Ti6al4v là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa và ký hiệu

Ti6Al4V, còn được biết dưới tên Grade 5 theo tiêu chuẩn ASTM, là hợp kim titan hai pha (α+β) với thành phần cơ bản gồm khoảng 90% titan, 6% nhôm và 4% vanadi (wt%). Tên gọi quốc tế Ti–6Al–4V được 3GPP công nhận trong ngành hàng không và y sinh, đôi khi viết tắt là Ti64 (ASTM F1472).

Hợp kim này thuộc nhóm α+β, trong đó nhôm đóng vai trò ổn định pha α, còn vanadi ổn định pha β, cho phép cân bằng giữa độ bền kéo cao và độ dẻo dai cần thiết khi làm việc ở nhiệt độ lên đến 400 °C. Khả năng tương thích sinh học và khả năng chống ăn mòn ưu việt khiến Ti6Al4V trở thành lựa chọn hàng đầu cho cấy ghép y tế và chi tiết chịu lực trong động cơ phản lực.

Ký hiệu chính thức:

• Ti–6Al–4V: theo ký hiệu hợp kim quốc tế.
• Grade 5: theo tiêu chuẩn ASTM F1472/F136 (cấy ghép y tế).
• Ti64: tên gọi tắt trong ngành gia công và in 3D.

Thành phần hóa học và cấu trúc vi mô

Thành phần hóa học của Ti6Al4V được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo tính đồng nhất và tính chất cơ học ổn định. Bảng dưới đây tóm tắt giới hạn phần trăm khối lượng của các nguyên tố chính:

Nguyên tố	Giá trị (wt%)	Chú thích
Ti (Titan)	≥ 89,0	Nền hợp kim
Al (Nhôm)	5,5 – 6,75	ổn định pha α
V (Vanadi)	3,5 – 4,5	ổn định pha β
Fe (Sắt)	≤ 0,30	tạp chất
O (Oxy)	≤ 0,20	phụ gia cứng
C (Cacbon)	≤ 0,08	tạp chất
N (Nitơ)	≤ 0,05	tạp chất
H (Hyđrô)	≤ 0,015	tạp chất

Cấu trúc vi mô điển hình sau quá trình đúc và xử lý nhiệt gồm hạt pha α hình lưỡi kiếm phân bố trong ma trận pha β mịn. Kích thước và hình dạng của hạt pha α có thể điều chỉnh thông qua các quy trình xử lý nhiệt (solution treatment và aging), từ đó tối ưu độ bền kéo và độ dẻo dai.

• Pha α: bền, cứng, đảm bảo độ ổn định ở nhiệt độ thấp và chịu ăn mòn tốt.
• Pha β: dẻo dai, cho phép hấp thụ năng lượng va đập và chịu biến dạng lớn.
• Ranh giới pha: vai trò then chốt trong kiểm soát độ bền mỏi.

Các tính chất cơ học

Ti6Al4V kết hợp tỉ suất độ bền/trọng lượng cao với tính chống mỏi và chống ăn mòn vượt trội. Dưới đây là các chỉ số cơ bản:

Tính chất	Giá trị điển hình	Đơn vị
Độ bền kéo (Ultimate Tensile Strength)	900 – 1000	MPa
Giới hạn chảy (Yield Strength)	830 – 880	MPa
Độ giãn dài	10 – 15	%
Mô đun đàn hồi (Young’s Modulus)	110	GPa
Độ cứng Vickers	349	HV
Mật độ	4,43	g/cm³

Khả năng làm việc ở nhiệt độ lên đến 400 °C trong môi trường không chứa axit mạnh, cùng tỉ suất độ bền/trọng lượng gấp 2 lần thép và gấp 1,7 lần hợp kim nhôm, giúp Ti6Al4V được ưa chuộng trong ứng dụng hàng không và y sinh.

Phương pháp sản xuất và gia công

Ti6Al4V có thể được chế tạo qua nhiều phương pháp:

• Đúc chảy chân không (VIM – Vacuum Induction Melting): hòa tan titan và nguyên tố hợp kim trong buồng chân không, sau đó đúc tinh thể ban đầu.
• Đúc hồ quang chân không (VAR – Vacuum Arc Remelting): sử dụng hồ quang trong chân không để loại bỏ tạp chất và tăng độ đồng nhất nguyên tử.
• Rèn nóng và kéo nguội: gia công ở nhiệt độ cao (900 – 1100 °C) để phá vỡ tổ chức đúc, giảm khuyết tật và cải thiện tính cơ học.
• Gia công cắt gọt: cắt, tiện, phay đòi hỏi dụng cụ làm từ carbide phủ DLC hoặc PCD do tính cơ học cao và độ dẻo dai của hợp kim.

Trong sản xuất hiện đại, in 3D phương pháp đắp lớp laser (PBF-LB) cho phép tạo hình cấu trúc lưới nhẹ, giảm trọng lượng chi tiết và duy trì độ bền cao, mở ra khả năng tối ưu hóa thiết kế trong hàng không vũ trụ và y sinh.

Quy trình xử lý nhiệt

Quy trình xử lý nhiệt cho Ti6Al4V bao gồm hai bước chính: ủ dung dịch (solution treatment) và lão hóa (aging). Ủ dung dịch tại nhiệt độ 950–995 °C trong 1–2 giờ để hòa tan hoàn toàn pha β, sau đó làm nguội nhanh (water quench) để hình thành tổ chức martensite α′ mịn. Bước này tối ưu pha α′ cho độ bền kéo cao và độ dẻo vừa phải.

Giai đoạn lão hóa tiếp theo diễn ra ở 480–600 °C trong 4–8 giờ, cho phép pha β dư chậm rãi chuyển đổi thành pha α mịn và kết tủa Ti₃Al, cải thiện độ bền mỏi và độ cứng. Thời gian và nhiệt độ lão hóa có thể thay đổi để cân bằng giữa độ bền kéo (σ_UTS) và giới hạn chảy (σ_YP).

Bước	Nhiệt độ (°C)	Thời gian	Mục đích
Solution treatment	950–995	1–2 giờ	Hòa tan pha β, tạo α′ martensite
Quench	RT	—	Giữ pha α′ mịn
Aging	480–600	4–8 giờ	Kết tủa Ti3Al, ổn định pha

Quy trình này làm tăng độ bền kéo từ ~900 MPa lên tới ~1000 MPa, đồng thời duy trì độ giãn dài ≥10% và mô đun đàn hồi khoảng 110 GPa. Kiểm soát nhiệt độ và thời gian chính xác là chìa khóa để ngăn sự phát triển hạt α quá lớn, tránh giảm độ dẻo dai và khả năng chống va đập.

Khả năng chống ăn mòn

Ti6Al4V có khả năng chống ăn mòn xuất sắc nhờ lớp oxide TiO₂ tự nhiên bám chặt trên bề mặt, ngăn cản quá trình oxy hóa tiếp diễn. Trong môi trường chloride như nước biển, độ sét gỉ của Ti6Al4V thấp hơn nhiều so với thép không gỉ và hợp kim nhôm (Corrosion Science).

Xử lý bề mặt như anodizing trong acid phosphoric (tạo màng oxide dày 1–3 µm) hoặc phủ DLC (Diamond-Like Carbon) giúp tăng độ bền mòn mài mòn và giảm hệ số ma sát. Các thử nghiệm S-N trong môi trường NaCl 3,5% cho thấy tuổi mỏi của Ti6Al4V ít giảm so với môi trường khô, duy trì >10⁷ chu kỳ ở ứng suất dao động 400 MPa.

• Anodizing: tăng độ dày oxide, chống ăn mòn đột biến.
• Phủ DLC: cải thiện độ chống mài mòn và ma sát.
• Shot peening: tạo ứng suất nén bề mặt, tăng tuổi mỏi.

Ứng dụng chính

Ti6Al4V được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhờ sự kết hợp ưu việt giữa độ bền, trọng lượng nhẹ và khả năng chống ăn mòn:

• Hàng không vũ trụ: cánh quạt, khung động cơ, chi tiết chịu nhiệt độ 300–400 °C, giảm trọng lượng bay lên đến 30% so với thép.
• Y sinh: implant xương, khớp háng, nẹp vít cố định xương; sinh khả dụng cao, không gây phản ứng miễn dịch (FDA Medical Devices).
• Ô tô thể thao: piston, tay đòn treo, giảm trọng lượng xe và tăng hiệu suất nhiên liệu.
• Năng lượng: cánh tua-bin gió, van, bộ phận trao đổi nhiệt trong môi trường ăn mòn.

Trong y học, Ti6Al4V Grade 23 (ELI – Extra Low Interstitials) có hàm lượng O, C, N cực thấp, cải thiện độ dẻo và tương thích sinh học, được chỉ định cho cấy ghép lâu dài.

Tiêu chuẩn và chứng nhận

Ti6Al4V tuân thủ nhiều tiêu chuẩn quốc tế:

• ASTM F1472/F136: Grade 5 cho implant y sinh, kiểm soát tạp chất và tính cơ học.
• AMS 4928: chi tiết hàng không, yêu cầu nhiệt luyện và cơ tính.
• ISO 5832-3: hợp kim titan y sinh, tương thích sinh học và phép thử tĩnh cơ học.
• DIN 3.7165: hợp kim titan công nghiệp, giới hạn thành phần và quy trình sản xuất.

Các chứng nhận không phá hủy (UT, PT) và kiểm tra vi khuyết (microscopy, porosity) bắt buộc trước khi xuất xưởng, đảm bảo từng mẻ vật liệu đáp ứng yêu cầu ngành hàng không và y sinh.

Thách thức và xu hướng nghiên cứu

Gia công Ti6Al4V gặp khó khăn do độ bền và độ dẻo cao, dẫn đến mài mòn dụng cụ cắt nhanh và hệ số ma sát lớn. Nghiên cứu dụng cụ PCD (Polycrystalline Diamond) và phủ DLC giúp cải thiện tuổi thọ dao và chất lượng bề mặt gia công.

In 3D bằng PBF-LB (Laser Powder Bed Fusion) mở ra khả năng chế tạo cấu trúc lưới nhẹ, các chi tiết phức tạp, giảm trọng lượng đến 50% so với đúc truyền thống. Tuy nhiên cần tối ưu quy trình bột, quét laser và xử lý nhiệt sau in để đạt cơ tính tương đương vật liệu rèn.

• Additive Manufacturing: thiết kế topology optimization, lattice structure.
• Hợp kim thế hệ mới: giảm vanadi, bổ sung niobi hoặc zirconia, tối ưu khả năng xử lý và an toàn sinh học.
• Ứng dụng AI: mô phỏng vi mô và điều chế quy trình nhiệt, tối ưu tổ chức cho từng ứng dụng.

Nghiên cứu kết hợp mô phỏng phần tử hữu hạn (FEA) và dữ liệu thực nghiệm giúp dự báo độ bền mỏi, tối ưu hóa thiết kế chi tiết và quy trình xử lý, từ đó mở rộng ứng dụng Ti6Al4V trong các lĩnh vực mới.