Tổng quan nghiên cứu

Hợp kim nhôm và các hợp kim nhôm hệ Al-Zn-Mg-Cu chiếm vị trí quan trọng thứ hai sau thép về sản xuất và ứng dụng, đặc biệt trong lĩnh vực quân sự như chế tạo vũ khí, khí tài, máy bay và tên lửa. Hợp kim nhôm biến dạng độ bền cao B95 (theo tiêu chuẩn Nga) tương đương với mác 7075 (Mỹ) được sử dụng phổ biến trong hệ hợp kim này. Tuy nhiên, hợp kim B95 sau khi chế tạo tại xí nghiệp X59 (Nhà máy Z127, Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng) có độ bền và độ cứng chưa đạt yêu cầu, gây hạn chế trong ứng dụng. Do đó, nâng cao cơ tính hợp kim B95 là mục tiêu cấp thiết.

Nghiên cứu tập trung vào ảnh hưởng của mức độ biến dạng tới hiệu ứng hóa già của hợp kim nhôm B95, nhằm xây dựng quy trình công nghệ nhiệt luyện kết hợp tôi, biến dạng và hóa già để nâng cao độ bền, rút ngắn thời gian sản xuất và tăng hiệu quả kinh tế kỹ thuật. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại xí nghiệp X59 trong giai đoạn 2016-2018, sử dụng các mẫu hợp kim B95 với thành phần hóa học tương đương tiêu chuẩn Nga. Mục tiêu cụ thể là khảo sát ảnh hưởng của các mức độ biến dạng khác nhau (3,5%, 6%, 10%, 14%) sau tôi tới quá trình hóa già ở nhiệt độ 120oC, đánh giá sự thay đổi cơ tính, tổ chức tế vi và tính bền ăn mòn.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ nhiệt luyện hợp kim nhôm B95 ứng dụng trong quân sự, góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm, tăng tuổi thọ và độ tin cậy của các chi tiết chịu tải cao trong kết cấu hàng không và vũ khí.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình về hóa già và cơ nhiệt luyện hợp kim nhôm hệ Al-Zn-Mg-Cu, trong đó:

  • Hiệu ứng hóa già (Age Hardening): Quá trình nhiệt luyện gồm tôi và hóa già nhằm tạo dung dịch rắn quá bão hòa, sau đó phân hóa thành các pha liên kim nhỏ mịn như η (MgZn2), T (Al2Mg3Zn3), S (Al2CuMg) gây tăng cường cơ tính. Quá trình phân hóa dung dịch rắn theo cơ chế tạo mầm và phát triển mầm, trải qua các giai đoạn từ vùng GP1, GP2 đến pha trung gian θ’, θ’’ và pha ổn định θ.

  • Ảnh hưởng của biến dạng dẻo (Deformation): Biến dạng dẻo nguội làm tăng mật độ khuyết tật mạng tinh thể như lệch, nút trống, biên giới hạt, thúc đẩy quá trình tạo mầm và phân hóa pha khi hóa già, từ đó tăng hiệu quả hóa bền.

  • Mô hình cơ nhiệt luyện (Thermomechanical Treatment): Kết hợp tôi, biến dạng và hóa già nhằm tận dụng hiệu ứng tăng bền do biến dạng cơ học và hóa già nhiệt luyện, rút ngắn thời gian hóa già và nâng cao cơ tính hợp kim.

Các khái niệm chính bao gồm: dung dịch rắn quá bão hòa, pha liên kim hóa bền, vùng GP, cơ nhiệt luyện, biến dạng dẻo nguội, và hiệu ứng hóa già.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Mẫu hợp kim nhôm B95 được chế tạo tại xí nghiệp X59/Z127, có thành phần hóa học tương đương tiêu chuẩn Nga (Al 89,3%; Zn 5,7%; Mg 2,1%; Cu 1,8%; Fe 0,3%; Si 0,09%; Mn 0,39%; Ni 0,006%; Cr 0,18%; Ti 0,02%).

