Nghiên cứu về sự thay đổi cơ tính hợp kim titan khi xử lý nhiệt

 60 
Journal of Transportation Science and Technology, Vol 32, May 2019 
NGHIÊN CỨU VỀ SỰ THAY ĐỔI CƠ TÍNH 
HỢP KIM TITAN KHI XỬ LÝ NHIỆT 
STUDY ON CHANGES IN MECHANICAL PROPERTIES OF 
TITANIUM ALLOY BY HEAT TREATMENT 
1Nguyễn Anh Xuân, 2Vũ Anh Quang 
1Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam, Hải Phòng, Việt Nam 
2Cục An ninh kinh tế - Bộ Công An 
nguyenanhxuan@vimaru.edu.vn 
Tóm tắt: Thông qua kết quả nghiên cứu, tác giả đã trình bày sự biến đổi cơ tính của hợp kim titan 
khi xử lý nhiệt. Ngoài ra bài báo đã phân tích được ảnh hưởng của các pha α và β đến cơ tính của hợp 
kim. Bài báo cũng đã phân tích được về tính chất của các pha xuất hiện trong hợp kim Titan. Với chế 
độ xử lý nhiệt phù hợp giới hạn bền, giới hạn chảy và độ bền mỏi của hợp kim lần lượt là 150; 140 và 
120 KG/mm2. Ngoài ra modul đàn hồi của hợp kim cũng tăng lên một cách đáng kể đạt tới 11000 KG/mm2. 
Từ khóa: Hợp kim Ti; giới hạn bền; giới hạn chảy; độ bền mỏi; modun đàn hồi 
Chỉ số phân loại: 2.3 
Abstract: Through the results of research, the author presented the mechanical properties of 
titanium alloy when the heat treatment process. In addition, the paper analyzed the effects of phases α 
and β on the mechanical properties of this alloy. The paper also analyzed the properties of the phases 
that appear in titanium alloys. With appropriate heat treatment mode, the limit of strength, yield limit 
and fatigue strength of the alloy is 150; 140 and 120 KG/mm2. In addition, the elastic moduls of the 
alloy also increased significantly to 11000 KG/mm2. 
Keywords: Titanium alloy; strength limit, yield limit, fatigue strength 
Classification number:2.3 
1.Giới thiệu 
Vật liệu Ti và hợp kim Ti có những tính 
chất đặc biệt mà những kim loại hay hợp kim 
khác không có được như: Khối lượng riêng 
nhỏ; dễ biến dạng (độ dẻo cao); khả năng 
chống ăn mòn trong môi trường, có khả năng 
làm việc ở nhiệt độ cao. Chính những tính 
chất đặc biệt này mà hợp kim Ti có thể sử 
dụng trong nhiều ngành công nghiệp đặc biệt 
là những ngành đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cao 
như: Hàng không, quân sự, đóng tàu[1-5]. 
Nhược điểm lớn nhất của vật liệu này 
chính là giá thành cao; quy trình công nghệ 
chế tạo phức tạp nên tính ứng dụng thực tiễn 
thấp. 
Như đã nói ở trên, các loại hợp kim Titan 
là rất đa dạng và do đó khả năng ứng dụng 
cũng như nhiệt luyện là khác nhau. Trong thực 
tế, các hợp kim Titan công nghiệp đã và đang 
được sử dụng rộng rãi ở nước ta chủ yếu là các 
hợp kim Titan có thành phần tổ chức là ( + 
 ) tức là các hợp kim nhóm II và III, điều này 
là do [2,4 - 7,15]: 
- Các hợp kim Titan này có giá thành 
khá phù hợp (mặc dù vẫn đắt hơn thép rất 
nhiều) nhưng vẫn có đầy đủ các tính chất quý 
báu của Titan; 
- Đặc biệt là khả năng hóa bền nhờ áp 
dụng các công nghệ phù hợp rất hiệu quả. 
Đồng thời khả năng tạo tính dẻo, độ dai va đập 
nhờ nhiệt luyện cũng rất tốt [1,8 - 10]. 
Nhìn chung, trên thế giới và ở nước ta 
việc nghiên cứu về chuyển pha cũng như quy 
trình xử lý nhiệt của hợp kim này là còn ít. 
Công trình có tính chất thống kê và phân tích 
về hệ hợp kim này lại không nhiều. Ở Việt 
Nam hiện nay, hợp kim Titan đã bắt đầu ứng 
dụng khá phổ biến, đặc biệt là trong lĩnh vực 
công nghiệp quốc phòng. Vấn đề quan trọng 
nhất của chúng ta trong ứng dụng hợp kim 
Titan là lập và thực hiện các quy trình nhiệt 
luyện cho những hợp kim Titan cụ thể đang sử 
dụng để khai thác được triệt để tiềm năng của 
vật liệu. Do đó việc nghiên cứu về Titan và 
hợp kim Titan, đặc biệt là nhiệt luyện các hợp 
kim Titan cụ thể là một vấn đề cấp thiết. 
Chính vì vậy, trong khuôn khổ bài báo 
này tác giả giới thiệu về cấu trúc pha của hợp 
kim Ti cũng như một số quy trình nhiệt luyện 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 32-05/2019 
61 
phổ biến của hệ hợp kim đang được nghiên 
cứu này. 
2. Một số dạng pha của hợp kim 
Tổ chức của hợp kim Ti phụ thuộc rất 
nhiều vào thành phần cũng như chế độ xử lý 
của hợp kim này. Tương tự như các hệ hợp 
kim khác, hợp kim Ti chỉ có thể xử lý nhiệt 
nếu có khả năng chuyển pha 
2.1. Tổ chức một pha α 
Đại diện cho hệ hợp kim này là các hợp 
kim được hợp kim hóa thêm Al. Ngoài ra, khi 
có xuất hiện một lượng nhỏ các nguyên tố như 
Mo, V trong hợp kim có thể hình thành pha β; 
tuy nhiên sự xuất hiện của pha này không làm 
thay đổi điểm chuyển biến của dung dịch rắn 
Ti ̶ α. Những hợp kim mà chỉ có một pha này 
sẽ có tính chất độ bền; độ dẻo ở nhiệt độ thấp 
là khá tốt; ngoài ra còn đảm bảo được tính hàn 
của hệ hợp kim nghiên cứu [11-14,16]. 
Hình 1. Hợp kim một pha α. 
2.2. Tổ chức hai pha α và β với tỷ phần 
pha β thấp. 
Hợp kim có dạng này trong tổ chức 
thường có khoảng 2% β - ổn định. So sánh với 
hợp kim chỉ có một pha α; hợp kim này đảm 
bảo được tính công nghệ gia công áp lực. Sau 
biến dạng, hợp kim này có cơ tính tốt, đảm bảo 
làm việc trong điều kiện cụ thể. Điều này được 
lý giải do có sự xuất hiện của pha β [12,13,16]. 
2.3. Tổ chức hai pha α và β với tỷ phần 
pha β cao. 
Đại diện cho nhóm này là những hợp kim 
có tỷ phần pha β lớn hơn 2%. Những hợp kim 
này có độ bền tốt không chỉ ở nhiệt độ phòng 
mà cả ở nhiệt độ cao. Khả năng biến dạng dẻo 
được nâng cao khi chi tiết được ủ trong điều 
kiện hợp lý. Ngoài ra khi áp dụng tôi và hóa 
già hợp kim đảm bảo được độ bền đặc biệt là 
độ bền ở nhiệt độ cao. Đây là nhóm hợp kim 
thể hiện được tính ưu việt của hợp kim Ti [2, 
3, 14, 16]. 
Hình 2. Hợp kim hai pha với hàm lượng β lớn. 
2.4. Tổ chức một pha β 
Nhóm hợp kim này có tổ chức hoàn toàn 
β hoặc phần lớn là pha β (trên 90%). Nhóm 
này có độ dẻo cao; khả năng biến dạng và gia 
công áp lực tốt. Hơn nữa nếu những hợp kim 
có thêm pha α ở trong hợp kim mà áp dụng 
quy trình xử lý nhiệt phù hợp thì cơ tính của 
hợp kim được cải thiện một cách đáng kể [15]. 
Hình 3. Tổ chức phân tán pha α trên nền β 
 hợp kim Ti sau xử lý nhiệt. 
3. Yếu tố ảnh hưởng đến xây dựng chế 
độ xử lý nhiệt 
Cũng giống như với thép, các dạng nhiệt 
luyện áp dụng cho hợp kim Titan bao gồm đầy 
đủ từ ủ, tôi, ram và hóa già cũng như hầu hết 
các phương pháp hóa nhiệt luyện ngoại trừ 
thấm cacbon. 
Tuy nhiên do đặc điểm cấu trúc tính chất 
và loại hình vật liệu kết cấu chủ yếu là dạng 
tấm mỏng nên khi áp dụng các dạng nhiệt 
luyện hợp kim Titan có một số đặc điểm sau: 
- Các phương pháp ủ hợp kim Titan như 
ủ kết tinh lại hay ủ có chuyển biến pha tuy đều 
có mục đích chính là ổn định hóa tổ chức 
nhưng không giống như ủ thép. Chúng đều có 
hiệu quả hóa bền với mức độ khác nhau; 
- Công nghệ tôi hợp kim Titan có hiệu quả 
khác nhau với từng nhóm hợp kim Titan. Chủ 
yếu chỉ các hợp kim Titan có tổ chức ( + ) 
là có hiệu quả hóa bền tốt nhất, còn nhóm hợp 
 62 
Journal of Transportation Science and Technology, Vol 32, May 2019 
kim 100% và 100%  khi tôi không có 
chuyển biến Mactenxit do đó hiệu quả hóa bền 
là không cao; 
- Công nghệ ram với hợp kim Titan sau 
khi tôi luôn kèm theo sự hóa bền, vì vậy về 
bản chất chúng là công nghệ hóa già. Tuy 
nhiên thời gian của hóa già hợp kim Titan 
ngắn hơn rất nhiều so với hóa già hợp kim 
nhôm. Điều này đôi lúc dẫn đến bị hiểu sai là 
công nghệ ram. 
Việc tôi hợp kim Titan theo các nghiên 
cứu của cơ quan hàng không vũ trụ Mỹ, hầu 
như chỉ áp dụng một môi trường nguội là 
nước, các kết quả nghiên cứu của Nga cũng 
tương tự như vậy. 
Nhiệt độ nung phải đảm bảo trong vùng 
tổ chức có ( + ), nhưng không đến giai đoạn 
100%  do giảm đột ngột độ bền và tăng khả 
năng oxy hóa. Do đó khoảng giới hạn của 
nhiệt độ nung tốt nhất là cỡ (675  800)0C. 
Nếu hàm lượng nhôm trong hợp kim tăng lên 
thì nhiệt độ cũng tăng tương ứng. 
- Môi trường tôi chủ yếu là trong nước, 
tuy nhiên nếu kết cấu mỏng, dễ biến dạng có 
thể tôi trong không khí. Khi đó tỷ lệ pha  dư 
sẽ tăng lên làm tăng tính dẻo cho sản phẩm, 
đồng thời làm giảm độ bền; 
- Hóa già nên tiến hành ở 4800C khi đó 
hợp kim sẽ được hóa bền nhờ quá trình tiết ra 
 từ pha ; 
- Làm nguội khi hóa già chủ yếu là trong 
không khí tĩnh, khi yêu cầu năng suất cao có 
thể nguội trong nước; 
- Khi hóa già ở nhiệt độ thấp hơn (< 
4300C) và thời gian giữ nhiệt lâu sẽ dẫn tới 
tiết ra pha chuyển tiếp  làm tăng tính dòn. 
4. Sự thay đổi cơ tính của hợp kim 
BT15 sau xử lý nhiệt 
Hiện nay có nhiều mác hợp kim Titan ( 
+ ) nhưng được dùng nhiều nhất là BT15 
với thành phần như sau: 
Bảng 1. Thành phần hóa học hợp kim BT15. 
NTHK Al (%) V (%) Mo (%) Cr (%) Si (%) 
BT15 3,5  4,5 0,7  1,5 2,5  3,5 0,5  0,7 0,25 
Trên cơ sở khảo sát hợp kim Titan BT15 
theo các nghiên cứu của Nga ta có các kết 
quả như sau: 
Chế độ nhiệt luyện: 
- Công nghệ Tôi: 
+ Nhiệt độ nung tôi: 8000C; 
+ Tốc độ nguội: > 30C / giây; 
+ Môi trường nguội: H2O; 
- Công nghệ Hóa già: 
+ Nhiệt độ nung hóa già: (475  
480)0C; 
+ Thời gian giữ nhiệt: (10  25) giờ. 
Kết quả thu được: Sau khi nhiệt luyện 
hàng loạt mẫu thử, các mẫu được đem kiểm 
tra chất lượng chủ yếu thông qua cơ tính của 
vật liệu sau khi nhiệt luyện. Các kết quả được 
cho trên bảng 2 
Bảng 2. Cơ tính của hợp kim Titan sau nhiệt luyện 
theo quy trình thực. 
Chỉ tiêu cơ tính của hợp 
kim 
BT15 
Giới hạn bền b [KG/mm2] 130  150 
Giới hạn chảy ch 
[KG/mm2] 
118  140 
Giới hạn bền mỏi -1 
[KG/mm2] 
100  120 
Mô đun đàn hồi E 
[KG/mm2] 
11000 
Độ giãn dài tương đối  [%] 3  3,5 
Độ dai va đập aK 
[KG.m/cm2] 
3  5 
Từ kết quả thu được, so sánh với cơ tính 
ban đầu của hợp kim Titan ở trạng thái ủ sau 
khi sản xuất ta thấy có một số đặc điểm nổi bật 
sau: 
- Hiệu quả hóa bền khi nhiệt luyện các 
hợp kim Titan nhóm có tổ chức ( + ) đạt 
được rất cao (tăng xấp xỉ 2 lần), đặc biệt là cả 
độ bền mỏi. Do đó với hợp kim Titan nhóm 
này, việc nhiệt luyện với mục đích tăng bền là 
cực kỳ hiệu quả; 
- Giá trị độ bền tuyệt đối đạt cũng rất cao 
(lớn hơn nhiều so với thép kết cấu) điều này 
giúp cho sử dụng không yêu cầu phải tăng độ 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 32-05/2019 
63 
dày vật liệu, làm giảm đáng kể khối lượng, 
kích thước sản phẩm; 
- Với khối lượng riêng của Titan nhỏ (cỡ 
4,5 g/cm3) lại có độ bền rất cao nên đạt được 
giá trị độ bền riêng rất tốt do đó vô cùng hiệu 
quả cho vật liệu hàng không, vũ trụ và hàng 
hải; 
- Các chỉ số về độ dẻo và độ dai va đập có 
giảm nhưng không đáng kể, về cơ bản vẫn giữ 
được như sau khi sản xuất. 
Áp dụng kết quả nhiệt luyện thử nghiệm 
ở trên vào quá trình nhiệt luyện hợp kim Titan 
BT15 khi hàn thu được kết quả như sau: 
Bảng 3. Kết quả thử nghiệm cơ tính và đặc tính công 
nghệ hợp kim Ti ở các chế độ khác nhau. 
Chế độ 
nhiệt luyện 
Góc uốn (0) 
Giới hạn bền 
uốn (KG/mm2) 
Cơ sở 
Đường 
hàn 
Cơ 
sở 
Đường 
hàn 
Không nhiệt 
luyện 
70  
120 
80  
150 
60  
64 
61  67 
Ủ ở (800  
815)0C 
70  
120 
70  
120 
68  
75 
66  70 
Nhiệt luyện 
theo quy 
trình 
50  60 
60  
80 
130  
140 
115  
130 
Từ kết quả trên ta thấy: Việc nhiệt luyện 
theo quy trình đã lập đạt hiệu quả hóa bền tốt 
cho cả mối hàn hợp kim Titan (ứng dụng hàn 
tự động dưới lớp thuốc). Sự chênh lệch cơ tính 
giữa vùng mối hàn và cơ sở là không đáng kể, 
tuy có sự suy giảm về góc uốn cho phép nhưng 
do quá trình nhiệt luyện là sau khi đã tạo hình 
sản phẩm nên ảnh hưởng này không quan 
trọng. Từ những phân tích về cơ tính của hợp 
kim sau khi xử lý nhiệt cho thấy giới hank bền 
uốn; modul đàn hồi, giới hạn bền mỏi của hợp 
kim tăng lên gấp từ 2 đến 3 lần so với trạng 
thái không xử lý nhiệt. Các yếu tố về chỉ tiêu 
công nghệ hàn đáp ứng được yêu cầu của các 
chi tiết máy. 
5. Kết luận 
Thông qua kết quả nghiên cứu về ảnh 
hưởng quá trình xử lý nhiệt đến tính chất của 
hợp kim Titan nhóm tác giả có thể đưa ra một 
số kết luận như sau: 
- Áp dụng quy trình xử lý nhiệt hợp lý 
giúp làm tăng cơ tính cũng như chất lượng mối 
hàn của hợp kim Titan; 
- Phân tích thấy được vai trò của các pha 
trong hợp kim để làm thay đổi cơ tính theo 
tính chất mong muốn; 
- Xây dựng được một quy trình xử lý nhiệt 
phù hợp trong điều kiện thực tế 
Tài liệu tham khảo 
[1] de Groot K, Geesink R, Klein CP, Serekian P. 
Plasma sprayed coatings of hydroxylapatite. J 
Biomed Mater Res 1987;21(12):1375-81. 
