Hợp chất liên kim titan nhôm (TiAl) trong công nghệ nung chảy bột bằng laser: hướng sản xuất bồi đắp cho linh kiện hàng không nhẹ chịu nhiệt cao

Giới thiệu: bài toán khó giữa giảm khối lượng và khả năng chịu nhiệt

Động cơ hàng không và tuabin khí ngày càng đòi hỏi cao hơn về giảm khối lượng và khả năng chịu nhiệt. Siêu hợp kim nền niken có mật độ khoảng 8,2 g/cm³, dư địa giảm khối lượng tương đối hạn chế; trong khi hợp chất liên kim γ-TiAl, với thành phần điển hình Ti-48Al-2Cr-2Nb theo phần trăm nguyên tử, có mật độ chỉ 3,9–4,2 g/cm³, khoảng một nửa so với hợp kim nền niken, đồng thời có thể làm việc lâu dài ở 700–800°C. Việc ứng dụng loại vật liệu này cho cánh tuabin áp suất thấp, vỏ máy nén và các kết cấu chịu nhiệt khác là một hướng quan trọng trong giảm khối lượng cho hàng không. Tuy nhiên, TiAl có độ giòn nội tại cao, độ dẫn nhiệt thấp, nguyên tố nhôm dễ oxy hóa; rèn và đúc truyền thống cực kỳ khó khăn, vì vậy nung chảy bột bằng laser (LPBF) trở thành một trong những phương pháp tạo hình tiềm năng nhất.

1. Vì sao TiAl phù hợp với sản xuất bồi đắp

Độ dẻo ở nhiệt độ phòng của γ-TiAl thường thấp hơn 2%, cửa sổ gia công nóng hẹp, hao hụt và chi phí khi cắt gọt hoặc rèn thông thường đều cao. LPBF sử dụng phương thức nung chảy từng lớp, giúp tránh bài toán gia công biến dạng lớn và có thể trực tiếp tạo hình phôi gần kích thước cuối cùng, bao gồm cả các kết cấu làm mát bên trong phức tạp của cánh tuabin. Đối với các linh kiện nhiệt độ cao sản xuất theo lô nhỏ, nhiều chủng loại, sản xuất bồi đắp có lợi thế rõ rệt về thời gian giao hàng và tự do thiết kế, đồng thời thuận tiện cho việc lặp lại kiểm chứng nhanh trước khi lắp lên động cơ.

2. Thách thức công nghệ cốt lõi của LPBF

TiAl trong LPBF đối mặt với ba nhóm vấn đề điển hình. Thứ nhất là nứt nóng và nứt nguội, bắt nguồn từ gradient nhiệt độ lớn và ứng suất dư cao do độ dẫn nhiệt thấp. Thứ hai là độ phản xạ laser và áp suất hơi cao của nhôm, dễ gây hiện tượng tạo cầu, bắn tóe và rỗ khí. Thứ ba là hàm lượng oxy tăng giữa các lớp có thể hình thành màng oxit gây giòn, làm giảm độ dẻo và tính năng mỏi. Vì vậy, cần thiết kế cửa sổ công nghệ, môi trường khí và hậu xử lý như một vòng khép kín hoàn chỉnh.

3. Cửa sổ công nghệ và kiểm soát thông số

Trong kỹ thuật, dải thông số thường dùng gồm công suất laser 150–350 W, tốc độ quét 600–1200 mm/s, chiều dày lớp 30–50 μm, kết hợp gia nhiệt nền 200–400°C, một số thiết bị sử dụng bàn nền nóng cấp 500°C để giảm nứt do ứng suất nhiệt. Mật độ năng lượng quá cao sẽ gây lỗ khóa và quá nóng chảy, trong khi quá thấp sẽ làm độ đặc không đủ. Mục tiêu là duy trì ổn định mật độ tương đối trên 99,5%, đồng thời sử dụng chiến lược quét dạng bàn cờ hoặc dải và xoay hướng quét để hạn chế tập trung ứng suất dư.

4. Kiểm soát khí quyển và hàm lượng oxy

Do nhôm có hoạt tính cao, TiAl cực kỳ nhạy với oxy. Hàm lượng oxy trong buồng tạo hình nên được kiểm soát dưới 500 ppm, còn hàm lượng oxy trong bột titan nhôm nên thấp hơn 0,1 wt%. Các công đoạn cấp bột và lấy chi tiết cần được thực hiện trong hộp găng tay argon hoàn toàn hoặc môi trường khí trơ để tránh hút ẩm và oxy hóa. Quản lý khí quyển ổn định là tiền đề để hạn chế giòn hóa, bảo đảm tính nhất quán giữa các lô, đồng thời là điều kiện để các bước xử lý nhiệt sau đó không phát sinh bất thường.

5. Hậu xử lý và điều chỉnh tổ chức

TiAl ở trạng thái sau LPBF thường tồn tại lỗ chưa nóng chảy và khuyết tật giữa các lớp, cần ép đẳng tĩnh nóng, HIP khoảng 1180–1250°C và 150–200 MPa, để đóng kín lỗ rỗng, sau đó xử lý nhiệt nhằm thu được tổ chức dạng phiến α2+γ, cân bằng giữa độ bền, độ dai và khả năng chống dão. Xử lý nhiệt hợp lý có thể duy trì ổn định độ bền kéo ở nhiệt độ phòng trong khoảng 600–700 MPa và ở 700°C trong khoảng 700–800 MPa, đáp ứng yêu cầu sử dụng của các kết cấu chịu nhiệt.

6. Tính năng và ứng dụng điển hình

Các chi tiết TiAl được tối ưu đồng thời về công nghệ và hậu xử lý đã được kiểm chứng lắp đặt trên cánh tuabin áp suất thấp, cánh tà phản lực và các bộ phận máy nén của động cơ hàng không. Giá trị của chúng không nằm ở một giới hạn tính năng đơn lẻ, mà ở lợi thế kết hợp giữa giảm một nửa mật độ và nâng cao khả năng chịu nhiệt: tại cùng nhiệt độ làm việc, khối lượng giảm đáng kể, từ đó cải thiện tỷ số lực đẩy trên trọng lượng và hiệu suất nhiên liệu. Đây chính là logic cốt lõi để sản xuất bồi đắp đảm nhiệm các linh kiện nhẹ chịu nhiệt cao.

Kết luận

Tạo hình γ-TiAl bằng LPBF là một bài toán hệ thống liên quan đến vật liệu, quy trình và hậu xử lý. Chỉ khi kiểm soát được ba khâu then chốt gồm cửa sổ công nghệ hẹp, môi trường khí trơ và xử lý nhiệt HIP, vật liệu nhẹ chịu nhiệt cao vốn khó gia công mới có thể trở thành kết cấu hàng không có khả năng sản xuất theo lô và kiểm chứng lặp lại. Đối với các nhà sản xuất theo đuổi giảm khối lượng và tỷ số lực đẩy trên trọng lượng cao, sản xuất bồi đắp TiAl đang chuyển từ nghiên cứu sang triển khai kỹ thuật thực tế.