Ảnh hưởng của Xử Lý Nhiệt đến Tổ Chức Tế Vi và Cơ Tính Mối Hàn Ti-TiAl6V4 (TIG)

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH

1. MỞ ĐẦU

1.1. Tính cấp thiết của luận án

1.2. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án

1.3. Những đóng góp mới của luận án

1.4. Ý nghĩa khoa học

1.5. Ý nghĩa thực tiễn

1.6. Bố cục của luận án

2. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ HÀN

2.1. Tổng quan về Titan và hợp kim TiAl6V4

2.2. Titan và phân loại hợp kim Titan

2.3. Hợp kim TiAl6V4

2.4. Tổng quan về công nghệ hàn

2.5. Khái niệm chung về hàn

2.6. Các công nghệ hàn Ti

2.7. Hàn TIG Titan và hợp kim Titan

2.8. Các nghiên cứu trên thế giới về hàn Titan và hợp kim Titan

2.9. Ảnh hưởng của các phương pháp hàn tới sự thay đổi tổ chức và tính chất mối hàn

2.10. Sự thay đổi tổ chức của mối hàn hai vật liệu khác loại Ti - TiAl6V4

2.11. Sự thay đổi thành phần và khuếch tán của các nguyên tố hợp kim trong mối hàn hợp kim Ti

2.12. Ảnh hưởng của xử lý nhiệt sau hàn tới tổ chức và tính chất của mối hàn hợp kim Ti

2.13. Các nghiên cứu ở Việt Nam về Titan và hàn Titan

2.14. Vấn đề luận án hướng tới giải quyết

3. TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN PHA VÀ SỰ THAY ĐỔI TỔ CHỨC KHI XỬ LÝ NHIỆT MỐI HÀN Ti VÀ HỢP KIM Ti

3.1. Tổ chức tế vi mối hàn TIG Ti - TiAl6V4

3.2. Chuyển pha trong Ti và hợp kim Ti khi nung và làm nguội

3.3. Chuyển pha trong Ti khi nung và làm nguội

3.4. Chuyển pha trong hợp kim Ti khi nung và làm nguội

3.5. Động học chuyển pha

3.6. Các cơ chế hóa bền khi xử lý nhiệt mối hàn Ti - TiAl6V4

3.7. Công nghệ xử lý nhiệt mối hàn Ti - TiAl6V4

3.8. Mục đích xử lý nhiệt mối hàn và các công nghệ cơ bản xử lý nhiệt mối hàn

4. THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

4.1. Nội dung nghiên cứu

4.2. Vật liệu và chuẩn bị mẫu hàn

4.2.1. Vật liệu hàn

4.2.2. Chuẩn bị mẫu hàn

4.3. Chế độ xử lý nhiệt mối hàn

4.4. Các phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng của của xử lý nhiệt tới tổ chức và tính chất mối hàn

4.4.1. Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử

4.4.2. Phương pháp hiển vi quang học

4.4.3. Phương pháp hiển vi điện tử quét

4.4.4. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua

4.4.5. Phương pháp phổ nguyên tố phân tán năng lượng

4.4.6. Phương pháp nhiễu xạ tia Rơnghen

4.4.7. Các phương pháp kiểm tra cơ tính

4.4.7.1. Xác định giới hạn bền kéo

5. ẢNH HƯỞNG CỦA XỬ LÝ NHIỆT ĐẾN TỔ CHỨC TẾ VI VÀ PHÂN BỐ NGUYÊN TỐ HỢP KIM TRONG MỐI HÀN Ti - TiAl6V4

5.1. Tổ chức tế vi mối hàn sau hàn

5.2. Tổ chức tế vi mối hàn sau xử lý nhiệt

5.2.1. Tổ chức tế vi sau ủ

5.2.2. Tổ chức tế vi sau tôi

5.2.3. Tổ chức tế vi sau hóa già

5.3. Phân tích pha mối hàn bằng nhiễu xạ Rơnghen

6. ẢNH HƯỞNG CỦA XỬ LÝ NHIỆT ĐẾN CƠ TÍNH MỐI HÀN Ti - TiAl6V4

6.1. Độ cứng tế vi

6.1.1. Mẫu sau hàn

6.1.2. Mẫu sau ủ ở 900 oC, giữ nhiệt 2 giờ và nguội cùng lò

6.1.3. Mẫu sau tôi ở 900 oC, giữ nhiệt 2 giờ và nguội trong nước

6.1.4. Mẫu sau hóa già ở các chế độ khác nhau

6.2. Giới hạn bền kéo và độ giãn dài

6.3. Tối ưu hóa thông số công nghệ bằng chỉ tiêu cơ tính

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA LUẬN ÁN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