  • Phương pháp chọn mẫu: Mẫu thử kéo theo tiêu chuẩn TCVN 197-1:2014, kích thước 35x10x4 mm, mẫu phân tích tổ chức tế vi 10x10x4,2 mm, mẫu phân tích nhiễu xạ tia X 20x20x4,2 mm. Mẫu cán với các mức độ biến dạng 3,5%, 6%, 10%, 14% được cắt theo kích thước 150x50x4,2 mm.

  • Phương pháp phân tích:

    • Nhiệt luyện ủ kết tinh lại ở nhiệt độ 250-450oC, thời gian 30-180 phút, nguội cùng lò.
    • Tôi ở 470oC, thời gian 30-180 phút, làm nguội trong nước.
    • Hóa già truyền thống ở 120oC, 130oC, 160oC trong 26 giờ, lấy mẫu kiểm tra độ cứng theo thời gian.
    • Cơ nhiệt luyện: tôi + biến dạng nguội + hóa già ở 120oC, khảo sát ảnh hưởng mức độ biến dạng đến cơ tính và tổ chức.
    • Phân tích tổ chức tế vi bằng kính hiển vi quang học (phóng đại 50-1500 lần), kính hiển vi điện tử quét SEM (phóng đại đến 300.000 lần), phân tích thành phần nguyên tố bằng phổ tán sắc năng lượng (EDS).
    • Xác định pha bằng nhiễu xạ tia X (XRD).
    • Đo độ cứng Brinell và Rockwell, thử kéo xác định giới hạn bền kéo và độ giãn dài tương đối.
    • Đo đường cong phân cực để đánh giá tính bền ăn mòn bằng phương pháp dòng tĩnh trong dung dịch NaCl 3,5%.

  • Timeline nghiên cứu: Thực hiện trong giai đoạn 2016-2018, với các bước khảo sát ủ kết tinh lại, tôi, hóa già truyền thống, cơ nhiệt luyện và đánh giá cơ tính, tổ chức, tính ăn mòn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian ủ kết tinh lại:
    Ủ kết tinh lại ở 300-450oC trong 30-180 phút làm mềm hợp kim, loại bỏ ảnh hưởng biến dạng cán nguội, chuẩn bị tổ chức cho quá trình tôi và hóa già. Nhiệt độ ủ 415oC giữ 2 giờ cho kết quả tối ưu, độ cứng giảm từ khoảng 150 HB xuống 90 HB, tạo hạt kết tinh lại nhỏ đa cạnh, tăng độ dẻo.

  2. Ảnh hưởng của thời gian và nhiệt độ tôi:
    Tôi ở 470oC trong 60 phút tạo dung dịch rắn quá bão hòa, hòa tan các pha liên kim η, S, T. Thời gian tôi quá dài (>120 phút) không làm tăng độ cứng thêm mà có thể gây hạt lớn, giảm cơ tính. Độ cứng sau tôi đạt khoảng 120 HB.

  3. Hiệu ứng hóa già truyền thống:
    Hóa già ở 120oC trong 24 giờ đạt cực đại độ cứng khoảng 160 HB, tăng 33% so với trạng thái sau tôi. Nhiệt độ hóa già cao hơn (160oC) rút ngắn thời gian đạt cực đại độ cứng còn 10-12 giờ nhưng giá trị cực đại thấp hơn khoảng 10%. Đường cong hóa già thể hiện rõ cực đại độ cứng, phù hợp với mô hình phân hóa pha từ vùng GP đến pha η’, S’, T’.

  4. Ảnh hưởng của mức độ biến dạng sau tôi đến hiệu ứng hóa già:
    Biến dạng nguội với mức độ 6% sau tôi và trước hóa già ở 120oC làm tăng độ cứng cực đại lên đến 180 HB, cao hơn 12,5% so với hóa già truyền thống không biến dạng. Mức biến dạng 10% và 14% không tăng thêm độ cứng đáng kể, thậm chí có xu hướng giảm nhẹ do tổ chức hạt bị biến dạng quá mức. Độ giãn dài tương đối giảm nhẹ từ 7% xuống còn khoảng 6%, vẫn đảm bảo tính dẻo cần thiết.

  5. Ảnh hưởng đến tính bền ăn mòn:
    Mẫu hợp kim sau cơ nhiệt luyện có tính bền ăn mòn tốt hơn so với mẫu chỉ hóa già truyền thống, với dòng ăn mòn giảm khoảng 15-20% trong dung dịch NaCl 3,5%. Điều này được giải thích do tổ chức tế vi mịn, phân bố pha hóa bền đồng đều, giảm tập trung ứng suất tại biên giới hạt.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy cơ nhiệt luyện (tôi + biến dạng + hóa già) là phương pháp hiệu quả để nâng cao cơ tính hợp kim nhôm B95. Biến dạng nguội làm tăng mật độ khuyết tật mạng tinh thể như lệch và nút trống, tạo mầm hóa già nhanh hơn và mật độ pha hóa bền dày đặc hơn. Điều này phù hợp với lý thuyết về cơ chế phân hóa dung dịch rắn quá bão hòa qua các giai đoạn từ vùng GP1, GP2 đến pha η’, S’, T’.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, hiệu ứng tăng bền do biến dạng sau tôi và trước hóa già được ghi nhận tương tự trong hợp kim 7075 và các hợp kim Al-Zn-Mg-Cu khác. Tuy nhiên, nghiên cứu này là một trong những công trình đầu tiên áp dụng và khảo sát chi tiết cơ nhiệt luyện hợp kim B95 tại Việt Nam, góp phần làm phong phú thêm tài liệu khoa học trong lĩnh vực vật liệu quân sự.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đường cong hóa già thể hiện độ cứng theo thời gian ở các mức độ biến dạng khác nhau, bảng so sánh cơ tính (độ cứng, giới hạn bền, độ giãn dài) và đồ thị đường cong phân cực đánh giá tính ăn mòn. Các ảnh hiển vi điện tử quét SEM minh họa tổ chức tế vi và phân bố pha hóa bền cũng làm rõ cơ chế tăng bền.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng quy trình cơ nhiệt luyện trong sản xuất hợp kim B95:
    Thực hiện tôi ở 470oC trong 60 phút, biến dạng nguội với mức độ 6%, sau đó hóa già ở 120oC trong 24 giờ để đạt cơ tính tối ưu. Chủ thể thực hiện là xí nghiệp X59, thời gian áp dụng trong vòng 6 tháng để đánh giá hiệu quả sản xuất.

  2. Tối ưu hóa mức độ biến dạng:
    Khuyến nghị không vượt quá 6-10% biến dạng nguội để tránh tổ chức hạt bị biến dạng quá mức, ảnh hưởng xấu đến tính dẻo và độ bền ăn mòn. Cần kiểm soát chặt chẽ quá trình cán nguội.

  3. Nâng cấp thiết bị và quy trình kiểm soát nhiệt độ:
    Đầu tư lò nhiệt luyện có khả năng kiểm soát chính xác nhiệt độ và tốc độ nguội nhằm đảm bảo tổ chức tế vi đồng đều, giảm biến dạng không mong muốn. Thời gian thực hiện trong 12 tháng.

  4. Đào tạo nhân lực và chuyển giao công nghệ:
    Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho cán bộ kỹ thuật và công nhân vận hành quy trình cơ nhiệt luyện, đảm bảo hiểu biết về cơ chế và quy trình công nghệ. Chủ thể là Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, phối hợp với xí nghiệp X59.

  5. Nghiên cứu tiếp tục về ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim phụ:
    Khuyến nghị nghiên cứu bổ sung về tác động của các nguyên tố như Mn, Cr, Zr trong hợp kim B95 để tối ưu hóa cơ tính và tính chống ăn mòn, mở rộng ứng dụng trong quân sự. Thời gian nghiên cứu dự kiến 2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu:
    Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về cơ chế hóa già, cơ nhiệt luyện và ảnh hưởng biến dạng đến hợp kim nhôm B95, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển vật liệu mới.

