Ứng dụng kỹ thuật phân tích không phá hủy xác định thành phần và tính chất của vật liệu dùng trong chế tạo ống phóng tên lửa KH-35E - Phan Thị Bích Thủy

Nghiờn cứu khoa học cụng nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số 32, 08 - 2014 153 ứng dụng kỹ thuật phân tích không phá hủy xác định thành phần và tính chất của vật liệu dùng trong chế tạo ống phóng tên lửa Kh-35E Phan Thị Bích Thủy, trần văn chung, nguyễn thu hương, khuất hoàng bình Tóm tắt: Do yêu cầu không được phá hủy mẫu, ống phóng tên lửa KH-35E với kích thước lớn đã được phân tích xác định thành phần, tính chất vật lý và cấu trúc của vật liệu dùng trong chế tạo ống phóng bằng kỹ thuật không phá hủy nhờ thiết bị đo tại hiện trường (PMI-UV Plus). Kết quả phân tích chỉ ra rằng vật liệu dùng chế tạo ống phóng là hợp kim nhôm biến dạng mác AMг6 theo ГOCT 4784-97, nhờ đó có thể đánh giá chế độ công nghệ chế tạo vật liệu của ống phóng tên lửa KH-35E. Từ khóa: Ống phóng, Phân tích không phá hủy, Hợp kim nhôm. 1. mở đầu ống phóng tên lửa KH-35E (hình 1) có thân vỏ gồm 3 phân khúc: ống trước, ống sau và ống giữa cùng hai khung gá ngang, nắp trước, nắp sau. Hình 1. ống phóng tên lửa KH-35E. 1. Nắp trước; 2. Công tắc hành trình; 3. Bu lông nổ; 4. Ray dẫn hướng; 5. Con đội trước; 6. Nắp cơ cấu đấu cáp; 7. Thân vỏ; 8. Hộp liên kết; 9. Con đội sau; 10. Nắp sau. ống phóng tên lửa KH-35E có kích thước lớn (chiều dài: 4690 mm, chiều rộng: 892 mm, chiều cao: 992 mm) lại không được phép phá hủy mẫu, vì vậy, không thể xác định bằng các phương pháp thông thường trong phòng thí nghiệm. Bài báo này giới thiệu các kết quả phân tích xác định thành phần và cấu trúc của vật liệu dùng để chế tạo ống phóng (phần thân vỏ) tên lửa KH-35E bằng kỹ thuật phân tích không phá hủy mẫu, sử dụng các thiết bị phân tích hiện trường. Các kết quả phân tích về thành phần hóa học, cấu trúc và độ cứng cho biết vật liệu chế tạo ống phóng tên lửa KH-35E có thành phần và tính chất tương đương với hợp kim nhôm biến dạng AMг6 theo ГOCT 4784-97 và chế độ công nghệ dùng để chế tạo vật liệu này. 2. phương pháp Và THIếT Bị NGHIÊN CứU 2.1. Thiết bị nghiên cứu - Xác định thành phần hóa học của ống phóng tên lửa KH-35E bằng máy quang phổ phát xạ hiện trường PMI-UV Plus của Hãng Wass – Cộng hòa Liên bang Đức, quang phổ phát xạ trong môi trường khí argon. PMI-UV Plus phân tích thành phần kim loại và hợp kim (khoảng 20 nguyên tố, bao gồm cả cacbon), với độ chính xác cao (10-4M). Hóa học & Kỹ thuật môi trường P. T.B. Thủy, T.V. Chung, N.T.Hương, K.H. Bình, “ứng dụng kỹ thuật tên lửa KH-35E.” 154 - Cấu trúc của vật liệu được xác định bằng các thiết bị: Máy mài/đánh bóng cầm tay Transpol-2 (Zeiss) (Đức), kính hiển vi cầm tay PorterMet-Buehler (Struer) (Đan Mạch), kính hiển vi quang học Axiovert 40 MAT (Buehler) (Mỹ); - Độ cứng vật liệu được đo tại hiện trường bằng thiết bị đo độ cứng cầm tay TH130- Trung Quốc. 