ hình 3.10 sẽ tạo biến dạng cắt mãnh liệt trong các mặt tinh thể theo hƣớng thuận lợi so với hƣớng tác động của lực ép (các hệ trƣợt nghiêng góc 45 o so với hƣớng tác dụng lực). Các hạt bị cắt theo nhiều hƣớng, lệch sinh ra và tích tụ trƣớc các chƣớng ngại (ví dụ giao tuyến
của các mặt trƣợt), khi phục hồi ở nhiệt độ biến dạng sẽ tạo thành siêu hạt có kích thƣớc siêu mịn, đó sẽ là các tâm mầm của các hạt nhỏ mịn trong đa tinh thể có biên hạt góc lớn khi kết tinh lại.
3.2.3. Xác định kích thước phơi, mức độ biến dạng khi ép
- Phôi ban đầu từ hợp kim Ti-5Al-3Mo-1,5V đƣợc chế tạo trong nƣớc. Mẫu ép chu kỳ ban đầu có dạng hình hộp chữ nhật với các cạnh a, b và chiều cao là c, trong đó tỷ lệ kích thƣớc đƣợc lựa chọn một cách hợp lý sao cho mức độ biến dạng mỗi lần ép là lớn nhất có thể xong khơng làm phơi bị nứt, vỡ. Theo khuyến cáo trong các tài liệu [12, 42], với vật liệu tƣơng đƣơng hợp kim BT14 thì a ≈ b, c/a ≤ 1,5, c/b ≤ 1,5 . Căn cứ vào điều kiện thực tế chọn phơi có kích thƣớc: a x b x c = (17 x 17 x 25) mm, nhƣ trên hình 3.11.
Hình 3.11. Bản vẽ phôi ban đầu
- Ép phôi theo các chu kỳ, mỗi chu kỳ với 3 lần ép kết hợp với các bƣớc lật phôi sau mỗi lần ép. Theo cơng thức (3.1) tính đƣợc mỗi lần ép tƣơng ứng với mức độ biến dạng logarit ε = 0,446. Để đạt đƣợc cỡ hạt siêu nhỏ mịn thông thƣờng mức độ biến dạng tích lũy phải đạt ε 3 [23, 42]. Lựa chọn ép phôi qua 3 chu kỳ với 9 lần ép. Mức độ biến dạng logarit qua các chu kỳ đƣợc thể hiện trong bảng 3.1.
Bảng 3.1. Mức độ biến dạng qua các chu kỳ ép
Số chu kỳ ép 1 2 3
Mức độ biến dạng (ε) 1,34 1,34 1,34 Mức độ biến dạng tích lũy 4,02
3.3. Mơ phỏng q trình biến dạng CCDF
3.3.1. Mơ phỏng q trình CCDF bằng phần tử hữu hạn
Phƣơng pháp phần tử hữu hạn (PTHH) đƣợc sử dụng trong biến dạng tạo hình kim loại để khảo sát ứng xử của phôi trong điều kiện phi tuyến của điều kiện biên, tải trọng, sự ảnh hƣởng của các thông số khác nhau tới q trình biến dạng, từ đó có thể tối ƣu hóa các thơng số cơng nghệ.
Hiện nay, để mơ phỏng q trình CCDF có rất nhiều phần mềm công nghiệp đƣợc sử dụng và đƣa ra những kết quả tƣơng đối sát thực tế. Các phần mềm đó là ANSYS, LS – DYNA, DEFORM, QFORM.
Trong luận án sử dụng phần mềm công nghiệp DEFORM. Đây là phần mềm chuyên dùng cho cơng nghệ tạo hình kim loại bằng áp lực với nhiều tính năng hữu ích và tƣơng đối thuận lợi.
