Chế tạo chi tiết sử dụng trong kỹ thuật hàng không bằng hợp kim Titan

Thông tin khoa học công nghệ 
N.T.Minh,..,“Chế tạo chi tiết sử dụng tronghợp kim Titan.” 172 
ChÕ t¹o chi tiÕt sö dông trong kü thuËt 
hµng kh«ng b»ng hîp kim titan 
NGUYỄN TÀI MINH *, NGUYỄN XUÂN PHƯƠNG **, LÊ MẠNH HÙNG** 
Tóm tắt: Hợp kim titan được sử dụng rộng rãi trong các ngành hàng không, 
tên lửa, vũ trụ nhờ các tính chất cơ lý của nó. Bài báo trình bày kết quả chế tạo chi 
tiết cốc đáy ứng dụng trong kỹ thuật hàng không từ hợp kim titan mác tương đương 
BT14 của Nga do nhóm đồng nghiệp tại Viện Công nghệ/Bộ Công thương kết hợp 
Viện Công nghệ/TCCNQP chế tạo. 
Từ khóa: Hợp kim titan, Dập nóng, Cơ tính, Thành phần hóa học 
 1. MỞ ĐẦU 
Hợp kim titan là vật liệu kết cấu hiện đại, thuộc loại vật liệu kết cấu vạn năng, nó tổ 
hợp được các tính chất cơ-lý của nhiều loại vật liệu khác. Hợp kim titan tổ hợp tính không 
giòn nguội của nhôm và thép austenit, độ ổn định chống ăn mòn tốt hơn hợp kim Cu-Ni và 
thép không gỉ, không từ tính, khối lượng riêng thấp, độ bền và độ bền nóng cao [1,5]. Đặc 
biệt so với các vật liệu kết cấu trên cơ sở nhôm, magie (vật liệu truyền thống chủ yếu trong 
ngành hàng không) thì hợp kim titan có độ bền riêng, độ cứng vững riêng cao nhất, nhờ 
vậy hợp kim titan dần dần trở thành vật liệu hàng không và tên lửa rất quan trọng, không 
thể thiếu, đồng thời nó cũng là vật liệu rất quý giá được ứng dụng rộng rãi trong các ngành 
kinh tế quốc dân khác. 
Trong bài báo, chúng tôi này trình bày một số kết quả nghiên cứu chế tạo chi tiết cốc 
đáy của tên lửa PKTT (hình 1) từ hợp kim titan do Viện Công nghệ/Bộ Công thương và 
Viện Công nghệ/TCCNQP phối hợp chế tạo có thành phần hóa học tương đương mác hợp 
kim BT14 của Nga (bảng 1). Việc này góp phần vào thành công nội địa hóa các chi tiết 
của TL PKTT. 
 Bảng 1. Thành phần hóa học của hợp kim. 
Mác hợp 
kim 
Thành phần nguyên tố, % khối lượng 
Ti Al Mo V Zr Fe Si 
Nga Còn lại 3,5  6,3 2,5  3,8 0,9  1,9 ≤ 0,3 ≤ 0,25 ≤ 0,15 
Việt Nam 
chế tạo 
Còn lại 5,87 2,70 1,38 0,13 0,046 0,042 
Yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm: 
Chi tiết cốc đáy động cơ hành trình tên lửa PKTT (hình 1) được tính toán thiết kế, chế 
tạo đảm bảo độ bền dưới tác dụng của áp suất và nhiệt độ cao khi động cơ hoạt động. Khối 
lượng chi tiết cốc đáy động cơ hành trình làm là 0,12 kg. Các chỉ tiêu cơ tính cơ bản như 
sau: 
 Giới hạn bền : 90 kG/mm2 
 Độ thắt tỷ đối : 28% 
 Độ dãn dài : 8% 
 Độ dai va dập ak: (3  5) kG.m/cm
2 
 Độ cứng Brinen: (255  341) HB 
Thử áp suất: chịu áp suất (205 5) kG/cm2 trong 30giây. 
Thông tin khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 35, 02 - 2015 173
Hình 1. Bản vẽ chi tiết cốc đáy của tên lửa PKTT. 
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 
2.1. Lựa chọn tiến trình công nghệ chế tạo: Tiến trình công nghệ chế tạo được giới thiệu 
theo sơ đồ sau: 
Hình 2. Sơ đồ tiến trình công nghệ chế tạo cốc đáy cho tên lửa PKTT. 
