Nghiên Cứu Chế Tạo Vật Liệu Compozit Nền Al-Ti Cốt Hạt Al2O3 In-Situ.pdf

Untitled i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận án này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân, được sự hướng dẫn khoa học của PGS TS Trần Đức Huy và TS Trần Viết Thường Các số liệu, những kết quả[.]

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Luận án cơng trình nghiên cứu thực cá nhân, hướng dẫn khoa học PGS.TS Trần Đức Huy TS Trần Viết Thường Các số liệu, kết nghiên cứu trình bày luận án trung thực chưa tác giả khác cơng bố hình thức Tơi xin chịu trách nhiệm nghiên cứu Hà Nội, ngày 22 tháng 12 năm 2021 Giáo viên hướng dẫn Giáo viên hướng dẫn Nghiên cứu sinh PGS.TS Trần Đức Huy TS Trần Viết Thường Đỗ Thanh Bình i LỜI CẢM ƠN Tơi muốn gửi lời cảm ơn đặc biệt sâu sắc chân thành tới thầy hướng dẫn PGS TS Trần Đức Huy TS Trần Viết Thường tận tình trực tiếp hướng dẫn, bảo, đưa lời khuyên bổ ích, định hướng khoa học q báu để tơi triển khai hồn thành cơng việc nghiên cứu Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn tới Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Khoa học Kỹ thuật vật liệu tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình học tập trường Tôi xin chân thành cảm ơn tới thầy môn Vật liệu Công nghệ đúc, nơi làm nghiên cứu sinh nhiệt tình giúp đỡ động viên tơi suốt q trình nghiên cứu Tơi xin gửi lời cảm ơn tới Ban Giám hiệu thầy Trường Cao đẳng Cơ khí Luyện kim động viên tạo điều kiện thuận lợi cho suốt thời gian học tập Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Đồng thời muốn bày tỏ lịng biết ơn thầy cơ, nhà khoa học, đồng nghiệp bạn bè thân hữu động viên giúp đỡ tơi q trình nghiên cứu Cuối tơi xin nói lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, chỗ dựa tinh thần sẻ chia, giúp tơi vượt qua trở ngại khó khăn để hoàn thành luận án Hà Nội, ngày 22 tháng 12 năm 2021 Nghiên cứu sinh Đỗ Thanh Bình ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN .II DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT V DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ VI DANH MỤC CÁC BẢNG IX LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ COMPOZIT NỀN KIM LOẠI 1.1 COMPOZIT NỀN KIM LOẠI 1.1.1 Khái quát compozit 1.1.2 Khái niệm compozit kim loại 1.1.3 Tính chất MMCs 1.1.4 Chế tạo MMCs 10 1.2 HỢP KIM NHÔM TITAN 15 1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ COMPOZIT NỀN Al-Ti 18 1.3.1 Nghiên cứu nước 18 1.3.2 Nghiên cứu nước 21 1.4 ỨNG DỤNG CỦA COMPOZIT NỀN Al-Ti 22 CHƯƠNG 2: 24 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHẾ TẠO COMPOZIT NỀN AL-TI 24 2.1 NHIỆT ĐỘNG HỌC 24 2.2 CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO 26 2.2.1 Nghiền trộn học 26 2.2.2 Tạo hình vật liệu compozit 32 2.2.3 Nguyên lý trình thiêu kết 35 CHƯƠNG NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 40 3.1 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 40 3.