Hợp kim titan chiếm khoảng 18 % khối lƣợng thân vỏ tàu Mercury. Trong tàu vũ trụ Gemini hợp kim titan dùng chế tạo các chi tiết với tổng khối lƣợng 545 kg (bệ, vật liệu phủ hai lớp, bình chịu áp cao). Titan cũng đƣợc dùng trong kết cấu của khoang chuyên dụng tàu “Appolo”. Thiết bị vũ trụ dùng cho việc di chuyển trên mặt trăng đƣợc lắp thêm những khoang làm từ hợp kim titan. Từ hợp kim titan ngƣời ta cũng chế tạo vỏ của những vệ tinh nhân tạo. Trong kỹ thuật tên lửa, hàng không vũ trụ ngày nay đã sử dụng (75
80) % tổng sản lƣợng của hợp kim titan [2].
Hợp kim titan biến dạng mác BT14 thuộc hệ Ti-Al-V-Mo. Ở trạng thái ủ tổ chức của chúng gồm hai pha và . Do có nguyên tố hợp kim Mo nên
nhƣ hợp kim Ti-6Al-4V, đặc biệt là các ứng dụng của nó trong kỹ thuật tên lửa và trong lĩnh vực y tế [46, 47, 48]. Các nghiên cứu về hợp kim titan nói chung trong đó có các mác hợp kim biến dạng hệ Ti-Al-V-Mo vẫn đang đƣợc tiếp tục theo các hƣớng nâng cao độ bền, độ dẻo của hợp kim này trên cơ sở tạo ra các tổ chức tế vi của hợp kim tới mức siêu mịn thậm trí đạt kích thƣớc nano theo công nghệ biến dạng mãnh liệt SPD.
Nhƣ vậy, hợp kim titan đƣợc nghiên cứu sử dụng trong các khối, cụm chi tiết đặc biệt quan trọng của tên lửa phịng khơng tầm thấp. Đó là các chi tiết địi hỏi có độ chính xác cao, khả năng chịu lực lớn, khả năng chống ăn mòn tốt; các chi tiết hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt của nhiệt độ và áp suất, trong khi yêu cầu khối lƣợng phải nhỏ.
1.2.2.2. Tình hình nghiên cứu về hợp kim titan ở Việt Nam
Việt Nam là nƣớc có trữ lƣợng quặng titan lớn cần phải khai thác, nấu luyện và sử dụng titan một cách hiệu quả. Năm 2013, Thủ tƣớng chính phủ đã phê duyệt quy hoạch phân vùng thăm dò, khai thác, chế biến và sử dụng quặng titan giai đoạn đến năm 2020, có xét tới năm 2030 (Quyết định số
1546/QĐ-TTg ngày 03 tháng 9 năm 2013). Đến nay, mặc dù chúng ta chƣa
sản xuất đƣợc titan ở mức độ công nghiệp, xong nhận thức rõ tầm quan trọng của kim loại này trong tƣơng lai nên thời gian qua cũng đã xuất hiện những cơng trình nghiên cứu của các nhà khoa học về vật liệu này. Đã có các cơng trình nghiên cứu liên quan đến vấn đề nấu luyện, tạo phơi có tổ chức hạt siêu nhỏ mịn:
- Đề tài cấp Nhà nƣớc KC.02-15A: “Nghiên cứu hồn thiện cơng nghệ sản xuất xỉ titan”, chủ nhiệm đề tài kỹ sƣ Cao Văn Hồng - Viện nghiên cứu Mỏ và Luyện kim. Kết quả nghiên cứu của đề tài góp phần mở ra triển vọng sản xuất xỉ titan từ nguyên liệu trong nƣớc cung cấp cho công nghiệp sản xuất que hàn Việt Nam.
- Đề tài KH&CN cấp Nhà nƣớc “Nghiên cứu chế tạo hợp kim titan y sinh cấy ghép trong cơ thể ngƣời”, mã số KC.02.05/11-15, chủ nhiệm đề tài ThS. Nguyễn Tiến Tài - Viện Công nghệ, Bộ Công Thƣơng, đã bƣớc đầu thành công trong việc chế tạo 2 mác hợp kim titan y sinh là Ti-6A1-7Nb và Ti-5Al-2,5Fe bằng lị cảm ứng chân khơng. Qua khảo sát, đánh giá cho thấy, 2 hợp kim này đạt đƣợc các thông số cơ bản nhƣ độ bền kéo, mô đun đàn hồi... theo tiêu chuẩn ISO 5832-10 và ISO 5832-11.
- Đề tài hợp tác quốc tế với Viện KIMM (Korean Institute of Machinery and Materials), mã số T2007-61 “Nghiên cứu quá trình ép titan trong kênh gấp khúc có tiết diện không đổi nhằm tạo cấu trúc Nano”, chủ nhiệm đề tài GS.TS Đỗ Minh Nghiệp - Đại học Bách khoa Hà Nội.
- Đề tài “Nghiên cứu thăm dị cơng nghệ nấu luyện hợp kim titan ứng dụng trong chế tạo vũ khí và ngành y”, chủ nhiệm đề tài TS. Nguyễn Tài Minh - Viện Công nghệ, Tổng cục CNQP (năm 2004).
