Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NGHIÊN CỨU CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM VẬT LIỆU HỢP KIM CHỊU NHIỆT DZ125L CHẾ TẠO BỞI CÔNG NGHỆ TẠO HÌNH BẰNG TIA LASER STUDY ON PRODUCT QUALITY OF NICKEL BASED SUPPER – ALLOY DZ125L FABRICATED BY LASER DIRECT METAL FORMING TECHNOLOGY Đoàn Tất Khoa1,a, Hồ Việt Hải1,b, Đỗ Xuân Tươi1,c, Nguyễn Tài Hoài Thanh1,d Học viện Kỹ thuật quân sự, Hà Nội, Việt Nam a doankhoactm@gmail.com; bhoviethai@andt.vn c dxtuoi76@gmail.com; dthanhnguyenctm@gmail.com TÓM TẮT Bài báo sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm để xác định đặc trưng tổ chức tế vi, tính chất lượng bề mặt vật liệu hợp kim chịu nhiệt ni ken DZ125L chế tạo công nghệ tạo hình tia laser Kết nghiên cứu thực nghiệm cho thấy: tổ chức tế vi vật liệu tổ chức epitaxial dạng tinh thể hình trụ; giới hạn bền cho phép chi tiết theo phương vuông góc với phương quét chùm tia laser lớn giới hạn bền cho phép chi tiết theo phương song song với phương quét chùm tia laser, đạt 827,47 MPa 550,54 MPa Độ nhám bề mặt chi tiết trung bình đạt 27µm; mật độ chi tiết đạt từ 98,24% đến 98,93% Từ khóa: công nghệ tạo hình tia laser, chất lượng sản phẩm, tính vật liệu, tổ chức vật liệu, hợp kim chịu nhiệt DZ125L ABSTRACT The forming quality of DZ125L parts fabricated by laser direct metal forming technology was evaluated from the microstructure, tensile properties, surface roughness and density The results showed that microstructure was epitaxial columnar of crystal; thetensile propertiesof DZ125Lparts in the laser scan vertical direction were significantly higher than thosein the longitudinal direction, alternately were 827,47MPa and 550,54Mpa The average plane roughness of the DZ125Lpartsis about 27μm, the relative density of DZ125Lpartsis between 98,24 % to 98,93 % Keywords: laser direct metal forming (LDMF), product quality, tensile properties, microstructure, nickel based supper alloy DZ125L ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, loại hợp kim chịu nhiệt DZ125L, Inconel738, Rene95, Rene88DT, , ứng dụng rộng rãi ngành công nghiệp quan trọng hàng không vũ trụ, quân sự, thủy điện, hạt nhân, sử dụng để chế tạo loại đĩa, cánh tuabin khí, tuabin thủy lực, Các chi tiết trước thường chế tạo theo phương pháp đúc, nhiên tính vật liệu không cao, sản phẩm có nhiều khuyết tật, mật độ thấp [1-6], Những năm gần đây, chi tiết quan trọng chế tạo từ hợp kim chịu nhiệt chế tạo công nghệ tạo hình tia laser Công nghệ chế tạo sản phẩm sử dụng phương pháp thiêu kết trực tiếp bột kim loại tia laser (Laser Direct Metal Forming, LDMF) công nghệ tạo hình sản phẩm kim loại đại Công nghệ bắt đầu phát triển từ 90 kỷ XIX, tích hợp công nghệ laser, công nghệ điều khiển số(CNC), công nghệ máy tính, công nghệ vật liệu,… sử dụng nguồn lượng laser để thiêu kết bột kim loại, sản phẩm hình thành theo nguyên lý tạo hình lớp vật liệu (layer by layer) Công nghệ sau phát triển nhanh, ứng dụng rộng rãi lĩnh vực hàng không vũ trụ, công 461 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV nghiệp ô tô, tàu thủy, quân sự, y học [7-9], Các chi tiết chế tạo công nghệ có ưu điểm tổ chức tế vi mịn, tính tốt so với công nghệ truyền thống đúc, rèn, cán, Tuy nhiên, tính loại vật liệu phụ thuộc vào công nghệ cụ thể, báo dựa phương pháp thực nghiệm, nghiên cứu tính hợp kim chịu nhiệt DZ125L chế tạo công nghệ LDMF Điều có ý nghĩa thực tiễn lớn việc ứng dụng công nghệ LDMF chế tạo chi tiết quan trọng từ hợp kim chịu nhiệt DZ125L THÍ NGHIỆM 2.1 Thiết bị vật liệu thí nghiệm Thiết bị thí nghiệm thể hình 1, bao gồm: nguồn phát chùm tia laser Nd: YAG, số hiệu JK1002SM, công suất 1kW; tiêu cự 160 mm, đường kính hội tụ chùm laser 0,5 mm; máy cấp bột kim loại số hiệu DSPF-2; đầu phun cấp bột đồng trục với đầu phát tia laser; hệ thống điều khiển CNC ba trục; hệ thống cấp khí trơ Argon số thiết bị trợ giúp khác Hình Hệ thống tạo hình LDMF; (a) sơ đồ nguyên lí; (b) thiết bị thí nghiệm Vật liệu thí nghiệm: sử dụng loại hợp kim chịu nhiệt DZ125L dạng tấm; vật liệu tạo hình sử dụng hợp kim chịu nhiệt DZ125L dạng bột, thành phần vật liệu hợp kim chịu nhiệt DZ125L bảng thể [10] Bảng Thành phần vật liệu hợp kim chịu nhiệt DZ125L (%) Thành phần C Cr Co Mo W Al Ti Ta B Ni Tấm 0,07 9,09 10,00 2,09 7,17 4,48 3,05 3,64 0,011 Cân Bột 0,09 9,70 9,64 2,18 7,14 4,90 3,12 3,78 0,015 Cân 2.2 Kết thí nghiệm phân tích 2.2.1 Đo giới hạn bền vật liệu DZ125L Chế tạo mẫu thí nghiệm: Mẫu đo giới hạn bền chế tạo theo công nghệ LDMF, hình dáng kích thước theo tiêu chuẩn mẫu thí nghiệm ASTME8M-04 Mỹ thể hình [11] Để đo lường phân tích toàn diện tính vật liệu, thí nghiệm chế tạo hai mẫu theo hai cách khác hình thể hiện, mẫu số phương kéo vuông góc với phương quét chùm laser, mẫu số phương kéo song song với phương quét chùm tia laser Tham số công nghệ chế tạo mẫu thể bảng Sau tạo hình xong, tiến hành hậu xử lí nhiệt mẫu nhằm mục đích khử ứng suất nhiệt nâng cao tính vật liệu, hình ảnh mẫu sau xử lí nhiệt hình thể Sau theo hình dáng, kích thước hình sử dụng phương pháp cắt dây tia lửa điện (WEDM) để cắt thành mẫu thí nghiệm hình thể Mỗi nhóm thí nghiệm mẫu, lấy giá trị trung bình 462 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Công suất laser (W) 180-230 Bảng Tham số công nghệ LDMF tạo hình mẫu đo Tốc độ Tốc độ Bán kính Lượng Khoảng quét cấp bột chùm tia tăng cách laser hai đường (mm/s) (g/phút) trục Z (mm) (mm) (mm) 10 6,5 0,5 0,07 0,34 Số lớp tạo hình (lớp) Mẫu 1: 1200 Mẫu 2: 400 Hình Mẫu đo ứng suất bền theo tiêu chuẩn ASTME8M-04 Mỹ Hình Mẫu trước xử lí nhiệt; (a) mẫu số 1; (b) mẫu số Hình Mẫu sau xử lí nhiệt; (a) mẫu số 1; (b) mẫu số Hình Mẫu thử kéo sau cắt dây tia lửa điện 463 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Trong điều kiện phòng thí nghiệm, sử dụng máy đo ứng suất kéo INSTRON119 tiến hành đo tiêu tính mẫu, tiêu chủ yếu bao gồm: giới hạn bền cho phép, giới hạn chảy cho phép, độ giãn dài Kết đo tương ứng bảng thể Bảng Các giá trị tính vật liệu hợp kim chịu nhiệt DZ125 Giới hạn bền cho phép Giới hạn chảy cho phép Độ giãn dài Mẫu đo σ b (MPa) σ 0.2 (MPa) δ (%) Mẫu số (No1) 827,47 788,39 4,16 Mẫu số (No2) 550,54 346,42 3,13 Từ kết đo cho thấy, giới hạn bền cho phép trung bình mẫu số 827,47 MPa, giới hạn chảy cho phép 788,39 MPa; giới hạn bền cho phép trung bình mẫu số 550,54 MPa, giới hạn chảy cho phéplà 346,42 MPa Kết đo cho thấy giới hạn bền cho phép giới hạn chảy cho phép mẫu số 1(phương thẳng đứng) lớn nhiều so với giới hạn bền cho phép giới hạn chảy cho phép mẫu số (phương ngang) Điều lí giải thông qua đặc tính tổ chức vật liệu chi tiết chế tạo công nghệ LDMF, theo tổ chức vật liệu chi tiết tổ chức epitaxi dạng tổ chức hình trụ phát triển thẳng đứng theo chiều cao tạo hình thể hiện, giới hạn bền cho phép theo phương vuông góc với phương quét chùm tia laser lớn so với giới hạn bền cho phép theo phương song song với phương quét chùm tia laser Sử dụng máy quét điện tử SEM HITACHI S-3000 quan sát miệng vết gẫy mẫu đo hình thể Từ hình ảnh thấy, miệng vết gẫy mẫu giống nhau, bề mặt không phẳng, tồn đỉnh nhọn, hốc sâu; điều chứng tỏ trường hợp phá hủy dẻo, có độ dẻo thấp Hình thể hình ảnh tổ chức tế vi vật liệu hợp kim chịu nhiệt tạo hình tia laser, hình 6(a) thể tổ chức tế vi vật liệu theo mặt cắt ngang song song với phương quét chùm tia laser (vuông góc với phương thẳng đứng), hình 6(b) thể hình ảnh tổ chức tế vi vật liệu theo phương mặt cắt bên vuông góc với phương quét chùm tia laser Trên hình thấy đặc điểm quan trọng tổ chức vật liệu hợp kim chịu nhiệt DZ125L tạo hình công nghệ LDMF tổ chức epitaxi dạng tinh thể hình trụ nhỏ, dài, phát triển thẳng đứng (vuông góc với phương quét chùm tia laser) Đó trình kết tinh với tốc độ nhanh, thang độ nhiệt độ lớn, mà tổ chức tinh thể nhỏ, đồng đều, mặt khác trình kết tinh diễn bề mặt biên giới thể rắn thể lỏng, điều đảm bảo toàn trình kết tinh pha lỏng pha rắn luôn tiếp xúc với nhau, tổ chức vật liệu thuộc loại tổ chức epitaxi dạng tinh thể hình trụ điển hình Trên hình 6(b) thấy liên kết lớp tạo hình liên tục, điều không nâng cao tính vật liệu mà đảm bảo cho tổ chức tế vi phát triển liên tục lớp Hình Tổ chức Epitaxi vật liệu tạo hình LDMF; (a) mặt cắt ngang; (b) mặt cắt đứng Hình Hình ảnh miệng vết gẫy 2.2.2 Đo độ nhám bề mặt Sử dụng hai phương pháp đo tiếp xúc không tiếp xúc để đo độ nhám bề mặt mẫu: sử dụng phương pháp đo không tiếp xúc máy đo laser ba chiều LEXT OLS4000 để đánh giá độ nhám theo diện tích bề mặt S a ; sử dụng phương pháp đo tiếp xúc máy đo độ nhám 464 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Mitutoyo để đo nhám bề mặt theo đường Đo vị trí tùy ý bề mặt mẫu, kết đo hình ảnh mẫu thển hình bảng Hình Hình ảnh đo độ nhám bề mặt; (a) máy đo độ nhám laser; (b) hình ảnh bề mặt chi tiết đo laser; (c) giá trị Sa Ra Bảng Giá trị đo nhám bề mặt theo hai phương pháp Ra (µm) Sa Vị trí đo (µm) Lần Lần Lần Lần Lần Giá trị TB 35,055 35,858 31,549 35,407 29,842 33,542 34,360 28,131 24,533 24,794 23,607 22,459 24,704 26,511 25,631 25,553 22,931 26,049 22,517 24,536 27,461 26,335 27,353 24,083 25,929 23,176 25,375 26,479 23,154 22,065 22,361 22,925 24,163 22,933 23,863 24,647 23,211 23,804 21,360 25,656 23,735 24,709 Giá trị TB 25,804 27,230 2.2.3 Xác định mật độ vật liệu DZ125L chế tạo công nghệ LDMF Dựa vào tiêu chuẩn ISO3369-1975 [12] nguyên lý Archimedes để đo mật độ vật liệu chi tiết chế tạo công nghệ LDMF hình thể Đầu tiên đo trọng lượng chi tiết không khí, sau đo trọng lượng chi tiết nước để xác định mật độ vật liệu theo công thức [13]: � 𝜌𝜌 = 𝑚𝑚1 ×𝜌𝜌𝑛𝑛ướ𝑐𝑐 ∆𝑚𝑚 Trong đó: = (𝑚𝑚1 × 𝜌𝜌𝑛𝑛ướ𝑐𝑐 )/(𝑚𝑚3 − 𝑚𝑚2 ) 𝜌𝜌 𝜌𝜌𝑟𝑟 = (𝜌𝜌 ) × 100% ρ: mật độ vật liệu chi tiết chế tạo công nghệ LDMF (g/cm3); ρ nước : mật độ nước cất nhiệt độ thường, t = 25οC ρ nước = 0,9960g/cm ; ∆m: khối lượng mẫu làm (g); m : khối lượng mẫu không khí (g); m : khối lượng dây cân nước (g); m : tổng khối lượng mẫu dây cân nước (g); ρ r : mật độ tương đối mẫu (g); ρ : mật độ theo lí thuyết hợp kim DZ125L 8,35 (g/cm3) 465 (1) Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình Hình ảnh mẫu thí nghiệm xác định mật độ vật liệu Các bước đo cụ thể nhưu sau: - Đo trọng lượng mẫu không khí lần, lấy giá trị trung bình m ; - Đo trọng lượng dây treo nước lần, lấy giá trị trung bình m ; - Mang mẫu buộc vào dây cân lần nước, lấy giá trị trung bình m ; - Lấy giá trị trung bình m1, m2, m3 đưa vào công thức (1) tính giá trị tương ứng Kết đo hiển thị bảng 5, mật độ vật liệu hợp kim DZ125L chế tạo công nghệ LDMF từ khoảng 98,24% đến 98,93%, giá trị lớn nhiều so với mật độ chi tiết chế tạo phương pháp đúc Bảng Mật độ độ chặt vật liệu hợp kim chịu nhiệt DZ125L chế tạo công nghệ LDMF đo nhiệt độ 25οC Mật độ Độ chặt Trung Mẫu Giá trị Lần Lần Lần -3 bình (g·cm ) (%) No No m1 /(g) 21,284 21,284 21,285 21,284 m2 /(g) 92,241 92,157 92,065 92,154 m3 /(g) 94,807 94,721 94,634 94,721 m1 /(g) 42,663 42,663 42,663 42,663 m2 /(g) 91,943 91,790 91,706 91,813 m3 /(g) 97,135 96,961 96,885 96,993 8,261 98,93% 8,203 98,24% KẾT LUẬN Thông qua thực nghiệm nghiên cứu đặc trưng tổ chức tế vi, tính chất lượng bề mặt vật liệu hợp kim chịu nhiệt DZ125L chế tạo phương pháp tạo hình tia laser, xác định tổ chức tế vi tổ chức epitaxial dạng tính thể hình trụ điển hình; giới hạn bền cho phép theo phương vuông góc với phương quét chùm laser 827,47 MPa giới hạn bền cho phép theo phương quét chùm laser 550,54 MPa Độ nhám bề mặt chi tiết trung bình đạt 27µm, mậtđộ đạt từ 98,24% đến 98,93% TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lei,W., Shuai W., Effects of precipitated phases on the crack propagation behaviour of a Ni-based superalloy.International Journal of Fatigue, 2014, Vol 62(5), p 210-216 466 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV [2] Li,W,J., Investigation on selection crystal behavior of a N3Al-based single crystal superalloy IC6SX.Procedia Engineering, 2012, Vol.27, p 1135 ÷ 1140 [3] Francesco, B., Giovanni, B., Diffusion mechanisms and microstructure development in pack aluminizing of Ni-based alloys.Surface and Coatings Technology, 2014, Vol.239, p 147 ÷ 159 [4] J,Cao., Y,F,Wang., Effects of post-weld heat treatment on microstructure and mechanical properties of TLP bonded Inconel718 superalloy.Materials Science and Engineering: A, 2014, Vol 590, p ÷ [5] M, Pouranvari., A, Ekrami., Microstructure development during transient liquid phase bonding of GTD-111 nickel-based superalloy.Journal of Alloys and Compounds, 2008, Vol.641, p 641 ÷ 647 [6] M, Pouranvari., Microstructure–properties relationship of TLP-bonded GTD-111 nickelbase superalloy.Materials Science and Engineering: A, 2008, Vol.490, p 229 ÷ 234 [7] Z,L,Lu., D,C,Li., Investigation into the direct laser forming process of steam turbine blade.Optics and Lasers in Engineering, 2011, Vol.49, p.1101÷1110 [8] Hebin., dichenLi., Influence of scanning pattern on the edge collapse of solid parts in laser metal direct forming.Optics & Laser Technology, 2013, Vol.48, p 171÷177 [9] A,J,Pinkerton., Laser direct metal deposition: theory and applications in manufacturing and maintenance.Advances in Laser Materials Processing, 2010, Vol.34, p 461÷491 [10] Feixue, Y., Influence of Ti content on microstructure, mechanical properties and castability of directionally solidified superalloy DZ125L.Materials & Design, 2014, vol.61, p 41 ÷ 49 [11] 王滨.,ASTM 金属材料拉伸试样介绍.理化检验, 2004, Vol.27, p 477÷480 [12] L,D,C., 致 密 烧 结 金 属 材 料 与 硬 质 合 金 密 度 测 定 方 法 GB/T3850-1983,1983, p.186÷188 [13] Wang,Z,X.,中国航空材料手册编辑委员会, 中国航空材料手册, 变形高温合金铸造 高温合金, 北京:中国标准出版社, 2001, Vol.2, p 784÷791 THÔNG TIN TÁC GIẢ Đoàn Tất Khoa Cơ quan: Học viện Kỹ thuật quân sự; 236,Hoàng Quốc Việt,Nam Từ Liêm,Hà Nội Email: doankhoactm@gmail.com; TEL: 0963.389.325 Hồ Việt Hải Cơ quan: Học viện Kỹ thuật quân sự; 236,Hoàng Quốc Việt,Nam Từ Liêm, Hà Nội Email: hoviethai@andt.com; TEL: 0936.680.755 Đỗ Xuân Tươi Cơ quan: Học viện Kỹ thuật quân sự; 236,Hoàng Quốc Việt,Nam Từ Liêm, Hà Nội Email: dxtuoi76@gmail.com Nguyễn Tài Hoài Thanh Cơ quan: Học viện Kỹ thuật quân sự; 236,Hoàng Quốc Việt,Nam Từ Liêm, Hà Nội Email: thanhnguyenctm@gmail.com 467