I. Tổng Quan Ảnh Hưởng Xử Lý Nhiệt Ti TiAl6V4 TIG đến Tính Chất

Titan và hợp kim titan, đặc biệt là Ti-TiAl6V4, ngày càng được ứng dụng rộng rãi nhờ các ưu điểm vượt trội như trọng lượng nhẹ, độ bền cao, khả năng chống ăn mòn tốt và tương thích sinh học cao. Trong nhiều ứng dụng kết cấu, vật liệu này đòi hỏi sự kết hợp của nhiều tính chất đặc biệt mà các hợp kim khác khó đáp ứng. Hàn TIG là một trong những phương pháp phổ biến để tạo liên kết giữa các chi tiết Ti-TiAl6V4. Tuy nhiên, quá trình hàn thường gây ra những thay đổi đáng kể về tổ chức tế vi và cơ tính của mối hàn. Do đó, xử lý nhiệt sau hàn Ti-TiAl6V4 đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện và tối ưu hóa các tính chất này. Nghiên cứu này tập trung vào việc khảo sát ảnh hưởng của xử lý nhiệt đến tổ chức tế vi mối hàn Ti-TiAl6V4 và cơ tính mối hàn Ti-TiAl6V4, nhằm cung cấp cơ sở khoa học cho việc lựa chọn chế độ xử lý nhiệt phù hợp. Theo tài liệu gốc, “Ảnh hưởng của xử lý nhiệt đến sự hình thành tổ chức tế vi và cơ tính mối hàn Ti - TiAl6V4 bằng phương pháp hàn TIG” là vấn đề cốt lõi.

1.1. Tổng quan vật liệu Titanium Alloy TiAl6V4 Ưu điểm và Ứng Dụng

Titanium Alloy TiAl6V4 nổi bật với tỷ lệ độ bền trên trọng lượng cao, khả năng chống ăn mòn xuất sắc và khả năng tương thích sinh học, từ đó mở ra những ứng dụng quan trọng trong ngành hàng không vũ trụ, y tế và nhiều lĩnh vực công nghiệp khác. Khối lượng riêng thấp, khoảng 4.5 g/cm3, kết hợp với độ bền cao ngay cả ở nhiệt độ lên đến 600°C, khiến TiAl6V4 trở thành lựa chọn hàng đầu cho các ứng dụng đòi hỏi hiệu suất và độ tin cậy cao. Ưu điểm về khả năng chống ăn mòn trong nhiều môi trường khác nhau và khả năng tương thích sinh học tuyệt vời còn mở ra cơ hội ứng dụng trong y sinh học, như cấy ghép và dụng cụ phẫu thuật.

1.2. Giới thiệu quy trình hàn TIG Titanium Ưu điểm và Hạn chế

Hàn TIG (Tungsten Inert Gas) là quy trình hàn hồ quang với khí bảo vệ, sử dụng điện cực vonfram không nóng chảy để tạo hồ quang giữa điện cực và vật hàn, với khí trơ như argon hoặc helium bảo vệ mối hàn khỏi ôxy hóa. Ưu điểm của hàn TIG bao gồm khả năng kiểm soát nhiệt tốt, tạo ra mối hàn chất lượng cao, sạch sẽ, và phù hợp với nhiều loại kim loại, đặc biệt là titanium và hợp kim của nó. Tuy nhiên, hàn TIG có tốc độ hàn chậm hơn so với một số quy trình khác, và đòi hỏi kỹ năng cao từ người thợ hàn để đảm bảo chất lượng mối hàn, đặc biệt là trong việc kiểm soát nhiệt độ và ngăn chặn sự ô nhiễm từ môi trường.

II. Tại Sao Xử Lý Nhiệt Sau Hàn Ti TiAl6V4 TIG Lại Quan Trọng

Quá trình hàn TIG có thể gây ra những thay đổi đáng kể về tổ chức tế vi và sự phân bố ứng suất trong mối hàn Ti-TiAl6V4. Nhiệt độ cao trong quá trình hàn có thể dẫn đến sự hình thành các cấu trúc không mong muốn như mactensit hoặc Widmanstatten, làm giảm độ bền và độ dẻo của mối hàn. Ứng suất dư cũng là một vấn đề nghiêm trọng, có thể gây ra biến dạng, nứt hoặc giảm tuổi thọ của chi tiết hàn. Xử lý nhiệt sau hàn Ti-TiAl6V4 có thể giải quyết các vấn đề này bằng cách điều chỉnh tổ chức tế vi, giảm ứng suất dư và cải thiện cơ tính của mối hàn. Các phương pháp xử lý nhiệt phổ biến bao gồm ủ, tôi và hóa già, mỗi phương pháp có những ưu điểm và hạn chế riêng, tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng. “Xử lý nhiệt sau hàn tới tổ chức và tính chất của mối hàn hợp kim Ti” là một khía cạnh then chốt để tối ưu hóa hiệu suất.

