năm gần đây và đang được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp ô tô, hàng không vũ trụ và quốc phòng. Những đặc điểm nổi trội của hợp kim nhôm là độ bền riêng và độ dẫn nhiệt cao cho phép giảm trọng lượng tổng thể xe cộ, làm cho mức độ tiêu thụ nhiên liệu thấp hơn, tăng hiệu quả kinh tế. So với các vật liệu composite trên cơ sở nhôm truyền thống được sử dụng trên thị trường, tỷ phần của composite AlAlN còn chiếm tỷ lệ nhỏ. Tuy nhiên chúng có những tính chất nội trội hơn so với các loại vật liệu nhôm thông thường như: độ bền và độ cứng cao, độ dẫn nhiệt tốt (80 260 W m1 K1), hệ số dãn nở nhiệt thấp (4.5X106 K1) nên AlN là lựa chọn hạt tăng bền rất tốt cho hợp kim nhôm, đặc biệt là cho làm việc ở nhiệt độ cao. Vật liệu composite nền nhôm chế tạo bằng các phương pháp exsitu tương đối đắt do phải chế tạo pha tăng bền từ trước, đặc biệt là nếu các pha tăng bền này có kích thước nhỏ (cỡ một vài m hoặc vài trăm nano) – điều kiện cần thiết để cải thiện cơ tính của vật liệu. Giải pháp cho vấn đề này là thay thế các
BỘGIÁO DỤCVÀĐÀOTẠO TRƯỜNGĐẠIHỌCBÁCH KHOAHÀNỘI NGUYỄNQUỐCTUẤN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITES Al/AlNCHỊUNHIỆT Chuyên ngành: Kỹ thuật vật liệuMãsố:62520309 TÓMTẮTLUẬNÁNTIẾNSĨKỸTHUẬTVẬTLIỆU HàNội –2017 Cơng trình hồn thành tại:TrườngĐạihọcBáchkhoaHàNội Ngườihướngdẫnkhoahọc:P G S T S NguyễnHồngHải Phản biện 1: GS.TS Đỗ Minh NghiệpPhảnbiện2:TSNguyễnVăn ThuầnPhảnbiện3: PGS.TSTôDuyPhương Luận ánđượcbảovệtrướcHộiđồngđánh giáluậnántiếnsĩcấpTrườnghọptạiTrườngĐạihọc BáchkhoaHà Nội Vàohồi …… giờ,ngày… tháng… năm……… Có thểtìmhiểuluậnántạithư viện: ThưviệnTạQuangBửu-TrườngĐHBK HàNội ThưviệnQuốcgiaViệtNam MỞ ĐẦU Đặt vấnđề Hợp kim nhôm thu hút quan tâm đáng kể nhữngnăm gần sử dụng rộng rãi ngành côngnghiệp ô tô, hàng không vũ trụ quốc phòng Những đặc điểm nổitrội hợp kim nhôm độ bền riêng độ dẫn nhiệt cao cho phépgiảm trọng lượng tổng thể xe cộ, làm cho mức độ tiêu thụ nhiên liệuthấp hơn, tăng hiệu kinh tế So với vật liệu composite cơsởnhômtruyềnthốngđượcsửdụngtrênthịtrường,tỷphầncủacomposite Al/AlN cịn chiếm tỷ lệ nhỏ Tuy nhiên chúng có nhữngtính chấtnội trộihơnso vớicácloạivật liệun h m t h ô n g t h n g như: độ bền độ cứng cao, độ dẫn nhiệt tốt (80- 260 W m -1K-1), hệsố dãn nở nhiệt thấp (4.5X10-6K-1) nên AlN lựa chọn hạt tăng bềnrấttốtc ho hợp kimnhôm,đ ặ c bi ệ t làc ho làm việcởnhi ệt độ ca o.Vậtliệucompositenềnnhômchếtạobằngcácphươngphápex-situtương đối đắt phải chế tạo pha tăng bền từ trước, đặc biệt nếucácp h a t ă n g b ề n n y c ó k í c h t h c n h ỏ ( c ỡ m ộ t v i mh o ặ c v i trămnano)–điềukiệncầnthiếtđểcảithiệncơtínhcủavậtliệu.Giảiphápchovấnđềnàylàthaythếcác phươngphápex-situbằng cácphươngphápin-situ.Sovớicácphươngphápinsituk h c t h ì phương pháp lỏng/khí coi có tiềm chúng cónhững ưu điểm rõ rệt như: chi phí khơng đáng kể, khơng bị nhiễmbẩn, khơng