Hình 3. Mẫu hợp kim titan trước khi dập 
tạo phôi cốc đáy 
Phôi hợp kim 
sau đúc 
Gia công biến dạng tạo 
phôi (rèn+dập nóng) 
Kiểm tra kích 
thước 
Gia công cơ 
khí 
Kiểm tra cơ tính 
mẫu đối chứng 
Đóng gói, 
bảo quản 
Thông tin khoa học công nghệ 
N.T.Minh,..,“Chế tạo chi tiết sử dụng tronghợp kim Titan.” 174 
2.2. Lựa chọn nhiệt độ biến dạng: Thỏi hợp kim titan sau đúc được rèn bằng máy búa 
400 kG, kích thước Ø50x50, nhiệt độ rèn được lựa chọn dựa trên giản đồ dẻo của hợp kim 
BT14 [2,4]. Căn cứ theo giản đồ dẻo hình 4, hợp kim BT14 sau đúc được rèn ở nhiệt độ 
(1000 ± 10) oC, sau đó gia ủ khử ứng suất ở (780 10) oC, thời gian ủ 1h, tiến hành ủ trong 
lò có khí bảo vệ. Phôi rèn sau đó được gia công biến dạng dập nóng trong tạo phôi dạng 
cốc (hình 9) trong khoảng nhiệt độ từ (850  1000) oC, sau dập nóng được ủ ở (780 10) 
oC, thời gian 1 h. Các mẫu được lựa chọn dập nóng với các mức nhiệt độ 850 oC, 900 oC, 
950 oC và 1000 oC để nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ biến dạng đến cơ tính, độ cứng 
của phôi sản phẩm. 
Hình 4. Giản đồ dẻo của 
hợp kim BT14 [3]. 
B- giới hạn bền 
- độ dãn dài tương đối 
- mức độ biến dạng 
ak – độ dai va đập 
2.3. Lựa chọn mức độ biến dạng 
Phân tích giản đồ (hinh 5) cho thấy, các hợp kim titan ở trạng thái sau biến dạng (sau 
rèn) có lượng dự trữ độ dẻo đủ cao cho phép gia công các thỏi rèn bằng phương pháp rèn 
dập rất dễ dàng và với mức độ biến dạng lớn hơn so với trạng thái đúc. Từ giản đồ biến 
dạng của hợp kim, lựa chọn mức độ biến dạng cải thiện cơ tính phôi đúc là 35%. 
Hình 5. Khả năng biến dạng 
dẻo của hợp kim BT14 khi 
chồn trên máy ép và máy búa: 
_________chồn trên máy ép, 
------------- chồn trên máy búa. 
2.4. Phương pháp và thiết bị thử nghiệm 
a. Phương pháp thử độ bền theo ГOCT 1497-84, sử dụng thiết bị kéo nén TT-HW2-1000. 
Thử độ dai va đập theo ГOCT 9454-78, sử dụng trên thiết bị WPM. 
Quy cách mẫu thử: Mẫu thử độ bền và độ dai va đập được cắt từ phôi đối chứng sau 
khi dập với các nhiệt độ 850oC, 900oC và 950oC, qua ủ như đối với phôi sản phẩm để xác 
định các chỉ tiêu cơ tính, độ cứng. Qua đố đánh giá chất lượng phôi sản phẩm đảm bảo yêu 
Thông tin khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 35, 02 - 2015 175
cầu kỹ thuật trước khi đưa vào lắp ráp, thử nghiệm cùng với cụm sản phẩm động cơ hành 
trình. 
Hình 6. Mẫu thử kéo xác 
định giới hạn bền, độ dãn 
dài, độ thắt tỷ đối. 
Hình 7. Mẫu thử độ dai va đập. 
b. Phương pháp thử áp suất thủy lực (hình 8): Sản phẩm sau khi gia công cơ khí chế tạo 
hoàn chỉnh được kiểm tra khả năng chịu áp suất thủy lực (205 1,5) kG/cm2 trong 30s. Chi 
tiết cốc đáy được lắp vào ống công nghệ bằng ren, sau đó lắp vào hệ thống dẫn thủy lực 
qua van dẫn vào ống ông nghệ với áp suất (205 1,5) kG/cm2 được giữ trong thời gian 30s 
mà không bị rò rỉ dầu ra ngoài cũng như sản phẩm không bị phá hủy, biến dạng. 
 a. 
b. 