3.3.2. Mục đích của mơ phỏng
Q trình mơ phỏng tiến hành 3 chu kỳ với 9 lần ép, tƣơng ứng với 8 lần lật phơi (phơi có kích thƣớc đã đƣợc xác định trong mục 3.2.3) trong khn kín trên phần mềm DEFORM-3D, nhằm khảo sát lực biến dạng, trƣờng ứng suất, trƣờng biến dạng của phơi trong q trình CCDF.
3.3.3. Mơ hình mơ phỏng
3.3.3.1. Mơ hình mơ hình và vật liệu
a) b) Hình 3.12. Mơ hình hình học (a) và mơ hình vật liệu (b)
Mơ hình thực là phơi có kích thƣớc (17x17x25) mm, dụng cụ gồm chày, cối. Kết cấu của mơ hình đƣợc trình bày trong hình 3.12a, và sử dụng mơ hình vật liệu nghiên cứu tƣơng đƣơng mác BT14, đƣợc xây dựng trên cơ sở số liệu của П. И. Полухин [65], nhƣ trên hình 3.12b.
3.3.3.2. Mơ hình phần tử hữu hạn
Hình 3.13. Mơ hình chia lưới phần tử phơi ép chu kỳ
Số lƣợng phần tử trong phôi xấp xỉ 50000, phần tử dạng tứ diện 4 nút (hình 3.13). Chày cối đƣợc coi nhƣ cứng tuyệt đối để tập trung vào phân tích sự biến dạng của phơi trong q trình CCDF.
3.3.3.3. Điều kiện biên và điều kiện ban đầu khi CCDF
Với vật liệu nghiên cứu là Ti-5Al-3Mo-1,5V có nhiệt độ chuyển biến pha trong khoảng (920 960) o
C, nhiệt độ phù hợp cho biến dạng nóng hợp kim này là gần với nhiệt độ chuyển biến pha, trong khoảng (850 950) o
C. Để làm cơ sở cho việc tính bền, thiết kế khn, lựa chọn thiết bị ở điều kiện lực biến dạng lớn nhất, chọn nhiệt độ cho mô phỏng là 850 oC, tốc độ ép 1 mm/s, hệ số ma sát f = 0,7 (ép ở trạng thái nóng).
3.3.3.4. Trình tự các bước mô phỏng
- Lần ép thứ nhất trong chu kỳ thực hiện ép theo trục oz; - Lần ép thứ hai trong chu kỳ thực hiện ép theo trục ox; - Lần ép thứ ba trong chu kỳ thực hiện ép theo trục oy.
3.3.4. Kết quả mô phỏng
3.3.4.1. Biến dạng của phơi trong q trình CCDF
Qua các kết quả thu đƣợc tại các bƣớc ép, cho thấy phơi bị biến dạng lớn tuy nhiên hình dáng của phơi hầu nhƣ khơng thay đổi, chỉ thay đổi kích thƣớc trên các trục. Sử dụng công cụ Flow Net dạng lƣới (Grid) để nghiên cứu sự dịch chuyển của các chất điểm trong quá trình biến dạng. Tại thời điểm bắt đầu ép của chu kỳ 1 xét một mặt cắt của phôi song song với mặt yoz (mặt màu xanh Green), khi thay đổi hƣớng ép trong một chu kỳ (hình 3.14) cho thấy mặt cắt ban đầu bị xơ lệch, biến dạng thành mặt cong có hình dáng phức tạp, các nút bị lƣới bị dịch chuyển theo các phƣơng khác nhau theo cả 3 chiều của hệ trục tọa độ.
Hình 3.14. Dịch chuyển của mặt cắt xem xét trong chu kỳ 1
Nếu xem xét trong cả 3 chu kỳ (hình 3.15) thì sự xơ lệch này diễn ra mạnh mẽ hơn, tạo ra sự giao cắt giữa các mặt trong thể tích phơi ép, mặc dù hình dạng phơi khi kết thúc hầu nhƣ khơng thay đổi. Đây chính là một cơ sở quan trọng để tạo ra tổ chức hạt có kích thƣớc hạt nhỏ mịn khi sử dụng phƣơng pháp CCDF để chuẩn bị phơi.
