Nghiên cứu chế tạo vật liệu niken xốp bằng phương pháp luyện kim bột

Lí do chọn đề tài Vật liệu xốp và các loại vật liệu có độ xốp cao vói cấu trúc kiểu mạng lướiđược biết đến với nhiều tính chất hấp dẫn như khối lượng riêng rất thấp hoặc độthẩm thấu khí

LUẬN VĂN THẠC sĩ KHOA HỌC VẬT CHẤT

Người hướng dẫn khoa học: TS BÙI XUÂN CHIẾN

HÀ NỘI, 2016

học hỏi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Luyện kim bột của trường Đại học Bách khoa Hà Nội Những kết quả của tôi đạt được không chỉ có sự nỗ lực của bản thân tôi mà còn có sự giúp đỡ vô cùng to lớn của những người xung quanh: các quý thầy cô, các anh chị đi trước, bạn bè và người thân

Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thảnh và sâu sắc nhất đến TS Bùi Xuân Chiến người thầy đã hướng dẫn, giúp đỡ tôi tận tình, tỉ mỉ và chu đáo trong suốt quá trình nghiên cứu đề tài.

-Trong quá trình làm luận văn, tôi đã gặp nhiều khó khăn, nhưng nhờ sự hướng dẫn nhiệt tình của PGS.TS Trần Quốc Lập, TS Lê Minh Hải, TS Đặng Quốc Khánh, cùng với sự

nỗ lực bản thân, bản luận văn đã được hoàn thảnh.

Tôi xin cảm ơn thầy Nguyễn Minh Đức, thầy Lê Hồng Thắng trong thời gian qua đã chỉ dạy cho tôi hiểu rõ về nguyên lý làm việc và cách vận hành của các thiết bị trong phòng thí nghiệm Cảm ơn các bạn sinh viên Nguyễn Ngọc Linh (K56), Lê Duy Tùng (K56), Hoàng Thị Thu (K56), Đỗ Nguyễn Hoàng Dương (K56), Lưu Văn Hải (K54), đã giúp đỡ trong quá trình làm việc tại Phòng thí nghiệm Luyện kim bột.

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè và người thân đã luôn bên cạnh, động viên, khuyến khích giúp tôi thực hiện được mục tiêu đã đề ra.

Tác giả

VŨ THỊ MỸ LINH

Đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu Niken xốp bằng phương pháp luyện kim bột”

đuợc thục hiện bởi chính tác giả, duới sụ huớng dẫn của TS Bùi Xuân Chiến Luận văn chua

đuợc công bố ở bất kỳ nơi nào.

Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm.

