CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ HÀN MA SÁT VÀ VẬT LIỆU TI6AL4V 1.1 Vật liệu kim loại và hợp kim titan Kim loại và hợp kim titan là vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng cần độ bền cao, trọng lượng thấp đồng thời có khả năng chống ăn mòn cao. Các thuộc tính của kim loại và hợp kim titan có thể được điều chỉnh trong quá trình xử lý vật liệu dựa vào sự chuyển pha β (cấu trúc lập phương tâm khối) sang pha α (cấu trúc sáu phương xếp chặt) và ngược lại. Vì vậy, phạm vi ứng dụng của hợp kim titan trong các thiết bị công nghiệp là rất rộng lớn. Chúng được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng hàng không và vũ trụ, công nghiệp xe hơi, dụng cụ y tế và các ngành công nghiệp trang trí.
Tuy nhiên, khả năng hàn kim loại và các hợp kim titan lại là trở ngại lớn để mở rộng phạm vi ứng dụng của chúng trong công nghiệp. Kim loại này phản ứng nhanh và mạnh với không khí ở trạng thái nóng chảy, vì vậy quá trình hàn thông thường cần khí bảo vệ mối hàn nếu qui trình hàn được thực hiện bằng phương pháp hàn nóng chảy thông thường. Bên cạnh đó, tính dẫn nhiệt kém của titan làm cho thời gian hàn tăng lên nếu sử dụng các qui trình hàn có công suất nhiệt thấp ví dụ như quá trình hàn TIG (hàn hồ quang khí trơ). Các phương pháp hàn với chùm năng lượng cao, chẳng hạn như hàn laser hoặc hàn chùm tia điện tử sẽ khắc phục được nhược điểm này.
Tuy nhiên, tốc độ gia tăng và suy giảm nhiệt độ lớn do quá trình nung nóng và làm nguội của vật liệu xảy ra trong quá trình hàn năng lượng cao này có thể gây ra các vết nứt tế vi. Do đó, kim loại và hợp kim titan là một đối tượng phù hợp của phương pháp hàn ở trạng thái rắn, tiêu biểu là phương pháp hàn ma sát. Ngày nay, các thành phần và thiết bị trong các ứng dụng hàng không, vũ trụ được làm từ vật liệu hợp kim titan ngày càng nhiều và vì vậy phương pháp hàn ma sát là phương pháp hàn đầy hứa hẹn có thể được sử dụng để gia công và chế tạo các thiết bị loại này. Hợp kim titan được tìm thấy ở nhiều bộ phận trong máy bay và thiết bị vũ trụ như khung máy, các bộ phận trong động cơ vì titan nhẹ nhưng có độ bền, độ dẻo dai cao [1].
Phần lớn các bộ phận này như kết cấu của khung máy bay hoặc thiết bị vũ trụ, các ray ghế và các thành phần 4 khác trong động cơ turbo được gia công từ phương pháp hàn. Động cơ turbo được sử dụng rộng rãi trên các máy bay thương mại để cải thiện hiệu suất quá trình đốt cháy nhằm cải thiện mức tiêu thụ nhiên liệu. Động cơ turbo bao gồm 4 bộ phận chính, đó là: quạt, máy nén, buồng đốt và tuabin. Tuabin và buồng đốt là các bộ phận có nhiệt độ làm việc cao hơn nên hợp kim niken hoặc hợp kim sắt được sử dụng.
Hợp kim titan chủ yếu được sử dụng cho các bộ phận quạt và máy nén là các bộ phận có nhiệt độ làm việc thấp hơn (dưới 600 °C). Các thành phần ở bộ phận này gồm các cánh dẫn của máy nén, các cánh quạt, đĩa quay trung tâm của máy nén và quạt, và có thể cả vỏ động cơ được chế tạo từ vật liệu Ti6Al4V. Các cánh dẫn của máy nén khí hay cánh quạt của quạt được bố trí nằm xung quanh một đĩa quay trung tâm. Phương pháp hàn ma sát được sử dụng để gắn những cánh dẫn hoặc các cánh quạt này vào đĩa làm việc chính của máy nén hoặc quạt.