hình thành pha tạp đồng Composite Al/AlNđược tổng hợp dựatrên ngun lý phản ứng lỏng/ khíc ó q u y t r ì n h sau: khí Ni tơ sau làm khơ thơng qua phận hút ẩmđược đẩy vào cốc nấu chứa nhôm lỏng nhiệt độ cao ống gốmchịunhiệtvớilưulượngkhíhợplý Sự hình thành AlN giải thích theo hai chế sau: Cơ chếhình thành trực tiếp: 2Al + N 2→ 2AlN Cơ chế hình thành gián tiếpthơng qua hợp chất trung gian Mg 3N2: Hợp chất trung gian Mg3N2được hình thành từ phản ứng 3Mg + N 2→ Mg3N2, sau hợp chấtnày kết hợp với nhơm lỏng tạo AlN theo phản ứng Mg 3N2+ 2Al →2AlN +3Mg Sự hình thành AlN theo chế gián tiếp cho xảyra thuậnlợihơn so vớicơ chế trựctiếp Trong luận án mình, tác giả nghiên cứu hình thành AlNbằngviệc sụckhíN2vào hợp kimAl–Mg (15%) sửdụngphương pháp sục khí gần đường lỏng để cải thiện tổ chức cho hợp kimA380,tạ o tổc c ng hạtc ầ u vớ i m ụ c đí c h c ả i t hi ệ n c ơtính c hợpkimnày.Trêncơsởcủaphươngphápsụckhítạotổchứcnềndạng hạt chế tạo tạo hợp kim nano-composite Al/AlN, tácgiả khảo sát ảnh hưởng hạt tăng bền AlN hợpkimA380 đến cơt í n h k h i khilàmviệcở nhiệtđộcao Mụctiêucủaluận án Từnhữngphântích ởtrênmục tiêu chínhcủaluậnánlà: Nghiên cứu chế tạo hợp kim có tổ chức phi nhánh phươngpháp thổi khí Kiểm sốt phản ứng lỏng – khíg i ữ a N i t v n h ô m lỏng để chế tạo hạt tăng bền AlNin-situcó kích thước nano Làmchủ quy trình chế tạo vật liệu composite nhôm cốt hạt AlNin-situvà đánh giá tổ chức tính vật liệu nhiệt độ thườngvàcao Phươngphápnghiêncứucủaluậnán 3.1 Lýthyết Nghiên cứu chế tạo hạt tăng bềnin-situqua phản ứng lỏng – khí.Xác định thơng số liên quan đến việc hình thành hạttăngbền phân bốcủanó 3.2 Thínghiệm Nghiên cứu ảnh hưởng thơng số cơng nghệ q trìnhtổng hợp AlN phản ứng lỏng/khíin-situ Nghiên cứu hìnhthành tổ chức nền-Al phi nhánh cách thổi khí trạng tháibán lỏng Nghiên cứu trình chế tạo vật liệu nano-compositeAl/AlNvà đánh giá vai tròcủa AlN Ýnghĩakhoahọcvà thựctiễn củaluậnán 4.1 Ýnghĩakhoahọc Đãl àm rõc c hế c p nứ n g tạoA l N i ns it u vàả nh hư ởn g củacác thơng số cơng nghệ (kích thước buồng phản ứng, vịi phun, lưulượng khí, nhiệt độ phản ứng v.v…) Đã đánh giá vai trị hạttăng bền AlN (kích thước, phân bố) tới số đặc tính tổ chức vàcơ tính vật liệu composite A380/AlN nhiệt độ thường nhiệtđộ cao Đã làm rõ chế phá hủy vật liệu composite A380/AlN(theocơchếx u y ê n tinh+lúmđồngtiềnhoặcxuyêntinh+gỗm ục) 4.2 Ý nghĩathựctiễn Xây dựng qui trình thí nghiệm tạo tổ chức phi nhánh thơngqua sục khí gần đường lỏng Xác định thơng số ảnhhưởng đến hình thành AlN phản ứng lỏng/khíin-situkhi thổikhíNitơởnhiệtđộcao.Tiếpcậnvớithiếtbịvàcơngnghệchế tạovậtliệumớitrên thếgiới Đưarađược qui trình chếtạovậtl i ệ u nhơmnano-compositelàmviệcởnhiệtđộcaovà trêncơsởnàycóthể áp dụng cho nhóm vật liệu khác Kết nghiên cứu luậnáncóthểlàmtàiliệuthamkhảođểvậndụngvàocácloạivậtliệukhácnhau Tínhmớicủaluậnán Sử dụng cơng nghệ đúc lưu biến (sục khí gần đường lỏng) tạo tổchứcphinhánhcâycủahợpkim.