2.2. Phương pháp thực nghiệm 2.2.1. Phương pháp quang phổ phát xạ trên thiết bị PMI-UV Plus - Xử lý mẫu: Làm sạch bề mặt của mẫu cần phân tích và mài phẳng bằng giấy mài có độ nhám > 80 mesh dùng cho hợp kim nền Al cho đến khi bề mặt mẫu phẳng mịn và sạch lớp oxi hóa bên ngoài. Không sử dụng giấy mài cacbua-silic để mài mẫu, vì thành phần Si, C trong giấy mài sẽ ảnh hưởng đến kết quả phân tích. - Hiệu chỉnh thiết bị: Làm sạch điện cực vonfram trước khi hiệu chuẩn thiết bị và chỉnh điện cực sao cho góc ở đỉnh là 45o. Khi bắn mẫu phải điều chỉnh sao cho tiếp xúc giữa bề mặt mẫu và đầu súng bắn mẫu của thiết bị phải kín để giảm thiểu không khí lọt vào buồng adapter đầu súng. Dùng các mẫu chuẩn (được cung cấp kèm theo thiết bị để tái lập các đường chuẩn) để hiệu chuẩn thiết bị đến khi cường độ tín hiệu các nguyên tố nhận được phải ổn định mới bắn mẫu. Hàm lượng khí argon tối thiểu dùng cho phân tích phải đạt 99,999% với áp lực khí argon khi phân tích là: 5 ữ 5,5 bar. - Mẫu chuẩn dùng cho vật liệu kim loại nền nhôm là: RA 10/1- Nhôm nguyên chất, RA 18/41-Hợp kim Al/Si-Cu-Ni, RA 19/13- Hợp kim Al/Mg-Zn-Fe 2.2.2. Kỹ thuật Replica bề mặt Kỹ thuật Replica hiểu một cách đơn giản là kỹ thuật sao chép cấu trúc bề mặt của vật liệu bằng màng hay chất dẻo. Việc lấy mẫu thực hiện tại hiện trường mà không cần phá mẫu. Các mẫu Replica thu được sẽ phân tích, chụp ảnh trong phòng thí nghiệm bằng kính hiển vi quang học hay SEM [1 - 3]. - Xử lý mẫu: Mài bề mặt bằng giấy mài đến số 600 (1200) và đánh bóng bằng bột kim cương 6-3-1 m. Đánh bóng lại bằng dung dịch keo SiO2 để được bề mặt nhẵn hoàn toàn. Tẩm thực mẫu đã được làm nhẵn bằng dung dịch tẩm thực 0,5ml HF + 100ml nước tinh khiết để thấy được các phần tử quan tâm. - Lấy mẫu Replica: áp màng xenlulo axetat đã được làm mềm bằng dung môi axeton lên bề mặt mẫu. Để cải thiện độ phân giải, sơn mặt sau của màng với mực đen trước khi bóc nó ra khỏi bề mặt sao chép. Bóc màng đã khô ra khỏi bề mặt kim lọai, gắn nó lên tấm đế (kính). Bốc bay bề mặt cần nghiên cứu của mẫu Replica ban đầu bằng Cr, Al, hay Ag... để tăng độ tương phản. Phủ một lớp cacbon để tăng độ phản xạ của bề mặt. Đem chụp kim tương xác định cấu trúc tế vi. 3. Kết quả và thảo luận 3.1. Xác định thành phần hóa học và mác hợp kim của ống phóng tên lửa KH-35E Kết quả phân tích thành phần hóa học của ống phóng tên lửa kh-35E được trình bày trên bảng 1. Nghiờn cứu khoa học cụng nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số 32, 08 - 2014 155 Bảng 1. Kết quả phân tích thành phần hóa học của ống phóng. Mẫu Nguyên tố (%) Al Si Mn Ti Fe Cu Mg Be Zn Zr Khung ống phóng 93,0 0,233 0,581 0,0611 0,264 0,0128 5,59 0,0010 0,01 0,0031 Vỏ ống phóng 92,6 0,208 0,560 0,0472 0,317 0,0205 5,97 0,0017 0,01 0,0081 АМг5Мц (ГOCT 1583-93) 91,85 - 94,75 <0,3 0,4-1 0,05- 0,15 <0,5 <0,3 4,8- 6,3 - - <0,1 АМг6 (ГOCT 4784-97) 91,1- 93,68 <0,4 0,5- 0,8 0,02- 0,1 <0,4 <0,1 5,8- 6,8 0,0002- 0,005 <0,2 - Kết quả phân tích cho thấy: vật liệu chế tạo ống phóng là hợp kim nhôm, có thành phần hóa học tương đương mác АМг5Мц (АЛ28) theo ГOCT 1583-93 và mác АМг6 theo ГOCT 4784- 97 (Bảng 1). Vật liệu chế tạo vỏ, khung ống phóng yêu cầu phải có tính dẻo cao, tính hàn tốt. АМг5Мц là hợp kim nhôm đúc có độ giãn dài tương đối nhỏ (δ=3,5-5%), không thích hợp cho gia công biến dạng dẻo. АМг6 là hợp kim nhôm biến dạng, có tính dẻo cao, tính hàn tốt và tính chống ăn mòn cao. Từ đó có thể kết luận: vật liệu chế tạo ống phóng là hợp kim nhôm biến dạng АМг6 theo ГOCT 4784-97. 3.2. Khảo sát cơ tính Kết quả đo độ cứng của vỏ, khung ống phóng được trình bày trong bảng 2. Bảng 2. Độ cứng của vật liệu chế tạo ống phóng. TT Tên mẫu Độ cứng HB Lần 1 Lần 2 Lần 3 Trung bình 1 Khung ống phóng 83 84 86 84 2 Vỏ ống phóng 82 78 81 80 3 Hợp kim АМг6 (ГOCT 21631-76) - - - 65 Độ cứng của hợp kim chế tạo ống phóng lớn hơn nhiều so với độ cứng của phôi tấm hợp kim АМг6 ở trạng thái ủ của bán thành phẩm theo ГOCT 21631-76 (bảng 2), từ đó có thể kết luận vật liệu chế tạo ống phóng đã được hóa bền. Do hợp kim АМг6 thuộc hệ hợp kim không hóa bền bằng nhiệt luyện, nên với độ cứng lớn (80 và 84 HB) hợp kim chế tạo ống phóng đã được hóa bền bằng biến dạng dẻo (hợp kim ở trạng thái biến cứng). 3.3. Khảo sát tổ chức tế vi Tổ chức tế vi của vật liệu chế tạo ống phóng được thể hiện trên hình 2 và 3. Hình 2. Cấu trúc tế vi của vật liệu vỏ ống phóng với độ phóng đại khác nhau. 100x 200x 500x Hóa học & Kỹ thuật môi trường P. T.B. Thủy, T.V. Chung, N.T.Hương, K.H. Bình, “ứng dụng kỹ thuật tên lửa KH-35E.” 156 Hình 3. Cấu trúc tế vi của vật liệu khung ống phóng với độ phóng đại khác nhau. ảnh tế vi trên hình 2 và 3 cho thấy: - Vật liệu vỏ ống phóng (hình 2): nền là dung dịch rắn pha α, biên hạt xuất hiện rõ nét, pha liên kim β (Mg2Al3) nằm rải rác trên nền pha α. Cỡ hạt đạt cấp 7/14 theo ГOCT 21073.1-75. Hình dáng hạt đều chứng tỏ sau biến cứng vỏ ống phóng đã được xử lý nhiệt. - Vật liệu khung ống phóng (hình 3): nền là dung dịch rắn pha α, biên hạt xuất hiện rõ nét, pha liên kim β (Mg2Al3) nằm rải rác trên nền pha α, hạt bị kéo dài theo hướng biến dạng. Cỡ hạt đạt cấp 5/14 theo ГOCT 21073.1-75. 3.4. Đánh giá vật liệu chế tạo ống phóng và đề xuất công nghệ chế tạo Theo tiêu chuẩn Nga hợp kim nhôm АМг6 có thể được cung cấp ở các dạng bán thành phẩm sau: - Dạng ống với đường kính ngoài tối đa đến 300 mm theo ГOCT 18482-79; - Dạng thỏi theo ГOCT 21488-97; - Dạng định hình theo ГOCT 8617-81; - Dạng tấm với các kích thước khác nhau theo ГOCT 21631-76 (bảng 3). Bảng 3. Kích thước các phôi tấm hợp kim АМг6 theo ГOCT 21631-76 4. Trạng thái vật liệu Chiều dày tấm, mm Chiều rộng tấm, mm Chiều dày tấm, mm Không xử lý nhiệt Từ 5 đến 10 1000, 1200, 1400, 1500, 1600, 1800, 2000 Từ 2000 đến 7000 Sau khi ủ Từ 0,5 đến 0,7 1000, 1200, 1400, 