Tổng hợp pha al65cu20fe15 khối đều 20 mặt bằng phản ứng trạng thái rắn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Tổng hợp pha Al65Cu20Fe15 khối 20 mặt phản ứng trạng thái rắn ĐẶNG THANH HUYỀN HUYEN.DT202191M@sis.hust.edu.vn Ngành Khoa học Vật liệu Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Thị Hoàng Oanh Chữ ký GVHD Viện: Khoa học Kỹ thuật Vật liệu HÀ NỘI, 08/2022 i CỘNG HÒA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn : Đặng Thanh Huyền Đề tài luận văn: Tổng hợp pha Al65Cu20Fe15 khối 20 mặt phản ứng trạng thái rắn Chuyên ngành: Khoa học Vật liệu Mã số SV: 20202191M Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày / / 2022 với nội dung sau: - Điểu chỉnh nội dung phần tổng quan ngắn phù hợp hơn; - Điều chỉnh lỗi tả, trình bày hình ảnh trích dẫn rõ ràng hơn, đánh số trích dẫn phù hợp hơn; - Điều chỉnh câu chữ, văn phong phù hợp theo cách viết văn phong khoa học; - Điều chỉnh thuật ngữ khoa học chuẩn xác, nội dung giải thích định nghĩa súc tích, dễ hiểu Ngày Giáo viên hướng dẫn tháng năm 2022 Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG ii ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Đề tài: Tổng hợp pha Al65Cu20Fe15 khối 20 mặt phản ứng trạng thái rắn Tác giả luận văn: Đặng Thanh Huyền Mã học viên: 20202191M Khóa: 2020B Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Thị Hoàng Oanh Viện Khoa học Kỹ thuật Vật liệu Giáo viên hướng dẫn Ký ghi rõ họ tên iii LỜI CẢM ƠN Lời xin chân thành cảm ơn cô PGS TS Nguyễn Thị Hoàng Oanh - Viện Khoa học Kỹ thuật vật liệu - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội dành nhiều thời gian, tâm sức, tận tình hướng dẫn, bảo, giúp đỡ tất lịng nhiệt huyết để hồn thành nghiên cứu luận văn sau năm nghiên cứu Tơi xin cảm ơn thầy PGS.TS.Nguyễn Hồng Việt hướng dẫn tơi phương pháp phân tích vật liệu hiệu Đồng thời, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Ban lãnh đạo quý thầy cô, cán trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Khoa học Kỹ thuật vật liệu suốt trình học tập nghiên cứu vừa qua tận tình giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi truyền thụ lại kiến thức, kinh nghiệm q báu nghành Vật liệu để tơi hồn thành chương trình Thạc sỹ Khoa học Viện Khoa học Kỹ thuật Vật liệu - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Nghiên cứu hỗ trợ phần kinh phí đề tài cấp Bộ Cơng thương mã số: ĐT.BO.107/21 hỗ trợ phần đề tài cấp Quỹ Phát triển Khoa học công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) mã đề tài: 103.022017.366 Tóm tắt nội dung luận văn Trong năm gần đây, giả tinh thể có nhiều nghiên cứu ứng dụng thành công giới Các ứng dụng thường gặp như: Sơn phủ bề mặt chống mài mòn, tạo lớp phủ cho dụng cụ nhà bếp, ứng dụng liên quan đến nhiệt kế, mặt trời quang học; ứng dụng bột mịn màng mỏng xúc tác; ứng dụng chế tạo cánh tourpine động hàng không Trong luận văn nghiên cứu cách thức tổng hợp pha Al65Cu20Fe15 khối 20 mặt phản ứng trạng thái rắn phù hợp với điều kiện nghiên cứu sẵn có Việt Nam mở hội nghiên cứu ứng dụng sau Học viên Đặng Thanh Huyền iv LỜI CAM ĐOAN Tôi, Đặng Thanh Huyền xin cam đoan: “Luận văn công trình nghiên cứu tơi hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Thị Hoàng Oanh” Các kết nêu báo cáo luận văn trung thực, không chép cơng trình khác Hà Nội, ngày 25 tháng 08 năm 2022 Học viên Đặng Thanh Huyền v MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN iv TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN iv LỜI CAM ĐOAN v DANH MỤC HÌNH VẼ vii DANH MỤC BẢNG ix KÝ HIỆU – VIẾT TẮT x CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU GIẢ TINH THỂ 1.1 Giới thiệu chung giả tinh thể 1.2 Tính chất giả tinh thể 1.3 Các ứng dụng tiềm giả tinh thể 17 1.4 Phương pháp chế tạo giả tinh thể 21 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP HỢP KIM HÓA NGHIỀN CƠ HỌC 24 2.1 Nguyên lý phương pháp nghiền học 24 2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình nghiền học 27 2.3 Chế tạo giả tinh thể Al – Cu – Fe phương pháp nghiền học30 CHƯƠNG QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM 36 3.1 Quy trình thực 36 3.2 Các công cụ dụng cụ phục vụ thực nghiệm 37 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 43 4.1 Hợp kim Al – Cu – Fe với tốc độ nghiền 600rpm 43 4.2 Hợp kim Al – Cu – Fe với tốc độ nghiền 500rpm 54 4.3 Hình thái học mẫu giả tinh thể 20 mặt ảnh SEM 62 4.4 Kết luận 62 4.5 Cơng trình khoa học cơng bố 63 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Hình ghép Penrose hình với đối xứng trục bậc có trật tự tầm xa (long-range order) song khơng có chu