Hàn ma sát khuấy dùng để hàn các tấm phẳng để làm vỏ động cơ, còn hàn ma sát quay và hàn ma sát thẳng được sử dụng để hàn các cánh dẫn hoặc cánh quạt vào đĩa quay trung tâm, bộ phận này còn được gọi là đĩa công tác và nó là bộ phận quan trọng trong động cơ turbo.2 Đặc tính của kim loại và hợp kim titan Titan là nguyên tố kim loại thuộc nhóm IV của hệ thống phân loại các nguyên tố hóa học và có thể ở hai dạng thù hình: pha anpha (α) có cấu trúc mang tinh thể sáu phương xếp chặt (HCP) và pha beta (β) có cấu trúc mang tinh thể lập phương tâm khối (BCC). Titan và hợp kim của nó có thể sở hữu nhiều đặc tính khác nhau từ hai dạng thù nói trên. Dạng thù hình (α) có cấu trúc HCP, có thể chuyển thành dạng thù hình (β) có cấu trúc BCC ở nhiệt độ cao hơn như Hình 1. Khả năng titan và hợp kim titan sở hữu các đặc tính này phụ thuộc vào sự ổn định, đặc tính vật lý và cơ tính của hai pha này trong khi độc lập hoặc kết hợp lẫn nhau trong cấu trúc tế vi (tổ chức tế vi).
Các hợp kim thuần α được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng mà không có sự đòi hỏi quá đặc biệt về độ bền nhưng tập trung nhiều hơn vào khả năng chống ăn mòn. Hợp kim α – β là hợp kim có độ bền, độ dẻo dai tốt ngay cả khi làm việc ở nhiệt độ cao khiến chúng trở nên hấp dẫn trong các ứng dụng hàng không vũ trụ và các ứng dụng khác. 5 c a (110) - 0,466 nm (1011) a a3 - (1010) a 0,322 nm a1 (0001) 0,295 nm a2 a) Cấu trúc HCP (α) và BCC (β) của hợp kim Titan b) Các loại biểu đồ pha titan được hình thành với các nguyên tố hợp kim khác nhau Hình 1.1 Cấu trúc và các pha khác nhau của hợp kim titan [2] Các giản đồ pha khác nhau của hợp kim titan được trình bày như Hình 1. Nó mô tả ảnh hưởng của các loại hợp kim khác lên đặc tính của hợp kim titan.
Giản đồ này cho thấy rằng sự ổn định của alpha hoặc beta sẽ tăng nếu có sự bổ sung các hợp kim tương ứng. Do phần lớn tổ chức tinh thể của titan ở nhiệt độ phòng là pha α nên titan có kết cấu không đồng nhất do các chế độ trượt như được trình bày trong Hình 1. Các tinh thể kim loại sáu phương xếp chặt có 2 chế độ trượt chính là mặt trượt lăng trụ (11̅00) hoặc mặt trượt cơ bản (0001). Thông thường, nếu mặt trượt chính là cơ bản, thì chế độ trượt thứ cấp là mặt lăng trụ, và ngược lại.
Tuy nhiên, hai chế độ trượt có thể chỉ tạo ra ứng suất dọc theo hướng 6 〈0100〉. Do đó, nếu chỉ riêng hai hệ thống trượt này không đủ điều kiện cho biến dạng dẻo đồng nhất. Tuy nhiên, sự kết tinh lại trong quá trình hàn ma sát hợp kim titan có thể ảnh hưởng cũng như tác động đến tổ chức tế vi ban đầu của vật liệu, dẫn đến thay đổi tổ chức tế vi tại mối hàn và thay đổi cơ tính của vật liệu. c <1123> Mặt chóp (1101) Mặt lăng trụ (1100) a3 <1120> a2 a1 Mặt cơ sở (0001) Hình 1.2 Mặt phẳng trượt hình chóp bậc nhất và bậc hai trong ô cơ bản HCP [2] Như đã nói, titan và hợp kim của nó có ái lực mạnh với khí oxy, nitơ trong không khí và cả hydro nên quá trình hàn phải được bảo vệ để kim loại nóng chảy không tiếp xúc với chúng.
Trong quá trình hàn ma sát nhiệt được tạo ra trực tiếp tại giao diện hàn, nếu năng lượng đủ cao thì mối hàn được hàn thành công. Vì tính dẫn nhiệt của titan và hợp kim titan thấp, nên vùng vật liệu bị ảnh hưởng nhiệt trong hàn ma sát quay là rất nhỏ. Quá trình hàn ma sát cũng tạo ra một vùng ảnh hưởng nhiệt cơ học tương đối hẹp. Vùng ảnh hưởng nhiệt cơ học được định nghĩa là vùng vật liệu bị biến dạng do nhiệt và lực ép.
Vùng này nằm tiếp giáp với khu vực hàn. Trong quá trình hàn ma sát, tổ chức tế vi của vật liệu vùng này có sự thay đổi đáng kể [4]. Khi nhiệt độ thay đổi trong hai giai đoạn gia nhiệt và làm nguội của quá trình hàn ma sát, hợp kim titan có sự thay đổi từ pha α (HCP) qua pha β (BCC) và ngược lại.3 trình bày giản đồ pha của các loại hợp kim titan, khi nhiệt độ tăng lên đến nhiệt độ thích hợp, các tinh thể chuyển sang pha β, khi nhiệt độ giảm tùy theo tốc độ giảm nhiệt, 7 tổ chức tinh thể có thể chuyển sang α hoặc α – β. Các pha có thể được phân loại theo các pha α, gần α, α + β, gần β và β [5].
Sự phân chia giữa các các pha này có thể được hiểu theo mức độ của các chất ổn định α và β trong hợp kim mà nó được biểu thị bằng độ tương đương của nhôm và molypden. Ở nhiệt độ phòng, kim loại titan có tổ chức sáu phương xếp chặt và có tỉ lệ c/a = 1,587. Nó nhỏ hơn một ít so với tỉ lệ c/a lý tưởng của tổ chức sáu phương xếp chặt là c/a = 1,633. Sự trượt có thể xảy ra ở mặt cơ bản (0001), mặt trượt hình chóp và mặt lăng trụ như Hình 1.
Khi đạt đến nhiệt độ chuyển pha β khoảng 980 °C, titan trải qua quá trình thay đổi cấu trúc mạng tinh thể thành pha có tổ chức BCC như được trình bày trong Hình 1. Pha β này được giữ sự ổn định cho đến nhiệt độ nóng chảy của titan Sự trượt đối với giai đoạn pha β là khá khác nhau. Các mặt phẳng trượt trong hợp kim titan β là (110), (112) và (123), với vectơ Burgers thuộc loại <111>. Điều này phù hợp với các chế độ trượt dự kiến trong vật liệu BCC [6].
Nhiệt độ Ms β α+β α Mt Nồng độ chất ổn định β Ti-8Mn Ti-13V-11Cr-3Al Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo Ti-6Al-6V-2Sn Ti-15Mo-5Zr-3Al Ti-6Al-4V Ti-11.5Sn Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo Ti-8Al-1Mo-1V Ti-10V-2Fe-3Al Ti-5Al-2.3 Giản đồ pha của chất ổn định Ti và -Ti với vị trí của một số hợp kim [5] 8 Kết cấu của pha HCP α được hình thành trong quá trình phân hủy của pha BCC β ở nhiệt độ cao thường tuân theo một mối quan hệ trong đó có mười hai cách trượt có thể hình thành từ một hạt pha β trước đó. Sự biến đổi kết cấu đó phụ thuộc vào kết cấu ban đầu của pha β và vào trường ứng suất và biến dạng cục bộ xuất hiện trong quá trình nguội [7]. Hợp kim titan sẽ không biến đổi theo cách chính xác như titan nguyên chất. Bất kỳ pha β nào được giữ lại trong tổ chức nhiệt độ phòng đều có thể ảnh hưởng đến sự biến đổi trong quá trình gia nhiệt [8].4 Minh họa sự chuyển đổi từ HCP sang BCC trong titan nguyên chất [2] 1.