Hình 8. Sơ đồ thử thủy lực cốc đáy (a) và lắp ráp cốc đáy vào thiết bị thử (b). 
Thông tin khoa học công nghệ 
N.T.Minh,..,“Chế tạo chi tiết sử dụng tronghợp kim Titan.” 176 
c. Phương pháp đo độ cứng: Đo độ cứng Brinen (HB) trên thiết bị AT200-DR-TM. 
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 
* Ảnh hưởng của nhiệt độ biến dạng đến cơ tính của phôi sau dập nóng 
Hình 9. Mẫu hợp kim titan sau dập 
nóng tạo phôi. 
Các phôi được dập ở các nhiệt độ 850 oC, 900 oC, 950 oC và 1000 oC, tổng mức độ biến 
dạng sau hai bước dập là 35%. Mỗi một phôi có một mẫu đối chứng để kiểm tra cơ tính, 
độ cứng sau biến dạng. Kết quả khảo sát độ cứng, cơ tính các mẫu đối chứng được trình 
bày trong bảng 2. 
* Ảnh hưởng của nhiệt độ biến dạng đến độ cứng 
Kết quả kiểm tra cơ tính cho thấy, đối với nhiệt độ dập nóng dưới 850 oC, phôi bị biến 
cứng mạnh do nhiệt độ bị giảm xuống dưới vùng kết tinh lại trong quá trình dập. Do đó, 
độ cứng mẫu dập nóng ở nhiệt độ 850 oC chưa qua ủ có độ cứng lớn nhất. Nhiệt độ biến 
dạng càng tăng, khả năng bị biến cứng giảm đi, độ cứng của mẫu cũng giảm. Với vùng 
nhiệt độ dập nóng từ 900 oC đến 950 oC cho kết quả độ cứng phù hợp với yêu cầu của sản 
phẩm. 
Bảng 2. Kết quả khảo sát độ cứng, cơ tính mẫu đối chứng 
ở các nhiệt độ dập nóng khác nhau. 
Mẫu 
số 
Nhiệt độ biến 
dạng, oC 
Độ cứng sau 
biến dạng, 
HB 
Cơ tính sau biến dạng, ủ 
B, 
kG/mm2 
, % , % 
ak, 
kG.m/cm2 
1 850 355 98 7,8 25 5,5 
2 900 302 93 9,2 31 4,2 
3 950 280 90 9,5 35 3,4 
4 1000 230 82 11 38 2,8 
* Ảnh hưởng của nhiệt độ biến dạng đến cơ tính 
Mẫu sau dập nóng được ủ ở nhiệt độ (780 10) oC, thời gian 1 h. Với nhiệt độ biến dạng 
850 oC, sau ủ có độ bền cao nhất, do ở nhiệt độ này quá trình nung chưa ảnh hưởng nhiều 
đến độ lớn hạt ban đầu. Nhiệt độ dập càng cao, tổ chức phôi khi nung thay đổi theo hướng 
tăng dần độ lớn của hạt. Do vậy độ bền giảm dần theo việc tăng nhiệt độ dập nóng. Các 
chỉ số độ dãn dài và độ thắt tỷ đối tăng khi tăng nhiệt độ dập nóng, còn độ dai va đập 
giảm. 
Kết quả khảo sát tổ chức kim tương mẫu sau dập nóng, ủ (hình 10) cho thấy, độ lớn hạt 
tăng lên khi tăng nhiệt độ dập nóng, đặc biệt là ở nhiệt độ 1000 oC (810m). Ở nhiệt độ 
850 oC tổ chức tế vi còn thấy dấu vết của biến dạng. 
Đối với các mẫu biến dạng ở nhiệt độ 900 oC, 950 oC có tổ chức hạt nhỏ mịn, đều, kết 
quả đo độ cứng và cơ tính phù hợp với yêu cầu của sản phẩm. Vì vậy, đối với quy trình 
công nghệ dập nóng chi tiết cốc đáy, lựa chọn nhiệt độ dập nóng trong khoảng từ 
Thông tin khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 35, 02 - 2015 177
(900950) oC là phù hợp với giản đồ biến dạng của hợp kim cũng như thỏa mãn yêu cầu 
cơ tính, độ cứng của chi tiết cốc đáy. 