2.1. Ảnh hưởng của hàn TIG đến tổ chức tế vi mối hàn Ti TiAl6V4

Quá trình hàn TIG gây ra những biến đổi lớn trong cấu trúc kim loại tại vùng mối hàn và vùng lân cận do tác động nhiệt đáng kể. Nhiệt độ cao trong quá trình hàn có thể dẫn đến sự hình thành các cấu trúc không cân bằng, như mactensit hoặc cấu trúc Widmanstatten, đặc biệt khi làm nguội nhanh. Các cấu trúc này thường làm giảm độ dẻo và độ bền của mối hàn. Ngoài ra, sự phân bố lại các nguyên tố hợp kim cũng có thể xảy ra, tạo ra các vùng có thành phần hóa học khác biệt, ảnh hưởng đến cơ tính tổng thể của mối hàn.

2.2. Ứng suất dư và biến dạng mối hàn Nguy cơ tiềm ẩn sau hàn TIG Ti TiAl6V4

Ứng suất dư là một trong những vấn đề nghiêm trọng sau quá trình hàn TIG, phát sinh do sự co ngót không đều của kim loại trong quá trình làm nguội. Ứng suất dư có thể gây ra biến dạng cho chi tiết hàn, làm giảm độ bền mỏi và khả năng chống ăn mòn, thậm chí gây nứt mối hàn trong điều kiện khắc nghiệt. Vì vậy, việc kiểm soát và giảm thiểu ứng suất dư là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng và độ tin cậy của sản phẩm hàn.

III. Bí Quyết Phương Pháp Ủ Mối Hàn Ti TiAl6V4 TIG Tối Ưu Hóa Cơ Tính

Ủ là một phương pháp xử lý nhiệt được sử dụng rộng rãi để giảm ứng suất dư và cải thiện độ dẻo của mối hàn Ti-TiAl6V4. Quá trình ủ thường được thực hiện ở nhiệt độ cao (ví dụ 900°C), sau đó làm nguội chậm để đạt được tổ chức tế vi cân bằng. Ủ có thể làm giảm hoặc loại bỏ các cấu trúc không mong muốn như mactensit, đồng thời thúc đẩy sự khuếch tán của các nguyên tố hợp kim, tạo ra một tổ chức tế vi đồng nhất hơn. Tuy nhiên, ủ cũng có thể làm giảm độ bền của mối hàn, do đó cần phải lựa chọn chế độ ủ phù hợp để đạt được sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo. “Tổ chức tế vi mối hàn sau ủ” là một yếu tố quan trọng trong việc đánh giá hiệu quả của quá trình.

3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ ủ đến tổ chức tế vi mối hàn Ti TiAl6V4

Nhiệt độ ủ là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến quá trình tái kết tinh và sự phát triển hạt trong mối hàn Ti-TiAl6V4. Nhiệt độ ủ quá thấp có thể không đủ để giảm ứng suất dư và loại bỏ các cấu trúc không cân bằng. Ngược lại, nhiệt độ ủ quá cao có thể làm tăng kích thước hạt, dẫn đến giảm độ bền của vật liệu. Do đó, việc lựa chọn nhiệt độ ủ phù hợp là rất quan trọng để đạt được sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo.

3.2. Tối ưu hóa thời gian giữ nhiệt khi ủ Ti TiAl6V4 để cải thiện độ dẻo

Thời gian giữ nhiệt trong quá trình ủ cũng đóng vai trò quan trọng, cho phép các nguyên tử có đủ thời gian để khuếch tán và tạo thành các cấu trúc cân bằng. Thời gian giữ nhiệt quá ngắn có thể không đủ để hoàn thành quá trình tái kết tinh, trong khi thời gian giữ nhiệt quá dài có thể dẫn đến sự phát triển quá mức của hạt. Việc tối ưu hóa thời gian giữ nhiệt, kết hợp với nhiệt độ ủ phù hợp, sẽ giúp cải thiện đáng kể độ dẻo và khả năng gia công của mối hàn.