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 40 3.2.1 Quy trình nghiên cứu 40 3.2.2 Nguyên vật liệu 41 3.2.3 Kỹ thuật chế tạo 43 3.2.4 Thiết bị nghiên cứu 44 3.2.5 Phương pháp nghiên cứu 46 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 51 4.1 ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN NGHIỀN 51 4.1.1 Compozit Al-Ti/Al2O3 nghiền 54 4.1.2 Compozit Al-Ti/Al2O3 nghiền 55 4.1.3 Compozit Al-Ti/Al2O3 nghiền 58 4.2 ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ THIÊU KẾT 61 4.2.1 Compozit Al-Ti/Al2O3 thiêu kết 650oC 61 4.2.2 Compozit Al-Ti/Al2O3 thiêu kết 850oC 64 4.2.3 Chế tạo compozit AlTi cốt hạt Al2O3 in-situ 68 4.2.4 Chế tạo compozit AlTi3 cốt hạt Al2O3 in-situ 70 4.3 CƠ TÍNH CỦA VẬT LIỆU 77 4.3.1 Độ xốp vật liệu 77 4.3.2 Độ cứng vật liệu 82 iii 4.3.3 Độ dai phá hủy vật liệu 85 4.4 CẢI THIỆN CƠ TÍNH CỦA COMPOZIT NỀN AlTi3 CỐT HẠT Al2O3 90 4.4.1 Ảnh hưởng nhiệt độ thiêu kết 91 4.4.2 Ảnh hưởng thời gian titan bổ sung 91 4.4.3 Ảnh hưởng lượng titan bổ sung 91 4.4.4 Cơ tính vật liệu bổ sung titan 92 4.5 ĐỘ CỨNG CỦA COMPOZIT AlTi3/Al2O3 Ở NHIỆT ĐỘ CAO 93 KẾT LUẬN 98 KIẾN NGHỊ 99 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 106 PHỤ LỤC I iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Compozit DRA DRTi DTA E EDS HV HVĐTQ HVQH lptm lgxc MA MM MMCs NMMCs PL SEM SHS SPS XRD    Vật liệu tổ hợp Compozit cốt sợi nhôm không liên tục (Discontinuously Reinforced Al) Compozit cốt sợi titan không liên tục (Discontinuously Reinforced Ti) Nhiệt vi sai (Differential Thermal Analysis) Mô đun đàn hồi, Pa Phổ phân tán lượng tia X (Energy Dispersive Spectrometry) Độ cứng Vickers (Vickers Hardness) Hiển vi điện tử quét Hiển vi quang học Lập phương tâm mặt Lục giác xếp chặt Hợp kim hóa học (Mechanical Alloying) Nghiền học (Mechanical Milling) Compozit kim loại (Metal Matrix Composite) Nano compozit kim loại (Nano Metal Matrix Composite) Phụ lục Hiển vi điện tử quét/HVĐTQ (Scanning Electron Microscopy) Self-propagating high-temperature synthesis (phương pháp phản ứng tự lan truyền) Thiêu kết xung plasma (Spark Plasma Sintering) Nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction) Hệ số giãn nở nhiệt Mật độ, g/cm3 Hệ số dẫn nhiệt, W/m.độ v DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Tính chất vật lý học vật liệu compozit so với hợp kim thường sử dụng nhơm thép [7] Hình 1.2 Các loại vật liệu composite kim loại hay sử dụng [7] Hình 1.3 Độ cứng riêng so với độ bền riêng vật liệu kết cấu [12] Hình 1.4 Mặt cắt thể gia cường chọn lọc ống lót xilanh nhơm đúc MMC [12] Hình 1.5 Quan hệ khả chống lại biến dạng học nhiệt biến dạng số vật liệu [16] Hình 1.6 Sơ đồ công nghệ chế tạo vật liệu MMCs [11, 12] Hình 1.7 Quy trình cơng nghệ luyện kim bột [25] Hình 1.8 Sơ đồ cơng nghệ phương