Luận án: Tối ưu hóa quá trình nung cảm ứng tạo hình bán lỏng hợp kim nhôm

TỐ ẢM ỨNG TRONG HỢP KIM NHÔM LUẬN ÁN TIẾ SĨ Ậ TỐ ẢM ỨNG HỢP KIM NHÔM Chuyên ngành: Công nghệ tạo hình vật liệu Mã số : 62520405 PGS. NGUYỄ ẮC TRUNG S. Ễ Ế 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 đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Nguyễn Vinh Dự i TÓM TẮT LUẬN ÁN Vào những năm 1970, một kỹ thuật tạo hình vật liệu tạo hình mới đã được Giáo sư C.Flemings và nghiên cứu sinh của ông là David Spencer ở học viện MIT (Hoa Kỳ) phát hiện ra và phát triển cho đến ngày nay – kỹ thuật tạo hình ở trạng thái bán lỏng, kỹ thuật này đã được ứng dụng và thương mại hóa trong các ngành sản xuất công nghiệp, đặc biệt là sản xuất các chi tiết cho ngành cơ khí. Phương pháp tạo hình ở trạng thái bán lỏng chia làm hai loại: tạo hình lưu biến (Rheoforming) và tạo hình xúc biến (Thixoforming). Và một trong những vấn đề đặt ra trong quá trình gia nhiệt phôi của phương pháp tạo hình xúc biến (Thixoforming) đó là độ chênh nhiệt độ trên toàn bộ thể tích của phôi do hiện tượng hiệu ứng bề mặt.

Để giải quyết vấn đề này thì Luận án đã sử dụng thuật toán phương pháp độ dốc liên hợp Conjugate Gradient Method (CGM) - là 1 thuật toán lặp, về phương chiều thì nó liên quan đến hàm hội tụ E và giải quyết bằng cách giải bài toán tiệm cận, còn việc tối ưu hóa kích thước của bước xác định được bằng cách giải bài toán độ nhạy để giải quyết vấn đề tối ưu hóa quá trình nung phôi trong kỹ thuật tạo hình vật liệu bán lỏng theo phương pháp tạo hình xúc biến (Thixoforming), đồng thời kết hợp với phương pháp sai phân hữu hạn ứng với điều kiện biên, điều kiện ban đầu vừa gia nhiệt, vừa làm nguội bề mặt phôi nung, trên cơ sở những thuật toán đã đưa ra, Luận án đã xây dựng chương trình mô phỏng tối ưu quá trình nung phôi bằng phần mềm Comsol, đồng thời thực nghiệm trên mô hình thực tế phôi hợp kim nhôm A356 để qua đó đánh giá độ đồng đều về nhiệt độ và làm cơ sở so sánh đánh giá tính chính xác, tính khoa học của phương pháp số, thuật toán phương pháp độ dốc liên hợp CGM, phương pháp mô phỏng đã giải bài toán tối ưu. Mục tiêu của Luận án này là giải quyết đưa ra các phương án, chế độ liên quan đến quá trình gia nhiệt bằng cảm ứng, các kết quả thực nghiệm và phương pháp số ứng với các điều kiện biên 2D của bài toán ban đầu đã được giải quyết một cách tối ưu và được kiểm nghiệm khả năng tạo hình dưới các vận tốc ép khác nhau. Và kết quả nhận thấy rằng chất lượng mẫu sau quá trình gia nhiệt cảm ứng đạt yêu cầu và các kết quả cũng cho thấy vận tốc ép v = 8 mm/s mang lại kết quả tốt nhất. ii ABSTRACT Since the 1970's, a new casting technique called semi-solid metal (SSM) forming has become important in the formation of metal alloys.

It was originally developed by Professor Merton C. Flemings at the Massachusetts Institute of Technology in the 1970s and has since been commercialized and employed in the industry. There are two technical directions of SSM forming: rheoforming and thixoforming. The thixoforming technique requires heating the feedstock to a semi-solid state with a uniform temperature distribution, a uniform globular microstructure and an optimum liquid fraction.

The skin effect of induction heating results in an exponential heat source profile within the semi-solid material. In this study, the conjugate gradient method in conjunction with the adjoint method is used to find a heating process to reach a uniform temperature distribution along the radius of a cylinder in a relatively short time. It is found that a modified Conjugate Gradient Method may provide a satisfactory heating strategy. The physical and mathematical models take into account the temperature-dependent thermo-physical properties.

Radiative and convective heat losses and different heating frequencies are also considered. Our objectives are to deal with the more general induction heating issues in the semi- solid metal formation by taking into account the conditions of radiation and convection during the heating combined with cooling process at the surface of samples (billets), hence the spatial-temporal variation of temperature on the whole sample volume. The billets after that will be re- heated by induction system for obtaining a fine uniform globular microstructure and will be pressed under different pressing speeds. Lab experiments and numerical approaches for the alloys heated with the conditions of convection and radiation as well as re-heated and pressed under various pressing speeds for the relationship between the punch speed, pressing force, flow stress and temperature distribution are carried on.

We also observed that the quality of our samples after the induction heating process was very good and the ‘foot elephant’ pattern did not occur. The results also showed that a punch speed of v = 8 mm/s could bring the in the “best stress” and “best microstructure” for the samples. iii LỜI CẢM ƠN Nhìn lại quãng thời gian hơn 6 năm, chứng kiến bao thăng trầm của ngành Khoa học và Công nghệ thành phố Hồ Chí Minh, bao thay đổi tại Trung tâm Ứng dụng tiến bộ khoa học và công nghệ, cuối cùng tôi cũng đã vượt qua chính mình, để hoàn tất Luận án này. Thật sự, ngoài những nỗ lực vươn lên của bản thân, nếu không có sự giúp đỡ động viên của các Đồng chí lãnh đạo, sự hỗ trợ nhiệt tình của gia đình, quý đồng nghiệp, bạn bè xa gần, có lẽ tôi khó có thể đi trọn vẹn con đường nghiên cứu khoa học, tưởng chừng như vô tận này.

NGÀN LỜI TRI ÂN CỦA TÔI, XIN PHÉP GỬI ĐẾN: Các đồng chí lãnh đạo của Ban Tổ chức Thành ủy, Ban điều hành Chương trình 500ThS, TS. TS Lưu Phương Minh – Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh, GS.TSKH Nguyễn Thế Hưng – Đại học Bách khoa Montreal, Canada, các Thầy đã dẫn dắt tôi trong những ngày đầu chập chững bước vào con đường khoa học bao la.TS Phan Minh Tân, nguyên Giám đốc Sở Khoa học và Công nghệ TP.HCM, người đã khuyến khích, hỗ trợ tôi rất nhiều trong con đường nghiên cứu khoa học.TS Lê Hoài Quốc, Trưởng Ban Quản lý Khu Công nghệ cao, người đã tạo điều kiện tôi có cơ hội vận dụng những kiến thức đã học vào thực tiễn công việc.TS Nguyễn Quang Trí – Đại học Dalhouse, Canada - bậc đàn anh đã cho tôi những lời khuyên quý báu để vượt qua thử thách, đồng thời anh là người tiếp sức cho tôi để đến buổi ngày hôm nay. Ngoài ra, còn có các Thầy, Cô trong Bộ môn Công nghệ và Thiết bị vật liệu Cơ khí, Bộ môn Công nghệ Kim loại luôn dõi theo bước chân để động viên, cho những lời khuyên để tôi có những điều chỉnh kịp thời trên con đường Nghiên cứu Khoa học.

Đặc biệt, xin chân thành cảm ơn các anh, chị Phòng Quy hoạch và Đào tạo-Ban tổ chức Thành ủy TP. Hồ Chí Minh. Khối 244 nói chung, bộ phận Tổ chức Cán bộ thuộc iv Văn phòng Sở Khoa học và Công nghệ Tp. Hồ Chí Minh đã luôn đồng hành giúp đỡ tôi trong suốt quá trình tôi tham gia chương trình đào tạo ThS, TS.