3.3. Tốc độ nguội sau ủ Ảnh hưởng đến ứng suất dư và tổ chức tế vi

Tốc độ nguội sau quá trình ủ cũng có ảnh hưởng đáng kể đến tổ chức tế vi và ứng suất dư còn lại trong mối hàn. Làm nguội chậm thường được ưu tiên để giảm thiểu ứng suất dư, nhưng có thể dẫn đến sự phát triển của các pha không mong muốn. Ngược lại, làm nguội nhanh có thể giữ lại các pha ở nhiệt độ cao, nhưng lại làm tăng ứng suất dư. Do đó, việc kiểm soát tốc độ nguội là rất quan trọng để đạt được tổ chức tế vi và cơ tính mong muốn.

IV. Hướng Dẫn Phương Pháp Tôi và Hóa Già Ti TiAl6V4 TIG Tăng Độ Bền

Tôi và hóa già là hai phương pháp xử lý nhiệt thường được sử dụng kết hợp để tăng độ bền của mối hàn Ti-TiAl6V4. Quá trình tôi thường được thực hiện bằng cách nung nóng vật liệu đến nhiệt độ cao (ví dụ 900°C) và sau đó làm nguội nhanh (ví dụ trong nước) để tạo ra cấu trúc mactensit. Cấu trúc mactensit có độ bền cao nhưng lại giòn. Hóa già là quá trình nung nóng vật liệu đã tôi đến nhiệt độ thấp hơn (ví dụ 500°C) trong một thời gian nhất định, để cho phép các pha thứ hai kết tủa, làm tăng thêm độ bền của vật liệu mà không làm giảm quá nhiều độ dẻo. Việc lựa chọn chế độ tôi và hóa già phù hợp là rất quan trọng để đạt được sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo.

4.1. Nhiệt độ tôi Yếu tố quyết định tổ chức mactensit trong mối hàn Ti TiAl6V4

Nhiệt độ tôi có ảnh hưởng trực tiếp đến lượng và tính chất của mactensit được hình thành trong quá trình làm nguội nhanh. Nhiệt độ tôi quá thấp có thể không đủ để chuyển đổi hết các pha, trong khi nhiệt độ tôi quá cao có thể dẫn đến sự phát triển hạt lớn và giảm độ bền. Do đó, việc kiểm soát nhiệt độ tôi là rất quan trọng để đạt được cấu trúc mactensit mịn và đồng nhất, đảm bảo độ bền cao cho mối hàn.

4.2. Thời gian hóa già Tối ưu hóa độ bền và độ dẻo của Ti TiAl6V4 sau tôi

Thời gian hóa già là yếu tố quan trọng trong việc kiểm soát kích thước và sự phân bố của các pha thứ hai kết tủa trong quá trình xử lý nhiệt. Thời gian hóa già quá ngắn có thể không đủ để các pha này kết tủa, trong khi thời gian hóa già quá dài có thể dẫn đến sự lớn lên của các hạt kết tủa, làm giảm độ bền. Việc tối ưu hóa thời gian hóa già sẽ giúp đạt được sự cân bằng tốt nhất giữa độ bền và độ dẻo.

4.3. Ảnh hưởng của Nhiệt độ hóa già đến phân bố nguyên tố hợp kim trong Ti TiAl6V4

Nhiệt độ hóa già ảnh hưởng đến tốc độ khuếch tán của các nguyên tố hợp kim, quyết định sự phân bố của chúng trong ma trận kim loại. Nhiệt độ hóa già quá thấp có thể làm chậm quá trình khuếch tán, trong khi nhiệt độ quá cao có thể dẫn đến sự kết tụ của các nguyên tố hợp kim, tạo ra các vùng không đồng nhất về thành phần. Kiểm soát nhiệt độ hóa già là yếu tố then chốt để tạo ra sự phân bố đồng đều của các nguyên tố hợp kim, đảm bảo tính chất cơ học đồng nhất cho vật liệu.

V. Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Xử Lý Nhiệt Đến Tổ Chức Tế Vi Mối Hàn TiAl6V4

Nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của xử lý nhiệt đến tổ chức tế vi của mối hàn TiAl6V4 cho thấy sự thay đổi đáng kể về cấu trúc sau các phương pháp ủ, tôi và hóa già. Tổ chức tế vi sau ủ thường đồng nhất hơn, với kích thước hạt lớn hơn so với sau hàn. Tổ chức tế vi sau tôi thường có cấu trúc mactensit mịn, với độ cứng cao. Tổ chức tế vi sau hóa già có thể có sự xuất hiện của các pha thứ hai, làm tăng thêm độ bền của vật liệu. Các nghiên cứu này cung cấp cơ sở dữ liệu quan trọng cho việc lựa chọn chế độ xử lý nhiệt phù hợp với từng ứng dụng cụ thể.