pháp đúc khuấy [25, 33] Hình 1.9 Sơ đồ cơng nghệ phương pháp đúc thẩm thấu [25] Hình 1.10 Giản đồ cân pha hệ Ti-Al [41, 42, 43, 44] Hình 1.11 Cấu trúc tinh thể: (a) TiAl3, (b) Ti3Al, (c) TiAl [41, 42, 43] Hình 2.1 Giản đồ phụ thuộc lượng tự vào nhiệt độ [80, 82, 83, 84, 85] Hình 2.2 Sự va chạm bi nghiền - hỗn hợp bột - bi nghiền trình nghiền trộn học [89, 90] Hình 2.3 Mối quan hệ độ bền liên kết sức căng biến dạng [90] Hình 2.4 Các giai đoạn trình nghiền trộn học vật liệu dẻo - dẻo [90] Hình 2.5 Các giai đoạn trình nghiền trộn học vật liệu dẻo – dịn [90] Hình 2.6 Sơ đồ khn ép [25] Hình 2.7 Các giai đoạn ép vật liệu bột [25] Hình 2.8 Đường cong biến đổi mật độ vật liệu bột compozit hạt trình ép tạo hình [25] Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý bề mặt tiếp xúc hỗn hợp vật liệu bột trước (a) sau thiêu kết (b) Hình 2.10 Các tượng xảy tác động động lực thiêu kết [75] Hình 3.1 Sơ đồ cơng nghệ chế tạo compozit Al-Ti cốt hạt Al2O3 in-situ Hình 3.2 Ảnh HVĐTQ bột nhơm Hình 3.3 Ảnh HVĐTQ bột titan điơxit Hình 3.4 Khn ép mẫu mẫu sau ép Hình 3.5 Giản đồ thiêu kết mẫu compozit Al-Ti cốt hạt Al2O3 in-situ Hình 3.6 Máy nghiền hành tinh NQM – Hình 3.7 Tang bi nghiền Hình 3.8 Máy ép thủy lực Hình 3.9 Lị nung Lenton Hình 3.10 Nhiễu xạ kế tia X Rigaku, Smart Lab Hình 3.11 Thiết bị phân tích tổ chức hiển vi quang học Hình 3.12 HVĐTQ, JSM7001FD vi 10 11 13 14 16 17 25 27 28 29 29 32 33 33 35 36 41 42 42 43 44 45 45 45 45 46 47 47 Hình 3.13 Thiết bị đo độ cứng HV (Vickers HMV-1 tester) Hình 3.14 Cân phân tích Hình 4.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X hỗn hợp bột sau nghiền hệ vật liệu AlTi3/Al2O3 Hình 4.2 Ảnh HVĐTQ hỗn hợp với thời gian nghiền khác hệ vật liệu AlTi3/Al2O3 Hình 4.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X compozit nghiền, thiêu kết 750oC Hình 4.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X compozit nghiền, thiêu kết 750oC Hình 4.5 Ảnh HVĐTQ hệ vật liệu Al3Ti/Al2O3 nghiền, thiêu kết 750oC Hình 4.6 Bản đồ phổ phân tán lượng tia X hệ vật liệu Al3Ti/Al2O3 nghiền, thiêu kết 750oC Hình 4.7 Giản đồ nhiễu xạ tia X compozit nghiền, thiêu kết 750oC Hình 4.8 Ảnh HVĐTQ hệ vật liệu Al3Ti/Al2O3 nghiền, thiêu kết 750oC Hình 4.9 Bản đồ phổ phân tán lượng tia X hệ vật liệu Al3Ti/Al2O3 nghiền, thiêu kết 750oC Hình 4.10 Giản đồ nhiễu xạ tia X compozit nghiền, thiêu kết 650oC Hình 4.11 Ảnh HVĐTQ hệ vật liệu Al3Ti/Al2O3 nghiền, thiêu kết 650oC Hình 4.12 Bản đồ phổ phân tán lượng tia X hệ vật liệu Al3Ti/Al2O3 nghiền, thiêu kết 650oC Hình 4.13 Giản đồ nhiễu xạ tia X compozit nghiền, thiêu kết 850oC Hình 4.14 Ảnh HVĐTQ hệ vật liệu Al3Ti/Al2O3 nghiền, thiêu kết 850oC Hình 4.15 Bản đồ phổ phân tán lượng tia X hệ vật liệu Al3Ti/Al2O3 nghiền, thiêu kết 850oC Hình 4.16 Ảnh HVĐTQ hệ vật liệu AlTi3/Al2O3 nghiền, thiêu kết 850oC Hình 4.17 Bản đồ phổ phân tán lượng tia X hệ vật liệu AlTi3/Al2O3 nghiền, thiêu kết 850oC Hình 4.18 Ảnh HVĐTQ hệ vật liệu Al3Ti/Al2O3 Hình 4.19 Giản đồ nhiễu xạ tia X hệ vật liệu AlTi/Al2O3 nghiền Hình 4.20 Ảnh HVĐTQ hệ vật liệu AlTi/Al2O3 nghiền, thiêu kết 850oC Hình 4.21 Phổ phân tán lượng tia X hệ vật liệu AlTi/Al2O3 nghiền, thiêu kết 850oC Hình 4.22 Giản đồ nhiễu xạ tia X hệ vật liệu AlTi3/Al2O3 nghiền Hình 4.23 Ảnh HVĐTQ mẫu AlTi3/Al2O3 nghiền thiêu kết 650oC Hình 4.24 Bản đồ phổ phân tán lượng tia X hệ vật liệu AlTi3/Al2O3 nghiền thiêu kết ở 650oC Hình 4.25 Ảnh HVĐTQ hệ vật liệu AlTi3/Al2O3 nghiền thiêu kết 750oC Hình 4.26 Bản đồ phổ phân tán lượng tia X hệ vật liệu AlTi3/Al2O3 nghiền thiêu kết 750oC Hình 4.27 Ảnh HVĐTQ hệ vật liệu AlTi3/Al2O3 nghiền thiêu kết 850oC Hình 4.28 Giản đồ nhiễu xạ tia X hệ vật liệu AlTi3/Al2O3 nghiền vii 48 49 52 53 54 56 56 57 59 59 60 62 63 63 64 65 65 66 67 67 68 69 70 71 72 72 73 74 74 75 Hình 4.29 Bản đồ phổ phân tán lượng tia X mẫu AlTi3/Al2O3 nghiền thiêu kết 750oC Hình 4.30 Bản đồ phổ phân tán lượng tia X hệ vật liệu AlTi3/Al2O3 nghiền thiêu kết 850oC Hình 4.31 Ảnh HVĐTQ hệ vật liệu AlTi3/Al2O3 nghiền Hình 4.32 Ảnh HVĐTQ hệ vật liệu AlTi3/Al2O3 Hình 4.33 Mối quan hệ độ xốp thời gian nghiền compozit AlTi/Al2O3 Hình 4.34 Ảnh HVĐTQ rỗ khí hệ vật liệu Al3Ti/Al2O3 nghiền, thiêu kết 750oC Hình 4.35 Mối quan hệ độ xốp nhiệt độ thiêu kết compozit AlTi/Al2O3 Hình 4.36 Ảnh HVĐTQ vết lõm mũi đâm tạo đo độ cứng compozit Al-Ti/Al2O3 Hình 4.37 Mối quan hệ độ cứng thời gian nghiền compozit AlTi/Al2O3 Hình 4.38 Mối quan hệ độ cứng nhiệt độ thiêu kết compozit AlTi/Al2O3 Hình 4.39 Ảnh HVĐTQ vết nứt mũi đâm tạo đo độ dai phá hủy compozit Al-Ti/Al2O3 Hình 4.40 Ảnh hưởng thời gian nghiền đến độ dai phá hủy compozit Al-Ti/Al2O3 Hình 4.41 Ảnh HVĐTQ vết nứt mũi đâm tạo đo độ dai phá hủy hệ vật liệu Al3Ti/Al2O3 nghiền, thiêu kết 750oC Hình 4.42 Ảnh HVĐTQ lan truyền vết nứt hệ vật liệu Al3Ti/Al2O3 nghiền, thiêu kết 750oC Hình 4.43 Ảnh hưởng nhiệt độ thiêu kết đến độ dai phá hủy compozit Al-Ti/Al2O3 Hình 4.44 Giản đồ độ cứng vật liệu có bổ sung titan Hình 4.45 Ảnh HVĐTQ hệ vật liệu AlTi3/Al2O3 nghiền, thiêu kết 850oC Hình 4.46 Ảnh mũi đâm đo độ cứng Vicker nhiệt độ cao hệ vật liệu AlTi3/Al2O3 Hình 4.47 Giản đồ mối quan hệ độ cứng nhiệt độ đo hệ vật liệu AlTi3/Al2O3 nghiền, thiêu kết 850oC Hình 4.48 Giản đồ mối quan hệ độ cứng nhiệt độ đo viii 75 76 76 77 78 79 80 82 83 84 85 86 87 88 89 92 93 94 94 95 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Tính chất vật lý, học hợp kim titan Ti-MMC [7] Bảng 1.2 Tính chất vật lý hệ Ti-Al [41, 42, 43] Bảng 1.3 Tính chất hợp kim biến dạng “орmо” [42] Bảng 2.1 Năng lượng tự phản ứng theo nhiệt độ Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật bột nhôm Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật bột TiO2 Bảng 3.3 