Nghiên cứu công nghệ nhiệt luyện và xử lý bề mặt cho hợp kim in 3d
- 79 trang
- file .pdf
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU
---------------------------------------------
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Đề tài: Nghiên cứu công nghệ nhiệt luyện và xử lý bề mặt
cho hợp kim in 3D
Học viên : Lê Thiêm Tuấn
Chuyên ngành : Khoa học và Kỹ thuật vật liệu
Hệ : Thạc sỹ khoa học
SHHV : 20202288M
Khoá học : 2020B
Giảng viên hướng dẫn : PGS. TS. Trịnh Văn Trung
Hà Nội – 2022
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Đại học Bách Khoa Hà Nội
Lê Thiêm Tuấn 20202288M 2
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Đại học Bách Khoa Hà Nội
LỜI CẢM ƠN
Sau những năm tháng học tập và nghiên cứu, tôi đã hoàn thành luận văn
thạc sĩ với đề tài “Nghiên cứu công nghệ nhiệt luyện và xử lý bề mặt cho hợp kim
in 3D”. Tôi luôn ghi nhớ những hỗ trợ, ủng hộ và đóng góp của những người bên
cạnh mình. Nhân đây tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến họ.
Lời đầu tiên tôi xin được cảm ơn PGS.TS. Trịnh Văn Trung, người đã
hướng dẫn tôi trong suốt quá trình tôi thực hiện đề tài. Sự chỉ bảo và định hướng
của thầy đã giúp tôi nghiên cứu và giải quyết vấn đề một cách đúng đắn và khoa
học nhất. Cảm ơn thầy đã luôn lắng nghe những ý kiến cá nhân và đưa ra những
nhận xét quý báu để giúp tôi hành thành luận văn tốt nhất và phát triển bản thân
hơn.
Tiếp theo, tôi xin được cảm ơn đến đơn vị trường đại học Bách Hoa Hà Nội
và Viện Khoa học và Kỹ thuật vật liệu đã tạo điều kiện cho tôi được học tập và
hoành thành luận văn một cách thuận lợi. Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô đã
dạy dỗ và truyền đạt kiến thức cho tôi trong suốt thời gian học tập.
Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến bố mẹ và những người
thân trong gia đình đã luôn ủng hộ, đặt niềm tin và theo dõi tôi trong chặng đường
đã qua.
Vì điều kiện công việc, thời gian còn hạn hẹp cũng như kinh nghiệm nghiên
cứu còn ít ỏi nên tôi cũng gặp nhiều khó khăn trong quá trình hoàn thành luận văn
này. Mặc dù đã cố gắng và nỗ lực hết sức mình trong quá trình thực hiện, tuy nhiên
vẫn không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tôi rất mong nhận được những góp ý
quý báu của thầy cô để hoàn thiện luận văn được tốt hơn.
Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày tháng năm 2022
Học viên thực hiện
Lê Thiêm Tuấn 20202288M 3
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Đại học Bách Khoa Hà Nội
LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay khoa học - kỹ thuật đang phát triển rất nhanh trong thời kì công
nghiệp 4.0, việc chế tạo các chi tiết bằng phương pháp truyền thống sẽ dần được
thay thế tự động và công nghệ in 3D chính là giải pháp đó. Công nghệ in 3D trên
cơ sở vật liệu nhựa đã được nghiên cứu nhiều và thương mại hóa. Trong khi đó,
công nghệ in 3D trên cơ sở kim loại còn nhiều vấn đề về mặt cơ tính và tổ chức
mẫu sau in cần nghiên cứu và có tiềm năng ứng dụng rất lớn. Đặc biệt là công nghệ
in cho vật liệu trên cơ sở hợp kim titan và các công nghệ hậu xử lý như xử lý nhiệt
và xử lý bề mặt để cải thiện tổ chức và cơ tính của vật in. Luận văn này tập trung
nghiên cứu các quy trình nhiệt luyện và xử lý bề mặt (ủ và phủ PVD) cho hợp kim
Ti6Al4V chế tạo bằng công nghệ in 3D. Qua đó từng bước đưa công nghệ in 3D
vật liệu hợp kim titan vào ứng dụng chế tạo các chi tiết cho cơ khí, máy móc, y
học… góp phần tiếp cận với nền công nghiệp in 3D kim loại thế giới.
Qua thời gian tìm hiểu tài liệu và tiến hành thực nghiệm tôi đã tích luỹ được
nhiều kiến thức và các kết quả thực tế. Qua đó giúp tôi hoàn thành luận văn này
với bố cục 3 phần chính là:
Phần 1: Tổng quan về titan, hợp kim titan, nhiệt luyện và công nghệ in 3D
kim loại.
Phần 2: Đưa ra quy trình thực nghiệm nhiệt luyện và xử lý bề mặt hợp kim
Ti6Al4V sau in 3D.
Phần 3: Kết quả thực nghiệm và kết luận.
Kết quả nghiên cứu từ luận văn này đã phần nào tiến đến một quy trình
nhiệt luyện và xử lý bề mặt hoàn chỉnh hơn đối với hợp kim Ti6Al4V sau in 3D.
Qua đó giúp đạt được cơ tính và tổ chức mong muốn của chi tiết sau quá trình in
3D phục vụ cho mục đích thực tiễn.
Lê Thiêm Tuấn 20202288M 4
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Đại học Bách Khoa Hà Nội
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................... 3
LỜI MỞ ĐẦU .................................................................................................... 4
MỤC LỤC .......................................................................................................... 5
DANH MỤC HÌNH VẼ ..................................................................................... 9
DANH MỤC BẢNG BIỂU.............................................................................. 11
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN............................................................................... 1
1.1. Titan và hợp kim titan ............................................................................. 1
1.1.1. Khái niệm chung .............................................................................. 1
1.1.2. Tính chất ..................................................................................... 2
1.1.3. Tương tác của titan với nguyên tố hợp kim và giản đồ pha ....... 6
1.1.4. Chuyển biến pha.......................................................................... 8
1.1.4.1. Đặc điểm chuyển biến pha trong titan nguyên chất .................. 8
1.1.4.2. Đặc điểm chuyển biến pha trong hợp kim titan ........................ 9
1.1.5. Nhiệt luyện hợp kim titan ......................................................... 14
1.1.5.1. Ủ .............................................................................................. 14
1.1.5.2. Hoá nhiệt luyện (thấm nitơ) .................................................... 17
1.2. Công nghệ in 3D ................................................................................... 19
1.2.1. Tổng quan ....................................................................................... 19
1.2.1.1. Định nghĩa ............................................................................... 19
1.2.1.2. Các công nghệ in 3D điển hình .............................................. 20
1.2.1.3. Một số ứng dụng đặc trưng của công nghệ in 3D ................... 22
Lê Thiêm Tuấn 20202288M 5
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Đại học Bách Khoa Hà Nội
1.2.2. In 3D kim loại ................................................................................ 24
1.2.2.1. Lịch sử về công nghệ in 3D kim loại .......................................24
1.2.2.2. Nguyên lý hoạt động công nghệ in 3D kim loại ......................24
1.2.3. In 3D vật liệu Ti6Al4V .................................................................. 27
1.2.3.1. Công nghệ in ............................................................................27
1.2.3.2. Nhiệt luyện vật liệu Ti6Al4V sau in 3D ..................................29
1.2.3.3. Hóa nhiệt luyện vật liệu Ti6Al4V sau in 3D ...........................30
1.2.3.4. Phủ PVD cho hợp kim titan .....................................................31
1.2.3.5. Ứng dụng của Ti6Al4V in 3D..................................................32
CHƯƠNG II. THỰC NGHIỆM ....................................................................... 34
2.1. Quy trình thực nghiệm .......................................................................... 34
2.2. Vật liệu in và công nghệ in ................................................................... 35
2.3. Sử dụng JMatPro ................................................................................... 36