- Đề tài cấp Nhà nƣớc, mã số KC.02.01/11-15 “Nghiên cứu công nghệ chế tạo hợp kim titan ứng dụng trong cơng nghiệp Quốc phịng", chủ nhiệm đề tài TS Nguyễn Tài Minh - Viện Công nghệ, Tổng cục CNQP. Đây là đề tài đƣợc mở năm 2011 nhằm chế tạo một số mác hợp kim titan để chế thử một số chi tiết của tên lửa PKTT nhƣ: cốc các đăng và thân con quay trong đầu tự dẫn đƣợc làm bằng hợp kim titan BT5 (hình 1.6-a,b); đáy động cơ hành trình tên lửa PKTT và ống lồng nguồn mặt đất (hình 1.6-c,d) đƣợc chế tạo bằng hợp kim titan BT14.
a) b) c) d)
Hình 1.6. Cốc các đăng (a); Thân con quay (b); Đáy động cơ hành trình (c) và Ống lồng nguồn mặt đất (d) trong tên lửa PKTT
Kết quả đề tài đã nấu luyện đƣợc 02 mác hợp kim BT5 và Ti-5Al-3Mo- 1,5V và dùng để chế thử bốn loại chi tiết là cốc các đăng, thân con quay, đáy động cơ hành trình và ống lồng. Tuy nhiên các chi tiết này chủ yếu đƣợc gia công bằng cắt gọt, chƣa khai thác đƣợc nhiều công nghệ biến dạng tạo hình nhằm tăng hệ số sử dụng vật liệu, nâng cao cơ tính sản phẩm.
Hiện nay ở trong nƣớc, vấn đề nghiên cứu về biến dạng siêu dẻo của vật liệu nói chung và hợp kim titan nói riêng thì chƣa có cơng trình nào đƣợc thực hiện. Tuy nhiên, đã có các cơng trình nghiên cứu về vấn đề này do các tác giả Việt Nam làm nghiên cứu sinh tại nƣớc ngoài: luận án tiến sĩ của tác giả Đinh Văn Phong, nghiên cứu biến dạng hợp kim BT3-1, BT8 thực hiện tại Tiệp Khắc (năm 1989); Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Trƣờng An, nghiên cứu về biến dạng tạo hình siêu dẻo các chi tiết dạng vỏ hộp với họa tiết trang trí từ hợp kim nhơm có tổ chức hạt nhỏ mịn, thực hiện tại Liên Bang Nga (năm 2009); Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Xuân Dũng, nghiên cứu về mơ hình hóa q trình cơng nghệ tạo hình siêu dẻo chi tiết dạng vỏ hộp từ hợp kim titan hai pha, thực hiện tại Liên Bang Nga (năm 2014).
1.3. Những vấn đề nghiên cứu đặt ra
Hợp kim titan có rất nhiều chủng loại với những tính chất khác nhau. Do có những tính chất ƣu việt nhƣ độ bền riêng cao, khả năng làm việc ở nhiệt độ cao… nên chúng ngày càng đƣợc ƣu tiên sử dụng. Tuy nhiên, do là vật liệu đắt tiền lại khó gia cơng nên mức độ sử dụng chúng phụ thuộc rất nhiều vào kết quả nghiên cứu về mặt vật liệu và các chế độ cơng nghệ thích hợp. Trong lĩnh vực GCAL, hợp kim titan thuộc loại khó biến dạng và rất dễ bị oxy hóa khi nung nóng, do vậy mọi nghiên cứu đều hƣớng đến nâng cao khả năng biến dạng dẻo cho hợp kim nhằm giảm thiểu số lần nung và tạo hình đƣợc những chi tiết có hình dạng phức tạp. Cũng nhƣ các hợp kim titan khác, hợp kim Ti- 5Al-3Mo-1,5V là hợp kim lần đầu tiên đƣợc nấu luyện trong nƣớc phục vụ
cho mục đích Quốc phịng cần đƣợc nghiên cứu để xác định các chỉ tiêu về cơ tính và xây dựng các bộ thơng số cơng nghệ phục vụ cho q trình gia cơng chi tiết. Do vậy những vấn đề đặt ra cho nghiên cứu đối với hợp kim Ti-5Al- 3Mo-1,5V này là:
- Nghiên cứu, lựa chọn phƣơng pháp để tạo ra tổ chức thích hợp cho hợp kim đáp ứng điều kiện biến dạng siêu dẻo khi biến dạng tạo hình.
- Xác định chế độ cơng nghệ GCAL thích hợp để làm xuất hiện hiệu ứng siêu dẻo trong hợp kim nghiên cứu và tối ƣu hóa các thơng số cơng nghệ đó để nhận đƣợc mức độ biến dạng siêu dẻo của hợp kim lớn nhất.
- Nghiên cứu sự thay đổi cơ tính của hợp kim khi thay đổi các chế độ công nghệ.