5.1. Phân tích nhiễu xạ Rơnghen XRD về pha hình thành sau xử lý nhiệt Ti TiAl6V4

Phân tích nhiễu xạ Rơnghen (XRD) là một phương pháp quan trọng để xác định các pha tinh thể có mặt trong vật liệu sau quá trình xử lý nhiệt. Dữ liệu XRD có thể cung cấp thông tin chi tiết về cấu trúc tinh thể, kích thước hạt và các biến dạng mạng tinh thể. Từ đó, giúp hiểu rõ hơn về các biến đổi pha xảy ra trong quá trình xử lý nhiệt và ảnh hưởng của chúng đến cơ tính của vật liệu.

5.2. Kiểm tra độ cứng tế vi Đánh giá ảnh hưởng xử lý nhiệt đến Ti TiAl6V4

Kiểm tra độ cứng tế vi là phương pháp hiệu quả để đánh giá sự thay đổi cơ tính cục bộ của vật liệu sau khi xử lý nhiệt. Đo độ cứng tại các vị trí khác nhau trên mẫu cho phép xác định sự phân bố độ cứng và mối liên hệ giữa độ cứng và cấu trúc tế vi. Phương pháp này đặc biệt hữu ích để nghiên cứu ảnh hưởng của xử lý nhiệt đến các vùng khác nhau của mối hàn, như vùng nóng chảy, vùng ảnh hưởng nhiệt và kim loại cơ bản.

5.3. Giới hạn bền kéo và độ giãn dài Đánh giá toàn diện sau xử lý nhiệt

Thí nghiệm kéo là một trong những phương pháp quan trọng nhất để đánh giá khả năng chịu tải và biến dạng của vật liệu. Xác định các thông số như giới hạn bền kéo, giới hạn chảy và độ giãn dài cho phép đánh giá toàn diện cơ tính của vật liệu sau khi xử lý nhiệt. Các thông số này cung cấp thông tin quan trọng về khả năng sử dụng của vật liệu trong các ứng dụng chịu tải trọng và điều kiện môi trường khác nhau.

VI. Kết Luận và Triển Vọng Xử Lý Nhiệt Ti TiAl6V4 TIG Trong Tương Lai

Xử lý nhiệt là một công đoạn quan trọng trong quy trình chế tạo các chi tiết từ Ti-TiAl6V4 bằng phương pháp hàn TIG. Việc lựa chọn chế độ xử lý nhiệt phù hợp có thể cải thiện đáng kể tổ chức tế vi và cơ tính của mối hàn, đáp ứng yêu cầu khắt khe của các ứng dụng khác nhau. Trong tương lai, các nghiên cứu sẽ tập trung vào việc phát triển các phương pháp xử lý nhiệt tiên tiến, tối ưu hóa quy trình và mô phỏng để dự đoán chính xác ảnh hưởng của xử lý nhiệt đến tính chất của vật liệu. Ngoài ra, việc nghiên cứu các phương pháp xử lý nhiệt cục bộ (ví dụ sử dụng laser hoặc cảm ứng) cũng là một hướng đi đầy tiềm năng.

6.1. Tối ưu hóa thông số xử lý nhiệt Ti TiAl6V4 TIG bằng thực nghiệm

Tối ưu hóa thông số xử lý nhiệt, như nhiệt độ và thời gian ủ, ram, tôi, và hóa già, đòi hỏi một quy trình thực nghiệm có hệ thống để xác định các thông số phù hợp nhất cho từng ứng dụng cụ thể. Các phương pháp thống kê như thiết kế thí nghiệm (DOE) có thể được sử dụng để giảm số lượng thí nghiệm cần thiết và tối ưu hóa các thông số một cách hiệu quả. Kết quả thực nghiệm cần được phân tích kỹ lưỡng để hiểu rõ mối quan hệ giữa các thông số xử lý nhiệt và tính chất cơ học của vật liệu.

6.2. Mô phỏng quá trình xử lý nhiệt Ti TiAl6V4 TIG Hướng tiếp cận mới

Mô phỏng quá trình xử lý nhiệt sử dụng phần mềm chuyên dụng là một hướng tiếp cận đầy tiềm năng để dự đoán và tối ưu hóa các thông số xử lý nhiệt. Mô phỏng có thể giúp tiết kiệm thời gian và chi phí thực nghiệm, đồng thời cung cấp thông tin chi tiết về sự phân bố nhiệt độ, ứng suất và biến đổi pha trong quá trình xử lý nhiệt. Kết quả mô phỏng cần được kiểm chứng bằng thực nghiệm để đảm bảo độ chính xác và tin cậy.