NGHIÊN cứu CHẤT LƯỢNG sản PHẨM vật LIỆU hợp KIM CHỊU NHIỆT DZ125L CHẾ tạo bởi CÔNG NGHỆ tạo HÌNH BẰNG TIA LASER

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ 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
1
Học viện Kỹ thuật quân sự, Hà Nội, Việt Nam
a
;
c
;
TÓM TẮT
Bài báo sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm để xác định các đặc trưng về tổ
chức tế vi, cơ tính và chất lượng bề mặt của vật liệu hợp kim chịu nhiệt ni ken DZ125L chế
tạo bởi công nghệ tạo hình bằng tia laser. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy: tổ chức
tế vi của vật liệu là tổ chức epitaxial dạng tinh thể hình trụ; giới hạn bền cho phép của chi tiết
theo phương vuông góc với phương quét chùm tia laser lớn hơn giới hạn bền cho phép của chi
tiết theo phương song song với phương quét chùm tia laser, lần lượt đạt 827,47 MPa và
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 bằng tia laser, chất lượng sản phẩm, cơ 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.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay, các loại hợp kim chịu nhiệt như DZ125L, Inconel738, Rene95, Rene88DT,...,
được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp quan trọng như hàng không vũ trụ, quân
sự, thủy điện, hạt nhân,... sử dụng để chế tạo các loại đĩa, cánh tuabin khí, tuabin thủy lực,...
Các chi tiết này trước đây thường được chế tạo theo phương pháp đúc, tuy nhiên cơ tính vật
liệu không cao, sản phẩm có nhiều khuyết tật, mật độ thấp [1-6],... Những năm gần đây, các
chi tiết quan trọng chế tạo từ hợp kim chịu nhiệt được chế tạo bởi công nghệ tạo hình bằng tia
laser. Công nghệ chế tạo sản phẩm sử dụng phương pháp thiêu kết trực tiếp bột kim loại bằng
tia laser (Laser Direct Metal Forming, LDMF) là một trong những công nghệ tạo hình sản
phẩm kim loại hiện đại hiện nay. Công nghệ này bắt đầu phát triển từ những 90 của thế kỷ
XIX, là sự tích hợp của công nghệ laser, công nghệ điều khiển số(CNC), công nghệ máy tính,
công nghệ vật liệu,… sử dụng nguồn năng lượng laser để thiêu kết bột kim loại, sản phẩm
hình thành theo nguyên lý tạo hình từng lớp vật liệu (layer by layer). Công nghệ này sau đó
được phát triển rất nhanh, ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực hàng không vũ trụ, công
461


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
nghiệp ô tô, tàu thủy, quân sự, y học [7-9],.... Các chi tiết chế tạo bởi công nghệ này có ưu
điểm tổ chức tế vi mịn, cơ tính tốt hơn so với các công nghệ truyền thống như đúc, rèn, cán,...
Tuy nhiên, cơ tính của từng loại vật liệu phụ thuộc vào từng công nghệ cụ thể, bài báo dựa
trên phương pháp thực nghiệm, nghiên cứu cơ tính của hợp kim chịu nhiệt DZ125L chế tạo
bởi công nghệ LDMF. Điều này có ý nghĩa thực tiễn rất lớn trong việc ứng dụng công nghệ
LDMF chế tạo các chi tiết quan trọng từ hợp kim chịu nhiệt DZ125L.
2. THÍ NGHIỆM
2.1. Thiết bị và vật liệu thí nghiệm
Thiết bị thí nghiệm như thể hiện trên 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 và một số thiết bị trợ giúp khác.

