Bài báo này đã đánh giá tổ chức và cơ tính của mẫu IN718 chế tạo bằng phương pháp in 3D DMLS sau khi xử lý nhiệt theo tiêu chuẩn ASM 5662.

The investigation of heat treated Inconel 718 fabricated by direct metal laser sintering process

 NGUYỄN PHI MINH, CHU DUY LÀNH, NGUYỄN MINH TRÍ, ĐINH XUÂN BẰNG VÀ ĐỖ VĂN QUẢNG*
Trung tâm Động cơ phản lực hàng không, Viện Hàng không Vũ trụ Viettel, khu Công nghệ cao Hòa Lạc, Thạch Thất, Hà Nội

*Email: propulsionblock.vtx@viettel.com.vn

Ngày nhận bài: 12/7/2018, Ngày duyệt đăng: 24/9/2018

TÓM TẮT

Trong nghiên cứu này, tổ chức và cơ tính của vật liệu Inconel 718 được chế tạo bằng phương pháp in 3D kim loại đã được nghiên cứu và đánh giá. Vật liệu đầu vào cho máy in là bột Inconel 718, các vật mẫu sau khi được chế tạo bằng công nghệ in 3D DMLS được nhiệt luyện theo tiêu chuẩn ASM 5662. Sau đó, tổ chức các mẫu thử được đánh giá bằng phương pháp hiển vi quang học (OM), thành phần vật liệu và thành phần pha cũng được xác định, độ cứng, độ bền, độ giãn dài, mô đun đàn hồi… được kiểm tra. Đặc biệt độ nhám bề mặt của sản phẩm in cũng được đánh giá.

Từ khóa: Inconel 718; DMLS, in 3D, cơ tính

 ABSTRACT

In this study, the microstructure and mechanical properties of Inconel 718 which was fabricated by direct metal laser sintering process were investigated. Starting materials was Inconel 718 powder, the parts which were fabri- cated by DMLS process were heat-treated following ASM 5662 standard. After that, the microstructure and mechanical properties such as hardness, strength, elongation, elastic module… of Inconel part were characterized by OM, XRD, hardness and mechanical testing. Especially, surface roughness of part was checked.

Key words: Inconel 718, DMLS, 3D printing, mechanical properties

 1. GIỚI THIỆU

Siêu hợp kim trên cơ sở Ni đã được nghiên cứu và phát triển rất mạnh trong những năm gần đây do có cơ tính tốt được duy trì ở nhiệt độ cao [1, 2]. Inconel 718 (IN718) là hợp kim austenit (γ) trên cơ sở Ni (Ni-Cr-Fe) có độ bền cao, khả năng chịu ôxi hóa và ăn mòn ở nhiệt độ cao tốt, lên tới 700 oC. Với những tính chất trên, IN718 được sử dụng phổ biến để chế tạo tuốc bin khí, động cơ phản lực và các ứng dụng trong lò phản ứng hạt nhân [1 – 6]. Các chi tiết bằng hợp kim IN718 có thể được chế tạo bằng phương pháp đúc, rèn hoặc luyện kim bột. Tùy thuộc vào phương pháp chế tạo mà chi tiết có được cơ lý tính khác nhau [7 – 9]. Tuy nhiên, thật khó để chế tạo các chi tiết bằng hợp kim IN718 ở nhiệt độ phòng sử dụng các phương pháp gia công thông thường do vật liệu có độ bền cắt cao và tỷ lệ loại bỏ vật liệu thấp [10 – 13]. Với sự phát triển nhanh chóng của công nghiệp hàng không và hạt nhân, rất nhiều chi tiết bằng hợp kim IN718 phải đáp ứng được những yêu cầu khắt khe như: chi tiết có hình dạng phức tạp, đặc biệt với độ chính xác kích thước và cơ tính cao [14, 15]. Do đó, thật là cần thiết phát triển các công nghệ chế tạo mới cho các chi tiết bằng hợp kim IN718 có hình dạng phức tạp và hiệu năng cao.

Thiêu kết trực tiếp kim loại bằng laze (Direct metal laser sintering – DMLS) là một công nghệ chế tạo mà có thể chế tạo các chi tiết bằng kim loại trực tiếp từ dữ liệu CAD với tỷ trọng rất cao (gần 100 %) [16 – 18]. Ở phương pháp này, chùm laze được sử dụng để làm nóng chảy bột kim loại và thiêu kết trực tiếp chi tiết cần chế tạo. Công nghệ DMLS phụ thuộc vào nhiều tham số công nghệ như: công suất laze, khoảng cách giữa các đường in, chiều dày lớp in, tốc độ in… Trong các tham số trên, tốc độ in được coi là quan trọng nhất bởi vì nó ảnh hưởng trực tiếp tới mật độ năng lượng laze và thời gian in. Tỷ trọng của sản phẩm in là một yếu tố quan trọng xác định chất lượng chi tiết, bao gồm tổ chức tế vi, độ chính xác kích thước cũng như cơ lý tính của sản phẩm [16, 19, 20].

Bài báo này đã đánh giá tổ chức và cơ tính của mẫu IN718 chế tạo bằng phương pháp in 3D DMLS sau khi xử lý nhiệt theo tiêu chuẩn ASM 5662.

 2. THỰC NGHIỆM

Các mẫu nghiên cứu được chế tạo bằng công nghệ DMLS, sử dụng máy EOS M290. Sản phẩm sau in bao gồm chi tiết cánh turbin (hình 1) và các mẫu thử cơ tính. Mẫu dùng để xem tổ chức tế vi được cắt trực tiếp từ cánh turbin và được nhiệt luyện cùng với mẫu thử cơ tính theo chế độ ASM 5662, cụ thể gồm 2 bước: bước 1 nung tới 980 oC, giữ nhiệt 1 giờ sau đó nguội ngoài không khí; bước 2 nung tới 720 oC, giữ nhiệt 8 giờ và nguội ngoài không khí.

Hình 1. Ảnh sản phẩm cánh turbin chế tạo bằng phương pháp DMLS

Hình 1. Ảnh sản phẩm cánh turbin chế tạo bằng phương pháp DMLS

 Bảng 1. Thành phần hợp kim IN718 chế tạo bằng phương pháp DMLS (% khối lượng)

C Cr Fe Mn Ni Mo Ti Al Nb
0,025 17,45 Còn lại 0,61 63,24 2,34 1,51 0,34 2,1

Các mẫu sau nhiệt luyện được đo độ bền, độ giãn dài, mô đun đàn hồi. Tổ chức tế vi và thành phần pha được đánh giá bằng phương pháp hiển vi quang học và nhiễu xạ Rơnghen. Thành phần nguyên tố của mẫu sau in được phân tích bằng phương pháp quang phổ phát xạ (bảng 1). Độ nhám được xác định ở cánh của chi tiết cánh turbin bằng máy đo độ nhám cầm tay Mitutoyo.

Xem tổ chức tế vi trên 2 mặt cắt theo chiều dọc và chiều ngang hướng in được trình bày ở hình 2.

 Hình 2. Mẫu in 3D mặt cắt ngang (1) và mặt cắt dọc theo chiều in (2)

Hình 2. Mẫu in 3D mặt cắt ngang (1) và mặt cắt dọc theo chiều in (2)

 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Ảnh tổ chức tế vi của mẫu in 3D – DMLS theo chiều ngang và chiều dọc của hướng in được trình bày ở hình 3 và hình 4.

 Hình 3. Ảnh hiển vi quang học của mẫu in 3D theo chiều ngang in: độ phóng đại x200 (a) và độ phóng đại x 500 (b).

Hình 3. Ảnh hiển vi quang học của mẫu in 3D theo chiều ngang in: độ phóng đại x200 (a) và độ phóng đại x 500 (b).

Hình 4. Ảnh hiển vi quang học của mẫu in 3D theo chiều dọc in: độ phóng đại x100 (a) và độ phóng đại x 500 (b)

Hình 4. Ảnh hiển vi quang học của mẫu in 3D theo chiều dọc in: độ phóng đại x100 (a) và độ phóng đại x 500 (b)

Kết quả cho thấy, tổ chức tế vi của sản phẩm in theo chiều ngang và chiều dọc hướng in bằng công nghệ DMLS không có nhiều sự khác biệt. Tuy nhiên, theo chiều dọc hướng in có thể quan sát được khá nhiều lỗ xốp (mũi tên ở hình 4a). Chiều dài lỗ xốp khoảng 30 µm. So sánh với tổ chức đúc trong môi trường chân không (hình 5) thấy tổ chức tế vi của mẫu in 3D nhỏ mịn hơn so với tổ chức đúc.

Hình 5. Ảnh hiển vi quang học của mẫu đúc chân không sau nhiệt luyện: độ phóng đại x100 (a) và độ phóng đại x500 (b)

Hình 5. Ảnh hiển vi quang học của mẫu đúc chân không sau nhiệt luyện: độ phóng đại x100 (a) và độ phóng đại x500 (b)

Hình 6. Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu in 3D sau nhiệt luyện

Hình 6. Giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu in 3D sau nhiệt luyện

Hình 6 trình bày giản đồ nhiễu xạ Rơnghen của mẫu sau nhiệt luyện theo chế độ ASM 5662. Kết quả cho thấy, sau nhiệt luyện đã có sự hình thành các pha nền γ và γ’ (AlNi3; Ni3(Al, Ti)) và pha  thứ  hai  cácbit  (Nb,  Ti)C.  Nhìn  chung  tổ chức của IN718 bao gồm pha nền γ và các pha thứ 2. Sự hình thành và phân bố của các pha thứ 2 trên pha nền ảnh hưởng đến tổ chức tế vi và cơ tính của hợp kim IN718. Pha γ có tác dụng tăng bền và tăng cứng cho hợp kim. Pha cácbit (Nb, Ti)C thường có dạng khối và phân bố không đồng nhất ở cả trong hạt và biên giới hạt, chúng cũng tăng bền và cứng cho hợp kim IN718. Các pha này giúp cho vật liệu có tính bền nóng rất cao, có thể làm việc được trong môi trường nhiệt độ cao.

Cơ tính và độ nhám của mẫu in 3D – DMLS được trình bày ở bảng 2 cho thấy, mẫu in 3D đạt được cơ tính theo tiêu chuẩn nhiệt luyện ASM. Tuy nhiên, độ giãn dài của mẫu in 3D – DMLS thấp hơn khá nhiều so với tiêu chuẩn. Đặc biệt, độ nhám của cánh khá thấp, tương đương với độ nhám của sản phẩm đúc mẫu chảy.

 Bảng 2. Cơ tính và độ nhám của mẫu in 3D – DMLS bằng hợp kim IN718 sau nhiệt luyện.

 Độ cứng (HRC) Giới hạn chảy (MPa) Giới hạn bền kéo (MPa)  Độ giãn dài (%) Môđun đàn hồi (GPa)  Độ nhám (Ra)
Tiêu chuẩn ≥ 43 ≥ 1034 ≥ 1241 ≥ 12 150 – 190 -
Mẫu in 3D 45 1096 1460 5,9 160 ± 10 2,88 µm

4. KẾT LUẬN

 Kết quả nghiên cứu cho thấy, chi tiết chế tạo bằng phương pháp in 3D – DMLS có tổ chức tế vi nhỏ mịn hơn so với tổ chức đúc trong môi trường chân không. Sau nhiệt luyện theo chế độ ASM 5662,  tổ  chức  của  mẫu  in  bao  gồm  các  pha austenit, AlNi3, (Nb, Ti)C và Ni3(Al, Ti). Cơ tính của mẫu in nhìn chung đạt tiêu chuẩn, tuy nhiên độ giãn dài kém hơn. Đặc biệt độ nhám của cánh turbin tương đương với độ nhám của sản phẩm đúc bằng công nghệ đúc mẫu chảy, bằng 2,88 µm. Các giá trị độ cứng, giới hạn chảy, giới hạn bền kéo, độ giãn dài và môđun đàn hồi của mẫu in 3D

- DMLS lần lượt là: 45 HRC; 1096 MPa; 1460 MPa; 5,9 %; 160 ± 20 GPa.

TÀI LIỆU TRÍCH DẪN

  1. J. R. Davis, ASM Specialty Handbook: Heat-resistant Materials, ASM International, Materials Park, Ohio, 1997.
  2. J. R. Davis, ASM Specialty Handbook: Nickel, Cobalt, and Their Alloys, ASM International, Materials Park, Ohio, 2000.
  3. G. Çam, M. Koçak; Progress in joining of advanced materials, Int. Mater. Rev., 43, 1998, 1-44.
  4. G. Çam, M. Koçak; Progress in joining of advanced materials – Part 2: Joining of metal matrix composited and joining of other advanced materials, Sci. Technol. Weld. Join., 3, 1998, 159-175.
  5. K. H. Song, K. Nakata; Microstructural and mechanical properties of friction-stirwelded and post-heat-treated Inconel 718 alloy, J. Alloys Compd. 505, 2010, 144-150.
  6. Y. Tian, D. McAllister, H. Colijn, M. Mills, D. Farson, M. Nordin, S. Babu; Rationalization of microstructure het- erogeneity in Inconel 718 builds made by the direct laser additive manufacturing process, Metall. Mater. Trans. A, 45, 2014, 4470-4483.
  7. D. G. Backman, J. C. Williams; Advanced materials for aircraft engine applications, Science, 255, 1992, 1082-1087.
  8. C. M. Kuo, Y. T. Yang, H. Y. Bor, C. N. Wei, C. C. Tai; Aging effects on the microstructure and creep behavior of Inconel 718 superalloy, Mater. Sci. Eng. A, 510, 2009, 289-294.
  9. L. Zheng, G. Schmitz, Y. Meng, R. Chellali, R. Schlesiger; Mechanism of intermediate temperature embrittlement of Ni and Ni-based superalloys, Crit. Rev. Solid State Mater. Sci., 37, 2012, 181-214.
  10. N. Natural, Y. Yamaha; High speed machining of Inconel 718 with ceramic tools, CIRP Ann. Manuf. Technol., 42, 1993, 103-106.
  11. M. Alauddin, M. A. El-Baradie, M. S. J. Hashmi; End milling machinability of Inconel 718, J. Eng. Manuf., 210, 1996, 11-23.
  12. J. P. Costes, Y. Guillet, G. Poulachon, M. Dessoly; Tool-life and wear mechanisms of CBN tools in machining of Inconel 718, Int. J. Mach. Tools Manuf., 47, 2007, 1081-1087.
  13. H. Attia, S. Tavakoli, R. Vargas, V. Thomson; CIRP Ann. Manuf. Technol., 59, 2010, 83-88.
  14. L. Zheng, M. C. Zhang, J. X. Dong; Hot corrosion behavior of powder metallurgy Rene95 nickel-based super- alloy in molten NaCl-Na2SO4 salts, Mater. Des., 32, 2011, 1081-1986.
  15. Z. M. Wang, K. Guan, M. Gao, X. Y. Li, X. F. Chen, X. Y. Zeng; The microstructure and mechanical properties of deposited-IN718 by selective laser melting, J. Alloys Compd., 513, 2012, 518-523.
  16. I. Gibson, D. W. Rosen, B. Stucker; Additive Manufacturing Technologies, Springer, New York, 2010.
  17. G. Levy, R. Schindel, J. P. Kruth; Rapid manufacturing and rapid tooling with layer manufacturing technologies: state of the art and future perspectives, CIRP Ann. Manuf. Technol., 52, 2003, 589-609.
  18. J. P. Kruth, G. N. Levy, F. Klocke, T. H. C. Childs; Consolidation phenomena in laser and powder-bed based layered manufacturing, CIRP Ann. Manuf. Technol., 56, 2007, 730-759.
  19. R. Morgan, C. J. Sutcliffe, W. O’Neill; Experimental investigation of nanosecond pulsed Nd:YAG laser re-melt- ed pre-placed powder beds, Rapid Prototyp. J., 7, 2001, 159-172.
  20. I. Yadroitsev, P. Bertrand, I. Smurov; Parametric analysis of the selective laser melting process, Appl. Surf. Sci., 253, 2007, 8064-8069

Bình luận

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>