kỳ tịnh tiến Hình 1.2 Sự tịnh tiến mặt phẳng vật liệu QC [5] Hình 1.3 Tự đồng dạng theo kích thước Kích thước tuyến tính hình ngũ giác τ cịn kích thước diện tích τ [1] Hình 1.4 Giả tinh thể giả ổn định tương đương cấu trúc tinh thể Al12W [9] Hình 1.5 Ảnh hiển vi điện tử quét giả tinh thể ổn định (a) hợp kim AlCu-Fe khối 20 mặt (b) hợp kim Al-Ni-Co mười cạnh [9] Hình 1.6 Các dạng đối xứng trục (hay bậc đối xứng) Hình 1.7 a) Mẫu nhiễu xạ điện tử lượng thấp dạng mặt đối xứng trục bậc pha tinh thể 20 mặt giả tinh thể Al–Pd–Mn, tồn mẫu năm cạnh biểu đối xứng trục bậc nhìn thấy rõ [19, 20] b) Sơ đồ minh họa tự tương tự tương thích mẫu nhiễu xạ đặc trưng hệ giả tinh thể 20 mặt cạnh dọc theo trục vùng bậc [11] 10 Hình 1.8 So sánh điện trở suất số pha giả tinh thể ổn định nguyên tố cấu thành chúng.[11] 11 Hình 1.9 So sánh điện trở suất giả tinh thể nhóm vật liệu quan tâm mặt công nghệ.[11] 11 Hình 1.10 Độ từ thẩm/thuận từ QC 20 mặt, thay đổi thuận nghịch/hai chiều với nhiệt độ (sau nung chảy cô đặc khơng dẫn đến thay đổi vĩnh viễn từ tính)[14] 17 Hình 1.11 Sơ đồ tính chất vật lý vật liệu tổ hợp giả tinh thể Al so với hợp kim Al thông thường 18 Hình 2.1.Sơ đồ chuyển động bi nghiền hỗn hợp bột[21, 22] 24 Hình 2.2 Giai đoạn đầu nghiền bi 25 Hình 2.3 Giai đoạn trung gian trình nghiền 26 Hình 2.4 Giai đoạn cuối trình nghiền 26 Hình 2.5 Giản đồ thành phần pha hệ Al-Cu-Fe 31 Hình 2.6.Biểu đồ pha giả hai nguyên dọc theo đường thành phần Al65Cu35xFex(x = 0–20 at.%) [5, 26] 31 Hình 2.7 Sự phụ thuộc nhiệt độ vào điện trở suất ρ pha tinh thể AlCu-Fe Al-Cu-Ru [29] 32 Hình 3.1.Máy cân điện tử số DH-8068, 20g sai số 0.001g 38 Hình 3.2.Máy nghiền hành tinh có chế độ làm mát tài nguyên thực nghiền 39 vii Hình 3.3.Máy quang phổ nhiễu xạ Xray (XRD) 40 Hình 3.4.Máy hiển vi điện tử quét 41 Hình 3.5.Máy phân tích nhiệt 41 Hình 3.6.Máy đo từ kế mẫu rung VSM 42 Hình 4.1.Mẫu nhiễu xạ tia X sau thực nghiền với tốc độ 600rpm với khoảng thời gian khác 44 Hình 4.2.Ảnh SEM mẫu nghiền độ phóng đại 200 3000 lần 45 Hình 4.6 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu bột nghiền 120 phút ủ nhiệt độ khác 50 Hình 4.7 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu bột nghiền 120 phút ủ 800°C 4h, 6h, 8h 50 Hình 4.8 Đường cong từ trễ bột nghiền 120 phút ủ h h 51 Hình 4.9 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu bột sau nghiền 30 phút ủ điều kiện khác 52 Hình 4.10 Đường cong từ trễ bột nghiền 30 phút ủ h nhiệt độ 600 700℃ 53 Hình 4.11 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu bột nghiền tốc độ 500 vòng/phút với thời gian nghiền khác 55 Hình 4.12 Ảnh SEM mẫu bột nghiền tốc độ nghiền 500 vòng/phút với thời gian khác 56 Hình 4.13 Các vị trí lấy phổ EDS mẫu nghiền 30 phút 56 Hình 4.14 Giản đồ EDS mẫu nghiền 30 phút tốc độ 500 vòng/phút 57 Hình 4.15 Đường cong DSC mẫu bột nghiền thời gian 15, 30, 45 phút h tốc độ nghiền 500 vòng/phút 58 Hình 4.16 Giản đồ nhiễu xạ tia XRD mẫu nghiền 30 phút với tốc độ 500 vòng/phút mẫu ủ 4h với thời gian khác 59 Hình 4.17 Đường cong M-H mẫu bột nghiền 30 phút 500 vòng/phút ủ 700°C 61 Hình 4.18 Ảnh SEM pha giả tinh thể khối 20 mặt Al65Cu20Fe15 62 viii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Một số hệ hợp kim có cấu trúc 20 mặt đều, 8, 10, 12 cạnh [5] Bảng 1.2 Tính chất liên quan đỉnh, cạnh, mặt, góc khối da diện[10] Bảng 1.3 Độ dẫn nhiệt vật liệu công nghiệp giả tinh thể 13 Bảng 1.4 So sánh tính chất học bề mặt giả tinh thể vật liệu phổ biến 14 Bảng 1.5 Các phương pháp chế tạo pha giả tinh thể[5] 22 Bảng 2.1.Một số máy nghiền sử dụng[21] 27 Bảng 2.2.Bảng số chất trợ nghiền thường sử dụng [19] 28 Bảng 3.1.Bảng thông tin hỗn hợp bột kim loại 37 Bảng 4.1: Tỷ trọng thành phần nguyên tố điểm đo EDS 47 Bảng 4.2: Thành phần phần trăm nguyên tố khơng tính Oxi 47 Bảng 4.3 Tỷ phần pha giả tinh thể với điều kiện ủ khác 50 Bảng 4.4 Một số thơng số từ tính mẫu bột nghiền 120 phút tốc độ 600 vòng/phút 51 Bảng 4.5 Tỷ phần pha giả tinh thể sau nghiền hỗn hợp bột 30 phút với tốc độ 600 vòng/phút ủ nhiệt 600 700 oC 53 Bảng 4.6.Kết độ từ hóa bão hịa bột nghiền 30 phút ủ h nhiệt độ 600 700℃ 54 Bảng 4.7 Phần trăm thành phần nguyên tố sau nghiền 30 phút tốc độ 500 vòng/phút 57 Bảng 4.8 Phần trăm thành phần ngun tố khơng tính tạp chất 57 Bảng 4.9 Thành phần phần trăm pha giả tinh thể mẫu 30 phút 500 vòng/phút ủ h 60 ix KÝ HIỆU – VIẾT TẮT Ký hiệu - viết tắt Giải nghĩa QC Giả tinh thể MA Hợp kim hóa học FE-SEM Hiển vi điện tử quét phát xạ trường XRD Nhiễu xạ tia X DSC Nhiệt lượng kế quét vi sai SLR Lỏng nguội x Origin Jade hàm lượng pha giả