Hình 1. Hệ thống tạo hình LDMF; (a) sơ đồ nguyên lí; (b) thiết bị thí nghiệm
Vật liệu thí nghiệm: tấm nền 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 như bảng 1 thể hiện [10].
Bảng 1. Thành phần vật liệu hợp kim chịu nhiệt DZ125L (%)
Thành phần
C
Cr
Co
Mo
W
Al
Ti
Ta
B

Ni

Tấm nền

0,07

9,09

10,00

2,09

7,17

4,48

3,05

3,64

0,011

Cân bằng

Bột

0,09

9,70

9,64

2,18

7,14

4,90

3,12

3,78

0,015

Cân bằng

2.2. Kết quả thí nghiệm và phân tích
2.2.1. Đo giới hạn bền của vật liệu DZ125L
Chế tạo mẫu thí nghiệm: Mẫu đo giới hạn bền được chế tạo theo công nghệ LDMF,
hình dáng và kích thước căn cứ theo tiêu chuẩn về mẫu thí nghiệm ASTME8M-04 của Mỹ
như thể hiện trong hình 2 [11]. Để đo lường và phân tích toàn diện cơ tính của vật liệu, thí
nghiệm chế tạo hai mẫu theo hai cách khác nhau như hình 3 thể hiện, mẫu số 1 phương kéo
vuông góc với phương quét chùm laser, mẫu số 2 phương kéo song song với phương quét
chùm tia laser. Tham số công nghệ chế tạo mẫu như thể hiện trong bảng 2.
Sau khi tạo hình xong, tiến hành hậu xử lí nhiệt mẫu nhằm mục đích khử ứng suất nhiệt
nâng cao cơ tính của vật liệu, hình ảnh mẫu sau khi xử lí nhiệt như hình 4 thể hiện.
Sau đó căn cứ theo hình dáng, kích thước hình 2 sử dụng phương pháp cắt dây tia lửa
điện (WEDM) để cắt thành các mẫu thí nghiệm như hình 5 thể hiện. Mỗi nhóm thí nghiệm 3
mẫu, lấy giá trị trung bình.
462


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Công
suất
laser
(W)
180-230

Bảng 2. Tham số công nghệ LDMF tạo hình mẫu đo

Tốc độ
Tốc độ
Bán kính
Lượng
Khoảng
quét
cấp bột
chùm tia
tăng
cách giữa
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 2. Mẫu đo ứng suất bền theo tiêu chuẩn ASTME8M-04 của Mỹ

Hình 3. Mẫu trước khi xử lí nhiệt; (a) mẫu số 1; (b) mẫu số 2

Hình 4. Mẫu sau khi xử lí nhiệt; (a) mẫu số 1; (b) mẫu số 2

Hình 5. Mẫu thử kéo sau khi cắt dây bằng tia lửa điện
463


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Trong điều kiện phòng thí nghiệm, sử dụng máy đo ứng suất kéo INSTRON119 tiến
hành đo các chỉ tiêu về cơ tính của các mẫu, các chỉ tiêu chủ yếu bao gồm: giới hạn bền cho
phép, giới hạn chảy cho phép, độ giãn dài. Kết quả đo tương ứng như bảng 3 thể hiện.
Bảng 3. Các giá trị về cơ 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 1 (No1)

827,47

788,39

4,16

Mẫu số 2 (No2)

550,54

346,42

3,13

Từ kết quả đo cho thấy, giới hạn bền cho phép trung bình của mẫu số 1 là 827,47 MPa,
giới hạn chảy cho phép là 788,39 MPa; giới hạn bền cho phép trung bình của mẫu số 2 là
550,54 MPa, giới hạn chảy cho phéplà 346,42 MPa. Kết quả đo cho thấy giới hạn bền cho
phép và giới hạn chảy cho phép của mẫu số 1(phương thẳng đứng) lớn hơn nhiều so với giới
hạn bền cho phép và giới hạn chảy cho phép của mẫu số 2 (phương ngang). Điều này có thể
được lí giải thông qua đặc tính về tổ chức vật liệu của chi tiết chế tạo bằng công nghệ LDMF,
theo đó tổ chức vật liệu của chi tiết là tổ chức epitaxi dạng tổ chức hình trụ phát triển thẳng
đứng theo chiều cao tạo hình như hình 6 thể hiện, do đó giới hạn bền cho phép theo phương
vuông góc với phương quét chùm tia laser sẽ lớn hơn 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 của mẫu đo như hình 7 thể hiện. Từ hình ảnh có thể thấy, về
cơ bản miệng vết gẫy của các mẫu đều giống nhau, bề mặt không bằng phẳng, tồn tại các đỉnh
nhọn, hốc sâu; điều đó chứng tỏ đây là trường hợp phá hủy dẻo, có độ dẻo thấp.
Hình 6 thể hiện hình ảnh về tổ chức tế vi của vật liệu hợp kim chịu nhiệt tạo hình bằng
tia laser, trong đó hình 6(a) thể hiện tổ chức tế vi của vật liệu theo mặt cắt ngang song song
với phương quét chùm tia laser (vuông góc với phương thẳng đứng), hình 6(b) thể hiện hình
ảnh tổ chức tế vi vật liệu theo phương mặt cắt bên vuông góc với phương quét chùm tia laser.
Trên hình 6 có thể thấy đặc điểm quan trọng về tổ chức của vật liệu hợp kim chịu nhiệt
DZ125L khi tạo hình bởi công nghệ LDMF là tổ chức epitaxi dạng tinh thể hình trụ rất nhỏ,

dài, phát triển thẳng đứng (vuông góc với phương quét chùm tia laser). Đó là do quá trình kết
tinh với tốc độ rất nhanh, thang độ nhiệt độ lớn, do đó mà tổ chức tinh thể nhỏ, đồng đều, mặt
khác quá trình kết tinh diễn ra trên bề mặt biên giới giữa thể rắn và thể lỏng, điều này đảm
bảo trong toàn bộ quá trình kết tinh pha lỏng và pha rắn luôn luôn tiếp xúc với nhau, tổ chức
vật liệu này thuộc loại tổ chức epitaxi dạng tinh thể hình trụ điển hình. Trên hình 6(b) còn có
thể thấy được liên kết giữa các lớp tạo hình liên tục, điều này không chỉ nâng cao cơ tính vật
liệu mà còn đảm bảo cho tổ chức tế vi phát triển liên tục giữa các lớp.

Hình 6. Tổ chức Epitaxi của vật liệu tạo hình bởi LDMF;
(a) mặt cắt ngang; (b) mặt cắt đứng

Hình 7. Hình ảnh miệng vết gẫy

2.2.2. Đo độ nhám bề mặt
Sử dụng hai phương pháp đo tiếp xúc và không tiếp xúc để đo độ nhám bề mặt mẫu: sử
dụng phương pháp đo không tiếp xúc là máy đo laser ba chiều LEXT OLS4000 để đánh giá
độ nhám theo một diện tích bề mặt S a ; sử dụng phương pháp đo tiếp xúc là máy đo độ nhám
464


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Mitutoyo để đo nhám bề mặt theo đường. Đo 6 vị trí tùy ý trên bề mặt mẫu, kết quả đo và
hình ảnh mẫu thển hiện trong hình 8 và bảng 4.

Hình 8. Hình ảnh đo độ nhám bề mặt; (a) máy đo độ nhám laser; (b) hình ảnh bề mặt
chi tiết đo bằng laser; (c) giá trị Sa và Ra
Bảng 4. Giá trị đo nhám bề mặt theo hai phương pháp
Ra (µm)
Sa
Vị trí đo

(µm)
Lần 1
Lần 2
Lần 3
Lần 4
Lần 5
Giá trị TB
1

35,055

35,858

31,549

35,407

29,842

33,542

34,360

2

28,131

24,533

24,794

23,607

22,459

24,704

26,511

3

25,631

25,553

22,931

26,049

22,517

24,536

27,461

4

26,335

27,353

24,083

25,929

23,176

25,375

26,479

5

23,154

22,065

22,361

22,925

24,163

22,933

23,863

6

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 của vật liệu DZ125L chế tạo bởi công nghệ LDMF
Dựa vào tiêu chuẩn ISO3369-1975 [12] và nguyên lý Archimedes để đo mật độ của vật
liệu chi tiết chế tạo bởi công nghệ LDMF như hình 9 thể hiện. Đầu tiên đo trọng lượng của
chi tiết trong không khí, sau đó đo trọng lượng của chi tiết trong 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%
0

ρ: mật độ của vật liệu chi tiết chế tạo bởi công nghệ LDMF (g/cm3);
ρ nước : mật độ nước cất ở nhiệt độ thường, khi t = 25οC thì ρ nước = 0,9960g/cm 3 ;
∆m: khối lượng của mẫu khi làm sạch hết nước (g);
m 1 : khối lượng của mẫu trong không khí (g);
m 2 : khối lượng dây khi cân trong nước (g);
m 3 : tổng khối lượng của mẫu và dây khi cân trong nước (g);
ρ r : mật độ tương đối của mẫu (g);
ρ 0 : mật độ theo lí thuyết của hợp kim DZ125L là 8,35 (g/cm3).
465

(1)


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 9. Hình ảnh mẫu thí nghiệm xác định mật độ vật liệu
Các bước đo cụ thể nhưu sau:
- Đo trọng lượng của mẫu trong không khí 3 lần, lấy giá trị trung bình m 1 ;
- Đo trọng lượng của dây treo trong nước 3 lần, lấy giá trị trung bình m 2 ;
- Mang mẫu buộc vào dây và cân 3 lần trong nước, lấy giá trị trung bình m 3 ;
- Lấy các giá trị trung bình m1, m2, m3 đưa vào công thức (1) tính được các giá trị tương ứng.

Kết quả đo được hiển thị trong bảng 5, mật độ của vật liệu hợp kim DZ125L chế tạo bởi
công nghệ LDMF từ khoảng 98,24% đến 98,93%, giá trị này lớn hơn rất nhiều so với mật độ
chi tiết chế tạo bởi phương pháp đúc.
Bảng 5. Mật độ và độ chặt vật liệu hợp kim chịu nhiệt DZ125L chế tạo bởi công nghệ
LDMF đo ở nhiệt độ 25οC
Mật độ
Độ chặt
Trung
Mẫu
Giá trị
Lần 1
Lần 2
Lần 3
-3
bình
(g·cm )
(%)

No 1

No 2

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%

3. KẾT LUẬN
Thông qua thực nghiệm nghiên cứu các đặc trưng về tổ chức tế vi, cơ tính và chất lượng
bề mặt vật liệu hợp kim chịu nhiệt DZ125L chế tạo bằng phương pháp tạo hình bằng tia laser,
đã xác định tổ chức tế vi là tổ chức epitaxial dạng tính thể hình trụ điển hình; giới hạn bền cho
phép theo phương vuông góc với phương quét chùm laser là 827,47 MPa và giới hạn bền cho
phép theo phương quét chùm laser là 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 và công nghệ toàn quốc về cơ 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. 1 ÷ 6.

[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
1.

Đoàn Tất Khoa
Cơ quan: Học viện Kỹ thuật quân sự; 236,Hoàng Quốc Việt,Nam Từ Liêm,Hà Nội
Email: ; TEL: 0963.389.325

2.

Hồ Việt Hải
Cơ quan: Học viện Kỹ thuật quân sự; 236,Hoàng Quốc Việt,Nam Từ Liêm, Hà Nội
Email: ; TEL: 0936.680.755

3.

Đỗ Xuân Tươi
Cơ quan: Học viện Kỹ thuật quân sự; 236,Hoàng Quốc Việt,Nam Từ Liêm, Hà Nội
Email:

4.

Nguyễn Tài Hoài Thanh
Cơ quan: Học viện Kỹ thuật quân sự; 236,Hoàng Quốc Việt,Nam Từ Liêm, Hà Nội
Email:

467