Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, công nghệ in 3D kim loại đang trở thành xu hướng phát triển mạnh mẽ, đặc biệt với vật liệu hợp kim titan Ti6Al4V. Theo ước tính, sản lượng titan toàn cầu đã tăng từ 2.100 tấn năm 1963 lên đến 66.000 tấn năm 1996, phản ánh sự quan tâm ngày càng lớn đối với vật liệu này trong các ngành công nghiệp hiện đại. Tuy nhiên, các chi tiết in 3D từ hợp kim titan thường gặp phải các vấn đề về tổ chức vi mô không đồng nhất, ứng suất dư và khuyết tật như lỗ xốp, dẫn đến cơ tính chưa đạt yêu cầu. Do đó, nghiên cứu công nghệ nhiệt luyện và xử lý bề mặt nhằm cải thiện tính chất cơ học và tổ chức của hợp kim Ti6Al4V sau in 3D là rất cần thiết.

Mục tiêu chính của luận văn là xây dựng và hoàn thiện quy trình nhiệt luyện (ủ, thấm nitơ) và xử lý bề mặt (phủ PVD TiN) cho hợp kim Ti6Al4V chế tạo bằng công nghệ in 3D, nhằm nâng cao độ cứng, độ bền và khả năng chống mài mòn của chi tiết. Nghiên cứu được thực hiện trên các mẫu in 3D bằng thiết bị AL-METAL 250 với nguồn laser 136 W, trong môi trường khí Argon bảo vệ, tại Viện Khoa học và Kỹ thuật vật liệu, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, trong năm 2022. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc thúc đẩy ứng dụng công nghệ in 3D kim loại trong các lĩnh vực hàng không, y sinh và cơ khí chính xác.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

  • Giản đồ pha Ti-Al-V: Giúp hiểu rõ sự chuyển biến pha α, β trong hợp kim Ti6Al4V, ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim như Al (ổn định pha α) và V (ổn định pha β) đến nhiệt độ chuyển biến β-transus (~973°C).
  • Chuyển biến pha trong hợp kim titan: Bao gồm chuyển biến thù hình, chuyển biến mactenxit, chuyển biến cùng tích và phân hoá pha α’, α’’, β không ổn định, ảnh hưởng đến tổ chức vi mô và cơ tính.
  • Công nghệ nhiệt luyện hợp kim titan: Các phương pháp ủ (phục hồi, kết tinh lại, khử ứng suất dư, ủ hoàn toàn, ủ đẳng nhiệt, ủ song trùng) và hóa nhiệt luyện (thấm nitơ) nhằm cải thiện tổ chức và cơ tính.
  • Công nghệ phủ PVD TiN: Tạo lớp phủ cứng, chống mài mòn và ăn mòn trên bề mặt hợp kim titan, nâng cao tuổi thọ chi tiết.
  • Nguyên lý công nghệ in 3D kim loại: Phương pháp SLM (Selective Laser Melting) sử dụng chùm laser công suất 136 W để nung chảy bột Ti6Al4V từng lớp trong môi trường khí Argon bảo vệ.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Mẫu hợp kim Ti6Al4V được in 3D trên máy AL-METAL 250, công suất laser 136 W, lớp bột dày 30 μm, khí bảo vệ Ar lưu lượng 10-15 L/phút.
  • Phương pháp phân tích:
    • Sử dụng phần mềm JMatPro để mô phỏng nhiệt độ chuyển biến pha, đường cong nguội và các thông số nhiệt luyện tối ưu.
    • Thực nghiệm nhiệt luyện: Ủ mẫu ở 950°C (dưới Tβ) trong 1 giờ và 1020°C (trên Tβ) trong 0,5 giờ, làm nguội cùng lò.
    • Thấm nitơ thể khí ở 850°C và 950°C trong 4 giờ, lưu lượng N2 100 ml/phút, làm nguội cùng lò.
    • Phủ lớp TiN bằng phương pháp PVD hồ quang catot plasma.
  • Thiết bị kiểm tra: Kính hiển vi quang học AXIOVERT 25CA, máy quang phổ phát xạ S7 Metal Lab Plus, máy nhiễu xạ tia XRD, kính hiển vi điện tử quét SEM, máy đo độ cứng vi mô HV, máy đo độ nhám 3D confocal.
  • Timeline nghiên cứu: Từ tháng 1 đến tháng 12 năm 2022, bao gồm giai đoạn in mẫu, mô phỏng, thực nghiệm nhiệt luyện và xử lý bề mặt, phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của nhiệt độ ủ đến tổ chức và độ cứng: Mẫu ủ ở 950°C trong 1 giờ cho tổ chức α sơ cấp và α thứ cấp phân bố đều, độ cứng vi mô đạt khoảng 350 HV, trong khi mẫu ủ ở 1020°C (trên Tβ) có tổ chức pha α + β dạng tấm Widmanstätten, độ cứng giảm nhẹ còn khoảng 320 HV. Tốc độ nguội cùng lò giúp giảm ứng suất dư và tăng tính đồng nhất tổ chức.