tinh thể (i-pha ω pha) mẫu sau ủ nhiệt nêu bảng 4.9 Hàm lượng pha giả tinh thể cao mẫu nghiền 700 oC 85% Ủ mẫu nhiệt độ thấp 600 oC cho thấy hàm pha giả tinh thể đạt 60% Với nhiệt độ ủ cao 800°C hàm lượng pha giả tinh thể giảm (25%), píc nhiễu xạ cho thấy chủ yếu pha β Bảng 4.9 Thành phần phần trăm pha giả tinh thể mẫu 30 phút 500 vòng/phút ủ h Nhiệt độ ủ Phần trăm pha QC (%) 600°C 60 700°C 85 800°C 25 60 Tính chất từ pha giả tinh thể mẫu nghiền 30 phút nghiền tốc độ 500 vòng/phút Đường cong từ trễ M-H mẫu nghiền (đường mầu đen) mẫu sau ủ 700 oC (đường mẫu đỏ) Hình 4.17 Độ từ hóa bão hịa giảm sau ủ, lực kháng từ tăng lên Mẫu sau ủ có lực kháng từ 74,2 Oe đặc trưng vật liệu từ mềm Hình 4.14 Đường cong M-H mẫu bột nghiền 30 phút 500 vòng/phút ủ 700°C 61 4.3 Ảnh SEM hình thái học mẫu giả tinh thể 20 mặt Ảnh hiển vi điện tử quét SEM Hình 4.18 mẫu nghiền 30 phút tốc độ 500 vòng/phút, ủ 700 °C 4h khối 20 mặt Al65Cu20Fe15 Ảnh SEM tương tự với ảnh mẫu giả tinh thể Eckert đồng nghiệp chế tạo [40, 47] Hình 4.15 Ảnh SEM pha giả tinh thể khối 20 mặt Al65Cu20Fe15 4.4 Kết luận Pha giả tinh thể tạo sau nghiền hỗn hợp bột Al, Cu Fe 30 120 phút với tốc độ nghiền 500 600 vòng/phút kết hợp ủ nhiệt Mẫu bột Al, Cu Fe nghiền 30 phút với tốc độ 500 vịng/phút ủ nhiệt 700℃ h có tỷ phần pha giả tinh thể 85% cao so với mẫu ủ chế độ khác Mẫu bột Al, Cu Fe nghiền 30 phút với tốc độ 600 vịng/phút 700℃ có tỷ phần pha giả tinh thể 64% cao so với mẫu ủ chế độ khác 62 Đường cong từ trễ mẫu bột giả tinh thể sau tạo thành từ trình nghiền ủ nhiệt có dạng vật liệu từ mềm Khi tăng thời gian ủ mẫu độ từ hóa bão hịa giảm Ảnh cấu trúc giả tinh thể 20 mặt Al65Cu20Fe15 tìm thấy phương pháp SEM, mẫu ủ 700 oC h 4.5 Cơng trình khoa học cơng bố TT Tên báo The formation of Al-Cu-Fe quasicrystal phase by mechanical alloy and subsequent heat treatment Là tác giả đồng tác giả Đồng tác giá 63 Nơi công bố Thời gian công bố Hội nghị khoa học chất rắn 15/08/2022 vật liệu tồn quốc TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Đề tài: Tổng hợp pha Al65Cu20Fe15 khối 20 mặt phản ứng trạng thái rắn Tác giả luận văn: Đặng Thanh Huyền Mã học viên: 2020191M Khóa: 2020B Hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Thị Hồng Oanh Từ khóa (Keyword): Hợp kim hóa học, giả tinh thể, vơ định hình, tinh thể hóa, xử lý nhiệt, ổn định nhiệt, phân tích nhiệt, nhiễu xạ tia X, I Lý chọn đề tài Hơn 35 năm 11000 công bố sau Dan Shechtman phát giả tinh thể, người ta biết nhiều xuất hiện, hình thành, độ ổn định, cấu trúc tính chất vật lý chúng Trong năm gần đây, nhu cầu phát triển mạnh mẽ vật liệu kết cấu tiên tiến với đặc tính chức độ bền cao, bền nhiệt nhiệt độ cao, bền mỏi cao, bị ăn mòn thấp mài mòn thấp Điều ứng dụng thực tế vật liệu chức giúp tiết kiệm khối lượng vật liệu, giảm chi phí vật liệu lượng q trình sản xuất vật liệu tiết kiệm lượng tiêu thụ trình sử dụng thực tế Bên cạnh đó, vật liệu nhẹ với khả chống ăn mịn cao chống mài mịn cao có hiệu việc tăng giới hạn độ bền làm bóng sản phẩm cuối Do đó, ngày việc phát triển hợp kim sở Al có đồng thời đặc tính chức mơ tả đặc biệt quan trọng Thời gian gần đây, giả tinh thể có nhiều nghiên cứu ứng dụng thành công giới Các ứng dụng thường gặp ứng dụng dạng sơn phủ khác bao gồm phủ chống mài mịn ví dụ dụng cụ nhà bếp, ứng dụng liên quan đến nhiệt kế, mặt trời ứng dụng quang học khác, ứng dụng bột mịn màng mỏng xúc tác, ứng dụng chế tạo cánh tourpine động hàng không Tại Việt Nam, ứng dụng vật liệu 64 giả tinh thể vô quan tâm với thành công nghiên cứu giả tinh thể hệ Al-Cu-Fe II Mục đích nghiên cứu luận văn Mục đích nghiên cứu: Nghiên cứu, chế tạo vật liệu giả tinh thể hệ Al65Cu20Fe15 phương pháp hợp kim hóa học phương pháp nghiền học kết hợp với xử lý nhiệt phương pháp ủ Phạm vi đối tượng nghiên cứu: Hợp kim sở Al, Fe, Cu tổng hợp phương pháp nghiền học với thời gian khác nhau: 15, 30, 60, 120 phút với tốc độ nghiền 500 600 vòng/phút Sau nghiền học, thực kết hợp xử lý nhiệt phương pháp Ủ mẫu nhiệt độ 600, 700 800 ℃ để tạo hợp kim giả tinh thể III Các nội dung đóng góp tác giả Pha giả tinh thể không tạo trực tiếp phương pháp nghiền mà cần kết hợp với xử lý nhiệt Hỗn hợp bột (Al, Fe, Cu) nghiền 30 phút với tốc độ 500 vòng/phút kết hợp ủ 600, 700 800℃ nhận pha giả tinh thể Mẫu nghiền tốc độ 500 vịng/phút có phần trăm pha giả tinh thể (i-pha ω pha) cao 85% Hỗn hợp bột (Al, Fe, Cu) nghiền tốc độ 600 vòng/phút kết hợp ủ 600, 700 800℃ nhận pha giả tinh thể Với thời gian nghiền 30 phút, nhiệt độ ủ 700 ℃ h thu hàm lượng pha giả tinh thể cao 64% Đường cong từ trễ mẫu bột (Al, Cu, Fe) nghiền tốc độ 500 600 vịng/phút có dạng vật liệu từ mềm IV Phương pháp nghiên cứu Nội dung nghiên cứu thực phương pháp thực nghiệm sử dụng máy nghiền hành tinh nghiền hỗn hợp bột với thành phần Al65Cu20Fe15 Xử lý nhiệt phương pháp Ủ mẫu nhiệt độ thời 65 gian khác Phân tích thành phần pha phương pháp nhiễu xạ tia X, quan sát hình thái học thành phần nguyên tố máy hiển vi điện tử quét SEM/EDX; xác định hiệu ứng nhiệt máy phân tích nhiệt DSC, đường cong từ trễ máy từ kế mẫu rung VSM V Kết luận Pha giả tinh thể hình thành sau nghiền 30 120 phút kết hợp xử lý nhiệt phương pháp ủ tốc độ nghiền 500 600 vòng/phút Mẫu bột nghiền 30 phút 500 vòng/phút ủ 700 ℃ h có tỷ phần pha giả tinh thể cao (85%) Mẫu bột nghiền 30 phút 600 vòng/phút ủ 700 ℃ h có tỷ phần pha giả tinh thể cao (64%) Vật liệu giả tinh thể có đường cong từ trễ vật liệu từ mềm Khi tăng thời gian ủ mẫu độ từ hóa bão hịa giảm Đã quan sát hình thái giả tinh thể 20 mặt Al65Cu20Fe15 phương pháp SEM, mẫu nghiền 30 phút tốc độ 500 vòng/phút ủ 700 oC h 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO Giả tinh thể; Khoa học công nghệ 26/12/2011; Available from: https://tiasang.com.vn/khoa-hoc-cong-nghe/gia-tinh-the-4761 Steurer, W., Quasicrystals: What we know? What we want to know? What can we know? Acta Crystallographica Section A, 2018 74(1): p 1-11 D Shechtman and C.I Lang, Mater Res Soc Bull 11 1997: p 40-42 Sordelet, J and J.M Dubois, Mater Res Soc Bull 11 1997: p 34-37 Huttunen-Saarivirta, E., Microstructure, fabrication and properties of quasicrystalline Al–Cu–Fe alloys: a review Journal of Alloys and Compounds, 2004 363(1): p 154-178 Yadav, T.P., et al., Studies on the formation and stability of nano-crystalline Al50Cu28Fe22 alloy synthesized through high-energy ball milling Materials Science and Engineering: A, 2005 393(1): p 366-373 C Giacovazzo, et al., Fundamentals of Crystallography 1992 J Hafner and C Opin, Solid State Mater, Sci 1999: p 289-294 Tsai, A.P., Metallurgy of Quasicrystals: Alloys and Preparation MRS Bulletin, 1997 22(11): p 43-47 10.Các tính chất đặc trưng Euler 11.Macia, E., J.-M Dubois, and P Thiel, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry 2008 12 Roche, S., G Trambly de Laissardière, and D Mayou, Electronic transport properties of quasicrystals Journal of Mathematical Physics, 1997 38(4): p 1794-1822 13.Janot, C., Conductivity in quasicrystals via hierarchically variable-range hopping Physical Review B, 1996 53(1): p 181-191 14.Janot, C., The Properties and Applications of Quasicrystals Europhysics News, 1996 27: p 60-64 15.Jenks, C.J and P.A Thiel, Surface Properties of Quasicrystals MRS Bulletin, 1997 22(11): p 55-58 67 16.Dubois, J.-M., et al., Friction and fretting on quasicrystals under vacuum Journal of Non-Crystalline Solids, 2004 334: p 475-480 17.Jazbec, S., The Properties and Applications of Quasicrytal December,2009: University of Ljubljana, Ljubljana 18.Kaloshkin, S.D., V.V Tcherdyntsev, and V.D Danilov, Preparation of AlCu-Fe quasicrystalline powdered alloys and related materials by mechanical activation Crystallography Reports, 2007 52(6): p 953-965 19.Lü, L and M.O Lai, Mechanical Alloying ed 1998 20.Ali, F., et al., Mechanically driven phase transformation in single phase Al62.5Cu25Fe12.5 quasi-crystals: Effect of milling intensity Acta Materialia, 2013 61(10): p 3819-3830 21.Suryanarayana, C., Mechanical Alloying And Milling 1st Edition ed 2004: Physical Sciences 488 22.Sundaresan, R and F.H Froes, Mechanical Alloying JOM, 1987 39(8): p 22-27 23.Lee, C.H., T Fukunaga, and U Mizutani, Temperature dependence of mechanical alloying and grinding in Ni-Zr, Cu-Ta and Fe-B alloy systems Materials Science and Engineering: A, 1991 134: p 1334-1337 24.Tcherdyntsev, V.V., et al., Al–Cu–Fe QUASICRYSTALLINE PHASE FORMATION BY MECHANICAL ALLOYING Materials and Manufacturing Processes, 2002 17(6): p 825-841 25.Srinivas, V., P Barua, and B.S Murty, On icosahedral phase formation in mechanically alloyed Al70Cu20Fe10 Materials Science and Engineering: A, 2000 294-296: p 65-67 26.Yokoyama, Y., et al., Production of single Al64Cu23Fe13 icosahedral quasicrystal with the Czochralski method Materials Science and Engineering: A, 2000 294-296: p 68-73 27.Kimura, K., et al., Preparation and electrical properties of aluminium-based ternary and quaternary quasi-crystals Materials Science and Engineering, 1988 99(1): p 435-438 68 28.Rapp, Ö., Electronic transport properties of quasicrystals: the unique case of the magnetoresistance Materials Science and Engineering: A, 2000 294296: p 458-463 29.Tamura, R., et al., Electrical conductivity and Hall effect of Al65Cu20Ru15 and Al65Cu20Fe15 quasi-crystals Materials Science and Engineering: A, 1994 181-182: p 794-797 30 Travessa, D.N., et al., The formation of quasicrystal phase in Al-Cu-Fe system by mechanical alloying Mat Res, 2012 31 and, J.E and L Schultz, Formation of quasicrystals by mechanical alloying Apply Physic Letter, 1989 55: p 117 32 Dilermando Nagle Travessa, Kátia Regina Cardoso, Witor Wolf, Alberto Moreira Jorge Jr, Walter José Botta, The Formation of Quasicrystal Phase in Al-Cu-Fe System By Mechanical Alloying; Materials Research 2012; 15(5): 749-752 33.Aghaali, V., et al., Effect of mechanical alloying and preheating treatment on the phase transformation of the Al–Cu–Fe compacts annealed by microwave radiation Journal of Materials Research and Technology, 2021 12: p 749759 34.Oanh, N.T.H., Hội nghị vật lý chất rắn khoa học vật liệu toàn quốc Hội nghị vật lý chất rắn khoa học vt liu ton quc 35.Dăobelin, N., Profex BGMN User Manual 3.8.0 ed February 20, 2016 84 36.Cách sử dụng kính hiển vi điện tử SEM 37.Cách sử dụng máy phân tích XRD 38.Cách sử dụng máy phân tích nhiệt DSC 39.Cách đo từ kế mẫu rung VSM 40.Eckert, J., L Schultz, and K Urban, Formation of quasicrystalline and amorphous phases in mechanically alloyed Al- -based alloys Acta Metallurgica et Materialia, 1991 39(7): p 1497-1506 41 Travessa, D., et al., The Formation of Quasicrystal Phase in Al-Cu-Fe System By Mechanical Alloying Materials Research, 2012 15: p 749-752 42 Ứng dụng phương pháp Rietveld 69 43 Roy, M., Formation and magnetic properties of mechanically alloyed Al65Cu20Fe15 quasicrystal Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2006 302(1): p 52-55 44 WIkipedia Origin (data and analysis software) Available from: https://en.wikipedia.org/wiki/Origin_(data_analysis_software) 45 Giới thiệu phần mềm profex 46 Yong, X., I.T Chang, and I.P Jones, Formation of a quasicrystalline phase in mechanically alloyed Al65Cu25Fe15 Journal of Alloys and Compounds, 2005 387(1-2): p 128-133 47 Mitka, M., et al., Microstructure of mechanically alloyed and annealed Al62Cu25.5Fe12.5 powder Journal of Alloys and Compounds, 2015 653: p 47-53 70 Hội nghị Vật lý Chất rắn Khoa học Vật liệu Toàn quốc – SPMS 2021 THE FORMATION OF Al-Cu-Fe QUASICRYSTAL PHASE BY MECHANICAL ALLOYING AND SUBSEQUENT HEAT TREATMENT Nguyen Thi Hoang Oanh, Do Nam Binh, Dang Thanh Huyen, Nguyen Cao Son, Trinh Van Trung, Le Hong Thang, Nguyen Mai Phuong, Nguyen Hoang Viet* School of Materials Science and Engineering, Hanoi University of Science and Technology, No 1, Dai Co Viet street, Hanoi 100000, Vietnam *Email: viet.nguyenhoang@hust.edu.vn Abstract In this study, mechanical alloying and additional heat treatment was applied to produce a quasicrystal phase in the Al-Cu-Fe system An elemental powder mixture of Al65Cu20Fe15 composition (in at%) was milled using a highenergy planetary ball mill (AGO-2) The quasicrystalline phase formation did not directly occur after milling for 120 at a high rotation speed of 600 rpm However, the phase transformation from pure elements to a quasicrystalline phase were identified by heat treatments in the 600 to 800 °C temperature range The microstructure of as-milled powders with different milling times and the subsequent annealing was characterized by X-ray diffraction (XRD), Differential scanning calorimetry (DSC), scanning electron microscopy (SEM) Vibrating sample magnetometry (VSM) was also used to investigate the magnetic property Keywords: Quasicrystal Al-Cu-Fe, mechanical alloying, x-ray diffraction, thermal analysis INTRODUCTION atomization, and mechanical alloying (MA) [6] Among these techniques, MA proves greatly advantageous in producing large amounts of powder, which is suitable for the scalable and insustrial applications The mechanism of quasicrystal formation is determined by the milling parameters, including material of the milling media, the process control agents and milling atmosphere, time, and energy of the milling process It was found that mechanical milling of the element Al-Cu-Fe does not always result in quasicrystal formation J Eckert el al [7] milled the composition of Al65Cu20Fe15 until 374 h and found that the thermal conditions during the milling process are not sufficient to achieve the quasicrystal phase The icosahedral phase can only be obtained after additional annealing at several hundred degrees centigrade Contrary to the results obtained by Eckert et al., Mikołaj Mitka et al [8] have reported that icosahedral i-phase forms directly after milling Al62Cu25.5Fe12.5 powders at 350 rpm for 10 h X Yong et al [9] also investigated Al65Cu20Fe15 alloy by mechanical alloying and realized that the icosahedral QC-phase did not form directly from the milling process, and long-time milling resulted in the formation of β-phase However, a suitable milling procedure promoted the formation of QC after subsequent annealing at a lower temperature P Barua et al [10] observed i-phase form by the peritectic reaction between Al2Cu and β-phases The quasicrystalline phase In recent years, development of advanced structural materials with functional properties such as high specific strength, high elevated temperature specific strength, high fatigue specific strength, low corrosion loss, and low wear loss, has been in high demand [1, 2] These functional structure materials are expected to reduce material’s cost and energy during material production as well as the saving of consuming energy during practical uses Besides, lightweight, corrosion resistant, and wear resistant materials are effective for the increase of endurance limit and the lightening of final products Therefore, the development of novel Al-based alloys with the above functional properties is particularly important Quasicrystals (QCs) in Al-based alloys containing transition metals possess unique properties such as high hardness, low surface energy, good wear resistance, low friction coefficient, and low thermal and electrical conductivity These properties make the QCs suitable for coating or reinforcement in metal matrix composites applications [3, 4] Among Al-based alloy systems, stable quasicrystals in Al-Cu-Fe system are attractive to study due to their low cost, easily accessible, and nontoxic components [5] There are several techniques for the preparation of quasicrystalline phases, such as melt spinning, conventional casting, gas 939 Hội nghị Vật lý Chất rắn Khoa học Vật liệu Toàn quốc – SPMS 2021 is not stable during the milling process and transforms to other structures such as amorphous or bcc phase It is better to produce quasicrystalline phase by combination of mechanical alloying and heat treatment [8] and Fe phases Increasing the milling time from 15 to 120 min, the peak intensity of the elemental phases decreased, and the peak width became more broader This change seems to result from the refinement of the crystal grain size No appreciable icosahedral quasicrystalline phase could be detected by XRD in the as-milled powder This is in good agreement with the report of Eckert et al [7], in which QC-phase was reported as not obtained directly in powder mixture milled for up to 374h It is suggested that inter-diffusion is necessary, in addition to sequential fracturing and welding, to form an icosahedral QC-phase In this research, the powders stuck together just after 4h of milling at different speeds (400 rpm, 500 rpm and 600 rpm) There is a slight difference if comparing to the results were obtained by Yong et al [9] According to Yong, β-phase was presented when milling time up longer than 4h The objective of this research is to study the combination of MA process and thermal treatments on the formation of Al65Fe15Cu20 quasicrystals EXPERIMENT A high-energy planetary ball mill (AGO-2) was used to mechanically alloy the powder samples Stainless steel vials and hardened steel balls with a ball-to-powder weight ratio of 20:1 were used Approximately 200 g of balls and 10 g of Al65Cu20Fe15 elemental powder mixture of aluminum (99.5% purity, USA), copper (99.9% purity, Japan), iron (98.9% purity, Japan) were loaded into the milling vial An amount of 0.5g of stearic acid was added into the vial before milling to prevent sticking phenomena from occurring when milling at a high speed of 600 rpm Controlled atmosphere glove boxes were used to take all operations, including weighing, loading and unloading of the powders Milled powders after 15min and 120 were subjected to a heat-treatment at various temperatures of 600 °C, 700 °C, and 800 °C in an annealing furnace for 4h under an argon atmosphere with the heating rate of 10 °C/min Heat treatment samples were cooled down to room temperature before removal from the furnace The morphology of milled powders was characterized by field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM) using a JEOL JSM-7600F (JEOL Ltd., Tokyo, Japan) Phase analysis was done by X-ray diffraction (XRD) in a SIEMENS D5000 diffractometer (Siemens, Berlin, Germany) using Cu Kα radiation (λ = 1.5405 Å) The XRD parameters were: 2θ range of 20 to 80°, a step size of 0.02°, scanning speed 1° per The thermal stability of as-milled powders was studied by differential scanning calorimetry (DSC) in a non-isothermal mode with a NETZSCH STA 409C under a continuous flow of purified argon gas Magnetization curves of powder after milling 120 and annealing for and h were measured by vibrating system magnetometers (VSM, MicroSense, EV9) Figure XRD patterns from Al65Cu20Fe15 powder after various times of milling at 600rpm The microstructure of the as-milled powders was characterized by SEM images, as shown in Figure The different elemental constituents showed different degrees of plastic deformation After 15 minutes of milling, there were mainly coarse particles Initially, the soft Al and Cu particles were deformed due to their low yield strength, as shown in Fig (a) Increasing the milling time, the lamellar structure became hardly visible, suggesting that alloying starts to occur, as seen in Fig (b) DSC scan was obtained during continuous heating from room temperature to 800 °C with a heating rate of 20 °C˜min-1 for powders after milling 120 as presented in Fig The DSC curve shows only a broad exothermic peak around 445 °C, similar to Dilermando Nagle Travessa et al observed [11] for sample milled after 120 And V V Tcherdyntsev et al [12] also observed a large exothermic effect with several broad peaks for Al65Cu23Fe12 alloy milled 2h at 685 rpm It is reported that each DSC maximum corresponds to the simultaneous occurrence of more than one phase RESULTS AND DISCUSSION Figure shows the X-ray analysis of the asmilled powders Peaks of elementary Al, Cu, Fe are dominated in the powders milled for 15 The prominent X-ray diffraction peaks corresponding to the pure elements of Al, Cu, 940 Hội nghị Vật lý Chất rắn Khoa học Vật liệu Toàn quốc – SPMS 2021 transformation In order to investigate the QCphase formation that occurred in the heat treatment process Powders, after being milled for 120 min, was annealing at different temperature (600, 700 and 800 °C) and holding for 4, and hours Figure XRD patterns from the Al65Cu20Fe15 powder milled for 120 min, annealed for 4h at (a) 600, (b) 700 and (c) 800 °C Figure XRD patterns from the Al65Cu20Fe15 powder after milled for 120min, annealed at 800 °C for (a) h and (b) h Table Weight percentage (%) of QC-phase produced at different annealing conditions Weight percentage Annealing condition (%) of QC-phase Figure SEM micrographs of the as-milled powders at 600rpm, for different milling time: (a) 15 and (b) 120 for h at 600 °C for h at 700 °C for h at 800 °C for h at 800 °C for h at 800 °C 7.65 10.6 14.1 18.1 20.1 Figure DSC curve obtained during heating from room temperature to 800 °C of powders milled for 120 XRD patterns from the Al65Cu20Fe15 powder milled for 120 min, annealed for 4h at (a) 600, (b) 700, and (c) 800 °C as shown in Fig There are main diffraction peaks belongs to solid solution β and quasicrystal, no pure element peaks of Al, Fe, Cu can be observed The amount of QCphase increased when increasing annealing temperature from 600 to 800 °C A higher concentration of QC-phase can be obtained for a longer holding time of and h as seen in Fig The weight proportion of the QC-phase was calculated by Profex program using Rietveld method is listed in table The amount of QCphase increases from 7.65 to 14.1 wt.% when the annealing temperature increases from 600 to 800 °C The proportion of QC-phase also went up to 18.1 and 20.1 wt.% after prolong holding time to 6h and 8h, respectively Figure M-H curves of powders after milling for 120 and annealing at 800 °C holding for and h The magnetic properties of Al65Cu20Fe15 alloys with different annealing temperatures have been studied at room temperature Fig displays the magnetic hysteresis loops of two alloys Typically the saturation magnetization depends on the phases present (crystalline structure) in the alloys and their chemical composition With increasing the holding time from to h, the saturation magnetization increases from 0.69 to 3.18 emu/g according to the increase in the content of the QC-phase M Roy [13] prepared Al65Cu20Fe15 alloys by high-energy Fritsch planetary ball mill and obtained the saturation 941 Hội nghị Vật lý Chất rắn Khoa học Vật liệu Toàn quốc – SPMS 2021 [3] Ali, F., S Scudino, M.S Anwar, R.N Shahid, V.C Srivastava, V Uhlenwinkel, M Stoica, G Vaughan, and J Eckert, Al-based metal matrix composites reinforced with Al–Cu–Fe quasicrystalline particles: Strengthening by interfacial reaction, Journal of Alloys and Compounds, 607, pp 274-279, (2014) [4] J.