Đãpháthiệnvàlàmrõkhảnăngkìm hãm chuyển động biên hạt nhiệt độ cao “chốt”AlN Đã đề xuất phương pháp để phân tích động học quátrình hình thành phần tử AlN dựa nhiễu xạ XRD Đã pháthiện lớn lên cạnh tranh nhánh tinh hìnhthành tổ chức nhánh vùng có nồng độ tinh tốc độnguội cao Bốcụccủaluậnán Nộid un g củaluậ nánb a o gồm:M đầ u; Chư ơng1:Tổng quanvề vậtliệunanocompositenềnkimloại;Chương2.Cơsởlýthuyếtvềvật liệu nano – composite; Chương 3: Thực nghiệm; Chương 4: Kếtquảvà thảoluận;Kếtluậnvà kiến nghị Chương1Tổngquanvềvật liệucompositenềnkimloại 1.1 Đặcđiểmvàphânloạivậtliệucomposite Vật liệu composite vật liệu tổ hợp hai hay nhiều vật liệu thànhphần nhằm tạo vật liệu có tính chất trội tính chất củatừng vật liệu thành phần Thông thường vật liệu composite baogồm: cốt, đó: Pha liên tục tồn khối vật liệucomposite gọi lànền Pha phân bố gián đoạn, bao bọc, gọilàcốt 1.2 Khái quát vật liệu composite kim loại (MMCs)Compositnềnkimloại(MMC)lànhómvậtliệucósựkếthợ pgiữanềnkimloạivàcáchạttăngbền;chúngcónhữngtínhchấtđángq như: độ bền, độ bền riêng cao, hệ số giãn nở nhiệt thấp, độ dẫn nhiệtcao, chịu mài mòn tốt, chịu nhiệt tốt [19, 20] Với phươngpháp chế tạo hợp lý để đạt tính chất mong muốn, vật liệucomposite kim loại đáp ứng yêu cầu trongnhiềulĩnh vực khác 1.3 Hạt tăngbềnvànềnkimloại Hình dạng hạt tăng bền khác với kích thước từvài trăm nano đến < 100 µm Tùy theo tính chất mục đích sử dụngmàngườitacóthểđưavàomộthoặchai(thậmchínhiềuhơn)các loại hạt tăng bền, dạng pha tăng bền như: SiC, xít (Al 2O3-SiO2,Al2O3TiO2,MgO,NiO,ZrO2),hạtcácbít(TiC,B4C…),nitrit(Si3N4, AlN, BN), Borit (TiB2, TaB2) cabon (Graphit, kim cươngnhân tạo, fluren, ống nano (CNT)) Đối với kim loại, vật liệu mà sử dụng nhiều nhôm hợp kim nhôm với ưu điểm lànhẹ, nhiệt độ nóng chảy thấp, độ dẻo độ chịu nhiệt cao Các nềnkimloạikhác nhưTi,Mgvà Cu cũngđã nghiêncứu 1.4 KháiquátvềcompositeAlN/Al 1.4.2 CấutrúctinhthểcủaAlN TinhthểcủaAl Ncóh a i cấu trúcmạng: Ở trạngthái cân bằngcấutrúctin a) hthể( p h a α) ) l b) Hình 1.8 Cấu trúc tinh thể AlN: a) Kiểu mạng lục giác mạngwurtzite xếpchặtwurtzite[29],b)Kiểu mạnglậpphươngdiện tâm[102] (2H).Ở t r n g tháigiảổnđịnh(phaβ)AlNcócấutrúctinhthểlậpphươngzincblende.)AlNcócấutrúctinhthểlậpphươngzincblende 1.4.3 ĐặcđiểmcủaAlN AlN vật liệu nhẹ, liên kết nguyên tử mạnh, AlN có cấutrúc tinh thể đơn giản AlN có tính đối xứng cao Độ dẫn điện củaAlN nhiệt độ phịng 320 W/m.K [73] cao nhơm 209W/m.K.AlNcũngcóhệsốgiãnnởnhiệt thấp 4.5X10-6K-1[16] 1.4.4 Các tính chất hợp kim nhơm với hạt nano tăng bềnNhữnghạtcókíchthước>1,5µmdễbịtáchlớp,cáchạt nằmtrongkhoảng2001.500nmcóxuhướngtạothànhcáclỗtrốngtạibềmặt tương tác với nền, hạt < 200 nm liên kết tốt với cơtính, hấp thụ nhiệt điện tốt Hơn nữa, độ bền tương đươngcũng đạt với lượng hạt kích thước nano so