1. Mở đầu.
Ngành công nghiệp hàng không thế giới ngày càng phát triển đòi hỏi theo nó là mức tiêu thụ vật liệu ngày càng cao. Năm 2010 tổng tiêu thụ vật liệu trong ngành công nghiệp hàng không đã đạt mức 437000 tấn.
Hình 1. Tiêu thụ các loại vật liệu khác nhau trong ngành công nghiệp hàng không năm 2010.
Biểu đồ trên hình 1 cho ta thấy được tiêu thụ các loại vật liệu khác nhau trong ngành năm 2010. Với khối lượng riêng nhỏ, hợp kim nhôm vẫn là loại vật liệu chiếm ưu thế, không thể thay thế, chiếm tới 50%. Hợp kim trên cơ sở Titan với độ bền riêng cao ở nhiệt độ thường và ngay cả ở nhiệt độ cao, khả năng chống ăn mòn tốt, đươc coi là biểu tượng của vật liệu hàng không hiện đại (năm 2010 chiếm 10%), chúng chủ yếu được dùng để chế tạo thân và động cơ máy bay. Theo dự đoán tiêu thụ hợp kim trên cơ sở Titan vào năm 2015 sẽ vào khoảng 70000 tấn. Trong khuôn khổ bài viết này xin giới thiệu một số mác hợp kim trên cơ sở liên kim loại Ti-Al (intermetallics) được phát triển tại một số nước như Hoa Kỳ, Trung Quốc, Nhật, Pháp và đặc biệt là tại Nga.
Hình 2. Giản đồ pha Ti-Al (nguồn http://www.calphad.com).
Vấn đề nghiên cứu chế tạo các loại vật liệu nhẹ bền nhiệt có thể làm việc ở khoảng nhiệt độ trên 550-600[SUP]0[/SUP]C từ lâu đã trở lên cấp thiết, nguyên nhân do khoảng nhiệt độ đó đã vượt quá khả năng làm việc của các vật liệu truyền thống. Việc phát triển các hợp kim trên cơ sở liên kim loại Ti-Al nhằm đáp ứng nhu cầu đó. Phụ thuộc vào hàm lượng các nguyên tố hợp kim ( các nguyên tố ổn định pha α cũng như các nguyên tố ổn định pha β) liên kim loại được chia thành hợp kim
(α[SUB]2[/SUB]), hợp kim gamma (γ) (hình 2) và hợp kim “орто”.
Trên giản đồ pha Ti-Al (hình 2) có thể thấy
chính là pha Ti[SUB]3[/SUB]Al (khoảng 25%Al) và gamma là pha TiAl (khoảng 50%Al). Còn “орто” là pha
đã được hợp kim hóa bằng Nb với tỷ lệ lớn (khoảng gần 25%). Cấu tạo mạng tinh thể của các liên kim loại kể trên được trình bày trên hình 3 và một số tính chất cơ bản của chúng trong bảng 1.
Hình 3. Mạng tinh thể các liên kim loại Ti[SUB]3[/SUB]Al (α[SUB]2[/SUB]), Ti[SUB]2[/SUB]AlNb (орто) và TiAl (γ).
Bảng 1. Một số tính chất cơ bản của các liên kim loại Ti[SUB]3[/SUB]Al (α[SUB]2[/SUB]), Ti[SUB]2[/SUB]AlNb (орто) và TiAl (γ).
2. Nhóm hợp kim
.
Hợp kim đầu tiên thuộc nhóm này là hợp kim CT5, được Kornilov I.I. cùng các cộng sự nghiên cứu. Cấu trúc pha gồm > 95% pha α[SUB]2[/SUB] + < 5% pha β. Ưu điểm của hợp kim này là tỷ lệ các nguyên tố hợp kim nhỏ (giảm giá thành sản phẩm), độ bền riêng và độ bền nhiệt riêng cao. Nhưng do độ dẻo và độ dai va đập thấp ở nhiệt độ thường, tính công nghệ thấp đã gây khó khăn trong việc chế tạo các bán thành phẩm từ thỏi đúc. Cộng với tỷ lệ pha β thấp đã làm giảm khả năng chiu ăn mòn của vật liệu. Để tăng tỷ lệ pha β trong hợp kim người ta tiến hành hợp kim hóa bằng Nb với tỷ lệ trên 10%. Và để tăng độ bền cho pha β này hơp kim hóa bằng các nguyên tố Mo, V, Zr và Si. Những hợp kim thu được còn được gọi là hợp kim “super-
”. Những mác điển hình của nhóm hợp kim này là Ti-24-10-3-1 (Hoa kỳ), ВТИ-2 (Nga) và ТД-3 (Trung Quốc) (bảng 2).
Bảng 2. Tính chất của hợp kim biến dạng
.
Ti-24-10-3-1 được xây dựng trên hệ hợp kim Ti-24Al-10Nb-3V-1Mo (% nguyên tử). Từ những hợp kim này có thể thu được nhiều loại bán thành phẩm khác nhau, từ phôi dẹt cho đến tấm kim loại mỏng, từ đó dùng để chế tạo các cấu trúc nhiều tầng, nhiều lớp của thân máy bay (hình 4). Chế độ nhiệt luyện bao gồm tôi hợp kim ở vùng (α[SUB]2[/SUB]+β) sau đó hóa già ở (800-850)[SUP]0[/SUP]C. Cấu trúc thu được gồm 20-30 % pha α[SUB]2[/SUB] sơ cấp và 50-60 % pha α[SUB]2[/SUB] thứ cấp trên nền pha β.
Hình 4. Ứng dụng hợp kim
.
3. Nhóm hợp kim gamma.
Phụ thuộc vào hàm lượng nguyên tố Al hợp kim gamma được chia thành hợp kim một pha và hợp kim hai pha. Hợp kim gamma một pha chứa trên 51% Al có độ bền và độ dẻo không cao. Hợp kim gamma với hàm lượng Al nhỏ hơn 51% có cấu trúc hai pha. Pha thứ hai là Ti[SUB]3[/SUB]Al, hàm lượng của nó phụ thuộc vào hàm lượng Al chứa trong hợp kim (khoảng 5% khi hàm lượng Al trong hợp kim chiếm 50% và 25% khi hàm lượng Al bằng 47%). Vì vậy cấu trúc cũng như tính chất của hợp kim phụ thuộc rât mạnh vào hàm lượng Al chứa trong nó.
Thực nghiệm cho thấy, chỉ hợp kim đúc Ti-(47-49)Al (% nguyên tử), cấu trúc bao gồm 10-15% pha α[SUB]2[/SUB] , mới có được cơ tính tốt nhất (σ[SUB]B[/SUB]=480-520 MPa, δ=2,5-2,7%). Một số mác hợp kim gamma và tính chất của chúng được liệt kê trong bảng 3.
Bảng 3. Tính chất của hợp kim đúc gamma.
Ưu điểm của hợp kim gamma là khối lượng riêng nhỏ từ đó làm giảm khối lượng của chi tiết. Nhược điểm của hợp kim này là độ dẻo thấp, độ bền tại nhiệt độ thường cũng như tại nhiệt độ làm việc không cao. Từ hợp kim này có thể chế tạo các vật đúc như cánh tuốc bin, vỏ buồng nén khí của đông cơ tuốc bin khí (hình 5).
Hình 5. Ứng dụng hợp kim gamma.
4. Nhóm hợp kim “орто”.
Khi hợp kim hóa Ti[SUB]3[/SUB]Al bằng Nb với hàm lượng trên 10% trong hợp kim sẽ xuất hiện một pha mới – Ti[SUB]2[/SUB]AlNb. Thực nghiệm cho thấy Ti[SUB]2[/SUB]AlNb có nhiệt độ nóng chảy cao, hệ số dãn nở nhiệt thấp, độ bền, độ dẻo cao và tính công nghệ hơn hẳn pha Ti[SUB]3[/SUB]Al. Tại nhiệt độ 650-750 [SUP]0[/SUP]C modul đàn hồi giảm ít hơn so với pha Ti[SUB]3[/SUB]Al. Nhược điểm của hợp kim này là khối lượng riêng lớn, công nghệ luyên kim phức tạp do chứa nhiều các nguyên tố hợp kim khó nóng chảy. Một số mác hợp kim “орто” và tính chất của chúng được trình bày trong bảng 4.
Bảng 4. Tính chất của hợp kim biến dạng “орто”.
Hình 5. Ứng dụng hợp kim “орто”.
Tài liệu tham khảo:
1. Liên kim loại của Titan và ứng dụng. Viên sĩ, giáo sư Kablob E.N.
2. Ứng dụng của hợp kim bền nhiệt trên cơ sở liên kim loại Ti-Al. Zasepina V.A.
3. Vật liệu học. Arzamoxov B.N.
4. Vật liệu học. Arzamoxov B.N. (Bản dịch của nhóm tác giả Nguyễn Khắc Cường, Đỗ Minh Nghiệp…)
Bài được đăng lần đầu tiên trên http://www.meslab.org
Ngành công nghiệp hàng không thế giới ngày càng phát triển đòi hỏi theo nó là mức tiêu thụ vật liệu ngày càng cao. Năm 2010 tổng tiêu thụ vật liệu trong ngành công nghiệp hàng không đã đạt mức 437000 tấn.
Hình 1. Tiêu thụ các loại vật liệu khác nhau trong ngành công nghiệp hàng không năm 2010.
Biểu đồ trên hình 1 cho ta thấy được tiêu thụ các loại vật liệu khác nhau trong ngành năm 2010. Với khối lượng riêng nhỏ, hợp kim nhôm vẫn là loại vật liệu chiếm ưu thế, không thể thay thế, chiếm tới 50%. Hợp kim trên cơ sở Titan với độ bền riêng cao ở nhiệt độ thường và ngay cả ở nhiệt độ cao, khả năng chống ăn mòn tốt, đươc coi là biểu tượng của vật liệu hàng không hiện đại (năm 2010 chiếm 10%), chúng chủ yếu được dùng để chế tạo thân và động cơ máy bay. Theo dự đoán tiêu thụ hợp kim trên cơ sở Titan vào năm 2015 sẽ vào khoảng 70000 tấn. Trong khuôn khổ bài viết này xin giới thiệu một số mác hợp kim trên cơ sở liên kim loại Ti-Al (intermetallics) được phát triển tại một số nước như Hoa Kỳ, Trung Quốc, Nhật, Pháp và đặc biệt là tại Nga.
Hình 2. Giản đồ pha Ti-Al (nguồn http://www.calphad.com).
Vấn đề nghiên cứu chế tạo các loại vật liệu nhẹ bền nhiệt có thể làm việc ở khoảng nhiệt độ trên 550-600[SUP]0[/SUP]C từ lâu đã trở lên cấp thiết, nguyên nhân do khoảng nhiệt độ đó đã vượt quá khả năng làm việc của các vật liệu truyền thống. Việc phát triển các hợp kim trên cơ sở liên kim loại Ti-Al nhằm đáp ứng nhu cầu đó. Phụ thuộc vào hàm lượng các nguyên tố hợp kim ( các nguyên tố ổn định pha α cũng như các nguyên tố ổn định pha β) liên kim loại được chia thành hợp kim
Trên giản đồ pha Ti-Al (hình 2) có thể thấy
Hình 3. Mạng tinh thể các liên kim loại Ti[SUB]3[/SUB]Al (α[SUB]2[/SUB]), Ti[SUB]2[/SUB]AlNb (орто) và TiAl (γ).
| Liên kim loại | ρ, kg/m[SUP]3[/SUP] | E, GPa | Công nghệ |
| Ti[SUB]3[/SUB]Al | 4250 | 161 | Đúc, Gia công áp lực |
| TiAl | 3800 | 178 | Đúc |
| Ti[SUB]2[/SUB]AlNb | 5100 | 136 | Gia công áp lực |
Bảng 1. Một số tính chất cơ bản của các liên kim loại Ti[SUB]3[/SUB]Al (α[SUB]2[/SUB]), Ti[SUB]2[/SUB]AlNb (орто) và TiAl (γ).
2. Nhóm hợp kim
Hợp kim đầu tiên thuộc nhóm này là hợp kim CT5, được Kornilov I.I. cùng các cộng sự nghiên cứu. Cấu trúc pha gồm > 95% pha α[SUB]2[/SUB] + < 5% pha β. Ưu điểm của hợp kim này là tỷ lệ các nguyên tố hợp kim nhỏ (giảm giá thành sản phẩm), độ bền riêng và độ bền nhiệt riêng cao. Nhưng do độ dẻo và độ dai va đập thấp ở nhiệt độ thường, tính công nghệ thấp đã gây khó khăn trong việc chế tạo các bán thành phẩm từ thỏi đúc. Cộng với tỷ lệ pha β thấp đã làm giảm khả năng chiu ăn mòn của vật liệu. Để tăng tỷ lệ pha β trong hợp kim người ta tiến hành hợp kim hóa bằng Nb với tỷ lệ trên 10%. Và để tăng độ bền cho pha β này hơp kim hóa bằng các nguyên tố Mo, V, Zr và Si. Những hợp kim thu được còn được gọi là hợp kim “super-
| | | ||||||||
| Mác hợp kim | Nước sản xuất | ρ, kg/m[SUP]3[/SUP] | σ[SUB]B[/SUB], MPa | E, GPa | K[SUB]IC[/SUB] | δ,% | σ[SUB]B[/SUB], MPa | σ[SUB]100[/SUB], MPa | δ,% |
| ВТИ-2 | Nga | 4800 | 1050 | 120 | 35 | 5 | 830 | 390 | 12 |
| Hoa Kỳ | 4830 | 950 | 125 | 38 | 6 | 700 | 350 | 10 | |
| ТД-3 | TQ | 4800 | 1100 | 120 | 20 | 4,5 | 860 | 350 | 9 |
Bảng 2. Tính chất của hợp kim biến dạng
Ti-24-10-3-1 được xây dựng trên hệ hợp kim Ti-24Al-10Nb-3V-1Mo (% nguyên tử). Từ những hợp kim này có thể thu được nhiều loại bán thành phẩm khác nhau, từ phôi dẹt cho đến tấm kim loại mỏng, từ đó dùng để chế tạo các cấu trúc nhiều tầng, nhiều lớp của thân máy bay (hình 4). Chế độ nhiệt luyện bao gồm tôi hợp kim ở vùng (α[SUB]2[/SUB]+β) sau đó hóa già ở (800-850)[SUP]0[/SUP]C. Cấu trúc thu được gồm 20-30 % pha α[SUB]2[/SUB] sơ cấp và 50-60 % pha α[SUB]2[/SUB] thứ cấp trên nền pha β.
Hình 4. Ứng dụng hợp kim
3. Nhóm hợp kim gamma.
Phụ thuộc vào hàm lượng nguyên tố Al hợp kim gamma được chia thành hợp kim một pha và hợp kim hai pha. Hợp kim gamma một pha chứa trên 51% Al có độ bền và độ dẻo không cao. Hợp kim gamma với hàm lượng Al nhỏ hơn 51% có cấu trúc hai pha. Pha thứ hai là Ti[SUB]3[/SUB]Al, hàm lượng của nó phụ thuộc vào hàm lượng Al chứa trong hợp kim (khoảng 5% khi hàm lượng Al trong hợp kim chiếm 50% và 25% khi hàm lượng Al bằng 47%). Vì vậy cấu trúc cũng như tính chất của hợp kim phụ thuộc rât mạnh vào hàm lượng Al chứa trong nó.