-M Dubois, Properties- and applications of quasicrystals and complex metallic alloys, Chemical Society reviews, 41, pp 6760-77, (2012) [5] E Huttunen-Saarivirta, Microstructure, Fabrication and Properties of Quasicrystalline Al—Cu—Fe Alloys: A Review, Journal of Alloys and Compounds, 363, pp 154-178, (2004) [6] S D Kaloshkin, V V Tcherdyntsev, and V D Danilov, Preparation of Al-Cu-Fe quasicrystalline powdered alloys and related materials by mechanical activation, Crystallography Reports, 52(6), pp 953-965, (2007) [7] J Eckert, L Schultz, and K Urban, Formation of quasicrystalline and amorphous phases in mechanically alloyed Al-based and Ti Ni-based alloys, Acta Metallurgica et Materialia, 39(7), pp 1497-1506, (1991) [8] M Mitka, A Góral, Ł Rogal, and L Lityńska, Microstructure of mechanically alloyed and annealed Al62Cu25.5Fe12.5 powder, Journal of Alloys and Compounds, 653, pp 47-53, (2015) [9] X Yong, I Chang, and I Jones, Formation of a quasicrystalline phase in mechanically alloyed A165Cu25Fe15, Journal of Alloys and Compounds - J ALLOYS COMPOUNDS, 387, pp 128-133, (2005) [10] P Barua, B S Murty, B K Mathur, and V Srinivas, Nanostructured icosahedral phase formation in Al70Cu20Fe10 by mechanical alloying: Comprehensive study, Journal of Applied Physics, 91(8), pp 5353-5359, (2002) [11] D Travessa, K Cardoso, W Wolf, A Jorge Junior, and W Botta, The Formation of Quasicrystal Phase in Al-Cu-Fe System By Mechanical Alloying, Materials Research, 15, pp 749-752, (2012) [12] Tcherdyntsev, V.V., S.D Kaloshkin, A.I Salimon, E.A Leonova, I.A Tomilin, J Eckert, F Schurack, V.D Rogozin, S.P Pisarev, and Y.P Trykov, Al–Cu–Fe Quasicrystalline Phase Formation by Mechanical Alloying, Materials and Manufacturing Processes, 17(6), pp 825841, (2002) [13] M Roy, Formation and magnetic properties of mechanically alloyed Al65Cu20Fe15 quasicrystal, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 302(1), pp 52-55, (2006) moment was approximately 6.4 emu/g at room temperature The 8h-annealed powders have a higher permeability (0.21 emu/g) compared to that of 4h-annealed powders (0.04 emu/g) (Table 2) Both powders tend to be paramagnetic materials Table VSM parameters of powders after milling for 120 and annealing at 800 °C for and h Annealing for Parameters 4h, 800 °C 8h, 800 °C Hc (Oe) 88.12 69.20 Mr (emu/g) 0.04 0.21 Ms (emu/g) 0.69 3.18 CONCLUSIONS In the present study, the formation of the quasicrystalline phase in the Al65Cu20Fe15 alloy was investigated Icosahedral QC-phase did not form directly in the milling process, and longtime milling resulted in the sticking phenomena DSC analysis of 120 as-milled powders showed a broad exothermic peak at around 445 °C, which indicated the simultaneous occurrence of one more phase transformation The quasicrystalline phase was formed after milling for 120 and consequently heat treatment at 600÷800 °C The highest concentration of QCphase of 20.1 % was found in the powders after milling for 120 and annealing for 8h at 800 °C Powders milled for 120 and annealed for 4, and h reveal paramagnetic behavior with low saturation magnetization of 0.69 and 318 emu/g, respectively Acknowledgments This research is funded by Vietnam National Foundation for Science and Technology Development (NAFOSTED) under grant number 103.02-2017.366 References [1] A Inoue and H Kimura, Fabrications and mechanical properties of bulk amorphous, nanocrystalline, nanoquasicrystalline alloys in aluminum-based system, Journal of Light Metals, 1(1), pp 31-41, (2001) [2] A Inoue, F Kong, S Zhu, C Liu, and F AlMarzouki, Development and Applications of Highly Functional Al-based Materials by Use of Metastable Phases, Materials Research, 18(6), pp 1414-1425 (2015) 942 ... chuyển pha khối 20 mặt thành pha λ-Al13Fe4 Cuối cùng, chuyển biến γ- Al2O3 xảy bề mặt pha khối 20 mặt lại bề mặt pha λAl13Fe4 Quá trình xi hóa cho thấy tạo chuyển pha pha khối 20 mặt thành pha β-AlFe(Cu)... ĐỒNG ii ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Đề tài: Tổng hợp pha Al65Cu20Fe15 khối 20 mặt phản ứng trạng thái rắn Tác giả luận văn: Đặng Thanh Huyền Mã học viên: 202 02191M Khóa: 202 0B Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn... i -pha (Al65Cu20Fe15) , pha ω (Al70Cu20Fe10) pha β Các pha tinh thể giản đồ phân loại sau: pha η (AlCu), pha θ (Al2Cu) pha χ (Al18Cu10Fe) Vùng hai pha gồm i -pha pha lỏng bao phủ vùng hai pha