2.4. Chế độ xử lý nhiệt ................................................................................. 37
2.4.1. Ủ hợp kim Ti6Al4V ....................................................................... 38
2.4.2. Thấm nitơ hợp kim Ti6Al4V ......................................................... 38
2.4.3. Phủ PVD......................................................................................... 39
2.5. Các phương pháp kiểm tra đánh giá và thiết bị .................................... 40
2.5.1. Kính hiển vi quang học AXIOVERT 25CA .................................. 40
2.5.2. Máy quang phổ phát xạ S7 Metal Lab Plus ................................... 41
2.5.3. Lò ủ và lò thấm .............................................................................. 42
2.5.4. Máy nhiễu xạ XRD ........................................................................ 42
Lê Thiêm Tuấn 20202288M 6
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Đại học Bách Khoa Hà Nội
2.5.5. Máy đánh bóng PHOENIX BETA 49 – 5102 - 230 ...................... 43
2.5.6. Thiết bị chụp ảnh bề mặt 3D và đo độ nhám ................................. 44
2.5.7. Thiết bị phân tích SEM và EDX .................................................... 45
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................... 47
3.1. Mẫu ở trạng thái cung cấp ..................................................................... 47
3.1.1. Thành phần hoá học hợp kim Ti6Al4V ......................................... 47
3.1.2. Ảnh hiển vi (scope), SEM và phân tích EDX bề mặt .................... 47
3.1.3. Ảnh tổ chức tế vi ............................................................................ 49
3.1.4. Độ nhám ......................................................................................... 52
3.1.5. Kết quả kiểm tra độ cứng tế vi ....................................................... 55
3.1.6. Kết quả phân tích nhiễu xạ XRD ................................................... 56
3.2. Hợp kim Ti6Al4V sau nhiệt luyện ........................................................ 57
3.2.1. Kết quả mô phỏng bằng phần mềm JMart Pro............................... 57
3.2.2. Tổ chức và độ cứng mẫu sau ủ ở dưới và trên nhiệt độ β-transus
(T α⇔β ) ...................................................................................................... 57
3.2.3. Kết quả phân tích XRD mẫu sau ủ ................................................. 58
3.3. Mẫu ở trạng thái thấm nitơ .................................................................... 59
3.3.1. Tổ chức tế vi sau thấm nitơ ............................................................ 59
3.3.2. Phân bố độ cứng tế vi từ bề mặt lớp thấm vào trong ..................... 60
3.3.3. Kết quả phân tích nhiễu xạ XRD của các mẫu sau thấm nitơ ........ 62
3.4. Mẫu ở trạng thái phủ PVD .................................................................... 63
3.4.1. Ảnh cấu trúc mặt cắt ngang của lớp phủ ........................................ 63
Lê Thiêm Tuấn 20202288M 7
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Đại học Bách Khoa Hà Nội
3.4.2. Phổ nhiễu xạ tia X của lớp phủ ...................................................... 63
KẾT LUẬN ...................................................................................................... 64
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................... 65
Lê Thiêm Tuấn 20202288M 8
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Đại học Bách Khoa Hà Nội
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. So sánh độ bền của hợp kim titan và các hợp kim khác
Hình 1.2. Vùng nhiệt độ làm việc tối đa và độ bền riêng của các hợp kim
Hình 1.3. Giản đồ pha hai cấu tử của titan với các nguyên tố hợp kim
Hình1.4. Giản đồ pha ba cấu tử Ti-Al-V
Hình1.5. Chuyển biến thù hình trong hợp kim titan nguyên chất, (a) nhóm các
nguyên tố hợp kim đế nhiệt độ chuyển biến T β, (b) chuyển biến thù hình
Ti β → Ti α
Hình 1.6. Chuyển biến pha trong hợp kim titan
Hình1.7. Giản đồ pha Titan – Nitơ
Hình 1.8. Ảnh hưởng của nhiệt độ (T) và áp suất (p) hay lưu lượng của nitơ (d)
đến trạng thái cấu trúc pha của lớp bề mặt hợp kim titan sau quá trình
thấm
Hình 1.9. Cấu trúc thấm của pha α và pha giả α
Hình 1.10. Nguyên lí hoạt động máy in 3D
Hình 1.11. Mô hình máy in 3D kim loại
Hình 1.12. Sơ đồ hệ thống cấp bột in 3D
Hình 1.13. Tốc độ nguội hợp kim Ti6Al4V ở 4 công nghệ in 3D kim loại
Hình 1.14. Ảnh tổ chức tế vi Ti6Al4V ở 4 công nghệ in 3D kim loại
Hình 1.15. Giản đồ pha Ti6Al-V và quá trình chuyển biến pha khi làm nguội hợp
kim Ti6Al4V từ các nhiệt độ và môi trường khác nhau
Hình 1.16. Mô tả phủ PVD TiN bằng phương pháp hồ quang catot plasma
Hình 2.1. Hình ảnh 3D mô tả mẫu Ti6Al4V in 3D
Hình 2.2. Quy trình ủ kợp kim Ti6Al4V
Hình 2.3. Kính hiểu vi quang học AXIOVERT 25CA
Hình 2.4. Máy quang phổ phát cạ S7 Metal Lab Plus
Lê Thiêm Tuấn 20202288M 9
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Đại học Bách Khoa Hà Nội
Hình 2.5. Lò ủ và lò thấm
Hình 2.6. Thiết bị nhiễu xạ tia X (XRD)
Hình 2.7. Máy đánh bóng PHOENIX BETA 49 – 5102 - 230
Hình 2.8. Máy đo độ nhám VHX
Hình 2.9. Máy đo độ nhám 3D confocal
Hình 2.10. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) Jeol 7500f
Hình 3.1. Ảnh scope và SEM bề mặt mẫu sau in 3D
Hình 3.2. Phổ EDX và mapping mặt A của mẫu
Hình 3.3. Ảnh tổ chức tế vi mẫu sau quá trình mài, đánh bóng và tẩm thực
Hình 3.4. Kết quả ảnh SEM sau quá trình tẩm thực mặt A
Hình 3.5. Giản đồ nhiễu xạ trên 3 mặt A, B, C mẫu sau in 3D
Hình 3.6. Kết quả sử dụng phần mền JMart Pro
Hình 3.7. Ảnh tổ chức tế vi của mẫu sau ủ
Hình 3.8. Giản đồ nhiễu xạ mẫu ở trạng thái ủ 950 oC/1h và 1020 oC/0,5 h
Hình 3.9. Ảnh tổ chức tế vi của mẫu sau thấm nitơ ở 850 và 950°C trong 4h
Hình 3.1 Khoảng cách từ bề mặt tới các vết đâm sau đo độ cứng sau thấm nitơ
Hình 3.11. Phân bố độ cứng từ bề mặt vào trong lõi của mẫu thấm nitơ ở 850 oC
trong 4h
Hình 3.12. Phân bố độ cứng từ bề mặt vào trong lõi của mẫu thấm nitơ ở 950 oC
trong 4h
Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ của mẫu sau thấm nitơ ở 850 và 950 oC trong 4h
Hình 3.14. Cấu trúc lớp phủ TiN trên bề mặt của mẫu Ti6Al4V in 3D sau ủ ở 950
o
C trong 1 h
Hình 3.15. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu ủ ở 950 oC/1h và 1020 oC/0,5 h và
phủ TiN
Lê Thiêm Tuấn 20202288M 10
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Đại học Bách Khoa Hà Nội
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Nhiệt độ làm việc tối đa của một số hợp kim titan
Bảng 1.2. So sánh tính chất vật lý của titan và các kim loại khác
Bảng 1.3. So sánh tính chất vật lý của Ti6Al4V và các hợp kim khác
Bảng 1.4. Nhiệt độ chuyển biến cùng tích của hệ hợp kim titan
Bảng 2.1. Thông số thiết bị in AL-METAL 250
Bảng 3.1. Thành phần hoá học hợp kim Ti6Al4V
Bảng 3.2. Độ cứng tế vi HV ở cả 3 mặt A, B và C của mẫu hợp kim Ti6Al4V
in 3D
Bảng 3.3. Kết quả đo độ cứng theo 2 công nghệ in EBAM và EBW
Lê Thiêm Tuấn 20202288M 11
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Đại học Bách Khoa Hà Nội
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN
1.1. Titan và hợp kim titan
1.1.1. Khái niệm chung
Vào năm 1789 con người đã phát hiện ra sự có mặt của titan. Tuy nhiên, ở
thời điểm đó nó không được ứng dụng nhiều bởi tính giòn và kém bền. Sau đó 136
năm, tức là vào năm 1925 người ta mới nhận ra rằng chính các tạp chất bên trong
như oxy, hydro và nitơ là nguyên nhân dẫn đến tính giòn của titan. Từ đó, titan và
hợp kim trên cơ sở titan được sản xuất nhiều hơn và dần trở thành kim loại không
thể thiếu trong khoa học công nghệ và sản xuất.
Tuy đã biết được nguyên nhân dẫn đến tính giòn của titan, nhưng phải tới
năm 1940 khi mà phương pháp nhiệt magiê ra đời thì mới tách được titan nguyên
chất ra khỏi quặng. Và đến năm 1948 mới được sản xuất với quy mô lớn. Từ đó
sản lượng titan được sản xuất tăng nhanh chóng qua các năm, điển hình vào năm
1963 là 2100 tấn, năm 1981 là 55000 tấn và đến 1996 sản lượng titan và hợp kim
của nó đã lên tới 66000 tấn.
Titan được sản xuất nhiều như vậy bởi lẽ nó có những tính chất vượt trội
so với các kim loại khác như khối lượng riêng nhỏ, độ bền riêng lớn và khả năng
chống ăn mòn cao. Vì thế mà đối với các ngành kỹ thuật hàng không, vũ trụ, các
chi tiết đặc biệt v.v… titan càng trở nên quan trọng. Với độ bền nhiệt lên đến 300
– 600 oC (bảng 1.1) thì hợp titan là vật liệu phù nhất để chế tạo các chi tiết làm
việc ở điều kiện nhiệt độ này, điều mà những kim loại khác như nhôm, magiê
không thể đáp ứng được. Còn với các kim loại khác như thép và hợp kim niken lại
qúa nặng.
Xét về ứng dụng thì titan được đánh giá là vật liệu tương đối mới. Đến tận
cuối những năm 1940 thì nó mới được thương mại hoá, chủ yếu làm vật liệu kết
cấu. Những năm ở thập niên 60, titan mới bắt đầu được ứng dụng làm vật liệu cấy
Lê Thiêm Tuấn 20202288M 1
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Đại học Bách Khoa Hà Nội
ghép vì titan có tính chống ăn mòn cao và tương thích sinh học với mô tốt hơn so
với các vật liệu khác.
Bảng 1.1. Nhiệt độ làm việc tối đa của một số hợp kim titan [1]
Nhiệt độ làm
Tên Thành phần (wt %) Năm
việc tối đa (oC)
Ti-64 6Al, 4V 1954 300
IMI-550 4Al, 2Sn, 4Mo, 0,5Si 1956 425
Ti-811 8Al, 1Mo, 1V 1961 400
IMI-679 2Al, 11Sn, 5Zr, 1Mo, 0,2Si 1961 450
Ti-6246 6Al, 2Sn, 4Zr, 6Mo 1966 450
Ti-6242 6Al, 2Sn, 4Zr, 2Mo 1967 450
IMI-685 6Al, 5Zr, 0,5Mo, 0,25Si 1969 520
Ti-11 6Al, 2Sn, 1,5Zr, 1Mo, 0,1Si, 0,3Bi 1972 540
Ti-17 5Al, 2Sn, 2Zr, 4Mo, 4Cr 1973 350
Ti-6242S 6Al, 2Sn, 4Zr, 2Mo, 0,1Si 1974 520
IMI-829 5,5Al, 3,5Sn, 3Zr, 0,3Mo, 1Nb, 0,3Si 1976 580
5,5Al, 4Sn, 4Zr, 0,3Mo, 1Nb, 0,5Si,
IMI-834 1984 590
0,06C
Bảng 1.1 cho thấy trong 3 năm từ năm 1954 đến năm 1984 các nghiên cứu
và phát triển của hợp kim titan xảy ra rất mạnh mẽ. Số lượng các nguyên tố hợp
kim được đưa vào titan ngày càng nhiều, qua đó giúp cho nhiệt độ làm việc của
hợp kim titan được cải thiện đáng kể.
1.1.2. Tính chất
Titan là kim loại có trữ lượng nhiều thứ 4 trong vỏ trái đất chiếm tới 0,86
% sau nhôm, sắt và magiê. Trong tự nhiên, kim loại titan không tồn tại dưới dạng
sạch mà ở dạng ôxit như FeTiO 3 , TiO 2 [2-4].
Kim loại titan được xếp vào nhóm kim loại nhẹ, khối lượng riêng là 4,54
g/cm3, hơi nặng hơn so với magiê. Độ bền cơ học cao gấp hai lần so với nhôm,
Lê Thiêm Tuấn 20202288M 2
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Đại học Bách Khoa Hà Nội
gấp năm lần so với magiê. Titan có nhiệt độ nóng chảy cao là 1942 K (bảng 1.2)
[5].
Titan có 2 dạng thù hình là α và β, nhiệt độ chuyển biến thù hình của titan
là 882,5 oC. Ti α tồn tại dưới nhiệt độ 882,5 oC với kiểu mạng tinh thể lục giác xếp
chặt, các thông số mạng Ti α là: a= 0,29 nm, c= 0,486 nm, c/a= 1,587. Khi ở trên
nhiệt độ 882,5 oC titan tồn tại thù hình Ti β với kiểu mạng lập phương tâm khối, a=
0,32 nm.
Bảng 1.2. So sánh tính chất vật lý của titan và các kim loại khác [6]
Kim loại
Tính chất
Mg Al Ti Ni Cu
Số thứ tự nguyên tố 12 13 22 28 29
Nguyên tử lượng 24,320 26,981 47,880 58,700 63,540
Khối lượng riêng ở 20 oC
1,737 2,698 4,507 8,897 8,940
(g/cm3)
Nhiệt độ nóng chảy (oC) 650 660 1668 1455 1083
Nhiệt độ sôi (oC) 1107 2520 3169 2822 2360
Đường kính nguyên tử
0,320 0,286 0,290 0,248 0,256
(nm)
Nhiệt ẩn chảy lỏng
357 289 358 302 205
(kJ/kg)
Nhiệt ẩn hoá hơi (kJ/kg) 5498 10885 9790 6376 6340
Tỷ nhiệt ở 20 oC (J/kg.K) 1048 962 521 450 385
Độ dẫn nhiệt ở 20 oC
167 222 22 89 387
(W/m.K)
Hệ số dãn nở nhiệt ở 25
o 26 23 9 14 17
C (106 K-1)
Điện trở suất ở 20 oC
0,045 0,028 0,580 0,068 0,017
(μΩ.m)
Mođun đàn hồi E (GPa) 44 71 103 203 125
Mođun trượt (GPa) 18 27 39 73 46
Lê Thiêm Tuấn 20202288M 3
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Đại học Bách Khoa Hà Nội
Titan và hợp kim của nó là loại có hoạt tính hóa học mạnh. Ở nhiệt độ bình
thường, lớp ôxit bảo vệ trên bề mặt titan rất sít đặc, có thể chống lại axit mạnh,
khả năng chống ăn mòn tốt. Vì vậy, hợp kim titan làm việc trong môi trường axit,
kiềm rất tốt. Nó
có thể làm việc trong môi trường có chứa O 2 , N 2 , H 2 , S và halogen ở nhiệt độ cao.
Bên cạnh đó hợp kim titan tồn tại những đặc tính nổi trội như sau:
• Độ bền riêng cao
Khối lượng riêng của hợp kim titan là khoảng 4,5 g/cm3, chỉ bằng 60 % so
với thép. Một số hợp kim titan có độ bền vượt trội của nhiều loại thép hợp kim kết
cấu. Do đó, độ bền riêng cụ thể của hợp kim titan lớn hơn nhiều so với các vật liệu
kết cấu kim loại thông dụng khác (bảng 1.3 và hình 1.1).
Bảng 1.3. So sánh tính chất vật lý của Ti6Al4V và các hợp kim khác [7]
Thép không Ti6Al4V, rèn
Nhôm 6061
gỉ 316L (ủ) (ủ/hoá già)
Tỉ trọng (kg/m3) 8000 4420 2700
Mô-đun đàn hồi (GPa) 193 115 69
Độ bền kéo (MPa) 570 1030/1170 310
Hình 1.1. So sánh độ bền của hợp kim titan và các hợp kim khác [7]
Lê Thiêm Tuấn 20202288M 4
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Đại học Bách Khoa Hà Nội
Hình 1.2. Vùng nhiệt độ làm việc tối đa và độ bền riêng của các hợp kim [8]
• Khả năng làm việc trong môi trường nhiệt độ cao
Titan làm việc trong môi trường nhiệt độ cao hơn so với hợp kim nhôm
(hình 1.2), nhưng vẫn có thể duy trì được độ bền yêu cầu của hợp kim titan trong
khoảng nhiệt độ từ 150 đến 500 °C. Còn đối với hợp kim nhôm ở 150 °C độ bền
giảm đáng kể. Nhiệt độ làm việc của hợp kim titan là lên đến 500 °C, trong khi
hợp kim nhôm dưới 200 °C.
• Khả năng chống ăn mòn tốt
Xét trong dãy hoạt động hoá học Beketov, titan có hoạt tính tương đối lớn,
nằm giữa Be và Mn. Nhưng trong nhiều môi trường ăn mòn titan lại rất ổn định.
Các hợp kim titan làm việc trong không khí, nước biển, các chất kiềm, clorua, các
chất hữu cơ, axit nitric và axit sulfuric loãng có khả năng chống ăn mòn tốt hơn
nhiều so với thép không gỉ, đặc biệt về khả năng chống ăn mòn rỗ/lỗ, ăn mòn axit.
Tuy nhiên, titan vẫn bị ăn mòn trong một số loại axit mạnh khác như HF, HCl,
H 2 SO 4 , H 3 PO 4 và một số loại axit hữu cơ đậm đặc trong điều kiện nhiệt độ cao.
Sở dĩ titan và hợp kim của nó có khả năng chống ăn mòn cao là do nó dễ dàng tạo
Lê Thiêm Tuấn 20202288M 5
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Đại học Bách Khoa Hà Nội
được trạng thái thụ động hoá nhờ hình thành lớp ôxit sít chặt trên bề mặt rất bền
vững. Bên cạnh đó, các nguyên tố hợp kim như Mo, Nb, Zr cũng có tác dụng thúc
đẩy thụ động hoá của titan trong các môi trường axit mạnh như H 2 SO 4 , HCl,
H 3 PO 4 …
• Tính dẫn nhiệt nhỏ, mođun đàn hồi thấp
Độ dẫn nhiệt của titan là khoảng 15,24 W/(mK), bằng khoảng 1/4 của
niken, bằng 1/5 sắt và 1/14 nhôm. Tuy nhiên, độ dẫn nhiệt của các loại hợp kim
titan là khoảng 50 % thấp hơn so với titan nguyên chất. Môđun đàn hồi của hợp
kim titan khoảng 100 GPa so với thép là bằng khoảng 1/2 lần, vì vậy độ cứng kém,
biến dạng dễ dàng.
• Tính tương thích sinh học tốt
Hợp kim titan có khả năng chống ăn mòn tốt, không phản ứng với các chất
có trong máu, không giải phóng ra các ion gây ra các phản ứng phụ trong cơ thể
con người. Nâng cao tính tương thích sinh học bằng cách bổ sung các nguyên tố
hợp kim như Nb, Ta, Zr và Mo [9].
1.1.3. Tương tác của titan với nguyên tố hợp kim và giản đồ pha
Dựa vào dạng giản đồ pha mà người ta chia các hệ hợp kim titan thành
nhiều nhóm khác nhau. Mỗi dạng giản đồ pha lại cho ta biết được những điều thú
vị của hợp kim titan.
a. Giản đồ pha 2 cấu tử
Đối với dạng giản đồ pha hai cấu tử, các nguyên tố hợp kim phân chia thành
2 loại là các nguyên tố làm ổn định pha β hoặc α. Ngoài ra còn được chia thành 3
nhóm là: nhóm các nguyên tố hoà tan vô hạn vào mạng tinh thể titan, nhóm các
nguyên tố có thể tạo với titan thành hợp chất hoá học ổn định và có phản ứng cùng
tích xẩy ra, nhóm các nguyên tố tạo ra phản ứng bao tinh hoặc bao tích. Các dạng
giản đồ pha hệ 2 cấu tử của hợp kim titan được thể hiện ở hình 1.3.
Lê Thiêm Tuấn 20202288M 6
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Đại học Bách Khoa Hà Nội
Hệ 2 cấu tử
Ổn định β Ổn định α
Chuyển pha đơn giản Chuyển pha cùng tích Bao tinh Bao tích β→α (β -
(β - đồng hình) (β - cùng tích) bao tích)
Nguyên tố hợp kim: Cr, Nguyên tố hợp
Nguyên tố hợp kim: V, Nguyên tố hợp
Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Pd, kim: B, Sc, Ga,
Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, Re kim: N, O
Ag, W, Pt, Au La, Ce, Nb, Ge, Al
Hình 1.3. Giản đồ pha hai cấu tử của titan với các nguyên tố hợp kim [10]
b. Giản đồ pha 3 cấu tử
Giản đồ pha của hệ hợp kim titan ba cấu tử rất phức tạp, theo quan điểm
hợp kim hoá thì nó được chia ra làm hai nhóm chính.
Nhóm thứ nhất là hệ thống những nguyên tố tạo dung dịch rắn thay thế.
Nhóm thứ hai là hệ thống những nguyên tố tạo dung dịch rắn xen kẽ hoặc
hỗn hợp cả thay thế và xen kẽ. Trong công nghiệp thì nhóm này gần như là không
được ứng dụng.
Trong mỗi nhóm ở trên lại được chia thành hai nhóm nhỏ là nhóm hợp kim
có chứa nguyên tố Al và nhóm hợp kim không chứa nguyên tố Al. Trong đó, hệ
thống cơ bản ba cấu tử gồm Ti-Al- nguyên tố ổn định vùng β là được ứng dụng
nhiều hơn cả trong các ngành kỹ thuật. Al tồn tại bên trong của dung dịch rắn, nó
có tác dụng thu hẹp vùng β, nâng cao nhiệt độ chuyển biến thù hình và góp phần
ổn định pha α. Bên cạnh đó Al còn làm tăng độ hoà tan của những nguyên tố ổn
Lê Thiêm Tuấn 20202288M 7
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Đại học Bách Khoa Hà Nội
định vùng β trong Ti α như Cr, Mn, V, Nb, Hf, Zr. Tuy nhiên Al lại thường tạo
thành pha trật tự α 2 gây giòn, để ngăn cản điều đó người ta thường hợp kim hoá
thêm những nguyên tố ổn định vùng β như V. Tùy vào hàm lượng V, hợp kim Ti-
6%Al-V được chia thành 4 loại là cận α, α + β, β giả ổn định và β (hình 1.4).
Hình1.4. Giản đồ pha ba cấu tử Ti-Al-V [10]
1.1.4. Chuyển biến pha
Nhìn chung khi xét về chuyển biến pha của hợp kim trên nền titan rất phức
tạp và đa dạng. Bản chất của titan nguyên chất là có chuyển biến thù hình, khi pha
tạp thêm các nguyên tố hợp kim khác thì những đặc tính của chuyển biến sẽ biến
đổi và càng phức tạp hơn.
1.1.4.1. Đặc điểm chuyển biến pha trong titan nguyên chất
Ở nhiệt độ T β = 882 oC (hình 1.5) sẽ xảy ra phản ứng chuyển biến thù hình
giữa Ti α (kiểu mạng lục giác) và Ti β (kiểu mạng lập phương). Các nguyên tố hợp
kim sẽ có thể làm thay đổi giá trị của nhiệt độ T β này. Đối với titan nguyên chất
Lê Thiêm Tuấn 20202288M 8
VIỆN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU
---------------------------------------------
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Đề tài: Nghiên cứu công nghệ nhiệt luyện và xử lý bề mặt
cho hợp kim in 3D
Học viên : Lê Thiêm Tuấn
Chuyên ngành : Khoa học và Kỹ thuật vật liệu
Hệ : Thạc sỹ khoa học
SHHV : 20202288M
Khoá học : 2020B
Giảng viên hướng dẫn : PGS. TS. Trịnh Văn Trung
Hà Nội – 2022
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Đại học Bách Khoa Hà Nội
Lê Thiêm Tuấn 20202288M 2
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Đại học Bách Khoa Hà Nội
LỜI CẢM ƠN
Sau những năm tháng học tập và nghiên cứu, tôi đã hoàn thành luận văn
thạc sĩ với đề tài “Nghiên cứu công nghệ nhiệt luyện và xử lý bề mặt cho hợp kim
in 3D”. Tôi luôn ghi nhớ những hỗ trợ, ủng hộ và đóng góp của những người bên
cạnh mình. Nhân đây tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến họ.
Lời đầu tiên tôi xin được cảm ơn PGS.TS. Trịnh Văn Trung, người đã
hướng dẫn tôi trong suốt quá trình tôi thực hiện đề tài. Sự chỉ bảo và định hướng
của thầy đã giúp tôi nghiên cứu và giải quyết vấn đề một cách đúng đắn và khoa
học nhất. Cảm ơn thầy đã luôn lắng nghe những ý kiến cá nhân và đưa ra những
nhận xét quý báu để giúp tôi hành thành luận văn tốt nhất và phát triển bản thân
hơn.
Tiếp theo, tôi xin được cảm ơn đến đơn vị trường đại học Bách Hoa Hà Nội
và Viện Khoa học và Kỹ thuật vật liệu đã tạo điều kiện cho tôi được học tập và
hoành thành luận văn một cách thuận lợi. Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô đã
dạy dỗ và truyền đạt kiến thức cho tôi trong suốt thời gian học tập.
Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến bố mẹ và những người
thân trong gia đình đã luôn ủng hộ, đặt niềm tin và theo dõi tôi trong chặng đường
đã qua.
Vì điều kiện công việc, thời gian còn hạn hẹp cũng như kinh nghiệm nghiên
cứu còn ít ỏi nên tôi cũng gặp nhiều khó khăn trong quá trình hoàn thành luận văn
này. Mặc dù đã cố gắng và nỗ lực hết sức mình trong quá trình thực hiện, tuy nhiên
vẫn không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tôi rất mong nhận được những góp ý
quý báu của thầy cô để hoàn thiện luận văn được tốt hơn.
Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày tháng năm 2022
Học viên thực hiện
Lê Thiêm Tuấn 20202288M 3
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Đại học Bách Khoa Hà Nội
LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay khoa học - kỹ thuật đang phát triển rất nhanh trong thời kì công
nghiệp 4.0, việc chế tạo các chi tiết bằng phương pháp truyền thống sẽ dần được
thay thế tự động và công nghệ in 3D chính là giải pháp đó. Công nghệ in 3D trên
cơ sở vật liệu nhựa đã được nghiên cứu nhiều và thương mại hóa. Trong khi đó,
công nghệ in 3D trên cơ sở kim loại còn nhiều vấn đề về mặt cơ tính và tổ chức
mẫu sau in cần nghiên cứu và có tiềm năng ứng dụng rất lớn. Đặc biệt là công nghệ
in cho vật liệu trên cơ sở hợp kim titan và các công nghệ hậu xử lý như xử lý nhiệt
và xử lý bề mặt để cải thiện tổ chức và cơ tính của vật in. Luận văn này tập trung
nghiên cứu các quy trình nhiệt luyện và xử lý bề mặt (ủ và phủ PVD) cho hợp kim
Ti6Al4V chế tạo bằng công nghệ in 3D. Qua đó từng bước đưa công nghệ in 3D
vật liệu hợp kim titan vào ứng dụng chế tạo các chi tiết cho cơ khí, máy móc, y
học… góp phần tiếp cận với nền công nghiệp in 3D kim loại thế giới.
Qua thời gian tìm hiểu tài liệu và tiến hành thực nghiệm tôi đã tích luỹ được
nhiều kiến thức và các kết quả thực tế. Qua đó giúp tôi hoàn thành luận văn này
với bố cục 3 phần chính là:
Phần 1: Tổng quan về titan, hợp kim titan, nhiệt luyện và công nghệ in 3D
kim loại.
Phần 2: Đưa ra quy trình thực nghiệm nhiệt luyện và xử lý bề mặt hợp kim
Ti6Al4V sau in 3D.
Phần 3: Kết quả thực nghiệm và kết luận.
Kết quả nghiên cứu từ luận văn này đã phần nào tiến đến một quy trình
nhiệt luyện và xử lý bề mặt hoàn chỉnh hơn đối với hợp kim Ti6Al4V sau in 3D.
Qua đó giúp đạt được cơ tính và tổ chức mong muốn của chi tiết sau quá trình in
3D phục vụ cho mục đích thực tiễn.
Lê Thiêm Tuấn 20202288M 4
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Đại học Bách Khoa Hà Nội
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................... 3
LỜI MỞ ĐẦU .................................................................................................... 4
MỤC LỤC .......................................................................................................... 5
DANH MỤC HÌNH VẼ ..................................................................................... 9
DANH MỤC BẢNG BIỂU.............................................................................. 11
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN............................................................................... 1
1.1. Titan và hợp kim titan ............................................................................. 1
1.1.1. Khái niệm chung .............................................................................. 1
1.1.2. Tính chất ..................................................................................... 2
1.1.3. Tương tác của titan với nguyên tố hợp kim và giản đồ pha ....... 6
1.1.4. Chuyển biến pha.......................................................................... 8
1.1.4.1. Đặc điểm chuyển biến pha trong titan nguyên chất .................. 8
1.1.4.2. Đặc điểm chuyển biến pha trong hợp kim titan ........................ 9
1.1.5. Nhiệt luyện hợp kim titan ......................................................... 14
1.1.5.1. Ủ .............................................................................................. 14
1.1.5.2. Hoá nhiệt luyện (thấm nitơ) .................................................... 17
1.2. Công nghệ in 3D ................................................................................... 19
1.2.1. Tổng quan ....................................................................................... 19
1.2.1.1. Định nghĩa ............................................................................... 19
1.2.1.2. Các công nghệ in 3D điển hình .............................................. 20
1.2.1.3. Một số ứng dụng đặc trưng của công nghệ in 3D ................... 22
Lê Thiêm Tuấn 20202288M 5
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Đại học Bách Khoa Hà Nội
1.2.2. In 3D kim loại ................................................................................ 24
1.2.2.1. Lịch sử về công nghệ in 3D kim loại .......................................24
1.2.2.2. Nguyên lý hoạt động công nghệ in 3D kim loại ......................24
1.2.3. In 3D vật liệu Ti6Al4V .................................................................. 27
1.2.3.1. Công nghệ in ............................................................................27
1.2.3.2. Nhiệt luyện vật liệu Ti6Al4V sau in 3D ..................................29
1.2.3.3. Hóa nhiệt luyện vật liệu Ti6Al4V sau in 3D ...........................30
1.2.3.4. Phủ PVD cho hợp kim titan .....................................................31
1.2.3.5. Ứng dụng của Ti6Al4V in 3D..................................................32
CHƯƠNG II. THỰC NGHIỆM ....................................................................... 34
2.1. Quy trình thực nghiệm .......................................................................... 34
2.2. Vật liệu in và công nghệ in ................................................................... 35
2.3. Sử dụng JMatPro ................................................................................... 36
2.4. Chế độ xử lý nhiệt ................................................................................. 37
2.4.1. Ủ hợp kim Ti6Al4V ....................................................................... 38
2.4.2. Thấm nitơ hợp kim Ti6Al4V ......................................................... 38
2.4.3. Phủ PVD......................................................................................... 39
2.5. Các phương pháp kiểm tra đánh giá và thiết bị .................................... 40
2.5.1. Kính hiển vi quang học AXIOVERT 25CA .................................. 40
2.5.2. Máy quang phổ phát xạ S7 Metal Lab Plus ................................... 41
2.5.3. Lò ủ và lò thấm .............................................................................. 42
2.5.4. Máy nhiễu xạ XRD ........................................................................ 42
Lê Thiêm Tuấn 20202288M 6
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Đại học Bách Khoa Hà Nội
2.5.5. Máy đánh bóng PHOENIX BETA 49 – 5102 - 230 ...................... 43
2.5.6. Thiết bị chụp ảnh bề mặt 3D và đo độ nhám ................................. 44
2.5.7. Thiết bị phân tích SEM và EDX .................................................... 45
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................... 47
3.1. Mẫu ở trạng thái cung cấp ..................................................................... 47
3.1.1. Thành phần hoá học hợp kim Ti6Al4V ......................................... 47
3.1.2. Ảnh hiển vi (scope), SEM và phân tích EDX bề mặt .................... 47
3.1.3. Ảnh tổ chức tế vi ............................................................................ 49
3.1.4. Độ nhám ......................................................................................... 52
3.1.5. Kết quả kiểm tra độ cứng tế vi ....................................................... 55
3.1.6. Kết quả phân tích nhiễu xạ XRD ................................................... 56
3.2. Hợp kim Ti6Al4V sau nhiệt luyện ........................................................ 57
3.2.1. Kết quả mô phỏng bằng phần mềm JMart Pro............................... 57
3.2.2. Tổ chức và độ cứng mẫu sau ủ ở dưới và trên nhiệt độ β-transus
(T α⇔β ) ...................................................................................................... 57
3.2.3. Kết quả phân tích XRD mẫu sau ủ ................................................. 58
3.3. Mẫu ở trạng thái thấm nitơ .................................................................... 59
3.3.1. Tổ chức tế vi sau thấm nitơ ............................................................ 59
3.3.2. Phân bố độ cứng tế vi từ bề mặt lớp thấm vào trong ..................... 60
3.3.3. Kết quả phân tích nhiễu xạ XRD của các mẫu sau thấm nitơ ........ 62
3.4. Mẫu ở trạng thái phủ PVD .................................................................... 63
3.4.1. Ảnh cấu trúc mặt cắt ngang của lớp phủ ........................................ 63
Lê Thiêm Tuấn 20202288M 7
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Đại học Bách Khoa Hà Nội
3.4.2. Phổ nhiễu xạ tia X của lớp phủ ...................................................... 63
KẾT LUẬN ...................................................................................................... 64
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................... 65
Lê Thiêm Tuấn 20202288M 8
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Đại học Bách Khoa Hà Nội
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. So sánh độ bền của hợp kim titan và các hợp kim khác
Hình 1.2. Vùng nhiệt độ làm việc tối đa và độ bền riêng của các hợp kim
Hình 1.3. Giản đồ pha hai cấu tử của titan với các nguyên tố hợp kim
Hình1.4. Giản đồ pha ba cấu tử Ti-Al-V
Hình1.5. Chuyển biến thù hình trong hợp kim titan nguyên chất, (a) nhóm các
nguyên tố hợp kim đế nhiệt độ chuyển biến T β, (b) chuyển biến thù hình
Ti β → Ti α
Hình 1.6. Chuyển biến pha trong hợp kim titan
Hình1.7. Giản đồ pha Titan – Nitơ
Hình 1.8. Ảnh hưởng của nhiệt độ (T) và áp suất (p) hay lưu lượng của nitơ (d)
đến trạng thái cấu trúc pha của lớp bề mặt hợp kim titan sau quá trình
thấm
Hình 1.9. Cấu trúc thấm của pha α và pha giả α
Hình 1.10. Nguyên lí hoạt động máy in 3D
Hình 1.11. Mô hình máy in 3D kim loại
Hình 1.12. Sơ đồ hệ thống cấp bột in 3D
Hình 1.13. Tốc độ nguội hợp kim Ti6Al4V ở 4 công nghệ in 3D kim loại
Hình 1.14. Ảnh tổ chức tế vi Ti6Al4V ở 4 công nghệ in 3D kim loại
Hình 1.15. Giản đồ pha Ti6Al-V và quá trình chuyển biến pha khi làm nguội hợp
kim Ti6Al4V từ các nhiệt độ và môi trường khác nhau
Hình 1.16. Mô tả phủ PVD TiN bằng phương pháp hồ quang catot plasma
Hình 2.1. Hình ảnh 3D mô tả mẫu Ti6Al4V in 3D
Hình 2.2. Quy trình ủ kợp kim Ti6Al4V
Hình 2.3. Kính hiểu vi quang học AXIOVERT 25CA
Hình 2.4. Máy quang phổ phát cạ S7 Metal Lab Plus
Lê Thiêm Tuấn 20202288M 9
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Đại học Bách Khoa Hà Nội
Hình 2.5. Lò ủ và lò thấm
Hình 2.6. Thiết bị nhiễu xạ tia X (XRD)
Hình 2.7. Máy đánh bóng PHOENIX BETA 49 – 5102 - 230
Hình 2.8. Máy đo độ nhám VHX
Hình 2.9. Máy đo độ nhám 3D confocal
Hình 2.10. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) Jeol 7500f
Hình 3.1. Ảnh scope và SEM bề mặt mẫu sau in 3D
Hình 3.2. Phổ EDX và mapping mặt A của mẫu
Hình 3.3. Ảnh tổ chức tế vi mẫu sau quá trình mài, đánh bóng và tẩm thực
Hình 3.4. Kết quả ảnh SEM sau quá trình tẩm thực mặt A
Hình 3.5. Giản đồ nhiễu xạ trên 3 mặt A, B, C mẫu sau in 3D
Hình 3.6. Kết quả sử dụng phần mền JMart Pro
Hình 3.7. Ảnh tổ chức tế vi của mẫu sau ủ
Hình 3.8. Giản đồ nhiễu xạ mẫu ở trạng thái ủ 950 oC/1h và 1020 oC/0,5 h
Hình 3.9. Ảnh tổ chức tế vi của mẫu sau thấm nitơ ở 850 và 950°C trong 4h
Hình 3.1 Khoảng cách từ bề mặt tới các vết đâm sau đo độ cứng sau thấm nitơ
Hình 3.11. Phân bố độ cứng từ bề mặt vào trong lõi của mẫu thấm nitơ ở 850 oC
trong 4h
Hình 3.12. Phân bố độ cứng từ bề mặt vào trong lõi của mẫu thấm nitơ ở 950 oC
trong 4h
Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ của mẫu sau thấm nitơ ở 850 và 950 oC trong 4h
Hình 3.14. Cấu trúc lớp phủ TiN trên bề mặt của mẫu Ti6Al4V in 3D sau ủ ở 950
o
C trong 1 h
Hình 3.15. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu ủ ở 950 oC/1h và 1020 oC/0,5 h và
phủ TiN
Lê Thiêm Tuấn 20202288M 10
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Đại học Bách Khoa Hà Nội
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Nhiệt độ làm việc tối đa của một số hợp kim titan
Bảng 1.2. So sánh tính chất vật lý của titan và các kim loại khác
Bảng 1.3. So sánh tính chất vật lý của Ti6Al4V và các hợp kim khác
Bảng 1.4. Nhiệt độ chuyển biến cùng tích của hệ hợp kim titan
Bảng 2.1. Thông số thiết bị in AL-METAL 250
Bảng 3.1. Thành phần hoá học hợp kim Ti6Al4V
Bảng 3.2. Độ cứng tế vi HV ở cả 3 mặt A, B và C của mẫu hợp kim Ti6Al4V
in 3D
Bảng 3.3. Kết quả đo độ cứng theo 2 công nghệ in EBAM và EBW
Lê Thiêm Tuấn 20202288M 11
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Đại học Bách Khoa Hà Nội
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN
1.1. Titan và hợp kim titan
1.1.1. Khái niệm chung
Vào năm 1789 con người đã phát hiện ra sự có mặt của titan. Tuy nhiên, ở
thời điểm đó nó không được ứng dụng nhiều bởi tính giòn và kém bền. Sau đó 136
năm, tức là vào năm 1925 người ta mới nhận ra rằng chính các tạp chất bên trong
như oxy, hydro và nitơ là nguyên nhân dẫn đến tính giòn của titan. Từ đó, titan và
hợp kim trên cơ sở titan được sản xuất nhiều hơn và dần trở thành kim loại không
thể thiếu trong khoa học công nghệ và sản xuất.
Tuy đã biết được nguyên nhân dẫn đến tính giòn của titan, nhưng phải tới
năm 1940 khi mà phương pháp nhiệt magiê ra đời thì mới tách được titan nguyên
chất ra khỏi quặng. Và đến năm 1948 mới được sản xuất với quy mô lớn. Từ đó
sản lượng titan được sản xuất tăng nhanh chóng qua các năm, điển hình vào năm
1963 là 2100 tấn, năm 1981 là 55000 tấn và đến 1996 sản lượng titan và hợp kim
của nó đã lên tới 66000 tấn.
Titan được sản xuất nhiều như vậy bởi lẽ nó có những tính chất vượt trội
so với các kim loại khác như khối lượng riêng nhỏ, độ bền riêng lớn và khả năng
chống ăn mòn cao. Vì thế mà đối với các ngành kỹ thuật hàng không, vũ trụ, các
chi tiết đặc biệt v.v… titan càng trở nên quan trọng. Với độ bền nhiệt lên đến 300
– 600 oC (bảng 1.1) thì hợp titan là vật liệu phù nhất để chế tạo các chi tiết làm
việc ở điều kiện nhiệt độ này, điều mà những kim loại khác như nhôm, magiê
không thể đáp ứng được. Còn với các kim loại khác như thép và hợp kim niken lại
qúa nặng.
Xét về ứng dụng thì titan được đánh giá là vật liệu tương đối mới. Đến tận
cuối những năm 1940 thì nó mới được thương mại hoá, chủ yếu làm vật liệu kết
cấu. Những năm ở thập niên 60, titan mới bắt đầu được ứng dụng làm vật liệu cấy
Lê Thiêm Tuấn 20202288M 1
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Đại học Bách Khoa Hà Nội
ghép vì titan có tính chống ăn mòn cao và tương thích sinh học với mô tốt hơn so
với các vật liệu khác.
Bảng 1.1. Nhiệt độ làm việc tối đa của một số hợp kim titan [1]
Nhiệt độ làm
Tên Thành phần (wt %) Năm
việc tối đa (oC)
Ti-64 6Al, 4V 1954 300
IMI-550 4Al, 2Sn, 4Mo, 0,5Si 1956 425
Ti-811 8Al, 1Mo, 1V 1961 400
IMI-679 2Al, 11Sn, 5Zr, 1Mo, 0,2Si 1961 450
Ti-6246 6Al, 2Sn, 4Zr, 6Mo 1966 450
Ti-6242 6Al, 2Sn, 4Zr, 2Mo 1967 450
IMI-685 6Al, 5Zr, 0,5Mo, 0,25Si 1969 520
Ti-11 6Al, 2Sn, 1,5Zr, 1Mo, 0,1Si, 0,3Bi 1972 540
Ti-17 5Al, 2Sn, 2Zr, 4Mo, 4Cr 1973 350
Ti-6242S 6Al, 2Sn, 4Zr, 2Mo, 0,1Si 1974 520
IMI-829 5,5Al, 3,5Sn, 3Zr, 0,3Mo, 1Nb, 0,3Si 1976 580
5,5Al, 4Sn, 4Zr, 0,3Mo, 1Nb, 0,5Si,
IMI-834 1984 590
0,06C
Bảng 1.1 cho thấy trong 3 năm từ năm 1954 đến năm 1984 các nghiên cứu
và phát triển của hợp kim titan xảy ra rất mạnh mẽ. Số lượng các nguyên tố hợp
kim được đưa vào titan ngày càng nhiều, qua đó giúp cho nhiệt độ làm việc của
hợp kim titan được cải thiện đáng kể.
1.1.2. Tính chất
Titan là kim loại có trữ lượng nhiều thứ 4 trong vỏ trái đất chiếm tới 0,86
% sau nhôm, sắt và magiê. Trong tự nhiên, kim loại titan không tồn tại dưới dạng
sạch mà ở dạng ôxit như FeTiO 3 , TiO 2 [2-4].
Kim loại titan được xếp vào nhóm kim loại nhẹ, khối lượng riêng là 4,54
g/cm3, hơi nặng hơn so với magiê. Độ bền cơ học cao gấp hai lần so với nhôm,
Lê Thiêm Tuấn 20202288M 2
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Đại học Bách Khoa Hà Nội
gấp năm lần so với magiê. Titan có nhiệt độ nóng chảy cao là 1942 K (bảng 1.2)
[5].
Titan có 2 dạng thù hình là α và β, nhiệt độ chuyển biến thù hình của titan
là 882,5 oC. Ti α tồn tại dưới nhiệt độ 882,5 oC với kiểu mạng tinh thể lục giác xếp
chặt, các thông số mạng Ti α là: a= 0,29 nm, c= 0,486 nm, c/a= 1,587. Khi ở trên
nhiệt độ 882,5 oC titan tồn tại thù hình Ti β với kiểu mạng lập phương tâm khối, a=
0,32 nm.
Bảng 1.2. So sánh tính chất vật lý của titan và các kim loại khác [6]
Kim loại
Tính chất
Mg Al Ti Ni Cu
Số thứ tự nguyên tố 12 13 22 28 29
Nguyên tử lượng 24,320 26,981 47,880 58,700 63,540
Khối lượng riêng ở 20 oC
1,737 2,698 4,507 8,897 8,940
(g/cm3)
Nhiệt độ nóng chảy (oC) 650 660 1668 1455 1083
Nhiệt độ sôi (oC) 1107 2520 3169 2822 2360
Đường kính nguyên tử
0,320 0,286 0,290 0,248 0,256
(nm)
Nhiệt ẩn chảy lỏng
357 289 358 302 205
(kJ/kg)
Nhiệt ẩn hoá hơi (kJ/kg) 5498 10885 9790 6376 6340
Tỷ nhiệt ở 20 oC (J/kg.K) 1048 962 521 450 385
Độ dẫn nhiệt ở 20 oC
167 222 22 89 387
(W/m.K)
Hệ số dãn nở nhiệt ở 25
o 26 23 9 14 17
C (106 K-1)
Điện trở suất ở 20 oC
0,045 0,028 0,580 0,068 0,017
(μΩ.m)
Mođun đàn hồi E (GPa) 44 71 103 203 125
Mođun trượt (GPa) 18 27 39 73 46
Lê Thiêm Tuấn 20202288M 3
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Đại học Bách Khoa Hà Nội
Titan và hợp kim của nó là loại có hoạt tính hóa học mạnh. Ở nhiệt độ bình
thường, lớp ôxit bảo vệ trên bề mặt titan rất sít đặc, có thể chống lại axit mạnh,
khả năng chống ăn mòn tốt. Vì vậy, hợp kim titan làm việc trong môi trường axit,
kiềm rất tốt. Nó
có thể làm việc trong môi trường có chứa O 2 , N 2 , H 2 , S và halogen ở nhiệt độ cao.
Bên cạnh đó hợp kim titan tồn tại những đặc tính nổi trội như sau:
• Độ bền riêng cao
Khối lượng riêng của hợp kim titan là khoảng 4,5 g/cm3, chỉ bằng 60 % so
với thép. Một số hợp kim titan có độ bền vượt trội của nhiều loại thép hợp kim kết
cấu. Do đó, độ bền riêng cụ thể của hợp kim titan lớn hơn nhiều so với các vật liệu
kết cấu kim loại thông dụng khác (bảng 1.3 và hình 1.1).
Bảng 1.3. So sánh tính chất vật lý của Ti6Al4V và các hợp kim khác [7]
Thép không Ti6Al4V, rèn
Nhôm 6061
gỉ 316L (ủ) (ủ/hoá già)
Tỉ trọng (kg/m3) 8000 4420 2700
Mô-đun đàn hồi (GPa) 193 115 69
Độ bền kéo (MPa) 570 1030/1170 310
Hình 1.1. So sánh độ bền của hợp kim titan và các hợp kim khác [7]
Lê Thiêm Tuấn 20202288M 4
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Đại học Bách Khoa Hà Nội
Hình 1.2. Vùng nhiệt độ làm việc tối đa và độ bền riêng của các hợp kim [8]
• Khả năng làm việc trong môi trường nhiệt độ cao
Titan làm việc trong môi trường nhiệt độ cao hơn so với hợp kim nhôm
(hình 1.2), nhưng vẫn có thể duy trì được độ bền yêu cầu của hợp kim titan trong
khoảng nhiệt độ từ 150 đến 500 °C. Còn đối với hợp kim nhôm ở 150 °C độ bền
giảm đáng kể. Nhiệt độ làm việc của hợp kim titan là lên đến 500 °C, trong khi
hợp kim nhôm dưới 200 °C.
• Khả năng chống ăn mòn tốt
Xét trong dãy hoạt động hoá học Beketov, titan có hoạt tính tương đối lớn,
nằm giữa Be và Mn. Nhưng trong nhiều môi trường ăn mòn titan lại rất ổn định.
Các hợp kim titan làm việc trong không khí, nước biển, các chất kiềm, clorua, các
chất hữu cơ, axit nitric và axit sulfuric loãng có khả năng chống ăn mòn tốt hơn
nhiều so với thép không gỉ, đặc biệt về khả năng chống ăn mòn rỗ/lỗ, ăn mòn axit.
Tuy nhiên, titan vẫn bị ăn mòn trong một số loại axit mạnh khác như HF, HCl,
H 2 SO 4 , H 3 PO 4 và một số loại axit hữu cơ đậm đặc trong điều kiện nhiệt độ cao.
Sở dĩ titan và hợp kim của nó có khả năng chống ăn mòn cao là do nó dễ dàng tạo
Lê Thiêm Tuấn 20202288M 5
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Đại học Bách Khoa Hà Nội
được trạng thái thụ động hoá nhờ hình thành lớp ôxit sít chặt trên bề mặt rất bền
vững. Bên cạnh đó, các nguyên tố hợp kim như Mo, Nb, Zr cũng có tác dụng thúc
đẩy thụ động hoá của titan trong các môi trường axit mạnh như H 2 SO 4 , HCl,
H 3 PO 4 …
• Tính dẫn nhiệt nhỏ, mođun đàn hồi thấp
Độ dẫn nhiệt của titan là khoảng 15,24 W/(mK), bằng khoảng 1/4 của
niken, bằng 1/5 sắt và 1/14 nhôm. Tuy nhiên, độ dẫn nhiệt của các loại hợp kim
titan là khoảng 50 % thấp hơn so với titan nguyên chất. Môđun đàn hồi của hợp
kim titan khoảng 100 GPa so với thép là bằng khoảng 1/2 lần, vì vậy độ cứng kém,
biến dạng dễ dàng.
• Tính tương thích sinh học tốt
Hợp kim titan có khả năng chống ăn mòn tốt, không phản ứng với các chất
có trong máu, không giải phóng ra các ion gây ra các phản ứng phụ trong cơ thể
con người. Nâng cao tính tương thích sinh học bằng cách bổ sung các nguyên tố
hợp kim như Nb, Ta, Zr và Mo [9].
1.1.3. Tương tác của titan với nguyên tố hợp kim và giản đồ pha
Dựa vào dạng giản đồ pha mà người ta chia các hệ hợp kim titan thành
nhiều nhóm khác nhau. Mỗi dạng giản đồ pha lại cho ta biết được những điều thú
vị của hợp kim titan.
a. Giản đồ pha 2 cấu tử
Đối với dạng giản đồ pha hai cấu tử, các nguyên tố hợp kim phân chia thành
2 loại là các nguyên tố làm ổn định pha β hoặc α. Ngoài ra còn được chia thành 3
nhóm là: nhóm các nguyên tố hoà tan vô hạn vào mạng tinh thể titan, nhóm các
nguyên tố có thể tạo với titan thành hợp chất hoá học ổn định và có phản ứng cùng
tích xẩy ra, nhóm các nguyên tố tạo ra phản ứng bao tinh hoặc bao tích. Các dạng
giản đồ pha hệ 2 cấu tử của hợp kim titan được thể hiện ở hình 1.3.
Lê Thiêm Tuấn 20202288M 6
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Đại học Bách Khoa Hà Nội
Hệ 2 cấu tử
Ổn định β Ổn định α
Chuyển pha đơn giản Chuyển pha cùng tích Bao tinh Bao tích β→α (β -
(β - đồng hình) (β - cùng tích) bao tích)
Nguyên tố hợp kim: Cr, Nguyên tố hợp
Nguyên tố hợp kim: V, Nguyên tố hợp
Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Pd, kim: B, Sc, Ga,
Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, Re kim: N, O
Ag, W, Pt, Au La, Ce, Nb, Ge, Al
Hình 1.3. Giản đồ pha hai cấu tử của titan với các nguyên tố hợp kim [10]
b. Giản đồ pha 3 cấu tử
Giản đồ pha của hệ hợp kim titan ba cấu tử rất phức tạp, theo quan điểm
hợp kim hoá thì nó được chia ra làm hai nhóm chính.
Nhóm thứ nhất là hệ thống những nguyên tố tạo dung dịch rắn thay thế.
Nhóm thứ hai là hệ thống những nguyên tố tạo dung dịch rắn xen kẽ hoặc
hỗn hợp cả thay thế và xen kẽ. Trong công nghiệp thì nhóm này gần như là không
được ứng dụng.
Trong mỗi nhóm ở trên lại được chia thành hai nhóm nhỏ là nhóm hợp kim
có chứa nguyên tố Al và nhóm hợp kim không chứa nguyên tố Al. Trong đó, hệ
thống cơ bản ba cấu tử gồm Ti-Al- nguyên tố ổn định vùng β là được ứng dụng
nhiều hơn cả trong các ngành kỹ thuật. Al tồn tại bên trong của dung dịch rắn, nó
có tác dụng thu hẹp vùng β, nâng cao nhiệt độ chuyển biến thù hình và góp phần
ổn định pha α. Bên cạnh đó Al còn làm tăng độ hoà tan của những nguyên tố ổn
Lê Thiêm Tuấn 20202288M 7
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Đại học Bách Khoa Hà Nội
định vùng β trong Ti α như Cr, Mn, V, Nb, Hf, Zr. Tuy nhiên Al lại thường tạo
thành pha trật tự α 2 gây giòn, để ngăn cản điều đó người ta thường hợp kim hoá
thêm những nguyên tố ổn định vùng β như V. Tùy vào hàm lượng V, hợp kim Ti-
6%Al-V được chia thành 4 loại là cận α, α + β, β giả ổn định và β (hình 1.4).
Hình1.4. Giản đồ pha ba cấu tử Ti-Al-V [10]
1.1.4. Chuyển biến pha
Nhìn chung khi xét về chuyển biến pha của hợp kim trên nền titan rất phức
tạp và đa dạng. Bản chất của titan nguyên chất là có chuyển biến thù hình, khi pha
tạp thêm các nguyên tố hợp kim khác thì những đặc tính của chuyển biến sẽ biến
đổi và càng phức tạp hơn.
1.1.4.1. Đặc điểm chuyển biến pha trong titan nguyên chất
Ở nhiệt độ T β = 882 oC (hình 1.5) sẽ xảy ra phản ứng chuyển biến thù hình
giữa Ti α (kiểu mạng lục giác) và Ti β (kiểu mạng lập phương). Các nguyên tố hợp
kim sẽ có thể làm thay đổi giá trị của nhiệt độ T β này. Đối với titan nguyên chất
Lê Thiêm Tuấn 20202288M 8