  2. Hiệu quả thấm nitơ thể khí: Thấm nitơ ở 850°C và 950°C trong 4 giờ tạo lớp nitrit TiN dày 5-20 μm trên bề mặt, độ cứng bề mặt đạt tới 15.000 MPa, tăng gấp 4-5 lần so với nền. Lớp nitơ hòa tan trong vùng α dưới lớp phủ có độ dày 0,1-0,15 mm, độ cứng 7.000-9.000 MPa, cải thiện khả năng chống mài mòn và ăn mòn. Độ sâu thấm nitơ được xác định qua phân bố độ cứng vi mô.

  3. Đặc điểm lớp phủ PVD TiN: Lớp phủ TiN có cấu trúc mịn, bám dính tốt với nền hợp kim, độ dày khoảng 2-3 μm, tăng khả năng chống mài mòn và ăn mòn bề mặt. Phổ nhiễu xạ tia XRD xác nhận sự hiện diện của pha TiN tinh thể.

  4. So sánh với các công nghệ in 3D khác: Tốc độ nguội và phương pháp in ảnh hưởng đến tỷ lệ pha α và β, từ đó ảnh hưởng đến cơ tính. Phương pháp SLM sử dụng trong nghiên cứu cho tổ chức vi mô mịn và cơ tính tốt hơn so với EBAM và EBW, với độ cứng vi mô trung bình 320-350 HV.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy nhiệt luyện ủ dưới và trên nhiệt độ β-transus có ảnh hưởng rõ rệt đến tổ chức vi mô và cơ tính của hợp kim Ti6Al4V in 3D. Ủ ở 950°C giúp duy trì pha α ổn định, tăng độ cứng và giảm ứng suất dư, phù hợp cho các chi tiết yêu cầu độ bền cao. Thấm nitơ thể khí tạo lớp nitrit cứng trên bề mặt, tăng khả năng chống mài mòn và ăn mòn, đồng thời cải thiện độ cứng bề mặt lên đến 15.000 MPa, phù hợp cho các chi tiết chịu mài mòn cao. Lớp phủ PVD TiN bổ sung khả năng bảo vệ bề mặt, kéo dài tuổi thọ chi tiết.

So với các nghiên cứu trước đây, kết quả phù hợp với báo cáo của ngành về ảnh hưởng của nhiệt độ ủ và thấm nitơ đến tổ chức và cơ tính hợp kim titan. Việc sử dụng phần mềm JMatPro giúp tối ưu hóa quy trình nhiệt luyện, tiết kiệm thời gian và chi phí thí nghiệm. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố độ cứng theo chiều sâu, ảnh SEM tổ chức vi mô và phổ XRD lớp phủ, giúp minh họa rõ ràng sự thay đổi tổ chức và tính chất vật liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng quy trình nhiệt luyện ủ ở 950°C trong 1 giờ nhằm tối ưu hóa tổ chức vi mô và tăng độ cứng cho chi tiết in 3D Ti6Al4V, giảm ứng suất dư, thích hợp cho sản xuất hàng loạt trong vòng 6 tháng, do phòng thí nghiệm vật liệu thực hiện.

  2. Triển khai thấm nitơ thể khí ở 850-950°C trong 4 giờ để tạo lớp nitrit TiN cứng trên bề mặt, nâng cao khả năng chống mài mòn và ăn mòn, áp dụng cho các chi tiết chịu tải trọng bề mặt cao, tiến hành trong 3 tháng, do bộ phận xử lý bề mặt đảm nhiệm.

  3. Phủ lớp TiN bằng công nghệ PVD hồ quang catot plasma để tăng độ bền bề mặt và tuổi thọ chi tiết, thực hiện song song với thấm nitơ, thời gian 2 tháng, do đơn vị gia công bề mặt thực hiện.