Hà Nội, ngày 14 tháng 7 năm 2016

Tác giả

VŨ THỊ MỸ LINH

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU 1

1 Lí do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 2

3 Nhiệm vụ nghiên cứu 2

4 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 2

5 Đóng góp mới 3

6 Phương pháp nghiên cứu 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU XỐP 5

1.1 Tính chất và phân loại vật liệu xốp 5

1.1.1 Tính chất của một số vật liệu xốp 5

1.1.2 Phân loại vật liệu xốp 7

1.2 Các phương pháp chế tạo vật liệu kim loại xốp 8

1.2.2 Phương pháp bay hơi 9

1.2.3 Phương pháp điện hóa 10

1.2.4 Phương pháp luyện kim bột 11

1.2.4.1 T hiêu kết thông thường 17

1.2.4.2 Ép nóng 17

1.3.1 ứng dụng cấu trúc xốp của vật liệu trong công nghiệp 22

1.3.2 Những ứng dụng mang tính chức năng 23

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU NIKEN XỐP 25

2.1 Tính chất và đặc điểm của Niken 25

2.2 Vật liệu Niken xốp 25

2.2.1 Tì nh hình nghiên cứu ữên thế giới 25

2.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 28

2.3 Phương pháp chế tạo vật liệu Niken xốp 28

CHƯƠNG 3: THựC NGHIỆM 29

3.1 Quy trình chế tạo mẫu Niken xốp 29

3.2 Thiết bị thực nghiệm 30

3.2.1 Thiết bị ép 30

3.2.2 Thiết bị nung 31

3.2.3 Thiết bị thiêu kết 32

3.3 Phương pháp xác định các tính chất vật lý 32

3.3.1 Phương pháp đo tỷ trọng và độ xốp 33

3.3.2 Phương pháp đo độ bền nén 35

3.3.3 Phân tích hiển vi điện tử quét (SEM) 36

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 39

4.1 Anh hưởng của hàm lượng chất tạo xốp đến tính chất của Niken xốp 39

4.2 Anh hưởng của lực ép đến tính chất của vật liệu 43

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

Bảng 4.1: Kết quả đo độ xốp của mẫu sau thiêu kết 1000°c trong 1 giờ với hàm

lượng chất tạo xốp khác nhau 39Bảng 4.2: Trình bày mối liên hệ giữa độ xốp và modun độ bền 42

Bảng 4.3: Kết quả đo độ xốp và modun độ bền của mẫu sau thiêu kết 1000°c trong 1 giờ 44

Bảng 4.4: Kết quả đo độ xốp và tỉ trọng của mẫu sau thiêu kết ở các nhiệt độ khác nhau khỉ không có chất tạo xốp 48

Hình 1.2: cấu trúc lỗ xốp hở 5

Hình 1.3: Vật liệu không thấm ướt 6

Hình 1.4: Vật liệu thấm ướt 6

Hình 1.5: Kích thước lỗ xốp 7

Hình 1.6: Tạo bọt trực tiếp bằng phương pháp đẩy khí 9

Hình 1.7: Tạo bọt trực tiếp kim loại lỏng bằng chất sinh khí 9

Hình 1.8: Chế tạo vật liệu kim loại xốp từ dung dịch ion kim loại 10

Hình 1.9: Quy trình chế tạo vật liệu kim loại xốp bằng 13

Hình 1.10: Sơ đồ thiêu kết 14

Hình 1.11: Mối quan hệ giữa độ co ngót và nhiệt độ 15

Hình 1.12: Sơ đồ cấu trúc của thiết bị thiêu kết xung điện Plasma 20

Hình 2.1 : So sánh độ bền và độ xốp của ba phương pháp chế tạo 28

Hình 3.1 : Sơ đồ quy trình công nghệ chế tạo vật liệu Niken xốp 29

Hình 3.2: Khuôn ép 30

Hình 3.3: Thiết bị ép 31

Hình 3.4: Thiết bị nung 31

Hình 3.5: Thiết bị thiêu kết 32

Hình 3.6: Cân điện tử 33

Hình 3.7: Thiết bị đo độ bền nén MTS 809 36

Hình 3.8: Máy hiển vi điện tử quét 37

các chế độ phóng đại khác nhau 41Hình 4.3: Mối liên hệ giữa độ xốp và modun đàn hồi 43Hình 4.4: Ảnh hưởng của lực ép đến độ xốp của vật liệu 44Hình 4.5: Ảnh SEM mẫu Niken xốp 0% NH4HCO3 với_lực ép 100 MPa và 200MPa 45Hình 4.6: Ảnh SEM mẫu Niken xốp 60%NH4HCO3với_lực ép 100 MPa và 200MPa 46Hình 4.7: Ảnh hưởng lực ép đến modun đàn hồi của vật liệu 47Hình 4.8: Ảnh hưởng của nhiệt độ thiêu kết đến độ xốp khi không có chất tạoxốp 49Hình 4.9: Ảnh hưởng nhiệt độ thiêu kết đến modun đàn hồi của vật liệu 50

MỞ ĐẦU

1 Lí do chọn đề tài

Vật liệu xốp và các loại vật liệu có độ xốp cao vói cấu trúc kiểu mạng lướiđược biết đến với nhiều tính chất hấp dẫn như khối lượng riêng rất thấp hoặc độthẩm thấu khí và lỏng cao Vì lý do này mà vật liệu xốp được sử dụng nhiềutrong lĩnh vực kết cấu hoặc những ứng dụng mang tính chức năng chuyên biệt(ví dụ như gỗ hoặc xưomg) Việc nghiên cứu về vật liệu xốp hiện đang thu hútđược nhiều sự quan tâm trong cả lĩnh vực khoa học và những ứng dụng trongcông nghiệp Vì lý do này mà vật liệu xốp được sử dụng nhiều trong lĩnh vựckết cấu hoặc những ứng dụng mang tính chức năng chuyên biệt (ví dụ như gỗhoặc xương)

Trong các loại vật liêu được lựa chọn làm xốp như Fe, Cr, Cu thì Niđược biết đến với tính chất quan trọng là có độ bền hóa học ngay cả ở nhiệt độ

500°c, bền ăn mòn vói nhiều kim loại axit, hơn nữa độ bền cơ cao hơn các kim

loại màu khác

Vật liêu Niken xốp có những tính chất đặc trưng như khối lượng riêngthấp, độ thấu khí cao Hơn nữa, vật liệu Niken xốp với những ứng dụng như:làm chất xúc tác khi vận chuyển, bộ lọc khí vật liệu, lọc chất lỏng, gá kẹp chânkhông, pin nhiên liệu, Chế tạo vật liệu Niken xốp với những tính năng đặcbiệt sẽ mang đến những ứng dụng mới cho tương lai

Chế tao vật liệu xốp có nhiều phương pháp: Phương pháp luyện kim bột,phương pháp phản ứng nhiệt tự lan truyền, phương pháp đồng kết tủa, phươngpháp sol-gel Khác các phương pháp khác phương pháp luyện kim bột là quátrình chế tạo chi tiết từ bột kim loại hoặc bột các họp chất của kim loại, phươngpháp luyện kim bột có những ưu điểm khá rõ rệt như:

- Nguyên liệu được sử dụng khá triệt để, ít phải gia công cắt gọt Vì hầunhư không có phế liệu sau các giai đoạn gia công.

- Đảm bảo đồng bộ nhất của sản phẩm về thành phần, tổ chức tế vi và tínhchất của sản phẩm

- Vốn đầu tư ban đầu khá cao, sẽ được bù lại nhờ tính đơn giản của cácnguyên công, năng suất cao và cần ít nhân lực

- Sản phẩm tạo ra sẽ rẻ hơn so với phương pháp luyện kim thông thường

Vì những lý do trên tôi xin chọn đề tài: “Nghiền cứu chế tạo vật liệu Niken xốp bằug phương pháp luyện kim bột”.

2 Mục đích nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về vật liệu kim loại xốp

- Nghiên cứu tổng quan công nghệ chế tạo vật liệu kim loại xốp hiện nay

- Quy trình chế tạo vật liệu Niken xốp bằng phương pháp luyện kim bột

- Chế tạo vật liệu Niken xốp ứng dụng cho điều hòa mini dùng cho tên lửavác vai Theo khảo sát phân tích mẫu chuẩn đòi hỏi vật liệu Niken xốp có độxốp > 50%, kích thước lỗ xốp từ 10 đến 50 pm, modun đàn hồi > 315,06 MPa

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Chế tạo vật liệu xốp trên cơ sở bột Niken

- Kiểm tra cơ lý tính của vật liệu xốp đã chế tạo

- Đánh giá, thảo luận các kết quả nghiên cứu

4 Đổi tượng, phạm vỉ nghiên cứu

- Đối tượng: Vật liệu Niken xốp

- Phạm vi ngiên cứu: Công nghệ chế tạo vật liệu Niken xốp bằng phươngpháp luyện kim bột

6 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

- Phương pháp thực nghiệm: Phương pháp luyện kim bột

- Các phương pháp đánh giá đặc trưng và tính chất của vật liệu xốp

CHƯƠNG 1: TỎNG QUAN VÈ VẶT LIỆU XỐP 1.1 Tính chất và phân loại vật lỉệu xếp

1.1.1 Tính chất của một sế vật liệu xếp

Vật liệu xốp là vật liệu chứa những kênh hay những khoảng hở nhỏ chophép những chất lưu (chất khí hoặc lỏng) hấp thụ vào hoặc đỉ qua Do đó, tínhchất và lĩnh vực ứng dụng của vật liệu xốp được quyết đỉnh chủ yếu bởi nhữngtính chất của cấu trúc xốp bao gồm:

- Cấu trúc lễ xốp kín: Những vật liệu chứa bên trong nố là những lỗ xốpkhép kín, không thông vód nhau và cũng không thông vód bề mặt của vật liệu(hình 1.1)

- Cấu trúc lỗ xốp hở: Vật liệu xốp có cấu trúc lỗ xốp hở là vật liệu chophép những chất lỏng hoặc khí đi xuyên qua nó từ một bề mặt của vật liệusang bề mặt đối diện bởi những lối đi hay những khe hở thông với nhau ở bêntrong vật liệu (hình 1.2)

Hình 1.2: cấu trúc lỗ xốp hở [ ĩ ]

Tính chất lỗ xốp hở: Vật liệu cấu trúc lỗ xốp hở được phân chia thành 2 loại: vật liệu thấm ướt và vật liệu không thấm ướt với chất lỏng.

- Vật liệu không thấm ướt: Vật liệu có cấu trúc hở nhưng chất lỏng khôngthể bị hút vào bởi lực mao dẫn (hinh 1.3)

Hình 1.3: Vật liệu không thấm ướt [1].

- Vật liệu thấm ướt: chất lỏng được hút vào các lỗ xốp hở của vật liệu dotác động của lực mao dẫn (hình 1.4)

- Kích thước lỗ xốp: kích thước của lỗ xốp ữong vật liệu xốp là một thông

số rất quan ừọng Thông sổ này ảnh hưởng đến khả năng thấu khí hay khả năngcho phép chất lỏng đi qua Khả năng cho chất lỏng đi qua lại phụ thuộc vàochất lỏng sử dụng là nước hay là dầu, hay có thể là những chất lỏng tự nhiênhoặc nhân tạo khác Kích thước lỗ xốp có hiệu quả được xác định là

kích thước nhỏ nhất bên trong những khe hay lỗ xốp (hình 1.5) Trong ứngdụng, vật liệu xốp làm việc như thế nào liên quan trực tiếp đến tính chất của vậtliệu làm ra nó và những đặc điểm của cấu trúc xốp.

Kídi thước xôp Lý tương

Hình 1.5: Kích thước lẽ xốp [1 ].

1.1.2 Phân loạỉ vật liệu xốp

Theo hình dạng lỗ xốp, ta có thể chia ra các loại sau [2]:

- Vật liệu có cấu trúc kiểu mạng mắt lưới: đây là thuật ngữ phổ biếnnhất nói đến vật thể kim loại chứa những lỗ hổng khí phân tán bên ừong Phakim loại chia không gian thành những ô kiểu hình mạng khép kín chứa pha khí

- Vật liệu xốp: là một dạng đặc biệt của kiểu mạng mắt lưới với những

lỗ trống cố hình dạng nhất định Các lỗ xốp thường có dạng tròn cách biệt vớinhau

- Vật liệu rắn xốp dạng bọt: đây cũng là một dạng đặc biệt khác củakiểu mạng mắt lưới mà khởi đầu là từ bọt kim loại lỏng và do đố nó có hìnhthái học nhất định Những ô mạng kín, dạng tròn hoặc nhiều mặt bị tách riêngbiệt với nhau bởi những màng mỏng

- Vật liệu có cấu trúc xốp dạng xỉ: dạng này có hình thái học giống nhưkim loại xốp kiểu mạng lưới, thường ở dạng những lỗ hổng mở nối liền nhau

Kích thươc xỏp hiệu dung

Kích thước xổp thực tể

Ngoài ra còn có thể phân loại vật liệu xốp theo tính chất của vật liệu: vậtliệu kim loại xốp, vật liệu gốm xốp.

