Hợp kim vonfram chắc chắn nằm trong danh sách "vật liệu ác mộng" của các kỹ sư. Mật độ và độ cứng cao của chúng đặt ra những thách thức xử lý đáng kể, khiến mỗi bước có cảm giác như một trận chiến khó khăn. Làm thế nào để có thể biến đổi loại nguyên liệu khó khăn này từ nguyên liệu thô thành thành phẩm với hiệu quả cao?
Đừng lo lắng, "vũ khí bí mật" vô giá này đã có ở đây! Bài viết này sẽ phân tích quy trình ngay từ khi bắt đầu chuẩn bị nguyên liệu thô, so sánh ưu điểm và nhược điểm của luyện kim bột và in 3D, trình bày chi tiết các kỹ thuật cốt lõi về cắt, mài và cắt dây, đồng thời giới thiệu một công nghệ-tiên tiến có thể giúp bạn đạt được kết quả gấp đôi chỉ với một nửa công sức-in ép đùn bột (PEP), cung cấp nền tảng vững chắc cho thiết kế và sản xuất của bạn.
PHẦN 01
Giới thiệu
Hợp kim vonfram, là vật liệu hợp kim với thành phần chính là vonfram (hàm lượng vonfram thường chiếm từ 85% đến 99%) và các nguyên tố bổ sung như niken, sắt, đồng, coban, molypden và crom, đóng vai trò không thể thiếu trong nhiều-lĩnh vực công nghệ cao như công nghiệp hạt nhân, công nghiệp quân sự và chăm sóc y tế do mật độ cực cao (16,5 đến 19,0 g/cm3), điểm nóng chảy cao và độ bền cơ học tuyệt vời[1]. Trong lĩnh vực y tế, hợp kim vonfram được sử dụng để sản xuất các bộ phận chính của thiết bị xạ trị. Do đặc tính mật độ cao, chúng có thể chặn và định hình các tia một cách chính xác và là vật liệu chính để chế tạo ống chuẩn trực và lá chắn bức xạ [2]. Những đặc tính ưu việt này cũng mang lại nhiều khó khăn cho quá trình gia công và sản xuất hợp kim vonfram. Bài viết này nhằm mục đích khám phá một cách có hệ thống và sâu sắc quy trình chuẩn bị phôi và các phương pháp xử lý thường được sử dụng của các bộ phận hợp kim vonfram, đồng thời cung cấp tài liệu tham khảo có giá trị cho quá trình sản xuất chính xác của chúng.
PHẦN.02
Quá trình chuẩn bị phôi hợp kim vonfram
2.1 Công nghệ luyện kim bột
Hợp kim vonfram khó sản xuất bằng cách sử dụng các quy trình nấu chảy và chuẩn bị hợp kim thông thường do mật độ cao, điểm nóng chảy cao và độ cứng cao. Luyện kim bột là phương pháp truyền thống và được sử dụng rộng rãi để chuẩn bị phôi hợp kim vonfram. Các quy trình chính của nó được thể hiện trong Hình 1, bao gồm chuẩn bị, trộn, tạo hình và thiêu kết bột vonfram [3]. Trong quy trình chuẩn bị bột vonfram, để đảm bảo độ tinh khiết của bột vonfram, người ta thường sử dụng các quy trình như khử hydro và khử amoniac tungstate. Đồng thời, hàm lượng oxy, kích thước hạt và hình dạng của bột vonfram có tác động đáng kể đến hiệu suất và chất lượng cuối cùng của hợp kim và phải được kiểm soát chặt chẽ. Hàm lượng oxy quá cao sẽ làm giảm hiệu suất của hợp kim, trong khi kích thước và hình dạng hạt sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình trộn và tạo hình tiếp theo. Ví dụ, bột vonfram có kích thước hạt đồng đều giúp trộn đều hơn với các loại bột kim loại khác trong quá trình trộn, đảm bảo tính đồng nhất của thành phần hợp kim. Trong quá trình trộn, cần đảm bảo kích thước của các hạt bột kim loại khác nhau đồng đều và tỷ lệ chính xác. Khuấy cơ học, nghiền bi và các phương pháp khác thường được sử dụng để trộn chính xác. Các phương pháp tạo hình bao gồm ép đẳng tĩnh lạnh, ép khuôn, tạo hình đùn bột và tạo hình phun bột, v.v. Những phương pháp này có thể tạo ra các bộ phận có hình dạng phức tạp.
Hình 1 Các quy trình chính của luyện kim bột cho phôi hợp kim vonfram
Quá trình thiêu kết là chìa khóa để đảm bảo hợp kim vonfram đạt được mật độ, độ bền và các đặc tính khác cần thiết. Quá trình thiêu kết hai{1}}bước [4] được sử dụng rộng rãi: giai đoạn-thiêu kết trước thường kiểm soát nhiệt độ ở 1000-1200 độ. Trong phạm vi nhiệt độ này, các kim loại có điểm nóng chảy-thấp-như đồng và sắt sẽ chuyển sang trạng thái lỏng và trải qua quá trình khuếch tán pha rắn{10}}với các hạt bột vonfram xung quanh, cố định vị trí của các hạt bột hợp kim vonfram và làm đầy chúng một cách đồng đều, nhờ đó đạt được hình dạng trống. Tiếp theo là giai đoạn thiêu kết ở nhiệt độ cao, trong đó các phản ứng pha rắn và pha lỏng xảy ra giữa các hạt bột, cuối cùng tạo thành cấu trúc hợp kim vonfram dày đặc. Việc kiểm soát nhiệt độ và thời gian thiêu kết đóng vai trò quyết định đến hiệu suất của sản phẩm. Nếu thời gian thiêu kết quá dài, kích thước tinh thể vonfram sẽ tăng lên, ảnh hưởng đến mật độ và hiệu suất tổng thể của hợp kim; nếu nhiệt độ quá cao sẽ khiến các kim loại có điểm nóng chảy thấp như đồng và sắt bị bay hơi, làm giảm mật độ và độ bền cơ học của hợp kim. Nhiệt độ thiêu kết thường được kiểm soát ở khoảng 1400 độ và quá trình{{20}thiêu kết trước và quá trình thiêu kết ở nhiệt độ{21}}cao thường được thực hiện trong môi trường chân không hoặc khí trơ để giảm quá trình oxy hóa và bay hơi của hợp kim có điểm nóng chảy-thấp. Một quy trình phổ biến là trước tiên{27}nung trước mẫu bột vonfram đã tạo thành ở nhiệt độ 1200 độ trong 1 giờ trong môi trường hydro để tạo cho nó độ bền và độ dẫn điện nhất định, sau đó thực hiện quá trình thiêu kết tự kháng bằng cách sử dụng nhiệt tạo ra bởi điện trở của chính phôi để thúc đẩy quá trình thiêu kết hơn nữa.
2.2 Quy trình sản xuất bồi đắp
Phương pháp luyện kim bột truyền thống chỉ có thể tạo ra những phôi có hình dạng tương đối đều đặn. Đối với các bộ phận hợp kim vonfram có cấu trúc phức tạp, đặc biệt là những bộ phận có khoang phức tạp, vẫn cần phải xử lý phức tạp sau khi tạo hình trống để cuối cùng đáp ứng các yêu cầu của bộ phận. Hiện nay, chưa có phương pháp xử lý và tạo hình hiệu quả nào đối với các khoang bên trong khép kín phức tạp, điều này hạn chế việc thiết kế các bộ phận bằng hợp kim vonfram. Công nghệ sản xuất bồi đắp cung cấp giải pháp mới cho việc thiết kế và sản xuất các bộ phận bằng hợp kim vonfram. Các công nghệ sản xuất bồi đắp kim loại thường được sử dụng bao gồm nấu chảy bằng laser chọn lọc (SLM), tạo hình lập thể bằng laser (LSF), sản xuất bồi đắp hồ quang điện (WAAM), nấu chảy bằng laser chọn lọc trên giường bột (L-PBF) và lắng đọng năng lượng định hướng bằng laser (L-DED) [5, 6]. Bảng 1 so sánh ưu điểm và nhược điểm của các quy trình sản xuất bồi đắp khác nhau để sản xuất các bộ phận bằng hợp kim vonfram. SLM có thể sản xuất các bộ phận có hình dạng phức tạp, nhưng nó có các vấn đề như bề mặt gồ ghề, ứng suất dư giữa các lớp lớn và kích thước bộ phận hạn chế, phù hợp để sản xuất các bộ phận nhỏ; LSF có thể thu được cấu trúc mịn, đồng nhất và dày đặc, cải thiện tính chất cơ học và khả năng chống ăn mòn của vật liệu, nhưng khi các thông số quy trình không khớp, các khuyết tật như phản ứng tổng hợp kém trong lớp lắng đọng rất dễ xảy ra; WAAM phù hợp để sản xuất các bộ phận cấu trúc hàng không vũ trụ tích hợp,{10}quy mô lớn, với tốc độ tạo hình cao và mật độ cao nhưng chất lượng bề mặt của các bộ phận được tạo hình lại kém. Một bộ phận hợp kim vonfram điển hình được chế tạo bằng công nghệ sản xuất bồi đắp được thể hiện trong Hình 2. So với phương pháp luyện kim bột truyền thống, công nghệ sản xuất bồi đắp có lợi thế rõ ràng trong việc chế tạo các bộ phận hợp kim vonfram phức tạp. Nó không chỉ có thể chuẩn bị các bộ phận có cấu trúc và khoang phức tạp để đáp ứng các yêu cầu thiết kế đặc biệt mà còn hiện thực hóa sự lắng đọng vật liệu theo từng lớp, cải thiện việc sử dụng vật liệu và giảm chi phí[7]. Bảng 1. So sánh ưu điểm và nhược điểm của các bộ phận hợp kim vonfram được sản xuất bằng các quy trình sản xuất phụ gia khác nhau
a) Lưới chống{0}}phân tán
b) Phần xốp
Hình 2. Các bộ phận hợp kim vonfram điển hình được sản xuất bằng công nghệ sản xuất bồi đắp
2.3 So sánh và lựa chọn quy trình
Luyện kim bột và sản xuất bồi đắp hiện là hai phương pháp chính để sản xuất phôi bộ phận hợp kim vonfram, mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng trong quá trình chuẩn bị phôi. Bảng 2 so sánh các quy trình chuẩn bị phôi hợp kim vonfram. Luyện kim bột tương đối trưởng thành hơn, tạo ra vật liệu có mật độ tốt hơn và mang lại lợi thế trong sản xuất hàng loạt ổn định. Sản xuất bồi đắp là một quy trình mới được phát triển trong những năm gần đây, với nhiều lộ trình quy trình phái sinh khác nhau và nó có lợi thế trong việc sản xuất các bộ phận kết cấu có khoang phức tạp.
Bảng 2. So sánh các quy trình chuẩn bị phôi hợp kim vonfram
Để đạt được hiệu suất toàn diện cao hơn, các bộ phận bằng hợp kim vonfram trong-các lĩnh vực tiên tiến như hàng không vũ trụ, quốc phòng, công nghiệp hạt nhân, thiết bị y tế và điện tử có xu hướng có các đặc điểm cấu trúc phức tạp hơn, bao gồm thành mỏng, bề mặt cong và cấu trúc xốp mà phương pháp luyện kim bột truyền thống không thể xử lý được. Việc sản xuất các bộ phận bằng hợp kim vonfram nguyên chất có mật độ-cao,{3}}không có khuyết tật trực tiếp bằng cách sử dụng phương pháp sản xuất bồi đắp vẫn phải đối mặt với một số thách thức kỹ thuật. In ép đùn bột (PEP), công nghệ in 3D gián tiếp bằng kim loại kết hợp in 3D và luyện kim bột, sử dụng bột hợp kim vonfram với chất kết dính. Bột được tạo hình bằng thiết bị in 3D, sau đó được xử lý sau- thông qua quá trình tách và thiêu kết luyện kim bột, cuối cùng mang lại-các bộ phận cấu trúc có mật độ cao,{11}hiệu suất cao. Công nghệ này cung cấp một giải pháp mới cho những khó khăn khi gia công hợp kim vonfram và tạo ra các cấu trúc phức tạp. Đặc tính cài đặt nhiệt độ-thấp và{15}}cao của nó giải quyết hiệu quả các vấn đề như biến dạng, nứt và khoảng trống dễ gặp trong các quy trình in 3D khác bằng hợp kim vonfram.
PHẦN 03
Gia công các bộ phận hợp kim vonfram
The high density of tungsten alloys results in enormous cutting forces on the cutting tool during machining, requiring the tool material to have high hardness and wear resistance. The tool design also needs to fully consider the distribution and balance of cutting forces. The high hardness of tungsten alloys (typically >40 HRC) dẫn đến tốc độ mài mòn dụng cụ tăng lên đáng kể trong quá trình gia công, ảnh hưởng đến độ chính xác gia công và tuổi thọ dụng cụ. Tuổi thọ dụng cụ và hiệu quả gia công là những yếu tố chính cần xem xét trong gia công. Hợp kim vonfram có độ dẫn nhiệt tương đối thấp và nhiệt sinh ra trong quá trình cắt khó tiêu tan nhanh chóng. Lưỡi cắt hoạt động ở nhiệt độ cao, dễ tạo ra ứng suất nhiệt, dẫn đến biến dạng dụng cụ và tăng độ mài mòn [8]. Chip hợp kim vonfram có dạng hạt nên việc loại bỏ chip khó khăn. Chúng có xu hướng tích tụ trong khu vực cắt, tạo thành các mép phoi, ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt của các bộ phận gia công và cũng có thể làm hỏng dụng cụ, máy công cụ. Bảng 3 so sánh các dụng cụ cắt và thông số quy trình cho các bộ phận bằng hợp kim vonfram. Trong thực hành kỹ thuật, dụng cụ PCBN là một trong những lựa chọn tốt nhất. Các bộ phận hợp kim vonfram điển hình được xử lý bằng cách cắt được thể hiện trong Hình 3. Bảng 3 So sánh các dụng cụ cắt và thông số quy trình cho các bộ phận hợp kim vonfram Hình 3 Các bộ phận hợp kim vonfram điển hình được xử lý bằng cách cắt PHẦN.04 Mài các bộ phận hợp kim vonfram Mài, như một phương pháp cắt vi mô, phù hợp để xử lý các vật liệu có độ cứng cao chẳng hạn như hợp kim vonfram. Quá trình mài của bánh mài được thể hiện trong Hình 4. Bánh mài chủ yếu bao gồm các hạt mài mòn, lỗ rỗng và chất kết dính theo một tỷ lệ cụ thể. Các hạt mài mòn của nó có đặc điểm góc tù, thường nằm trong khoảng từ 90 độ đến 120 độ. Trong quá trình nghiền hợp kim vonfram, vật liệu nghiền thu được là dạng hạt. Do độ nhớt và độ dẻo dai tương đối thấp nên phoi tương đối dễ loại bỏ và không dễ làm tắc nghẽn các lỗ rỗng của bánh mài [9]. Do đó, khi mài hợp kim vonfram, có thể sử dụng đá mài có lỗ rỗng lớn hơn để nâng cao hiệu quả mài và chất lượng gia công. Trong khu vực mài, nhiệt mài dễ tích tụ, có thể dẫn đến bỏng mài. Để giải quyết vấn đề này một cách hiệu quả, cần phải áp dụng các biện pháp làm mát cưỡng bức{27}}áp suất cao và dòng{28}}cao để loại bỏ nhiệt sinh ra trong quá trình mài kịp thời và giảm biến dạng nhiệt và ứng suất nhiệt trong khu vực mài. Thông thường, nhũ tương gốc nước được chọn làm chất lỏng cắt để đảm bảo hiệu quả làm mát đạt đến trạng thái tốt nhất. Việc lựa chọn các thông số quá trình mài cho các bộ phận hợp kim vonfram được thể hiện trong Bảng 4. Hình 4 Sơ đồ nguyên lý của bánh mài Bảng 4 Lựa chọn các thông số quá trình mài cho các bộ phận hợp kim vonfram Các bộ phận hợp kim đồng vonfram hoặc vonfram-niken-có từ tính thấp. Đối với các bộ phận có thành mỏng, khó có thể cố định chúng một cách chắc chắn bằng mâm cặp điện từ truyền thống. Các thiết bị hấp phụ chân không [10] có thể được xem xét để kẹp. Thiết bị định vị hấp phụ chân không cho các bộ phận hợp kim vonfram được thể hiện trong Hình 5. Hình 5. Sơ đồ thiết bị định vị hấp phụ chân không cho các bộ phận hợp kim vonfram