Thành phần phối liệu hỗn hợp theo phản ứng Bảng 4.1 Bảng thông số công nghệ chế tạo compozit Al-Ti cốt hạt Al2O3 in-situ ix 16 17 24 41 42 43 90 Lý lựa chọn đề tài LỜI MỞ ĐẦU Cùng với phát triển khoa học cơng nghệ nói chung, khoa học cơng nghệ vật liệu có phát triển mạnh mẽ Bởi lẽ, vật liệu yếu tố thiết yếu định phát triển công nghiệp quốc gia Công nghiệp phát triển, yêu cầu chất lượng vật liệu cao, trình độ cơng nghệ sản xuất vật liệu đại Vì vậy, khoa học công nghệ cần liên tục đổi mới, tiếp thu sáng tạo phương pháp công nghệ tiên tiến, đại cách kịp thời nhằm góp phần tích cực, có hiệu vào nghiệp Cơng nghiệp hoá, Hiện đại hoá đất nước, đồng thời hội nhập bước với nước khu vực giới Sự đổi cơng nghệ, có phát triển cơng nghệ vật liệu, đòi hỏi khách quan trước yêu cầu phát triển kinh tế - xã hội Việt Nam Trước thực tế đó, lĩnh vực cơng nghệ vật liệu, bên cạnh công nghệ truyền thống cần phải phát triển công nghệ nhằm chế tạo vật liệu có tính chất đặc biệt, có khả đảm bảo tính ổn định cho thiết bị máy móc đại làm việc điều kiện khắc nghiệt Như quy luật tất yếu, nhiều loại vật liệu đời Vật liệu compozit đời xu hướng phát triển ngày có vị trí quan trọng nhiều lĩnh vực cơng nghiệp kinh tế quốc dân quốc phòng Compozit kết hợp nhiều tính chất ưu việt loại vật liệu khác tạo tính chất hồn tồn có khả thỏa mãn u cầu đa dạng phong phú công nghiệp phát triển tương lai với tính đặc biệt như: độ bền cao, tỉ trọng thấp, chịu mài mòn, làm việc điều kiện áp suất, nhiệt độ cao số tính khác mà vật liệu truyền thống khơng có Do đó, compozit nói chung vật liệu compozit kim loại nói riêng ngày thu hút quan tâm nhà nghiên cứu, nhà sản xuất ứng dụng rộng rãi để thay dần vật liệu truyền thống nhiều lĩnh vực kinh tế quốc dân Compozit sở pha Al-Ti mang lại cho vật liệu tính chất đặc trưng độ cứng vững cao, tỉ trọng thấp, khả chống oxi hóa độ bền cải thiện mạnh… với có mặt cốt hạt tăng bền Al2O3 hướng nghiên cứu có triển vọng ứng dụng ngành cơng nghiệp tiên tiến hàng không, ô tô, y sinh Ở nước ta, việc nghiên cứu chế tạo compozit, đặc biệt compozit kim loại hạn chế Việc nghiên cứu compozit kim loại, phát triển theo hai hướng chính, là: nghiên cứu phương pháp chế tạo vật liệu nghiên cứu cơng nghệ tạo hình chi tiết, sản phẩm từ compozit kim loại Có thể nói, lĩnh vực nghiên cứu vật liệu tiềm năng, đầy triển vọng Căn vào nhu cầu thực tiễn vật liệu mong muốn làm sáng tỏ số sở lý thuyết hệ compozit kim loại nói chung compozit Al-Ti cốt Al2O3 nói riêng vào thực tiễn, vấn đề “Nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu compozit Al-Ti cốt hạt Al2O3 in-situ” đề tài lựa chọn giải luận án Mục tiêu, đối tượng phạm vi nghiên cứu Mục tiêu luận án xác định quy trình cơng nghệ chế tạo compozit Al-Ti cốt hạt Al2O3 in-situ, khảo sát số tính chất vật liệu nhận Để đạt mục tiêu đó, luận án cần thực nội dung sau: