Chương 1: Tổng quan về mài phẳng hợp kim Titan bằng đá mài cBN. Nghiên cứu đặc điểm chung của hợp kim Titan và đá mài cBN, đặc điểm của quá trình mài phẳng hợp kim Titan bằng đá mài cBN, phân tích đánh giá những công trình nghiên cứu trước đây của các tác giả trong và ngoài nước liên quan đến mài phẳng hợp kim Titan bằng đá mài cBN. Trên cơ sở đó xác định được những vấn đề mà luận án cần tập trung nghiên cứu giải quyết. - Chương 2: Cơ sở lý thuyết về mài phẳng hợp kim Titan bằng đá mài cBN.
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về quá trình mài phẳng hợp kim Ti-6Al-4V bằng đá mài cBN; cơ sở lý thuyết về bôi trơn làm mát; ảnh hưởng của một số yếu tố đến chất lượng bề mặt và năng suất gia công. Kết quả nghiên cứu của chương làm cơ sở cho nghiên cứu ở các chương sau. - Chương 3: Mô hình, vật liệu và phương pháp nghiên cứu. Xây dựng mô hình thực nghiệm, phân tích lựa chọn các trang thiết bị đo lường.
Lựa chọn các thông số thực nghiệm. Xác định phương pháp thực nghiệm và phương pháp quy hoạch thực nghiệm. Mô hình hóa quá trình mài phẳng bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Đây là tiền đề quan trọng để thực hiện nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố đến chất lượng bề mặt và năng suất gia công.
- Chương 4: Thực nghiệm và đánh giá kết quả. Xác định mối quan hệ giữa các yếu tố như lượng tiến dao dọc, chiều sâu cắt, chế độ bôi trơn làm mát với nhám bề mặt, độ cứng tế vi bề mặt, cấu trúc tế vi bề mặt và năng suất gia công. Ứng dụng giải thuật tối ưu hóa bầy đàn (PSO) để tìm ra chế độ công nghệ tối ưu. TỔNG QUAN VỀ MÀI PHẲNG HỢP KIM TITAN BẰNG ĐÁ MÀI cBN 1.
Hợp kim Titan và đá mài cBN 1. Hợp kim Titan 1.1 Đặc tính và ứng dụng Titan và các hợp kim của nó được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp do có các đặc tính ưu việt, một trong số đó là tỉ số độ bền trên trọng lượng cao. Độ bền của titan vượt trội hầu hết các kim loại khác trong khi khối lượng riêng chỉ bằng hơn một nửa so với thép. Đặc tính này vẫn được duy trì ở nhiệt độ cao nên titan còn được sử dụng trong động cơ máy bay.
Người ta có thể thay thế thép hoặc niken bằng hợp kim titan với độ bền tương đương, trong khi trọng lượng giảm tới 40%. Việc dùng hợp kim titan trong động cơ tuabin khí đã phát triển đến mức chúng chiếm khoảng 25% trọng lượng của các động cơ tuabin khí mới nhất. Hợp kim titan có tính dẫn nhiệt và giãn nở nhiệt thấp hơn so với thép và niken. Tính giãn nở nhiệt thấp làm giảm ứng suất nhiệt bên trong các chi tiết có chênh lệch nhiệt độ giữa các phần khác nhau lớn [3].
Hợp kim titan có tính chống ăn mòn tốt và tồn tại lâu dài được trong nước biển, trong khi các vật liệu xây dựng bằng kim loại khác thường có tuổi thọ ngắn. Môi trường ăn mòn như vậy cũng rất phổ biến trong ngành công nghiệp dầu khí. Ngoài ra, titan còn có độ đàn hồi lớn, phù hợp để chế tạo các chi tiết cần độ dẻo dai cao và hạn chế vết nứt. Đặc tính phi từ tính khiến titan được sử dụng làm chất nền ổ cứng trong công nghiệp máy tính nhằm tăng khả năng lưu trữ dữ liệu.
Do có tính trơ hóa học hay tính tương thích sinh học tốt nên titan là vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng y tế như cấy ghép [4]. Hợp kim titan được sử dụng phổ biến nhất là Ti-6Al-4V, chiếm đến 50% thị trường titan. Đây là một hợp kim titan dạng alpha-beta chứa 6% nhôm và 4% Vanadi theo khối lượng. Nó có độ bền, độ dai và tính chống ăn mòn rất tốt.
Hợp kim titan này thường được sử dụng trong công nghiệp hàng không (làm cánh máy nén khí và tuabin khí, khung máy bay), nồi áp suất và cấy ghép phẫu thuật [5].2 Cấu trúc tinh thể Titan có hai dạng cấu trúc tinh thể là pha alpha (hcp) và pha beta (bcc). Ở nhiệt độ bình thường, titan có cấu trúc tinh thể pha alpha dạng lục giác bó chặt (hcp). Nó trải qua biến đổi thù hình ở nhiệt độ 882°C để chuyển sang pha beta dạng khối thể tâm (bcc). Pha này ổn định cho đến khi titan nóng chảy ở nhiệt độ 1668°C.1 mô tả hai dạng thù hình của titan.
Nhiệt độ chuyển pha (β- nhiệt độ chuyển pha) sẽ thay đổi nếu trong hợp kim có thêm các nguyên tố khác [6]. Bổ sung nhôm (Al), Galium (Ga), ô-xy (O), Ni-tơ (N) và cacbon (C) vào titan sẽ làm tăng nhiệt độ chuyển pha của nó. Các nguyên tố này được gọi là chất ổn định pha alpha. Ngược lại, thêm các nguyên tố như Vanadi (V), Molipden (Mo), Niobium (Nb), sắt (Fe), Crôm (Cr), Niken (Ni), Mangan (Mn) và Coban (Co) làm giảm nhiệt 4 độ chuyển pha.
Do đó, chúng được gọi là chất ổn định pha beta. Các nguyên tố ít ảnh hưởng đến nhiệt độ chuyển pha như thiếc (Sn) và Ziconi (Zr) gọi là nguyên tố trung tính.1 Các dạng tinh thể của titan tinh khiết [7] Do được kết hợp với nhiều nguyên tố khác nhau nên hợp kim Titan có thể chia thành các loại chính như sau ([3], [5]): Hợp kim alpha là hợp kim titan đơn pha bao gồm một chất ổn định pha alpha và một số nguyên tố hợp kim trung tính khác. Nhôm thường được dùng làm chất ổn định pha alpha (ví dụ như hợp kim Ti-5Al-2. Hợp kim alpha có tính chống rão và độ bền kéo ở nhiệt độ cao tốt hơn hợp kim alpha-beta và beta.
Hợp kim alpha không thể nhiệt luyện được do cấu trúc tế vi của chúng không thay đổi sau khi nhiệt luyện. Do độ bền kéo giảm đi khi nhiệt độ lớn hơn 300ºC, chúng chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng làm lạnh sâu hoặc những nơi cần tính chống ăn mòn tốt. Hợp kim alpha thường được sử dụng là Ti-5Al-2. Hợp kim gần alpha là hợp kim alpha có chứa một lượng nhỏ chất ổn định pha beta, do người ta đã chứng minh được rằng khả năng làm việc và độ bền của hợp kim titan có thể được cải thiện sau khi thêm một lượng nhỏ (1–2%) chất ổn định beta.
Hợp kim này chứa chủ yếu pha alpha với một ít pha beta và có đặc tính giống hợp kim alpha bình thường hơn hợp kim alpha-beta. Do tương đồng cao với hợp kim alpha, hợp kim gần alpha có khả năng làm việc ở nhiệt độ từ 400 đến 520ºC. Vì vậy, chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng hàng không vũ trụ, đặc biệt là làm các chi tiết phải chịu nhiệt độ cao của động cơ phản lực. Ti 8-1-1 (Ti-8Al-1Mo-1V) và IMI 685 (Ti- 6Al-5Zr-0,5Mo-0,25Si) là một số thành viên thuộc về họ hợp kim titan này.