Nhiệt độ dập 850 oC Nhiệt độ dập 900 oC 
Nhiệt độ dập 950 oC Nhiệt độ dập 950 oC 
Hình 10. Ảnh tổ chức kim tương các mẫu hợp kim titan ở trạng thái ủ 
sau dập nóng ở các nhiệt độ khác nhau, 200. 
Sản phẩm sau chế tạo được kiểm tra kích thước đạt theo yêu cầu kỹ thuật của bản vẽ 
thiết kế. 
Hình 9. Sản phẩm cốc đáy sau gia công cơ khí hoàn chỉnh. 
Kết quả thử nghiệm chịu áp suất thủy lực cốc đáy: 
Cốc đáy sau chế tạo hoàn chỉnh được thử thủy lực với áp suất 205 1,5)kG/cm2 trong 
thời gian 30 giây. Kết quả thử cho thấy sản phẩm đạt yêu cầu, sau thử nghiệm không bị 
biến dạng. 
Các kết quả kiểm tra, thử nghiệm được ghi trong biên bản thử nghiệm, là cơ sở cho 
đánh giá chất lượng và nghiệm thu sản phẩm. 
Thông tin khoa học công nghệ 
N.T.Minh,..,“Chế tạo chi tiết sử dụng tronghợp kim Titan.” 178 
4. KẾT LUẬN 
Từ các kết quả nghiên cứu có thể rút ra các kết luận sau: 
1. Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết biến dạng phôi hợp kim titan và thực nghiệm đã xác 
lập được các thông số công nghệ dập nóng phôi cốc đáy từ hợp kim titan tương đương mác 
BT14 như sau: 
Mức độ biến dạng:  = 35, % 
Nhiệt độ dập nóng: (900950) oC 
Nhiệt độ ủ: (750 10) oC trong thời gian 1h trong lò có khí bảo vệ. 
2. Với chế độ công nghệ dập nóng đã lựa chọn, đã chế tạo chi tiết cốc đáy tên lửa 
PKTT. Kết quả cơ tính, độ cứng của mẫu đối chứng với phôi sản phẩm với chế độ công 
nghệ dập nóng như trên đạt được như sau: 
 Giới hạn bền: B = 93, kG/mm
2 
 Độ thắt tỷ đối:  = 31, % 
 Độ dãn dài:  = 9,2, % 
 Độ dai va dập: ak= 4,2, kG.m/cm
2 
 Độ cứng Brinen: 302, HB 
Kết quả này đảm bảo được theo yêu cầu của điều kiện kỹ thuật sản phẩm cốc đáy của 
tên lửa PKTT. 
3. Đã thử nghiệm kiểm tra độ bền bằng áp suất thủy lực đạt yêu cầu của sản phẩm. 
- Chịu áp suất thủy lực: (205 1,5) kG.m/cm2 trong thời gian 30 giây 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Nguyễn Khắc Xương. Vật liệu kim loại màu. NXB KHKT, Hà Nội, 1992. 
[2]. Б.К. Вульф Термическая обработка титановых сплавов. Вульф Б.К , М. 
Металлургия, 1969. 96 с. 
[3]. Г.Е. Мажарова, А.З. Комановский, Б.Б. Чечулин, С.Ф. Важенин. Обработка 
титановых сплавов давлентем, Металлургия, 1978. 382 с. 
[4]. Ковка и штамповка цветных металлов. Справочник. Колл. Авторов. М. 
Машиностроение», 1971. 
[5]. Б. А. Колачев, Ливанов В.А., Елагин В. И. Металловедение и термическая 
обработка цветных металлов. Изд. 2-е, испр. М. Металлургия, 1981. 416 с. 
ABSTRACT 
ADVANCED MANUFACTURING TECHIQUES USED 
IN AEROSPACE TITANIUM ALLOY 
Titanium alloys are widely used in the fields of aviation, missile, space thanks 
to its physical properties. This paper presents the results of some detailed 
manufacturing applications in aerospace engineering from titanium alloy by the 
Institute of Technology/Ministry of Industry and Trade combination Institute of 
Technology/TCCNQP made BT14 Russian equivalent grade. 
Keywords: Titanium alloys, Hot stamping, Mechanical properties, Chemical composition 
Nhận bài ngày 14 tháng 10 năm 2014 
Hoàn thiện ngày 10 tháng 12 năm 2014 
Chấp nhận đăng ngày 10 tháng 02 năm 2015 
Địa chỉ: * Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng; ** Viện Công nghệ/TCCNQP.