1500, 1600 Từ 2000 đến 7000 Từ 0,7 đến 10,5 1000, 1200, 1400, 1500, 1600, 1800, 2000 Từ 2000 đến 7000 ống phóng có kích thước: chiều dài 4690mm, chiều rộng 892mm; gồm 3 phân khúc (ống trước, ống sau và ống giữa), cùng hai khung gá ngang (khung ống phóng). Căn cứ vào hình dạng và kích thước của vỏ, khung ống phóng cũng như tính chất cơ lý của vật liệu chế tạo (độ cứng, tổ chức tế vi) đề xuất các phôi hợp kim nhôm АМг6 thích hợp dùng để chế tạo sẽ là phôi dạng tấm theo ГOCT 21631-76 với chiều dày từ 0,7 đến 10,5 mm và trạng thái vật liệu là sau khi ủ (bảng 3). 200x 500x-2 100x 500x-1 Nghiờn cứu khoa học cụng nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số 32, 08 - 2014 157 4. Kết luận Vật liệu chế tạo ống phóng tên lửa KH-35E đã được phân tích bằng phương pháp không phá hủy để xác định thành phần, cấu trúc và tính chất của vật liệu có độ chính xác cao mà không làm ảnh hưởng đến mẫu phân tích. Từ các thông số phân tích so sánh với các tiêu chuẩn về vật liệu của Nga cho phép kết luận vật liệu dùng trong ống phóng tên lửa KH-35E là hợp kim nhôm biến dạng АМг6, đã được hóa bền bằng biến dạng dẻo (hợp kim ở trạng thái biến cứng). Với những kết quả thu được đã khẳng định, phương pháp này có thể áp dụng để nghiên cứu các vật liệu dùng trong những đối tượng có kích thước lớn, không thể thực hiện nghiên cứu khảo sát trong phòng thí nghiệm. Tài liệu tham khảo [1]. ASTM E 1351- 01 “Standard Practice for Production and Evaluation of Field Metallographic Replicas”, reapproved 2006, [2]. R. Viswanathan “Damage Mechanisms and Life Assessment of High Temperature Components”, ASM International, Metals Park, Ohio 44073, 1995, p 218-228, [3]. GB- TW 507 “Microstructure Rating Charts for Evaluating the Microstructure and Creep Damage of High- Temperature Steels for High- Pressure Piping and Boiler Components”, 2nd Edition, 2005. [4]. ГОСТ 4784-97, ГОСТ 1583-93, ГОСТ 21631-76, ГОСТ 18482-79, ГОСТ 21488-97, ГОСТ 8617-81. Abstract The application of no-destructive technology to determine component and properties of materials used in manufacturing KH- 35E rocket launcher To avoid destruction, the material of KH 35E rocket launcher with large dimension (4690 mm long, 892 mm wide and 992 mm high) is observed by no- destroying technology (using field emission spectrometer, portable optical microscope and hardness test device) to determine chemical composition, microstructure and hardness. Obtained results indicate that the material of the launcher is feasibly the Aluminum alloy AMr6 G0ST 4784-97, consequently, the mode of manufacturing technology of Kh-35E rocket launcher is proposed . Keywords: Rocket launcher, Non-destructive methods, Aluminium alloy. Nhận bài ngày 28 thỏng 04 năm 2014 Hoàn thiện ngày 01 thỏng 07 năm 2014 Chấp nhận đăng ngày 05 thỏng 07 năm 2014 Địa chỉ: Phòng Phân tích/Viện Hóa học - Viện KH-CNQS. Email: linhvu8896@yahoo.com