Nghiên cứu tính chất vật liệu và cơ học của mẫu hợp kim titan hàn bằng laser

Declaration

Acknowledgements

1. Table of Contents

2. List of Tables

3. List of Figures

4. Overview of additive manufacturing (AM)

4.1. Metal additive manufacturing

4.2. Laser powder bed fusion (LPBF)

4.3. Build shielding gas

4.4. Laser beam welding (LBW)

4.4.1. Introduction to lasers

5. Materials and Methodology

5.1. First Phase: Pilot Samples

5.1.1. Design of experiments

5.1.2. Fabrication of Laser Powder Bed Fusion (LPBF) parts

5.1.3. Laser Beam Welding

5.1.4. Cross section and metallographic preparation

5.1.5. Weld porosity studies

5.2. Second Phase: Main Samples

5.2.1. Design of experiments

5.2.2. Fabrication of parts

5.2.3. Pre-testing measurement and testing

5.2.4. Tensile test set up

5.2.5. Fatigue test set up

5.2.6. Post-test examinations

6. Results and Discussion

6.1. Weld appearance and comparison to AWI standards

6.1.1. Weld area measurement, shape, and penetration profile

6.1.2. Scanning Electron Microscopy

6.1.2.1. EDS and chemical composition results

6.1.2.2. Microstructure and EBSD results

6.2. Design of experiments

6.2.1. Tensile test setup

6.2.2. Single piece wrought and LPBF tensile tests

6.2.3. Porosity analysis – Single piece wrought and LPBF

6.2.4. Welded wrought to LPBF assembly tensile tests

6.2.4.1. Pre-test porosity analysis – Wrought to LPBF

6.2.4.2. Tensile tests – Wrought to LPBF

6.2.4.3. Post-test CT scan – Wrought to LPBF

6.2.5. Welded LPBF to LPBF assembly tensile tests

6.2.5.1. Tensile tests – LPBF to LPBF

6.2.5.2. Post-test CT scans – LPBF to LPBF

6.2.6. Design of experiments

6.2.6.1. Single piece wrought fatigue tests

6.2.6.2. Pre-test porosity analysis – single piece wrought

6.2.6.3. Fatigue test – single piece wrought

6.2.6.4. Post-test SEM – single piece wrought

6.2.6.5. Single piece LPBF fatigue tests

6.2.6.6. Pre-test porosity analysis – single piece LPBF

6.2.6.7. Fatigue test – single piece LPBF

6.2.6.8. Post-test CT scan – single piece LPBF

6.2.6.9. Post-test SEM – single piece LPBF

6.2.6.10. Welded wrought to LPBF assembly fatigue tests

6.2.6.10.1. Pre-test porosity analysis – wrought to LPBF

6.2.6.10.2. Fatigue test – wrought to LPBF

6.2.6.10.3. Post-test CT scan – wrought to LPBF

6.2.6.10.4. Post-test SEM – wrought to LPBF

6.2.6.11. Welded LPBF to LPBF assembly fatigue tests

6.2.6.11.1. Pre-test porosity analysis – LPBF to LPBF

6.2.6.11.2. Fatigue test – LPBF to LPBF

6.2.6.11.3. Post-test CT scan – LPBF to LPBF

6.2.6.11.4. Post-test SEM – LPBF to LPBF

6.2.7. Tensile strength and fatigue performance

6.2.8. Post weld processing

6.2.9. Build parameters effect on weldability

6.2.10. Impact of geometry on weld performance

6.2.11. Enhance statistical confidence of results

I. Tổng quan về nghiên cứu tính chất vật liệu hợp kim titan

Nghiên cứu tính chất vật liệu và cơ học của mẫu hợp kim titan hàn bằng laser là một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ chế tạo hiện đại. Hợp kim titan được biết đến với độ bền cao, trọng lượng nhẹ và khả năng chống ăn mòn tốt. Việc áp dụng công nghệ hàn laser trong chế tạo các sản phẩm từ hợp kim titan không chỉ giúp cải thiện chất lượng sản phẩm mà còn tối ưu hóa quy trình sản xuất. Nghiên cứu này sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc về các tính chất cơ học và vật lý của hợp kim titan khi được hàn bằng laser.

1.1. Đặc điểm nổi bật của hợp kim titan

Hợp kim titan có nhiều đặc điểm nổi bật như độ bền cao, khả năng chống ăn mòn và trọng lượng nhẹ. Những đặc điểm này làm cho vật liệu titan trở thành lựa chọn lý tưởng cho nhiều ứng dụng trong ngành hàng không, y tế và công nghiệp chế tạo. Hợp kim titan thường được sử dụng trong các sản phẩm yêu cầu độ bền và độ tin cậy cao.

1.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu tính chất vật liệu

Nghiên cứu tính chất vật liệu là rất quan trọng để hiểu rõ hơn về hành vi của hợp kim titan trong các điều kiện khác nhau. Việc phân tích các tính chất cơ học như độ bền kéo, độ dẻo và khả năng chịu tải giúp cải thiện quy trình sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm cuối cùng.

II. Thách thức trong nghiên cứu tính chất cơ học của hợp kim titan

Mặc dù hợp kim titan có nhiều ưu điểm, nhưng việc nghiên cứu và ứng dụng chúng trong thực tế vẫn gặp phải nhiều thách thức. Một trong những vấn đề lớn nhất là sự xuất hiện của các khuyết tật trong quá trình hàn, như lỗ rỗng và nứt. Những khuyết tật này có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến tính chất cơ học của sản phẩm. Do đó, việc hiểu rõ nguyên nhân và cách khắc phục là rất cần thiết.

2.1. Các khuyết tật thường gặp trong hàn laser

Trong quá trình hàn laser, các khuyết tật như lỗ rỗng và nứt có thể xuất hiện do nhiều nguyên nhân khác nhau, bao gồm tốc độ hàn không phù hợp và điều kiện môi trường. Những khuyết tật này không chỉ làm giảm chất lượng sản phẩm mà còn ảnh hưởng đến độ bền và tuổi thọ của sản phẩm.

2.2. Ảnh hưởng của điều kiện hàn đến tính chất vật liệu

Điều kiện hàn như công suất laser, tốc độ hàn và loại khí bảo vệ có thể ảnh hưởng lớn đến tính chất cơ học của hợp kim titan. Việc tối ưu hóa các điều kiện này là rất quan trọng để giảm thiểu khuyết tật và nâng cao chất lượng sản phẩm.

III. Phương pháp nghiên cứu tính chất vật liệu hợp kim titan

Để nghiên cứu tính chất vật liệu của hợp kim titan hàn bằng laser, nhiều phương pháp khác nhau đã được áp dụng. Các phương pháp này bao gồm phân tích vi cấu trúc, thử nghiệm cơ học và phân tích hóa học. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và hạn chế riêng, nhưng khi kết hợp lại, chúng cung cấp cái nhìn toàn diện về tính chất của vật liệu.

3.1. Phân tích vi cấu trúc của mẫu hàn

Phân tích vi cấu trúc là một trong những phương pháp quan trọng để đánh giá chất lượng của mối hàn. Sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) giúp xác định kích thước và hình dạng của các hạt trong hợp kim titan, từ đó đánh giá ảnh hưởng của quá trình hàn đến cấu trúc vật liệu.

3.2. Thử nghiệm cơ học và phân tích hóa học

Thử nghiệm cơ học như thử kéo và thử uốn được thực hiện để đánh giá độ bền và độ dẻo của hợp kim titan. Bên cạnh đó, phân tích hóa học giúp xác định thành phần hóa học của vật liệu, từ đó hiểu rõ hơn về tính chất và khả năng ứng dụng của chúng.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của hợp kim titan

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng hợp kim titan hàn bằng laser có tính chất cơ học vượt trội so với các phương pháp hàn truyền thống. Các mẫu hàn cho thấy độ bền kéo cao và khả năng chịu tải tốt, điều này mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong các lĩnh vực như hàng không và y tế. Việc áp dụng công nghệ hàn laser không chỉ cải thiện chất lượng sản phẩm mà còn giảm thiểu thời gian sản xuất.

4.1. Ứng dụng trong ngành hàng không

Trong ngành hàng không, hợp kim titan được sử dụng rộng rãi nhờ vào trọng lượng nhẹ và độ bền cao. Việc hàn bằng laser giúp tạo ra các mối hàn chắc chắn, giảm thiểu khối lượng và tăng cường hiệu suất của các bộ phận máy bay.

4.2. Ứng dụng trong y tế

Hợp kim titan cũng được sử dụng trong các thiết bị y tế như cấy ghép và dụng cụ phẫu thuật. Tính chất chống ăn mòn và khả năng tương thích sinh học của hợp kim titan làm cho chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng y tế.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu hợp kim titan

Nghiên cứu về tính chất vật liệu và cơ học của hợp kim titan hàn bằng laser đã mở ra nhiều cơ hội mới trong công nghệ chế tạo. Những kết quả đạt được không chỉ giúp cải thiện chất lượng sản phẩm mà còn thúc đẩy sự phát triển của các ứng dụng mới. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều đột phá trong lĩnh vực vật liệu và công nghệ chế tạo.

5.1. Triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình hàn và phát triển các hợp kim titan mới với tính chất vượt trội. Việc áp dụng công nghệ mới như in 3D cũng có thể mở ra nhiều cơ hội mới cho việc chế tạo các sản phẩm từ hợp kim titan.

5.2. Tác động đến ngành công nghiệp chế tạo

Sự phát triển của hợp kim titan hàn bằng laser có thể tạo ra những thay đổi lớn trong ngành công nghiệp chế tạo. Việc cải thiện chất lượng sản phẩm và giảm thiểu chi phí sản xuất sẽ giúp nâng cao tính cạnh tranh của các sản phẩm chế tạo từ titan trên thị trường.