1.2 Các phương pháp chế tạo vật liệu kim loại xốp

Hiện nay, có nhiều phương pháp để chế tạo vật liệu xốp, trong đó, có một

số phương pháp tương tự như những kỹ thuật được sử dụng trong tạo bọt chấtlỏng nước hoặc chất lỏng hữu cơ, và ngược lại có những phương pháp đượcthiết kế đặc biệt bởi việc muốn đưa vào những tính chất đặc trưng của vật liệu[9] Những phương pháp khác nhau được phân loại theo trạng thái của vật liệuban đầu Điều này định rõ bốn họ của quá trình chế tạo, mỗi một họ tương ứngvới một trạng thái ban đầu của vật liệu, bao gồm chế tạo vật liệu xốp:

- Từ kim loại lỏng

- Từ hơi hoặc khí của các họp chất kim loại

- Từ dung dịch ion kim loại

- Từ kim loại rắn dạng bột

1.2.1 Chế tạo vật liệu xốp từ kim loại uóng chảy

Ở phương pháp này, kim loại nóng chảy được chế tạo thành vật liệu xốpbằng cách tạo bọt trực tiếp, gián tiếp, hoặc bằng cách rót kim loại lỏng baoquanh vật liệu rắn độn ở bên trong khuôn để tạo sẵn các khoảng trống cho quátrình xử lý tiếp theo để tạo xốp Một cách khác nữa là làm nóng chảy một vật

ép từ bột có chứa chất sinh khí

Tạo bọt trực tiếp (hình 1.6): Trong một điều kiện nhất định, người ta tạo

ra những bong bóng khí trong lòng khối kim loại nóng chảy Thường thì nhữngbóng khí được tạo ra đó có xu hướng nhanh chóng nổi lên trên bề mặt do lựcđẩy Acsimet ừong lòng chất lỏng có tỷ trọng lớn, nhưng xu hướng nổi lên củacác bóng khí có thể được điều khiển bằng cách tăng độ nhớt của kim loại nóngchảy Bằng cách cho thêm vào những bột gốm mịn hoặc các nguyên

tố họp kim người ta đã tạo ra được những hạt làm ổn định khối kim loại nóngchảy.

Hình 1.6: Tạo bọt trực tiếp bằng phương pháp đẩy khỉ [9].

Hiện nay có hai cách để tạo bọt trực tiếp kim loại lỏng, đó là: đẩy khívào kim loại lỏng từ một nguồn ở bên ngoài hoặc là tạo khí ở đúng chỗ của nóngay từ đầu trong chất lỏng bằng cách trộn thêm vào chất sinh khí trong kimloại lỏng (hình 1.7)

1,5% Ca

AI sach 1 ? 6% TiH

Hình 1.7: Tạo bọt trực tiếp kim loại lỏng bằng chất sinh khỉ [9],

1.2.2 Phương pháp bay hơi

Bọt xốp kim loại cũng được tạo ra từ kim loại hoặc các hợp chất kimloại ở thể khí (hình 1.8) Một cấu trúc có sẵn ở dạng rắn được dừng để địnhhình trước cho sản phẩm kim loại xốp sau này Ví dụ, ta có thể dừng những bọtpolyurethane có dạng mắt lưới hoặc những cốt sẵn bằng polyme có dạng

một khối có cấu trúc xốp kiểu mạng Hơi kim loại được tạo ra trong một buồngchân không và ngưng tụ trên cốt lạnh đặt sẵn Kim loại ngưng tụ lên bề mặt củacốt polyme và tạo thành một lớp màng có độ dày nhất định được đánh giá bằngmật độ hơi và thời gian để kim loại ngưng tụ lên cốt đó.

Sau khi làm nguội, cốt polyme được loại bỏ bằng cách xử lý nhiệt hoặc

xử lý hóa học và ta thu được một cấu trúc xốp bằng kim loại giống hệt cấu trứcxốp của polyme

Người ta đã sản xuất bọt xốp niken theo cách này với tấm mỏng khoảng3,3 mm; mật độ kim loại trong khoảng 0,2 đến 0,6 g/cm3, độ sạch vật liệu làkhoảng 99,97% Ni; độ bền kéo khoảng 0,6 MPa đối với tấm có mật độ kim loạitrung bình [5]

Hình 1.8: Chế tạo vật liệu kim loại xốp từ dung dịch ion kim loại [6].