1.4. Kết luận chƣơng 1
Titan và hợp kim của nó có nhiều các tính chất ƣu việt: độ bền riêng cao, tính bền nhiệt và tính chịu ăn mịn hóa học vƣợt trội, vì vậy nó ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi, đặc biệt trong lĩnh vực hàng không, vũ trụ.
Chƣơng 1, qua việc tổng quan về tính cơng nghệ của hợp kim titan cho thấy, hầu hết ở nhiệt độ thƣờng chúng khó biến dạng. Nhiệt độ và tốc độ biến dạng có ảnh hƣởng lớn tới khả năng biến dạng dẻo của chúng. Khi nghiên cứu về ảnh hƣởng của các thơng số này có thể đề xuất chế độ biến dạng thích hợp cho hợp kim titan. Thời gian gần đây, hiện tƣợng siêu dẻo đã trở thành mối quan tâm của nhiều nhà khoa học, đã có nhiều cơng trình cơng bố các kết quả nghiên cứu về nhiều khía cạnh khác nhau của hiện tƣợng siêu dẻo. Các hợp kim titan thuộc loại vật liệu có khả năng xuất hiện hiệu ứng siêu dẻo khi có điều kiện biến dạng thích hợp. Để tạo đƣợc điều kiện phù hợp cho biến dạng siêu dẻo, cần thiết phải nghiên cứu những vấn đề lý thuyết liên quan, nhất là ảnh hƣởng của cấu trúc tới sự xuất hiện siêu dẻo của các hợp kim này.
Chƣơng 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT SIÊU DẺO 2.1. Phƣơng trình biểu diễn trạng thái siêu dẻo của vật liệu
Trong biến dạng dẻo, ứng suất chảy phụ thuộc vào các yếu tố chính là nhiệt độ biến dạng (T); tốc độ biến dạng (̇) và mức độ biến dạng (). Do đó có thể biểu diễn:
ζ = f(, ̇ T) (2.1)
Thơng thƣờng q trình biến dạng siêu dẻo đƣợc thực hiện ở điều kiện đẳng nhiệt, khi đó phƣơng trình (2.1) có dạng:
ζ = f(, ̇) (2.2) Sự phụ thuộc giữa ứng suất, mức độ biến dạng và tốc độ biến dạng theo [57] có thể biểu diễn:
dζ = d + ̇ḋ (2.3) Lực biến dạng đƣợc xác định:
P = ζ.F (2.4) F - diện tích tiết diện ngang của mẫu.
Do đó sự thay đổi lực theo thời gian sẽ là:
̇ = ̇F + ̇ζ (2.5) Nếu lấy (2.3) chia cho dt sẽ thu đƣợc:
̇ = ̇+ ̇̈ (2.6) Trong công thức trên:
̇ = ̇ = - ̇ (2.7) ̈ = ̈ - ( ̇ )2 = - ̈ + ( ̇)2 (2.8)
Trong đó: l - chiều dài mẫu.
̇
= ̇
+ ̇
(2.9)
Thay các giá trị từ (2.6; 2.7; 2.8) vào (2.9) ta thu đƣợc:
̇ = - ̇ (1 - + m ) + m ̈ ̇ (2.10) Với: = ( ) (2.11) m = ( ̇ ) ̇ (2.12) Thay các giá trị ; ̇ từ ( 2.6) vào hai phƣơng trình trên ta thu đƣợc:
= (dζ - ̇ḋ ) (2.13) Nếu nhƣ thành phần thứ hai của (2.13) bằng không (vật liệu không nhạy cảm với tốc độ biến dạng), ta sẽ có:
= = (2.14) Trong công thức trên: n - hệ số biến cứng
n =
(2.15)
Chỉ số n đặc trƣng cho mức độ biến cứng của vật liệu khi thay đổi mức độ biến dạng ở tốc độ biến dạng không đổi. Tƣơng tự, thay ̇ từ công thức (2.6) vào (2.12) ta có:
m = ̇ (dζ - (2.16)
Nếu vật liệu biến dạng không xảy ra biến cứng thì thành phần thứ hai của phƣơng trình (2.16) bằng khơng. Khi đó ta thu đƣợc:
m = ̇ (2.17)
Hệ số m biểu thị độ nhạy cảm của ứng suất tới tốc độ biến dạng. Nếu sử dụng mối quan hệ của biểu thức (2.15) và (2.17), có thể biểu diễn giá trị của ứng suất khi biến dạng dẻo:
ζ = const.ṅm
(2.18) Nếu để ý tới đặc điểm khi biến dạng trong điều kiện siêu dẻo vật liệu khơng biến cứng (n → 0) thì phƣơng trình (2.18) có thể viết:
ζ = const.̇m
(2.19) Đây là phƣơng trình biểu diễn trạng thái siêu dẻo và hệ số m là độ nhạy cảm của ứng suất với tốc độ biến dạng của vật liệu.
Bằng phép biến đổi toán học từ các phƣơng trình (2.7) và (2.19) ta thu đƣợc biểu thức về tốc độ thay đổi tiết diện của mẫu nhƣ sau:
- = ( ( ) (2.20)
Phƣơng trình ( 2.20) biểu diễn bằng đồ thị theo [57] có dạng: