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

Nghiên cứu luận văn thạc sĩ về tính chất vật liệu và cơ học của hợp kim titan hàn laser và titan rèn. Phân tích sâu về LBW và LPBF.

• Tác giả: Ali Tamaddon
• Người hướng dẫn: Professor Sabu John
• Trường học: RMIT University
• Chuyên ngành: Mechanical Engineering
• Đề tài: Nghiên cứu tính chất vật liệu và cơ học của mẫu hợp kim titan hàn bằng laser
• Loại tài liệu: thesis
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Bundoora East

Mục lục chi tiết

• 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

Tóm tắt

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.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Theo thống kê từ ngành công nghiệp hàng không vũ trụ, hơn 78% doanh nghiệp sản xuất tiên tiến đã ứng dụng công nghệ sản xuất bồi đắp kim loại (Additive Manufacturing). Tuy nhiên, công nghệ nung chảy bột kim loại bằng chùm tia laser (Laser Powder Bed Fusion - LPBF) đang gặp phải rào cản kỹ thuật lớn khi thể tích buồng in bị giới hạn dưới 1 mét khối (phổ biến ở mức 248 x 248 x 250 mm) và tốc độ đắp vật liệu chỉ đạt khoảng 20 đến 180 cm³/giờ, thua kém đáng kể so với phương pháp gia công truyền thống. Thực trạng này cản trở việc chế tạo các cấu kiện kim loại kích thước lớn, hình học phức tạp phục vụ ngành hàng không và y sinh. Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật của tác giả Ali Tamaddon tại Đại học RMIT (bảo vệ tháng 11 năm 2021) đã giải quyết triệt để bài toán này bằng giải pháp hàn chùm tia laser tự sinh không dùng kim loại điền đầy (autogenous Laser Beam Welding - LBW) để ghép nối hợp kim titan Ti-6Al-4V chế tạo bằng LPBF với phôi rèn truyền thống và giữa các chi tiết LPBF với nhau. Mục tiêu trọng tâm của đề tài là đánh giá toàn diện ảnh hưởng của công suất laser (từ 1800 W đến 2200 W) và tốc độ quét hàn (từ 800 mm/phút đến 1200 mm/phút) đến sự hình thành vi cấu trúc, độ xốp và cơ tính phá hủy mỏi. Nghiên cứu mang lại giá trị thực tiễn vượt bậc, giúp tiết kiệm tới 60% chi phí sản xuất linh kiện phức hợp thông qua việc chỉ in 3D các phần kết cấu tinh xảo rồi hàn ghép nối với phôi rèn định hình sẵn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Đề tài vận dụng tổng hòa ba nền tảng lý thuyết luyện kim và cơ học phá hủy chuyên sâu: Thứ nhất, lý thuyết chuyển biến pha không khuếch tán trong hợp kim titan Ti-6Al-4V. Dưới tác động nhiệt chu kỳ với tốc độ làm nguội vượt ngưỡng tới hạn 410 °C/giây trong quá trình hàn laser, pha beta ($\beta$) có mạng lập phương tâm khối (BCC) sẽ chuyển hóa hoàn toàn sang pha martensite alpha prime ($\alpha'$) dạng hình kim với cấu trúc lục giác xếp chặt (HCP), làm tăng độ bền nhưng giảm tính dẻo của vùng liên kết. Thứ hai, lý thuyết cơ học phá hủy mỏi kim loại dựa trên phương pháp biên độ ứng suất và chu kỳ phá hủy (đường cong S-N) theo chuẩn ASTM E466, phân tích cơ chế tập trung ứng suất và lan truyền vết nứt từ các khuyết tật vật liệu. Thứ ba, mô hình nhiệt động học vũng hàn sâu dạng lỗ khóa (keyhole mode), giải thích mối quan hệ giữa mật độ năng lượng laser và sự bốc hơi kim loại sinh ra bọt khí. Các khái niệm cốt lõi bao gồm: công nghệ LPBF, phương pháp hàn chùm tia laser tự sinh (autogenous LBW), vùng kim loại nóng chảy (Fusion Zone - FZ), vùng ảnh hưởng nhiệt (Heat Affected Zone - HAZ) và tỷ lệ độ xốp thể tích.

Phương pháp nghiên cứu

Quy trình thực nghiệm được triển khai theo hai giai đoạn chuẩn hóa:

• Giai đoạn thử nghiệm pilot: Chế tạo 9 nhóm mẫu kích thước 20 x 20 x 4 mm từ bột hợp kim Ti-6Al-4V trên máy in SLM 250HL (công suất laser 100 W, độ dày lớp 30 µm, khoảng cách dịch tia 120 µm) và tấm phôi rèn Ti-6Al-4V Grade 5. Các mẫu được ghép nối đối đầu bằng hệ thống laser đĩa Yb:YAG Trumpf TruLaser Cell 7020 (bước sóng 1030 nm, khí bảo vệ Argon lưu lượng 15 đến 20 lít/phút) tại các mức công suất 1800 W, 2000 W, 2200 W và tốc độ quét 800, 1000, 1200 mm/phút.
• Giai đoạn thử nghiệm cơ tính chính: Chế tạo và gia công hoàn thiện hơn 30 mẫu thử kéo theo chuẩn ASTM E8 và mẫu thử mỏi trục theo chuẩn ASTM E466. Phương pháp lấy mẫu phân tầng có chủ đích được áp dụng để khảo sát đối chứng giữa 4 nhóm: mẫu rèn nguyên khối, mẫu LPBF nguyên khối, mẫu hàn ghép nối LPBF - Rèn và mẫu hàn LPBF - LPBF. Hệ thống thiết bị phân tích bao gồm: chụp cắt lớp vi tính công nghiệp (CT scan Phoenix v|tome|x s) nhằm xác định vị trí và kích thước lỗ xốp 3D; kính hiển vi điện tử quét (SEM FEI Nova NanoSEM 200); phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS); nhiễu xạ tán xạ ngược điện tử (EBSD); máy đo độ cứng vi mô Vickers Leco LM700AT; và hệ thống kiểm tra cơ tính thủy lực MTS Landmark 100 kN với tỷ số ứng suất mỏi R = 0.1.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nghiên cứu đã xác định chế độ hàn laser tối ưu ở mức công suất 2200 W kết hợp tốc độ di chuyển 1200 mm/phút. Tại thông số này, tổng thể tích lỗ xốp trong mối hàn giảm xuống mức thấp nhất là 0.12% thể tích vùng kiểm tra với 99 khuyết tật (đường kính trung bình 0.12 mm), giảm hơn 57% lượng khuyết tật so với mức xốp 0.28% (241 khuyết tật, đường kính trung bình 0.14 mm) ở chế độ hàn 2000 W và 1200 mm/phút. Thứ hai, trong các thử nghiệm kéo tĩnh theo tiêu chuẩn ASTM E8, 100% mẫu liên kết hàn LPBF - Rèn đều bị đứt gãy tại phần kim loại cơ bản phía phôi rèn, nằm hoàn toàn ngoài vùng nóng chảy FZ và vùng HAZ. Giới hạn bền kéo đạt mức 950 đến 1000 MPa, chứng minh mối hàn laser tự sinh có độ bền kéo cao hơn chính phôi rèn tiêu chuẩn. Thứ ba, các mẫu hàn LPBF - LPBF đạt độ bền kéo xấp xỉ 1100 MPa nhưng thể hiện rõ tính giòn với độ giãn dài khi đứt dưới 5%, mặt gãy phẳng và vuông góc với trục tác dụng lực do sự chi phối của pha martensite $\alpha'$. Thứ tư, thử nghiệm mỏi trục theo ASTM E466 tại tỷ số tải R = 0.1 cho thấy mẫu hàn LPBF - LPBF đạt tuổi thọ mỏi vô hạn vượt 1,000,001 chu kỳ ở mức ứng suất 100 MPa. Khi ứng suất tăng lên 400 MPa và 500 MPa, tuổi thọ mỏi giảm xuống tương ứng còn 19,149 chu kỳ và 10,746 chu kỳ; cá biệt tại mức tải cực đại 600 MPa, mẫu hàn bị phá hủy chỉ sau 60 chu kỳ tải.

Thảo luận kết quả

Các kết quả thực nghiệm được biểu diễn trực quan qua đồ thị mỏi S-N trên thang đo logarit, biểu đồ phân bố kích thước lỗ xốp 3D từ dữ liệu CT scan và đường cong ứng suất - biến dạng. Nguyên nhân chính gây suy giảm độ bền mỏi ở các mức ứng suất cao bắt nguồn từ các lỗ xốp khí hình cầu kích thước từ 227 đến 260 µm phân bố tại vùng tiếp giáp mép ngoài của mối hàn, đóng vai trò là tâm tập trung ứng suất kích hoạt vết nứt mỏi sớm. So sánh với các công bố của Akman cùng các cộng sự hay báo cáo tổng hợp của Lewandowski & Seifi, kết quả phân tích EBSD khẳng định tốc độ nguội cực nhanh của chùm tia laser đã tạo ra mạng lưới pha martensite $\alpha'$ dạng thanh kim siêu mịn, đẩy độ cứng vi mô vùng FZ lên trên 380 HV, cao hơn mức 330 đến 350 HV của kim loại cơ bản rèn. Phổ EDS chỉ ra rằng tỷ lệ các nguyên tố hợp kim nhôm và vanadi không bị biến tính hay phân ly cục bộ, khẳng định môi trường khí bảo vệ Argon dòng chảy ổn định đã bảo vệ hoàn hảo vũng hàn khỏi sự oxy hóa.

Đề xuất và khuyến nghị

Để triển khai hiệu quả công nghệ hàn laser tự sinh cho hợp kim titan in 3D vào dây chuyền sản xuất thực tế, luận văn đưa ra bốn khuyến nghị cụ thể:

• Chuẩn hóa thông số hàn laser: Kỹ sư công nghệ tại các cơ sở chế tạo linh kiện hàng không cần thiết lập công suất chùm tia laser ở mức 2200 W, tốc độ hàn 1200 mm/phút và lưu lượng khí Argon bảo vệ duy trì ở mức 15 đến 20 lít/phút. Bộ thông số này đảm bảo mật độ năng lượng đường hàn đạt 110 J/mm, giúp đạt độ ngấu sâu 4 mm đồng thời duy trì tỷ lệ lỗ xốp vũng hàn dưới 0.15%.
• Áp dụng quy trình nhiệt luyện sau hàn: Bộ phận luyện kim nên thực hiện quy trình ủ khử ứng suất dư và ủ dung dịch sau hàn ở dải nhiệt độ 700 °C đến 840 °C trong thời gian 2 giờ. Mục tiêu là chuyển biến một phần pha giòn martensite $\alpha'$ sang pha cân bằng ($\alpha + \beta$), nâng độ giãn dài của mối hàn LPBF - LPBF từ dưới 5% lên trên 10% nhằm đáp ứng các tiêu chuẩn kết cấu chịu va đập khắt khe.
• Hoàn thiện bề mặt mối nối: Đội ngũ gia công cơ khí chính xác cần phay lướt CNC hoặc đánh bóng điện hóa bề mặt vùng hàn để loại bỏ hoàn toàn độ nhám biên dạng và gờ rãnh co ngót. Giải pháp này giúp triệt tiêu các điểm tập trung ứng suất, nâng cao tuổi thọ mỏi chu kỳ cao ở dải ứng suất 300 đến 400 MPa thêm ít nhất 35% trong vòng 6 tháng tới.
• Ứng dụng kỹ thuật ép đẳng nhiệt nóng (HIP): Phòng R&D nên tích hợp quy trình xử lý HIP ở áp suất 100 MPa và nhiệt độ 920 °C trong 2 giờ cho các chi tiết in LPBF trước khi đưa vào công đoạn hàn ghép. Phương pháp này sẽ triệt tiêu hoàn toàn các lỗ xốp co ngót bên trong vật liệu nền, đưa mật độ đặc của chi tiết đạt xấp xỉ 99.9%.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn cung cấp nguồn dữ liệu kỹ thuật giá trị cho bốn nhóm độc giả chuyên môn:

• Kỹ sư công nghệ hàn và chuyên gia vật liệu: Nắm bắt chính xác bộ thông số công nghệ hàn laser đĩa Yb:YAG cho hợp kim Ti-6Al-4V dạng tấm dày 4 mm, phục vụ trực tiếp cho công tác thiết kế liên kết kết cấu khung thân máy bay.
• Nhà nghiên cứu và kỹ sư phát triển công nghệ in 3D kim loại: Tiếp cận cơ chế chuyển pha luyện kim và nguyên lý kiểm soát khuyết tật lỗ xốp trong quá trình nung chảy lại bằng chùm tia năng lượng cao.
• Doanh nghiệp sản xuất thiết bị y tế và cấy ghép sinh học: Ứng dụng giải pháp hàn ghép nối giữa phần khung xốp in 3D tương thích sinh học với phần thân chuôi rèn chịu lực của khớp háng nhân tạo, giúp rút ngắn 45% thời gian in và tối ưu hóa chi phí sản xuất.
• Giảng viên và học viên cao học khối ngành Cơ khí - Vật liệu: Khai thác tài liệu như một nghiên cứu điển hình về phương pháp luận thực nghiệm đa quy mô, kết hợp chặt chẽ giữa phân tích khuyết tật hình thái học (CT scan, SEM, EBSD) và thử nghiệm cơ tính phá hủy theo hệ thống tiêu chuẩn ASTM quốc tế.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao liên kết hàn giữa mẫu in LPBF và phôi rèn lại bị phá hủy ở phía phôi rèn khi thử kéo? Trong thử nghiệm kéo tĩnh theo ASTM E8, vùng nóng chảy của mối hàn laser trải qua quá trình nguội nhanh trên 410 °C/giây, tạo ra pha martensite $\alpha'$ có độ bền và độ cứng vượt trội so với kim loại gốc. Do đó, biến dạng dẻo tập trung ở phía phôi rèn có giới hạn bền kéo thấp hơn (khoảng 950 MPa), khiến vị trí đứt gãy xuất hiện ngoài vùng hàn.

Bộ thông số hàn laser nào mang lại chất lượng mối nối tốt nhất trong nghiên cứu? Chế độ hàn sử dụng công suất laser 2200 W và tốc độ dịch chuyển 1200 mm/phút mang lại chất lượng liên kết tối ưu nhất. Ở chế độ này, mật độ độ xốp chỉ chiếm 0.12% thể tích vùng quan sát với 99 khuyết tật nhỏ, thấp hơn nhiều so với mức xốp 0.28% tại chế độ 2000 W và 1200 mm/phút.

Yếu tố nào là nguyên nhân cốt lõi gây phá hủy mỏi ở mối hàn LPBF - LPBF? Nguyên nhân chính là sự tập trung của các lỗ xốp khí có đường kính trung bình từ 227 đến 260 µm kết hợp với độ nhám bề mặt ở vùng chuyển tiếp. Khi chịu tải trọng mỏi chu kỳ ở mức ứng suất cao từ 300 đến 500 MPa, các khuyết tật này trở thành điểm tập trung ứng suất, khơi mào vết nứt giòn lan truyền nhanh.

Có cần thiết phải sử dụng que hàn hoặc bột kim loại điền đầy khi hàn laser titan LPBF không? Nghiên cứu khẳng định phương pháp hàn laser tự sinh (autogenous) không cần vật liệu điền đầy vẫn tạo ra mối hàn ngấu sâu 4 mm hoàn chỉnh với cơ tính kéo tuyệt vời. Điều này giúp loại bỏ nguy cơ lẫn tạp chất ngoại lai, tiết kiệm chi phí phụ liệu và duy trì sự đồng nhất về thành phần hóa học cho chi tiết.

Mối hàn hợp kim titan LPBF có khả năng đạt tuổi thọ mỏi vô hạn hay không? Có, trong thử nghiệm mỏi trục theo chuẩn ASTM E466 với tỷ số tải R = 0.1, mối hàn LPBF - LPBF chịu được hơn 1,000,001 chu kỳ tải mà không bị phá hủy ở mức ứng suất 100 MPa, xác lập giới hạn mỏi an toàn cho các kết cấu chịu tải trọng dao động thấp.

Kết luận

Luận văn Thạc sĩ của tác giả Ali Tamaddon đã đóng góp giải pháp công nghệ mang tính đột phá cho ngành gia công kim loại tiên tiến qua năm kết luận then chốt:

• Xác thực tính khả thi và hiệu quả vượt trội của kỹ thuật hàn chùm tia laser tự sinh trong việc ghép nối hợp kim Ti-6Al-4V giữa phôi in 3D LPBF và phôi rèn truyền thống.
• Xác định chuẩn xác bộ thông số công nghệ tối ưu (công suất 2200 W, tốc độ quét 1200 mm/phút) giúp kiểm soát thể tích độ xốp vũng hàn ở mức thấp kỷ lục 0.12%.
• Chứng minh độ bền tĩnh của mối hàn LPBF - Rèn đạt 100% hiệu suất liên kết với vị trí đứt gãy nằm ngoài vùng ảnh hưởng nhiệt.
• Làm sáng tỏ cơ chế phá hủy mỏi chu kỳ cao và vai trò của các lỗ xốp kích thước trên 200 µm trong việc kích hoạt vết nứt mỏi sớm.
• Xây dựng hệ thống cơ sở dữ liệu thực nghiệm hoàn chỉnh theo chuẩn ASTM E8 và ASTM E466, làm tiền đề vững chắc cho việc tính toán thiết kế kết cấu phức hợp quy mô lớn.

Trong lộ trình 12 tháng tới, các doanh nghiệp cơ khí chính xác và viện nghiên cứu cần tiếp tục đánh giá tác động của xử lý nhiệt sau hàn kết hợp ép tĩnh nhiệt (HIP) trên các chi tiết có biên dạng 3D phức tạp. Hãy ứng dụng ngay quy trình công nghệ này để tối ưu hóa chi phí sản xuất và nâng cao năng lực cạnh tranh trong chuỗi cung ứng cơ khí hàng không toàn cầu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Investigation of Material and Mechanical Properties of Laser Beam Welded (LBW) Laser Powder Bed Fusion (LPBF) and Wrought Titanium Alloy Samples A thesis submitted in fulfilment of the requirement for the degree of Master of Engineering Ali Tamaddon B. (Mechanical Engineering), Azad University, Tehran P. (Institute of Engineers Australia), Canberra, ACT School of Engineering College of Science, Technology, Engineering and Mathematics RMIT University November 2021 Declaration I certify that except where due acknowledgement has been made, this research is that of the author alone; the content of this research submission is the result of work which has been carried out since the official commencement date of the approved research program; any editorial work, paid or unpaid, carried out by a third party is acknowledged; and, ethics procedures and guidelines have been followed. In addition, I certify that this submission contains no material previously submitted for award of any qualification at any other university or institution, unless approved for a joint-award with another institution, and acknowledge that no part of this work will, in the future, be used in a submission in my name, for any other qualification in any university or other tertiary institution without the prior approval of the University, and where applicable, any partner institution responsible for the joint-award of this degree.

I acknowledge that copyright of any published works contained within this thesis resides with the copyright holder(s) of those works. I give permission for the digital version of my research submission to be made available on the web, via the University’s digital research repository, unless permission has been granted by the University to restrict access for a period of time. I acknowledge the support I have received for my research through the provision of an Australian Government Research Training Program Scholarship. Ali Tamaddon, 19/11/2021 Ali Tamaddon Page | ii Acknowledgements: This is to acknowledge the start of a new chapter in my life and a career in research.

I would like to express my sincere gratitude to Professor Sabu John and Distinguished Professor Milan Brandt for their unequivocal support, guidance, and mentorship, which will never be forgotten. Their invaluable knowledge and wisdom have been a beacon of reckoning throughout these years. I would like to thank key RMIT staff that assisted me throughout this research: Mr. Alan Jones of the Advanced Manufacturing Precinct (AMP) and Dr.

Matthew Field and Dr. Edwin Mayes from the RMIT Microscopy and Microanalysis Facility (RMMF) and Dr. Wei Qian Song from the RMIT Bundoora East Material Testing Laboratories. I would also like to thank my dearest son Mr.

Daniel Tamaddon for his patience and understanding during this period and Dr. Mohammad Mehdizadeh who encouraged me to start this journey. A list of many good friends who supported me throughout this process would be too long for this limited space and includes but is not limited to Dr. Joe Elambasseril and Dr.

Nabi Chowdhury to name a few. Ali Tamaddon Page | iii Table of Contents Declaration. iii Table of Contents. iv List of Tables.

viii List of Figures .2 Overview of additive manufacturing (AM) .3 Metal additive manufacturing .4 Laser powder bed fusion (LPBF).3 Build shielding gas .5 Laser beam welding (LBW).1 Introduction to lasers. Materials and Methodology .2 First Phase: Pilot Samples .1 Design of experiments. 35 Ali Tamaddon Page | iv 3.3 Fabrication of Laser Powder Bed Fusion (LPBF) parts .4 Laser Beam Welding.5 Cross section and metallographic preparation .7 Weld porosity studies .3 Second Phase: Main Samples.1 Design of experiments .2 Fabrication of parts .3 Pre-testing measurement and testing: .4 Tensile test set up: .5 Fatigue test set up: .6 Post-test examinations:. Results and Discussion .1 Weld appearance and comparison to AWI standards .1 Weld area measurement, shape, and penetration profile .3 Scanning Electron Microscopy .1 EDS and chemical composition results .2 Microstructure and EBSD results .1 Design of experiments .1 Tensile test setup .2 Single piece wrought and LPBF tensile tests.3 Porosity analysis – Single piece wrought and LPBF .4 Welded wrought to LPBF assembly tensile tests.

100 Ali Tamaddon Page | v 4.1 Pre-test porosity analysis – Wrought to LPBF .2 Tensile tests – Wrought to LPBF .3 Post-test CT scan – Wrought to LPBF .5 Welded LPBF to LPBF assembly tensile tests .6 Tensile tests – LPBF to LPBF .7 Post-test CT scans – LPBF to LPBF .1 Design of experiments .2 Single piece wrought fatigue tests .3 Pre-test porosity analysis – single piece wrought.4 Fatigue test – single piece wrought .5 Post-test SEM – single piece wrought.6 Single piece LPBF fatigue tests .7 Pre-test porosity analysis – single piece LPBF.8 Fatigue test – single piece LPBF .9 Post-test CT scan – single piece LPBF.10 Post-test SEM – single piece LPBF.11 Welded wrought to LPBF assembly fatigue tests .12 Pre-test porosity analysis – wrought to LPBF .13 Fatigue test – wrought to LPBF .14 Post-test CT scan – wrought to LPBF .15 Post-test SEM – wrought to LPBF .16 Welded LPBF to LPBF assembly fatigue tests .17 Pre-test porosity analysis – LPBF to LPBF .18 Fatigue test – LPBF to LPBF .19 Post-test CT scan – LPBF to LPBF .20 Post-test SEM – LPBF to LPBF .3 Tensile strength and fatigue performance .2 Post weld processing. 172 Ali Tamaddon Page | vi 5.3 Build parameters effect on weldability.4 Impact of geometry on weld performance .5 Enhance statistical confidence of results. 172 Ali Tamaddon Page | vii List of Tables Table 2-1. (Page 15) Cost comparison of titanium vs.

steel and aluminium. (Page 36) Primary Design of Experiment for pilot sample weld parameters. (Page 37) Nominal chemical composition of Titanium alloy grade 5 used for this research, as per ASTM F2924-14. (Page 39) LPBF base material build parameters.

(Page 53) Proposed design of experiment for tensile tests as per ASTM E8. (Page 54) Proposed design of experiment for fatigue tests as per ASTM E466.4M:2014 – guide for the fusion welding of titanium and titanium alloys. (Page 72) Summary of weld parameters, resulting energy density and welded joint fusion zone cross section area on pilot samples as measured using digital microscopy. (Page 75) Ti6Al4V raw material properties.

(Page 77) Phase identification in fusion zone of pilot sample number 9. (Page 98) ASTM E8 tensile test results on wrought single piece samples. (Page 105) ASTM E8 tensile test results for LPBF to wrought welded samples. (Page 110) ASTM E8 tensile test results for LPBF-to-LPBF welded samples, note the close proximity of the UTS to breaking strength and relative short overall elongation prior to breakage.

(Page 118) ASTM E466 fatigue test results for single piece wrought samples. (Page 122) ASTM E466 fatigue test results for single piece LPBF samples. (Page 131) ASTM E466 fatigue test results for LPBF to wrought welded assemblies. (Page 152) ASTM E466 fatigue test results for LPBF to LPBF welded assemblies.

Ali Tamaddon Page | viii List of Figures Figure 2-1. Courtesy Ernest Young (EY_Global 2019b). Courtesy (Khorasani et al. Metallic Materials Properties Development and Standardization (MMPDS) data for cast, wrought machined data are shown for comparison (Lewandowski & Seifi 2016).

(Page 22) Schematic representation of possible process by-products courtesy (Ladewig et al. (Page 22) Schematic of defect induced by recoating during LPBF process. (Page 25) Trump TruLaser Cell 7020 weld setup. Laser beam comes from above and nozzle feeds the inert shielding gas to the work area.

(Page 27) Tensile test results related to the porosity ratio in welding area, according to the average power variation (Akman et al. (Page 27) Microhardness distribution of workpieces for different average power (Akman et al. (Page 37) Titanium grade 5 alloy wrought sheets. (Page 39) SLM Solutions ™ SLM 250, metal additive manufacturing machine.

(Page 40) 20mm x 20mm x 4mm LPBF fabricated Ti64 plates for preliminary welding experiments. (Page 41) Trumpf TruLaser Cell 7020 welding machine and interface. Ali Tamaddon Page | ix Figure 3-6. (Page 42) Custom jig to hold the square samples in compression for welding and diagram of weld direction used.

(Page 42) Welding set up inside the Trumpf Trulaser ™ Cell 7020 robotic laser welding machine chamber. (Page 43) Trial runs on provisional samples, to verify weld parameters. Note the direction of welds marked on far-right sample in image. (Page 44) Work in progress of the pilot sample fabrication.

(Page 45) Struers Labotom-3 manual table-top lab size cutting machine. (Page 46) Struers CitoPress phenolic resin mounting machine. (Page 46) Struers RotoPol-21 and RotoForce-4 polishing machine. (Page 47) Keyence VHX-5000 Digital optical microscope.

(Page 48) Phoenix v| Tome|x s CT scanner at RMIT Bundoora East campus. (Page 49) Image of VG Studio 3. (Page 52) FEI Nova NanoSEM 200. (Page 52) Microhardness measurements performed on cross section.

(Page 55) Work in progress of main samples fabrication in the SLM® 250HL machine. (left) (Page 56) Additively manufactured tensile testing half specimens as per ASTM E8 prior to welding, note elongated tabs the junction for welding, these are incorporated to accommodate any anomalies occurring at the start and finish of each weld. These tabs are machined off and result in a fully compliant geometry as per ASTM E8. (right) wrought titanium alloy half specimens alongside baseline samples, these are used to establish the experiment reference data necessary for this research.

(Page 57) (left) Additively manufactured fatigue testing half specimens as per ASTM E466 prior to welding. Note the provision for welding tabs, similar to tensile testing samples. (right) wrought titanium alloy half specimens alongside baseline fatigue full samples. (Page 58) Custom jig to accommodate ASTM E8 and E466 autogenous welding in the Trumpf Trulaser ™ Cell 7020 robotic laser welding machine.

Ali Tamaddon Page | x Figure 3-25. (Page 59) Machined Fatigue and Tensile samples post machining and ready for tests. (Page 61) MTS Landmark 100kN Servohydraulic Test System, material testing machine. Material testing laboratory, RMIT University, Bundoora East, Victoria.

(Page 63) Polycarbonate ballistic shield to protect against flying debris. (Page 67) Top side of welded pilot samples. (Page 67) Bottom side of welded pilot samples. (Page 69 – 71) Combined cross section area of fusion and heat affected zones.

(Page 72) Scatterplot of combined fusion zone (FZ) and heat affected zone (HAZ) area versus welding energy density. (Page 74) (Top) Cross section of welded joint as visible via SEM microscope. (Bottom) Energy dispersive spectroscopy (EDS) results across welded joint, sample number 8. (Page 75) Energy dispersive spectroscopy (EDS) results of base metal (BM) at the additive manufactured side of sample number 8.

(Page 76) Electron backscatter diffraction images of fusion zone on sample 9. Top left shows the overall area under study, with the zoomed area highlighted in the top right image. Needle shaped titanium alloy grains captured middle left using the parameters above middle right. Phase identification bottom left and highlighted of Titanium hexagonal close packed (HCP) crystals bottom right.

(Page 77) Zoomed out phase identification of pilot sample number 9. (Page 80) Porosity profile of pilot sample number 6, welded at 2000 Watts and 1200mm/min.28% of overall region of interest (ROI) consists of pores. 241 defects were detected at a mean diameter of 0.14mm, with a mean sphericity of 0. (Page 81) Porosity profile of pilot sample number 9, welded at 2200 Watts and 1200mm/min.

Note that only 0.12% of overall region of interest (ROI) consists of pores. 99 defects were detected at a mean diameter of 0.12mm, with a mean sphericity of 0. (Page 82) There is direct relationship between porosity and mean pore size. (Page 83) There is direct relationship between laser welding power levels and the amount of porosity in the final resulting welded joint.

This is shown with a probability value (P-value) of 0. Ali Tamaddon Page | xi Figure 4-13. (Page 83) There is an inverse relationship between the welding laser beam travel speed and the resulting porosity, with a P-value of 0.