Thực nghiệm cho thấy, chỉ hợp kim đúc Ti-(47-49)Al (% nguyên tử), cấu trúc bao gồm 10-15% pha α[SUB]2[/SUB] , mới có được cơ tính tốt nhất (σ[SUB]B[/SUB]=480-520 MPa, δ=2,5-2,7%). Một số mác hợp kim gamma và tính chất của chúng được liệt kê trong bảng 3.
| | | ||||||||
| Mác hợp kim | Nước sản xuất | ρ, kg/m[SUP]3[/SUP] | σ[SUB]B[/SUB], MPa | E, GPa | K[SUB]IC[/SUB] | δ,% | σ[SUB]B[/SUB], MPa | σ[SUB]100[/SUB], MPa | δ,% |
| ВТИ-3 | Nga | 3850 | 560 | 170 | 40 | 2,5 | 460 | 350 | 6 |
| 46-1-1 | Hoa Kỳ | 3950 | 520 | 168 | 35 | 2,5 | 480 | 380 | 7 |
Bảng 3. Tính chất của hợp kim đúc gamma.
Ưu điểm của hợp kim gamma là khối lượng riêng nhỏ từ đó làm giảm khối lượng của chi tiết. Nhược điểm của hợp kim này là độ dẻo thấp, độ bền tại nhiệt độ thường cũng như tại nhiệt độ làm việc không cao. Từ hợp kim này có thể chế tạo các vật đúc như cánh tuốc bin, vỏ buồng nén khí của đông cơ tuốc bin khí (hình 5).
Hình 5. Ứng dụng hợp kim gamma.
4. Nhóm hợp kim “орто”.
Khi hợp kim hóa Ti[SUB]3[/SUB]Al bằng Nb với hàm lượng trên 10% trong hợp kim sẽ xuất hiện một pha mới – Ti[SUB]2[/SUB]AlNb. Thực nghiệm cho thấy Ti[SUB]2[/SUB]AlNb có nhiệt độ nóng chảy cao, hệ số dãn nở nhiệt thấp, độ bền, độ dẻo cao và tính công nghệ hơn hẳn pha Ti[SUB]3[/SUB]Al. Tại nhiệt độ 650-750 [SUP]0[/SUP]C modul đàn hồi giảm ít hơn so với pha Ti[SUB]3[/SUB]Al. Nhược điểm của hợp kim này là khối lượng riêng lớn, công nghệ luyên kim phức tạp do chứa nhiều các nguyên tố hợp kim khó nóng chảy. Một số mác hợp kim “орто” và tính chất của chúng được trình bày trong bảng 4.
| | | ||||||||
| Mác hợp kim | Nước sản xuất | ρ, kg/m[SUP]3[/SUP] | σ[SUB]B[/SUB], MPa | E, GPa | K[SUB]IC[/SUB] | δ,% | σ[SUB]B[/SUB], MPa | σ[SUB]100[/SUB], MPa | δ,% |
| ВТИ-4 | Nga | 5100 | 950 | 125 | 40 | 8 | 800 | 280 | 17 |
| 22-23 | Hoa Kỳ | 5200 | 1150 | 129 | 35 | 5 | 880 | 340 | 14 |
| 22-20-3 | TQ | 5500 | 1110 | | | 14 | 996 | | 10 |
| 22-20-3 | Nhật | 5350 | 1130 | | | 15 | 1030 | | 10 |
| 22-25-2-0,5 | Pháp | 5600 | 1120 | 120 | 40 | 8 | 850 | 350 | 16 |
Bảng 4. Tính chất của hợp kim biến dạng “орто”.
Hình 5. Ứng dụng hợp kim “орто”.
Tài liệu tham khảo:
1. Liên kim loại của Titan và ứng dụng. Viên sĩ, giáo sư Kablob E.N.
2. Ứng dụng của hợp kim bền nhiệt trên cơ sở liên kim loại Ti-Al. Zasepina V.A.
3. Vật liệu học. Arzamoxov B.N.
4. Vật liệu học. Arzamoxov B.N. (Bản dịch của nhóm tác giả Nguyễn Khắc Cường, Đỗ Minh Nghiệp…)
Bài được đăng lần đầu tiên trên http://www.meslab.org