với hạtkích thước micro [9-13] Nền kim loại tăng bền hạtnano đặc trưng thay đổi phương thứcphá hủy biênhạt sang xuyên hạt[16];bên cạnh cải thiện tínhtổng hợp thông quađộ bền pháhủy, độ bền dão, chống sốcn h i ệ t , chịumài mịnvà nângcaođộ ổnđịnhkíchthướctạinhiệtđộcao 1.5 Phạmvi nghiêncứucủaluậnán Phạm vi nghiên cứu luận án gồm nội dung sau: 1) Tạo tổchức phi nhánh cho hợp kim A380 phương pháp sục khí trơ(khíAr)ởgầnđườnglỏng.2)TổnghợpAlNbằngphảnứngLỏng– Khíin-situkhi sục khí N2trong vật liệu Al – Mg nhiệt độ cao 3) Khảo sát ảnh hướng AlN đến tính vật liệu composites A380/AlNở nhiệtđộthường nhiệtđộ cao 1.6 Kếtluận 1) Vật liệu composites nhôm dần chiếm tỷ phần khối lượnglớntrongsảnxuấtcơngnghiệp:Cơngnghiệphàngkhơng,vũtrụ,vậntảimặtđấtnhằmgiảmkhốilượng, giáthànhvàchiphísảnxuất.2)Kích thước hạt tăng bền kim loại ảnh hướng đến tính chấtcủavậtliệu composite.Nềnkim loạiđượctăng bềnbằng cách t nanođượcđặctrưngbằngsựthayđổiphươngthứcpháhủytạibiênhạt sang xuyên hạt 3) Phương pháp tổng hợp AlN sở phảnứngLỏng– Khíin-situxảyraởnhiệtđộcao(>1000 C)đãvàđanglàxu hướngnghiêncứu mớitrênthế giới Chương2Cơsởlýthuyếtvềvậtliệunano- composite 2.1 Kháiquát vềkhảnăngthấmướtcủaAlN Hình 2.3 cho thấy AlN có gócthấm ướt thấp với nhôm Si;AlNkhôngthấmướtcáck i m lo ại nguyên chất khác (góc thấmướttrên900[33,108,109]vàthư ờngn ằ m t r o n g k h o ả n g 1 1500,t n g t ự k h i k h ả o s t t r ê Hình 2.3 Khả thấm ướt AlN với kimloạitheonhiệtđộtrongchânkhơng[108] n cácơ xítđatinh thể [34] 2.2 Cơchếpháhủyvậtliệucomposite Vật liệu composite bị phá hủy theo cách khác nhưhình2.7 Hình 2.7Các phương thứcpháh ủ y v ậ t l i ệ u c o mposite (a) ảnhhiểnvi điện tửquét bề mặt gẫy hợp kimbạcđồng tăng bền sợicácbon(b).Mốiliênk ế t cho thấy cốt bịtáchkhỏinhau(x3000)[1] a) b) 2.3 Chếtạonềncótổchứcphinhánhcây 2.3.2Cảithiệntổchứcnềnbằngphươngphápthổikhí Ngunlýcủap h n g ph ápthổikhílàkhih ợ p kim đạt đến nhiệt độ chảylỏng,khítrơ(Argonh o ặ c Nitơ)đượcđưavàovớitốcđộhợplý a) b để bẻ gãy Hình 2.36 Tổ chức Al: a) dạng nhánh câ;, nhánhcâytrongqtrìnhkếtt b) dạng cầu trịn [52] inh nhằm tạo tinh thể dạng hạt cầu tròn Sau thời gian định đểđạt tỷ phần pha rắn cần thiết, hợp kim rót đúc theo truyềnthốnghoặcđúctheocáccơngnghệnhưđúc épđểtạosảnphẩm 2.4 Cácphươngphápchếtạonano-compositenềnAl * Phươngphápchếtạoởtrạngtháilỏng:Cácphươngphápchếtạo trạng thái lỏng bao gồm: đúckhuấy,compocasting,đúcép, đúcphunvàphương phápinsitu(tạophảnứng),đúcbằngsiêuâm * Phương pháp chế tạo trạngthái rắn:Các phương pháp chếtạoở t r n g t h i r ắ n b a o gồm: nghiềnbinănglượngc a o , khuấy ma sát, liên kết Hình 2.20 Sơ đồ phương pháp chế tạo cho vật liệu nano- composite [16] khuếchtánv c c p h n g p h ápkếttụ khí Việc lựa chọn phương pháp phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhưloạic ũ n g n h m ứ c đ ộ t ả i t r ọ n g t ă n g b ề n v t ổ c h ứ c c ầ n đ t đ ợc