1.2.3 Phương pháp điện hóa

Yới phương pháp này, trạng thái ban đầu của vật liệu là các ion kim loại,

ví dụ như là một dung dịch các ion ừong một chất điện phân Kim loại đượcđiện phân lên một miếng bọt polyme với các ô mạng mở và bọt polyme sẽ bịloại bỏ sau này Việc điện phân kim loại lên bọt polyme đòi hỏi bọt ban đầuphải có tính dẫn điện Điều này có thể đạt được bằng cách nhúng bọt polymevào một loại bùn dẫn điện, ữên cơ sở graphit hoặc cacbon black

Tạo bọt trực tiếp bằng chất sinh khí 90-93 Al,Zn

Nấu chảy vật được ép từ bột 60-90 Al,Zn

2 Từ trạng thái rắn (từ vật liệu bột)

Tạo bọt từ bùn bột kim loại (thấm bùn ) <90 AI

Theo phương pháp ép và thiêu kết 20-80 Ti,Fe,Cu

1.2.4 Phương pháp luyện kim bột

Thay vì từ kim loại nóng chảy, bột kim loại rắn cũng có thể được sửdụng để tạo ra vật liệu kim loại có cấu trúc xốp Bột kim loại ở trạng thái rắntrong toàn bộ quá trình và chỉ có đơn thuần là xử lý nhiệt hoặc là các quá trìnhkhác ở trạng thái rắn Đây là việc tạo xốp bằng cách giữ khí ở trong một vật nén

từ vật liệu bột bằng cách sử dụng vật liệu độn hoặc là tạo bọt bột kim loại ởdạng bùn

Một cách đơn giản để chế tạo vật liệu xốp từ nguyên liệu ban đầu là bộtkim loại, tiếp theo đó tiến hành ép hoặc đùn hỗn hợp bột kim loại với chất kếtdính hoặc chất tạo xốp, sau đó là quá trình phân hủy chất kết dính và chất tạoxốp Bột kim loại được kết khối bằng quá trình thiêu kết Đây chính là phươngpháp luyện kim bột.

Phương pháp luyện kim bột là chế tạo bột qua ép rồi thiêu kết, không cànnóng chảy, kết tinh hay gia công cắt gọt Phương pháp luyện kim bột có những

ưu điểm khá rõ rệt:

- Nguyên liệu được sử dụng triệt để, ít phải gia công cắt gọt vì hầunhư không có phế liệu (kiểu phoi) sau các giai đoạn gia công

- Đảm bảo độ đồng nhất của sản phẩm về thành phàn, tổ chức tế vi vàtính chất của sản phẩm, do khâu ép và thiêu kết có tính lặp lại cao

- Vốn đầu tư ban đầu khá cao, sẽ được bù lại nhờ tính đơn giản của cácnguyên công, và bởi khả năng tự động hóa cao, năng suất cao và càn ít nhânlực

- Một số sản phẩm chỉ có thể chế tạo bằng phương pháp luyện kim bộthoặc bằng phương pháp luyện kim bột sẽ rẻ hơn so với luyện kim thông

thường Ví dụ như kim loại và họp kim có nhiệt độ nóng chảy cao như: w,

WC-Co, các loại giả hợp kim, vật liệu xốp

Khác với phương pháp luyện kim thông thường là chế tạo kim loại vàhọp kim bằng cách nấu chảy rồi qua kết tinh trong khuôn để tạo hình, côngnghệ luyện kim bột sử dụng bột kim loại như nguyên liệu ban đầu rồi qua ép vàthiêu kết để tạo hình như mong muốn Vậy muốn có một sản phẩm từ bột phảitrải qua 3 công đoạn chính như sau:

- Tạo bột kim loại hay họp kim có thành phần đúng với yêu cầu

- Tạo hình sơ bộ bằng cách ép hỗn họp bột trong khuôn dưới áp suấtthích họp.

- Thiêu kết: ép xong đem nung đến nhiệt độ và ừong khoảng thời gianxác định ừong chân không hoặc trong môi trường khí bảo vệ Xảy ra quá trìnhkết tinh lại các hạt, làm cho các bột liên kết bền vững với nhau, tăng cơ lý tínhcho sản phẩm

Hình 1.9: Quy trình chế tạo vật liệu kim loại xốp bằng

phương pháp luyện kim bột.