  4. Sử dụng phần mềm mô phỏng JMatPro trong thiết kế quy trình nhiệt luyện để giảm thiểu số lần thí nghiệm thực tế, tiết kiệm chi phí và thời gian, áp dụng liên tục trong quá trình nghiên cứu và sản xuất.

  5. Đào tạo nhân lực và nâng cao năng lực thiết bị cho các phòng thí nghiệm và nhà máy sản xuất in 3D kim loại nhằm đảm bảo quy trình nhiệt luyện và xử lý bề mặt được thực hiện chính xác, hiệu quả trong vòng 1 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư vật liệu: Nghiên cứu sâu về nhiệt luyện và xử lý bề mặt hợp kim titan in 3D, áp dụng mô phỏng JMatPro và kỹ thuật thấm nitơ, phục vụ phát triển vật liệu mới.

  2. Doanh nghiệp sản xuất chi tiết cơ khí và hàng không vũ trụ: Áp dụng quy trình nhiệt luyện và xử lý bề mặt để nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí sửa chữa và tăng tuổi thọ chi tiết.

  3. Ngành y sinh và thiết bị y tế: Sử dụng hợp kim Ti6Al4V in 3D với quy trình xử lý bề mặt để sản xuất các bộ phận cấy ghép có độ bền cao, tương thích sinh học tốt.

  4. Các trung tâm đào tạo và giảng dạy kỹ thuật vật liệu: Là tài liệu tham khảo cho sinh viên và giảng viên trong lĩnh vực khoa học và kỹ thuật vật liệu, đặc biệt về công nghệ in 3D và nhiệt luyện hợp kim titan.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần nhiệt luyện hợp kim Ti6Al4V sau in 3D?
    Nhiệt luyện giúp cải thiện tổ chức vi mô, giảm ứng suất dư và khuyết tật như lỗ xốp, từ đó nâng cao độ cứng và độ bền của chi tiết. Ví dụ, ủ ở 950°C giúp tạo pha α ổn định, tăng độ cứng lên khoảng 350 HV.

  2. Quy trình thấm nitơ có tác dụng gì đối với hợp kim titan?
    Thấm nitơ tạo lớp nitrit TiN cứng trên bề mặt, tăng khả năng chống mài mòn và ăn mòn, độ cứng bề mặt có thể đạt tới 15.000 MPa, giúp chi tiết bền hơn trong môi trường làm việc khắc nghiệt.

  3. Phủ PVD TiN có ưu điểm gì?
    Lớp phủ TiN có độ bám dính cao, cứng và chống ăn mòn tốt, giúp bảo vệ bề mặt chi tiết, kéo dài tuổi thọ và giảm chi phí bảo trì. Phương pháp hồ quang catot plasma tạo lớp phủ mịn, đồng đều.

  4. Phần mềm JMatPro hỗ trợ gì trong nghiên cứu?
    JMatPro mô phỏng nhiệt độ chuyển biến pha và đường cong nguội, giúp xác định thông số nhiệt luyện tối ưu, giảm số lần thí nghiệm thực tế, tiết kiệm thời gian và chi phí.

  5. Ứng dụng của hợp kim Ti6Al4V in 3D trong thực tế?
    Được sử dụng rộng rãi trong y sinh (cấy ghép xương), hàng không (chi tiết máy bay nhẹ và bền), cơ khí chính xác và sản xuất linh kiện thay thế, nhờ tính chất cơ học vượt trội và khả năng tùy biến cao.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công quy trình nhiệt luyện ủ và thấm nitơ cho hợp kim Ti6Al4V in 3D, cải thiện đáng kể tổ chức vi mô và cơ tính vật liệu.
  • Lớp phủ PVD TiN được áp dụng hiệu quả, tăng khả năng chống mài mòn và ăn mòn bề mặt chi tiết.
  • Phần mềm JMatPro hỗ trợ tối ưu hóa quy trình nhiệt luyện, tiết kiệm thời gian và chi phí nghiên cứu.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần thúc đẩy ứng dụng công nghệ in 3D kim loại trong các ngành công nghiệp hiện đại như hàng không, y sinh và cơ khí chính xác.
  • Đề xuất triển khai quy trình trong thực tế sản xuất trong vòng 6-12 tháng, đồng thời đào tạo nhân lực và nâng cấp thiết bị để đảm bảo hiệu quả ứng dụng.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị sản xuất và nghiên cứu nên áp dụng quy trình nhiệt luyện và xử lý bề mặt đã đề xuất để nâng cao chất lượng sản phẩm in 3D kim loại, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng và cải tiến công nghệ.