Quý đồng nghiệp trong các Phòng ban của Trung tâm, đặc biệt ThS Đặng Hữu Thọ, KS Phan Quang An, KS Trần Trung Trực, KS Trang Hoàng Thái, KS Nguyễn Công Bảo - các anh đã thắp sáng và nuôi dưỡng ngọn lửa nhiệt thành trong tôi, giúp tôi giữ vững lòng nhiệt huyết trên con đường khoa học mà mình đã chọn. Lòng biết ơn vô bờ đến các đồng nghiệp của tôi, các nhân viên Phòng Cơ khí và Tự động hóa, Phòng Hành chính – Tổ chức đã gánh vác công việc thay tôi trong lúc tôi vắng mặt, em Đặng Hoàng Yến, các chị Nguyễn Thị Mai Ly, chị Nguyễn Thị Ngọc Châu, chị Đổng Điền Xuân Hiền và nhiều người nữa mà tôi không thể kể ra hết, rất mong nhận được sự đồng thuận của các bạn trong tương lai sắp tới. Và những gì sau cùng cũng là những khởi đầu trân trọng nhất, xin gửi những tình cảm chân thành nhất của tôi đến những bạn bè xa gần: PGS. Phạm Sơn Minh, bạn Hoàng Quốc Dũng,…những người luôn sát cánh cùng tôi những phút giây cần thiết.

Và cuối cùng, không thể không kể đến những gương mặt đáng yêu tại Đại học Bách khoa Montreal, nơi tôi vừa làm quen trong giai đoạn thực tập sinh tại đất Canada, các anh chị Hiu Jiang, Amin,…Các bạn đã khắc ghi trong ký ức của tôi những kỷ niệm khó phai trong những tháng ngày thử thách nhất của cuộc đời. Tri ân cho 2 người phụ nữ quan trọng nhất của đời tôi: Mẹ tôi, Nguyễn Thị Ngát Và vợ tôi, Phạm Ngọc Thùy Dương Ngàn lần cảm ơn Gửi đến bố tôi, Nguyễn Thành Công, các chú, bác, cậu, dì trong gia đình tôi Một kỷ niệm đáng nhớ dành riêng cho 2 con trai yêu dấu của tôi: Con Hiếu Khang Con Khang Đức v MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH. viii DANH MỤC BẢNG .xii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT. xiii CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH NUNG CẢM ỨNG TRONG KỸ THUẬT TẠO HÌNH Ở TRẠNG THÁI BÁN LỎNG HỆ HỢP KIM NHÔM .1 Tổng quan các phương pháp tạo hình vật liệu ở trạng thái bán lỏng .1 Các kỹ thuật tạo hình ở trạng thái bán lỏng .2 Ưu, nhược điểm của phương pháp tạo hình ở trạng thái bán lỏng .2 Phạm vi ứng dụng: .3 Tổng quan các phương pháp nung .4 Tổng quan các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước .1 Giải quyết bài toán đồng đều về nhiệt độ theo hướng thực nghiệm .2 Giải quyết bài toán đồng đều về nhiệt độ theo hướng phương pháp số.

36 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA QUÁ TRÌNH NUNG CẢM ỨNG TRONG QUÁ TRÌNH TẠO HÌNH VẬT LIỆU Ở TRẠNG THÁI BÁN LỎNG .1 Cơ sở vật lý của quá trình nung cảm ứng .1 Các tính chất điện từ trong quá trình nung cảm ứng .2 Hiện tượng hiệu ứng đầu mút và độ giảm nhiệt độ từ đầu đến đuôi .2 Cơ sở quá trình truyền nhiệt trong nung cảm ứng .1 Khái niệm về dẫn nhiệt và phương trình vi phân truyền nhiệt của vật rắn .2 Phương trình truyền nhiệt. 50 CHƯƠNG 3 TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH NUNG CẢM ỨNG TRONG KỸ THUẬT TẠO HÌNH VẬT LIỆU Ở TRẠNG THÁI BÁN LỎNG .1 Các phương pháp tìm nghiệm hệ phương trình vi phân trao đổi nhiệt .2 Cơ sở phương pháp số để giải bài toán dẫn nhiệt .2 Tối ưu hoá quá trình nung cảm ứng bằng phương pháp độ dốc liên hợp Conjugate Gradient Method (CGM) .