Trong sơ đồ:

- Giai đoạn chuẩn bị phối liệu: tính toán thành phàn của nhiên liệu banđầu sao cho đạt tỷ lệ họp phức của sản phẩm muốn chế tạo

- Giai đoạn trộn: cho nhiên liệu đã chuẩn bị vào trộn đều

- Giai đoạn tạo hình: nhằm tăng độ tiếp xúc giữa các chất phản ứng.Kích thước và độ dày của mẫu tùy thuộc vào khuôn Áp lực ép tùy thuộc vàođiều kiện thiết bị có thể đạt tới vài tấn/cm2

- Giai đoạn thiêu kết: là quá trình gia công nhiệt và vật liệu bột kim loại,họp kim, các chất vô cơ, sau khi tạo hình, thực hiện các phản ứng giữa các pharắn, đây được xem là công đoạn quan trọng nhất

Thiêu kết là quá trình làm tăng sự liên kết giữa các hạt bột, triệt tiêu lỗxốp Kết quả là xảy ra sự co ngót ở nhiệt độ cao, điều này làm thay đổi kích

thước của yật liệu sau thiêu kết [8] Sự thay đổi kích thước này là kết quả củanhiều quá trình nhu: khuếch tán bề mặt, khuếch tán biên hạt, bay hơi và ngưng

tụ tại phèn tiếp xúc giữa các hạt

- Nhiệt độ thiêu kết: thiêu kết là quá trình khuếch tán và vận chuyểnchất Tất cả các quá trình đó đều phụ thuộc vào nhiệt độ và nhạy cảm vớinhiệt độ Cho nên, nhiệt độ thiêu kết ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình thiêukết Nhiệt độ tăng thì quá trình thiêu kết xảy ra mạnh hơn và ngược lại

- Thời gian thiêu kết: thời gian và nhiệt độ thiêu kết là hai yếu tố có mốiquan hệ chặt chẽ với nhau và ảnh hưởng tới quá trình thiêu kết Nhiệt độ cao thìquá trình thiêu kết xảy ra mạnh và cần thời gian thiêu kết ngắn hơn

Thông thường, trong quá trình thiêu kết luôn xảy ra đồng thời hai quátrình co ngót và kết tỉnh lại dẫn đến sự thay đổi độ xốp, kích thước, hình dạng

lỗ xốp và hình dạng, kích thước hạt bột Sự cân bằng giữa sự co ngót và sự pháttriển hạt là vấn đề mấu chốt để tạo ra được vật liệu có cấu trúc và tính chấtmong muốn Quá trình được quyết định bởi tỷ lệ giữa kích thước hạt và kíchthước lỗ xốp Khi kích thước hạt nhỏ và kích thước lỗ xốp lớn sẽ xảy ra quátrình kết tinh lại Trong trường họp ngược lại sẽ xảy ra quá trình co ngót.

Quá trình co ngót:

Vật ép trước thiêu kết thường có độ xốp lớn Khi nung nóng sẽ dẫn đến sự

co ngót của thể tích lỗ xốp và tỷ trọng của vật thiêu kết sẽ tăng lên Hình dạngđường cong thiêu kết phụ thuộc vào nhiều yếu tố: đặc điểm bột, tỷ ừọng tươicủa mẫu, thời gian, lực ép và môi trường thiêu kết Sự phụ thuộc tỷ trọng hay

độ co ngót của vật thiêu kết vào nhiệt độ được biểu diễn dưới dạng đường congthiêu kết như trên hình 1.11

V

Hình 1.11: Mối quan hệ giữa độ co ngót và nhiệt độ.

Đặc trưng của quá trình co ngót là sự giảm tốc độ co ngót khi thiêu kếtđẳng nhiệt Khi đó:

Trong đó: AV/V là co ngót thể tích,

k: hằng số

t: thời gian,

n = 0,5

Khi tiếp tục tăng nhiệt độ sau khi thiêu kết đẳng nhiệt, quá trình co ngót

sẽ không tiếp tục xảy ra mà tốc độ thiêu kết lại tiếp tục tăng lên

Quả trình kết tình lại:

Phát triển hạt luôn xảy ra đồng thời với sự co ngót ừong quá trình thiêukết ừạng thái lỏng và chiếm ưu thế đặc biệt ở giai đoạn cuối

