Luận án Tiến sĩ: Đặc tính hàn ma sát quay hợp kim titan và tối ưu công nghệ của Hồ Thị Mỹ Nữ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HỒ THỊ MỸ NỮ NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH MỐI HÀN MA SÁT QUAY HỢP KIM TITAN VÀ TỐI ƯU CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP. HỒ CHÍ MINH - NĂM 2021 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HỒ THỊ MỸ NỮ NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH MỐI HÀN MA SÁT QUAY HỢP KIM TITAN VÀ TỐI ƯU CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số chuyên ngành: 62520103 Phản biện độc lập: PGS.

Lưu Đức Bình Phản biện độc lập: PGS. Nguyễn Trường An Phản biện: PGS. Đào Minh Ngừng Phản biện: PGS. Đinh Minh Diệm Phản biện: PGS.

Nguyễn Ngọc Hà NGƯỜI HƯỚNG DẪN: 1. TS Nguyễn Hữu Lộc 2. Lưu Phương Minh LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.

Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Chữ ký Hồ Thị Mỹ Nữ i TÓM TẮT LUẬN ÁN Việc lựa chọn và sử dụng hợp kim titan độ bền cao có vai trò quan trọng nâng cao hiệu suất vận hành của các chi tiết, bộ phận máy trong ngành hàng không vũ trụ. Để gia công chi tiết máy có kích thước và hình dáng hình học thỏa mãn các yêu cầu công nghệ, các chi tiết máy thường phải qua nhiều nguyên công chế tạo trong đó nguyên công hàn là phổ biến. Tuy nhiên, phương pháp hàn nóng chảy trên hợp kim titan độ bền cao thường tạo ra cơ tính kém.

Vì vậy, hàn ở trạng thái rắn hay còn gọi là hàn ma sát là một phương pháp hàn tiềm năng gia công các chi tiết có cấu trúc phức tạp mà vẫn đảm bảo các cơ tính tốt. Đề tài này nghiên cứu phương pháp hàn ma sát quay (RFW) cho Ti6Al4V, xem xét tính khả thi và ảnh hưởng của các thông số công nghệ của quá trình hàn hợp kim titan có độ bền cao bằng phương pháp hàn ma sát quay. Đề tài xây dựng mô hình cơ - nhiệt mô phỏng quá trình hàn ma sát quay Ti6Al4V, dự đoán sự phát triển của quá trình biến dạng và sự phân bố nhiệt độ trong quá trình hàn ma sát quay. Mô phỏng số dự đoán sự biến thiên của nhiệt độ từ vùng trung tâm đến vùng biên ngoài của chi tiết hàn.

Nó cũng dự đoán sự phát triển của ứng suất trong chi tiết dưới tác động của quá trình hàn. Kết quả mô phỏng số được sử dụng để định hướng tối ưu các thông số công nghệ của quá trình hàn ma sát quay nhằm giảm chi phí thử nghiệm. Bên cạnh đó, đề tài khảo sát thực nghiệm ảnh hưởng của các thông số công nghệ của quá trình hàn ma sát quay đến cơ tính của mối hàn như áp lực dọc trục, tốc độ quay và thời gian gia nhiệt. Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng chất lượng mối hàn về độ bền kéo và độ cứng giảm theo phương hướng tâm của chi tiết hàn.

Do đó, bán kính của các chi tiết được hàn trong hàn ma sát quay phải nằm trong mức giới hạn vì các khu vực nằm càng xa tâm trục có cơ tính càng kém. Thông số ảnh hưởng nhiều nhất đến độ bền kéo và độ cứng của mối hàn ma sát quay của Ti6Al4V là áp lực dọc trục, bao gồm áp lực gia nhiệt và áp lực hàn. Áp lực hàn cao tạo ra tổ chức hạt mịn, đồng đều và sự kết tinh lại xảy ra trong mối hàn làm dẫn đến độ bền kéo và độ cứng cao. Ngoài ra, việc tăng áp lực hàn trong hàn ma sát quay sẽ giảm sự khác biệt về cơ tính của các vùng trong mối hàn và tạo ra mối hàn có cơ tính đồng đều hơn.

Cơ tính của mối hàn như độ bền kéo, độ dai va đập cũng được khảo sát. ii ABSTRACT Titanium alloy Ti6Al4V is a lightweight, high-strength material that is widely used in the aerospace industry. Titanium alloys are also very important materials in other manufacturing fields, such as the automotive and medical device industries. Components manufactured from an original block of material are expensive due to the proportionally large amount of material that is purchased compared to the amount that remains after machining.

However, conventional fusion welding of high-strength titanium alloys is generally conducive to poor mechanical properties. Friction welding is a potential method for intensifying the mechanical properties of suitable geometry components. In this thesis, the rotary friction welding (RFW) method is used to study the feasibility of producing similar metal joints of high-strength titanium alloys. To predict the upset and temperature and identify the safe and suitable range of parameters, a thermomechanical model was developed.

The upset predicted by the finite element simulations was compared with the upset obtained by the experimental results. The numerical results are consistent with the experimental results. Particularly, high upset rates due to generated power density and forging pressure overload that occurred during the welding process were investigated. The performances of the welded joints are evaluated by conducting microstructure studies and Vickers hardness at the joints.

The titanium rotary friction welds achieve a higher tensile strength than the base material. The friction welding parameters, such as speed, axial pressure and friction time, have a great influence on the quality of the joint strength. In addition, the microhardness and tensile strength at different locations in the welded area are not homogeneous, so it is necessary to determine the trend for the hardness distribution to find the weakest positions in a rotating friction weld. The experimental results show that the weld quality, in terms of the tensile strength and hardness, decreases radially.

Therefore, the radius of the welded parts that are viable for rotating friction welding is limited because the areas located far from the centre of the axis have poor mechanical properties. The parameter that impacts the tensile strength and microhardness the most during rotary friction welding of Ti6Al4V is the axial pressure, which includes the friction pressure and forging pressure. A high forging pressure produces fine, equiaxed, and recrystallized grain structures in the welded joint, resulting in a high tensile strength and iii microhardness. In addition, an increased forging pressure can be used in rotary friction welding to reduce the radial differences in the mechanical properties of the welded joints.

iv LỜI CÁM ƠN Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Bộ môn Thiết bị và Công nghệ Vật liệu Cơ khí, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh đã hỗ trợ tôi thực hiện luận án này. Đồng thời xin chân thành cảm ơn TS. Lưu Phương Minh, PGS. Nguyễn Hữu Lộc đã tận tình hướng dẫn tôi về chuyên môn để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận án.

Tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong Hội đồng chấm luận án đã dành thời gian đọc và góp những ý kiến quý báu để tôi hoàn thiện bản luận án của mình, cũng như giúp tôi định hướng nghiên cứu. Ban giám hiệu và quý Thầy Cô trong Khoa Cơ khí Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện tốt nhất để tôi tập trung hoàn thành luận án. Các Thầy Cô Phòng Đào tạo Sau đại học, Phòng Thư viện - Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. Tôi xin gửi lời chân thành cảm ơn đến toàn thể gia đình, bạn bè, đồng nghiệp, những người đã giúp đỡ, động viên tôi thực hiện công trình này.

v MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.ix DANH MỤC BẢNG BIỂU .xi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT. xii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU. xiii MỞ ĐẦU. Tính cấp thiết của luận án.

Mục tiêu của luận án. Phương pháp nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án. Các điểm mới của luận án.

Nội dung nghiên cứu. 3 CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ HÀN MA SÁT VÀ VẬT LIỆU TI6AL4V .1 Vật liệu kim loại và hợp kim titan .2 Đặc tính của kim loại và hợp kim titan .1 Phân loại hợp kim Titan .2 Hợp kim Ti6Al4V .3 Các nghiên cứu trong và ngoài nước .1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới .2 Các nghiên cứu trong nước .21 Kết luận Chương 1 .21 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT HÀN MA SÁT QUAY .1 Nguyên lý hàn ma sát quay .2 Cơ chế hàn ma sát quay .1 Giai đoạn gia nhiệt .2 Giai đoạn hàn .3 Thông số quá trình hàn ma sát quay .2 Áp lực trong quá trình hàn ma sát .3 Thời gian trong quá trình hàn ma sát .4 Mô hình phân bố nhiệt trong vùng HAZ .5 Mô hình phân bố tỉ lệ biến dạng trong vùng HAZ .6 Đặc trưng mối hàn ma sát Ti6Al4V.2 Độ rộng của vùng hàn .3 Cơ tính của mối hàn ma sát quay .7 Dãy thông số công nghệ hàn ma sát cho vật liệu Ti6Al4V .35 Kết luận Chương 2 .38 CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG SỐ QUÁ TRÌNH HÀN MA SÁT QUAY .1 Mô hình phần tử hữu hạn .2 Lựa chọn mô hình vật liệu .3 Kết quả mô phỏng hàn ma sát quay Ti6Al4V .1 Biến thiên nhiệt trong quá trình hàn ma sát quay của hợp kim Ti6Al4V .2 Ảnh hưởng của thời gian gia nhiệt .3 Ảnh hưởng của áp lực trong giai đoạn hàn .4 Ảnh hưởng của nguồn nhiệt .5 Sự phân bố ứng suất .59 Kết luận Chương 3 .61 CHƯƠNG 4 THỰC NGHIỆM HÀN MA SÁT VÀ TỐI ƯU HÓA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ.1 Phân tích thực nghiệm xác định qui luật ảnh hưởng của các thông số công nghệ đế cơ tính mối hàn .2 Chuẩn bị mẫu và thiết bị .3 Nghiên cứu thực nghiệm .4 Kết quả và thảo luận.2 Qui hoạch thực nghiệm .1 Phương pháp Taguchi .2 Phương trình hồi quy bậc 2 .3 Thực nghiệm kiểm tra kết quả tối ưu .1 Tổ chức tế vi.2 Kiểm tra độ dai va đập .3 Kiểm tra độ bền kéo .105 Kết luận Chương 4 .105 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .106 Hướng phát triển đề tài .108 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ .110 vii TÀI LIỆU THAM KHẢO .111 PHỤ LỤC 1: MỐI QUAN HỆ GIỮA ÁP SUẤT THỦY LỰC CỦA MÁY VÀ ÁP LỰC TRÊN CHI TIẾT HÀN .117 PHỤ LỤC 2 SỐ LIỆU ĐO ĐỘ CỨNG (HV) .118 viii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Cấu trúc và các pha khác nhau của hợp kim titan .2 Mặt phẳng trượt hình chóp bậc nhất và bậc hai trong ô cơ bản HCP .3 Giản đồ pha của chất ổn định Ti và -Ti với vị trí của một số hợp kim .4 Minh họa sự chuyển đổi từ HCP sang BCC trong titan nguyên chất .