Hình 3.15. Sự dịch chuyển của mặt cắt xem xét trong cả 3 chu kỳ 3.3.4.2. Trường ứng suất của phôi 3.3.4.2. Trường ứng suất của phôi
Khảo sát trƣờng sự phân bố của ứng suất hiệu dụng (stress effective) khi CCDF cho thấy giá trị của ứng suất này phân bố khơng đồng đều trong thể tích phơi ép, có xu hƣớng tăng dần từ khu vực góc vật liệu bị khống chế ra vùng hƣớng chảy tự do đƣợc quy định bởi kết cấu của khn ép (hình 3.16).
Hình 3.16. Ảnh đồ phân bố ứng suất hiệu dụng cuối mỗi chu kỳ ép
Khoảng biến thiên của ứng suất trong từng lần ép của các chu kỳ tƣơng đối ổn định, giá trị lớn nhất ở các chu kỳ ép đƣợc thống kê trong bảng 3.2.
Bảng 3.2. Giá trị σmax của các trường hợp khác nhau
STT Trƣờng hợp mô phỏng ζmax (MPa)
1 Chu kỳ 1 213
2 Chu kỳ 2 216
3.3.4.3. Lực của quá trình CCDF
Khảo sát về lực để tính tốn cơng biến dạng, chọn máy ép, thiết kế chày ép đảm bảo quá trình ép đƣợc thuận lợi và kéo dài tuổi thọ khn cũng nhƣ thiết bị. Q trình mơ phỏng cho phép xác định đƣợc sự thay đổi của lực ép tác động lên chày theo các hƣớng z, x và y tƣơng ứng với các màu xanh da trời (blue), xanh lá cây (green) và màu đỏ (red) của cả ba chu kỳ, đƣợc thể hiện nhƣ trên hình 3.17. Phân tích đồ thị lực cho thấy, nhìn chung giá trị lực ép lớn nhất theo các hƣớng khác nhau khá ổn định trong tổng thời gian ép là 72 giây, riêng chu kỳ ép số 1 có một vài điểm bất thƣờng, lực có vọt tăng lên nhƣng khơng đáng kể.
Hình 3.17. Giá trị lực ép của các bước ép theo 3 chu kỳ
Dựa vào giá trị lực lớn nhất cho phép xác định đƣợc lực công nghệ cần thiết và là cơ sở để lựa chọn thiết bị ép, giá trị lực ép lớn nhất của các lần ép đƣợc tổng hợp trong bảng 3.3.
Bảng 3.3. Giá trị lực ép lớn nhất ở mỗi lần ép STT Trƣờng hợp mô phỏng Pmax (T) STT Trƣờng hợp mô phỏng Pmax (T) 1 Ép một chu kỳ Lần ép 1 (trục Z) 10,2 Lần ép 2 (trục X) 8,1 Lần ép 3 (trục Y) 8,57 2 Ép hai chu kỳ Lần ép 4 (trục Z) 7,35 Lần ép 5 (trục X) 7,16 Lần ép 6 (trục Y) 7,33 3 Ép ba chu kỳ Lần ép 7 (trục Z) 7,48 Lần ép 8 (trục X) 7,66 Lần ép 9 (trục Y) 7,7
Qua các giá trị lực ép lớn nhất thu đƣợc cho thấy, giá trị này có sự thay đổi ở mỗi lần ép tuy nhiên dao động từ 7 đến 10 tấn. Nhƣ vậy, căn cứ vào các tiêu chí tổng hợp (biến dạng, ứng suất, lực ép) để có thể lựa chọn đƣợc thơng số mơ phỏng sao cho hợp lý, hiệu quả, phục vụ hữu ích, định hƣớng cho quá trình thực nghiệm.