PHẦN.05
Gia công dây EDM của các bộ phận hợp kim vonfram
Hợp kim vonfram có điểm nóng chảy cao và độ cứng cao, đồng thời có thể được gia công bằng các công cụ có độ cứng-cao như công cụ được phủ, công cụ PVD và công cụ gốm. Tuy nhiên, những công cụ này bị mài mòn đáng kể, gây khó khăn cho việc gia công các đặc điểm như lỗ rỗng, khe hẹp và lỗ có hình dạng bất thường khi sử dụng các công cụ truyền thống này. Gia công phóng điện dây (EDM) là một quá trình gia công đặc biệt. Nguyên tắc cơ bản của nó là sử dụng dây điện cực kim loại mịn chuyển động liên tục (thường là dây đồng hoặc molypden) để tạo ra tia lửa điện xung giữa phôi và phôi. Nhiệt độ được tạo ra thường cao tới 8000–12000 độ, đủ để làm tan chảy hoặc thậm chí làm bay hơi vật liệu bề mặt của hợp kim vonfram, nhờ đó đạt được khả năng cắt phôi. Chuyển động tương đối giữa dây điện cực và phôi cho phép toàn bộ quá trình cắt tạo thành hình dạng mong muốn trên bề mặt phôi. Hình 6 thể hiện quá trình gia công các lỗ có hình dạng bất thường trên phôi hợp kim vonfram bằng dây EDM. Dây EDM được sử dụng để gia công các bộ phận bằng hợp kim vonfram. Nhiệt độ cao gây ra sự thay đổi pha tinh thể của bề mặt hợp kim vonfram trong quá trình cắt, dẫn đến một lớp bị biến đổi làm suy giảm các đặc tính độc đáo của hợp kim vonfram. Phương pháp "cắt-một{14}}sửa chữa-ba" được sử dụng trong quá trình xử lý, giảm dần các thông số độ sâu cắt và công suất xung để sửa chữa lớp đã sửa đổi.
Hình 6: Gia công các lỗ không đều trên phôi hợp kim vonfram bằng dây EDM
PHẦN.06
Kết luận Bài viết này nghiên cứu và tóm tắt quá trình chuẩn bị phôi, các phương pháp gia công thông thường và những khó khăn khi gia công các bộ phận hợp kim vonfram chính xác. Trong quá trình chuẩn bị phôi, luyện kim bột tương đối hoàn thiện hơn, tạo ra vật liệu có mật độ tốt hơn và mang lại lợi thế trong sản xuất hàng loạt ổn định. Sản xuất bồi đắp, một quy trình tương đối mới được phát triển trong những năm gần đây, đã tạo ra nhiều lộ trình quy trình khác nhau và có lợi thế trong việc sản xuất các bộ phận kết cấu có khoang phức tạp. Trong quá trình cắt, dụng cụ PCBN có ưu điểm là đạt được tuổi thọ dụng cụ cao và giảm tác động của mài mòn dụng cụ đến độ chính xác gia công. Công nghệ mài thuận lợi cho việc gia công các bề mặt thông thường, đạt chất lượng bề mặt cao hơn. Đối với tính năng lỗ và rãnh, dây EDM mang lại hiệu quả xử lý cao. Quá trình chuẩn bị phôi nói trên, cũng như các phương pháp cắt, mài và cắt dây, có thể cải thiện hiệu quả chất lượng sản xuất và hiệu quả sản xuất của các bộ phận hợp kim vonfram chính xác, cung cấp hỗ trợ kỹ thuật cho sự phát triển của các ngành liên quan.