  2. Các kỹ sư và chuyên gia công nghệ nhiệt luyện trong ngành công nghiệp quốc phòng:
    Tham khảo để áp dụng quy trình nhiệt luyện nâng cao cơ tính hợp kim nhôm trong sản xuất chi tiết vũ khí, khí tài, đảm bảo chất lượng và độ bền sản phẩm.

  3. Doanh nghiệp sản xuất hợp kim nhôm và các sản phẩm hàng không, quân sự:
    Hướng dẫn cải tiến công nghệ sản xuất, tối ưu hóa quy trình nhiệt luyện, nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm chi phí.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách phát triển công nghiệp vật liệu:
    Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách hỗ trợ nghiên cứu, phát triển và ứng dụng vật liệu tiên tiến trong lĩnh vực quốc phòng và công nghiệp nặng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao hợp kim nhôm B95 cần được cơ nhiệt luyện thay vì chỉ hóa già truyền thống?
    Cơ nhiệt luyện kết hợp biến dạng nguội sau tôi làm tăng mật độ khuyết tật mạng tinh thể, thúc đẩy quá trình tạo mầm và phân hóa pha hóa bền nhanh hơn, nâng cao độ cứng và độ bền so với hóa già truyền thống.

  2. Mức độ biến dạng nào là tối ưu để nâng cao cơ tính hợp kim B95?
    Mức biến dạng khoảng 6% được xác định là tối ưu, tăng độ cứng lên khoảng 12,5% so với không biến dạng, đồng thời giữ được độ dẻo và tính bền ăn mòn tốt.

  3. Nhiệt độ hóa già ảnh hưởng thế nào đến quá trình tăng bền?
    Nhiệt độ hóa già thấp (120oC) cho độ cứng cực đại cao hơn nhưng thời gian dài hơn, trong khi nhiệt độ cao hơn (160oC) rút ngắn thời gian nhưng giá trị cực đại thấp hơn do pha hóa bền phát triển nhanh và kết tụ lớn hơn.

  4. Phương pháp nào được sử dụng để đánh giá tổ chức tế vi và pha trong hợp kim?
    Kính hiển vi quang học và kính hiển vi điện tử quét SEM được sử dụng để quan sát tổ chức tế vi, kết hợp phân tích phổ tán sắc năng lượng (EDS) và nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định pha và thành phần nguyên tố.

  5. Cơ nhiệt luyện có ảnh hưởng đến tính bền ăn mòn của hợp kim không?
    Có, cơ nhiệt luyện làm tổ chức tế vi mịn, phân bố pha hóa bền đồng đều, giảm tập trung ứng suất tại biên giới hạt, từ đó cải thiện tính bền ăn mòn khoảng 15-20% so với hóa già truyền thống.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định được quy trình cơ nhiệt luyện tối ưu cho hợp kim nhôm B95 gồm tôi ở 470oC, biến dạng nguội 6%, hóa già ở 120oC trong 24 giờ, nâng cao độ cứng lên 180 HB, tăng 12,5% so với hóa già truyền thống.
  • Biến dạng nguội sau tôi làm tăng mật độ khuyết tật mạng tinh thể, thúc đẩy quá trình phân hóa pha hóa bền, rút ngắn thời gian hóa già và nâng cao cơ tính.
  • Tính bền ăn mòn của hợp kim được cải thiện đáng kể sau cơ nhiệt luyện, phù hợp với yêu cầu ứng dụng trong quân sự.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển công nghệ nhiệt luyện hợp kim nhôm B95 tại Việt Nam, mở rộng ứng dụng trong sản xuất chi tiết chịu tải cao.
  • Đề xuất áp dụng quy trình cơ nhiệt luyện trong sản xuất thực tế, đồng thời tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim phụ để tối ưu hóa cơ tính và tính bền ăn mòn.

Hành động tiếp theo: Xí nghiệp X59 và các đơn vị liên quan nên triển khai áp dụng quy trình cơ nhiệt luyện, đồng thời phối hợp nghiên cứu mở rộng để nâng cao chất lượng hợp kim nhôm B95 phục vụ quốc phòng và công nghiệp hàng không.