3.4. Chuẩn bị nội dung thực nghiệm
3.4.1. Mục đích và vật liệu thực nghiệm
3.4.1.1. Mục đích
- Nghiên cứu sự thay đổi cấu trúc và cơ tính của hợp kim khi biến dạng ở các chế độ công nghệ khác nhau.
- Xác định chế độ công nghệ thích hợp để tạo ra cấu trúc nhỏ mịn đáp ứng cho công nghệ biến dạng siêu dẻo.
3.4.1.2. Vật liệu thực nghiệm
Vật liệu nghiên cứu thực nghiệm là hợp kim Ti-5Al-3Mo-1,5V đƣợc sản xuất trong nƣớc là sản phẩm của đề tài cấp Nhà nƣớc mã số KC.02.01/11-15 “Nghiên cứu công nghệ chế tạo hợp kim titan ứng dụng trong công nghiệp
- Thành phần của vật liệu thí nghiệm đƣợc trình bày trong bảng 3.4 (có báo cáo kết quả thử nghiệm tại phụ lục 1).
Bảng 3.4. Thành phần hóa học của hợp kim Ti-5Al-3Mo-1,5V
Al Mo V Zr Si Fe O N Ti
5,36 3,27 1,54 0,30 0,045 0,152 0,037 0,015 Còn lại
Vật liệu này dùng để chế tạo một số chi tiết trong tên lửa PKTT đó là: cốc đáy động cơ hành trình, thân nguồn mặt đất, động cơ điều khiển khí thuốc, nắp động cơ điều khiển khí thuốc…
- Tổ chức tế vi của hợp kim thí nghiệm thể hiện ở hình 3.18. Phơi ban đầu là phôi đúc, quan sát ảnh tổ chức kim tƣơng cho thấy cỡ hạt thơ (>300 µm).
Hình 3.18. Ảnh kim tương mẫu ban đầu X100
- Cơ tính của phơi ban đầu: b = (920 950) MPa; δ5 = (10 14) %; độ
cứng trung bình 320 HB.
3.4.2. Nội dung thực nghiệm
Với mục đích nhƣ đã nêu trong 3.4.1.1, nội dung thực nghiệm bao gồm: - Thực nghiệm để nhận đƣợc cấu trúc nhỏ mịn cho hợp kim.
3.4.3. Phương pháp sử dụng để nghiên cứu
Với các nội dung đặt ra nhƣ trên, luận án đã sử dụng các phƣơng pháp: - Lựa chọn phƣơng pháp ép chu kỳ trong khn kín để tạo ra cấu trúc nhỏ mịn cho hợp kim. Phƣơng pháp này phù hợp với điều kiện thiết bị của phịng thí nghiệm Bộ mơn GCAL/Học viện KTQS và khả năng áp dụng triển khai tại các nhà máy của Tổng cục CNQP.
- Sử dụng phƣơng pháp thử kéo, thử độ cứng ở nhiệt độ thƣờng trên thiết bị kéo nén tại Trung tâm Đo lƣờng/Viện Cơng nghệ/Tổng cục CNQP.
- Để tối ƣu hóa các thơng số cơng nghệ, luận án sử dụng phƣơng pháp Quy hoạch thực nghiệm nhằm nghiên cứu một cách tổng thể sự tác động đồng thời của các thông số nhiệt độ, mức độ biến dạng tới quá trình ép chu kỳ trong khn kín hợp kim, qua đó cho phép xử lý các kết quả thu đƣợc và đánh giá mức độ ảnh hƣởng của từng yếu tố đến chỉ tiêu cần khảo sát.
3.5. Thực nghiệm xác định chế độ làm nhỏ hạt vật liệu
3.5.1. Lựa chọn các thơng số nghiên cứu
Đối với biến dạng nóng nói chung, các yếu tố cơng nghệ chính có ảnh hƣởng đến cơ-lý tính của sản phẩm cần phải kể tới là nhiệt độ biến dạng, mức