[2] Geesink RG, de Groot K, Klein CP. Chemical 
implant fixation using hydroxyl-apatite coatings. 
The development of a human total hip prosthesis 
for chemical fixation to bone using 
hydroxylapatite coatings on titanium substrates. 
Clin Orthop Relat Res 1987;(225):147-70. 
[3] Kitsugi T, Nakamura T, Oka M, Senaha Y, Goto 
T, Shibuya T. Bone-bonding behavior of plasma-
sprayed coatings of BioglassR, AW-glass 
ceramic, and tricalcium phosphate on titanium 
alloy. J Biomed Mater Res 1996;30(2):261-9. 
[4] Takatsuka K, Yamamuro T, Kitsugi T, Nakamura 
T, Shibuya T, Goto T. A new bioactive glass 
ceramic as a coating material on 
titanium alloy. J Appl Biomater 1993;4(4):317-
29. 
[5] Klein CP, Patka P, van der Lubbe HB, Wolke JG, 
de Groot K. Plasma-sprayed coatings of 
tetracalciumphosphate, hydroxylapatite, and 
alpha-TCP on titanium alloy: an interface study. J 
Biomed Mater Res 1991;25(1):53-65. 
[6] Overgaard S, Soballe K, Josephsen K, Hansen ES, 
Bunger C.Role of different loading conditions on 
resorption of hydroxyapatite coating evaluated by 
histomorphometric and stereological methods. J 
Orthop Res 1996;14(6):888-94. 
[7] Kangasniemi IM, Verheyen CC, van der Velde 
EA, de Groot K. In vivo tensile testing of 
fluorapatite and hydroxylapatite plasmasprayed 
coatings. J Biomed Mater Res 1994;28(5):563-72. 
[8] Wang XX, Hayakawa S, Tsuru K, Osaka A. 
Improvement of bioactivity of H(2)O(2)/TaCl(5)-
treated titanium after subsequent heat treatments. 
J Biomed Mater Res 2000;52(1):171-6. 
[9] Nishio K, Neo M, Akiyama H, Nishiguchi S, Kim 
HM, Kokubo T, et al. The effect of alkali- and 
heat-treated titanium and apatite-formed titanium 
on osteoblastic differentiation of bone marrow 
cells. J Biomed Mater Res 2000;52(4):652-61. 
[10] Kim HM, Takadama H, Miyaji F, Kokubo T, 
Nishiguchi S, Nakamura T. Formation of 
bioactive functionally graded structure on Ti-6Al-
 64 
Journal of Transportation Science and Technology, Vol 32, May 2019 
4V alloy by chemical surface treatment. J Mater 
Sci Mater Med 2000;11(9):555-9. 
[11] Wang XX, Hayakawa S, Tsuru K, Osaka A. A 
comparative study of in vitro apatite deposition on 
heat-, H(2)O(2)-, and NaOH-treated titanium 
surfaces. J Biomed Mater Res 2001;54(2):172-8. 
[12] Kaneko S, Tsuru K, Hayakawa S, Takemoto S, 
Ohtsuki C, Ozaki T, et al. In vivo evaluation of 
bone bonding of titanium metal chemically 
treated with a hydrogen peroxide solution 
containing tantalum chloride. Biomaterials 
2001;22(9):875-81. 
[13] Wang XX, Yan W, Hayakawa S, Tsuru K, Osaka 
A. Apatite deposition on thermally and anodically 
oxidized titanium surfaces in a simulated body 
fluid. Biomaterials 2003;24(25): 4631-7. 
[14] Zhao JM, Tsuru K, Hayakawa S, Osaka A. 
Modification of Ti implant surface for cell 
proliferation and cell alignment. J Biomed Mater 
Res A 2008;84(4):988-93.
[15] Rakngarm A, Miyashita Y, Mutoh Y. Formation 
of hydroxyapatite layer on bioactive Ti and Ti-
6Al-4V by simple chemical technique. J Mater Sci 
Mater Med 2008;19(5):1953-61. 
[16] Wang XX, Hayakawa S, Tsuru K, Osaka A. 
Bioactive titania-gel layers formed by chemical 
treatment of Ti substrate with a H2O2/HCl 
solution. Biomaterials 2002;23(5):1353-7 
 Ngày nhận bài: 2/4/2019 
 Ngày chuyển phản biện: 5/4/2019 
 Ngày hoàn thành sửa bài: 26/4/2019 
 Ngày chấp nhận đăng: 3/5/2019