Hợp kim alpha-beta: Nếu thêm vào titan lượng chất ổn định beta lớn hơn (4–6%) so với hợp kim gần alpha (1–2%) thì sẽ tạo ra một loại hợp kim titan mới là hợp kim alpha-beta. Ở nhiệt độ bình thường, hợp kim này là hỗn hợp của các pha alpha và beta, có thêm chất ổn định pha alpha và beta. Sau khi nhiệt luyện, hợp kim này chứa nhiều pha beta hơn hợp kim gần alpha. Lượng pha beta phụ thuộc vào lượng chất ổn định pha beta và quá trình nhiệt luyện.
Nhiệt luyện giúp cải thiện độ bền khiến cho hợp kim titan này trở thành lựa chọn chủ yếu trong các ứng dụng ở nhiệt độ cao (350– 5 400ºC). IMI 550 (Ti-4Al-2Sn-4Mo-0.5Si) và đặc biệt là Ti 6-4 (Ti-6Al-4V) là các hợp kim titan thuộc nhóm này được sử dụng phổ biến nhất trong công nghiệp. Hợp kim beta nửa bền: Sau khi tăng thêm lượng chất ổn định pha beta (10–15%), pha beta được giữ lại trong trạng thái nửa bền ở nhiệt độ phòng. Các hợp kim beta nửa bền có chứa một lượng nhỏ chất ổn định alpha để tăng độ bền.
Chúng có độ dẻo lớn, độ bền cao, độ cứng tốt và có thể rèn được trong một khoảng nhiệt độ rộng. Họ hợp kim titan này là ứng cử viên tiềm năng cho các kết cấu trong ngành hàng không vũ trụ. Hợp kim beta: Hợp kim beta có nhiều chất ổn định pha beta (30%) và ít chất ổn định pha alpha. Hợp kim beta có độ bền cao, chứa chủ yếu là cấu trúc dạng khối thể tâm, có thể tăng cứng bằng cách kết tủa pha alpha mịn.
Ưu điểm quan trọng của hợp kim beta là độ thấm tôi cao, tính rèn cao và tính tạo hình nguội tốt. Do có khối lượng riêng lớn và độ dẻo thấp nên họ hợp kim titan này thường được dùng trong một số ứng dụng đặc biệt yêu cầu khả năng chống cháy và chống ăn mòn tốt.2 Cấu trúc tế vi của hợp kim Ti-6Al-4V ( - pha tối, - pha sáng) [6] Nếu phân loại theo ứng dụng thì hợp kim Titan có thể chia thành hai nhóm chính. Nhóm thứ nhất là hợp kim chống ăn mòn và nhóm thứ hai là hợp kim kết cấu (có độ bền cao). Hợp kim chống ăn mòn gồm có hợp kim alpha.
Hợp kim kết cấu bao gồm hợp kim gần alpha, alpha-beta, beta nửa bền và beta.3 Tính gia công cắt gọt của hợp kim Titan Tính gia công được định nghĩa là tính dễ hay khó cắt gọt của một loại vật liệu. Gia công là loại bỏ một lớp vật liệu phôi, thường là kim loại, bằng dụng cụ cắt. Tính gia công cắt gọt không phải là đại lượng có thể đo trực tiếp với đơn vị là cấp độ hay số mà phải được định lượng dựa trên các thông số khác có thể đo lường được. Các thông số này bao gồm công suất cắt, chất lượng bề mặt sau khi gia công, tuổi bền dụng cụ và tạo phoi ([3], [8]).
Nói chung, mặc dù vật liệu cứng thường khó cắt, nhưng các vật liệu khó cắt không nhất thiết phải cứng. Thông thường, các loại vật liệu có tính gia công tốt có thể cắt gọt tương đối dễ dàng với công suất nhỏ. Chất lượng bề mặt sau khi gia công cao, dụng cụ cắt mòn chậm, đồng nghĩa với tuổi bền dài hơn. Ngược lại, vật liệu có tính cắt gọt kém sẽ có công suất cắt lớn, dụng cụ mòn nhanh và chất lượng bề mặt thấp.
Người ta cũng nhận thấy phần lớn các dụng cụ có hiệu suất tốt khi gia công các vật 6 liệu khác đã cho thấy hiệu suất từ trung bình đến kém khi cắt gọt hợp kim titan. Tính khó gia công của titan là kết hợp của các đặc điểm sau [6].