G3 = Gj*+ K.t.e~ Q/ RT (1.2)Trong đó: G: Kích thước hạt sau thời gian t

G0: Kích thước ban đầu của hạt t: Thời gian thiêu kết Q:

Năng lượng hoạt hóaK: Hệ số tỷ lệ khuếch tán Giá trị của K phụ thuộc vào sự hoà tan

lỗ xốp và hàm lượng pha thứ hai tập trung ở biên giới hạt

có nhiệt độ nóng chảy thấp hom nhiệt độ thiêu kết, hoặc do sự tạo thành cùngtinh, pha lỏng có thể xuất hiện và biến mất trong quá trình thiêu kết hoặc tồn tạitrong suốt quá trình thiêu kết Pha lỏng xuất hiện và điền đày vào các lỗ xốp,làm các hạt bột xích lại gần nhau và liên kết với nhau do sức căng bề mặt lỏng -rắn Do vậy, thiêu kết có xuất hiện pha lỏng cho sản phẩm có độ xít chặt cao và

là dạng thiêu kết hay sử dụng để nhận được vật liệu có mật độ cao Thiêu kếtthông thường được thực hiện trong môi trường chân không hoặc khí bảo vệ Ar,

N2 Những sản phẩm nhận được sau thiêu kết thông thường có mật độ khôngcao

Để nâng cao mật độ người ta tiến hành kết họp đồng thời hai quá trình ép

và thiêu kết Quá trình ép và thiêu kết đồng thời thường được gọi là thiêu kếtdưới áp lực Các kỹ thuật thiêu kết dưới áp lực thông dụng là: ép nóng, thiêukết hồ quang plasma

1.2.4.1 Thiêu kết thông thường

Đây là kỹ thuật đơn giản nhất trong chế tạo vật liệu composite, viên éptươi được nung lên nhiệt độ thiêu kết và giữ ở nhiệt độ đó một thời gian họp lý,quá trình tiến hành trong môi trường chân không hoặc khí trơ để ừánh sự oxihóa Nhưng sản phẩm nhận được có mật độ thấp

Các kỹ thuật thiêu kết dưới áp lực thông dụng khác là: ép nóng, thiêu kết

hồ quang plasma

1.2.4.2 Ép nóng

Để có được sản phẩm có độ xốp nhỏ (hoặc bằng không) có thể áp dụngphương pháp ép nóng (hay còn gọi là thiêu kết dưới áp lực), tức là kết họp hainguyên công ép và thiêu kết trong một nguyên công Kỹ thuật này được tìm ra

từ năm 1933 Dưới tác dụng đồng thời của nhiệt độ và áp suất làm cho sự biếndạng dễ dàng hơn thông qua quá trình rão và vận chuyển chất giúp đạt được

mật độ cao Quá trình ép nóng được thực hiện trong môi trường khí trơ hoặcchân không để ngăn cản sự oxi hóa Kỹ thuật ép nóng bao gồm hai loại: épnóng theo một hướng và ép nóng theo mọi hướng (ép nóng đẳng tĩnh).

* Ép một chiều ở nhiệt độ cao:

- Ép nóng ở nhiệt độ rất cao (1500 - 2500°C), tiến hành ừong khuôngraphit có phủ một lớp oxit, dưới áp suất khoảng 30 MPa, đây là cách duy nhất

để đạt độ xít chặt 95 - 98% đối với họp kin cứng mà không cần cho thêm chấtkết dính

- Ép nóng ở nhiệt độ trung bình (800 - 1100°C) tiến hành trong khuônbằng kim loại chịu nhiệt, trong môi trường khí bảo vệ hoặc chân không dưới ápsuất cao 200 MPa Kỹ thuật này được ứng dụng đối với bột kim loại hoạt hóacao như Be

* Ép nóng đẳng tình (HIP): kỹ thuật ép nóng đẳng tĩnh được phát

minh ở Mỹ đầu thập niên 50 của thế kỉ 20 tại viện nghiên cứu Battelle bangOhio Ban đầu kỹ thuật này được phát triển để hàn những chi tiết của thanhnhiên liệu ừong lò phản ứng hạt nhân theo nguyên lý hàn khuếch tán Sau đó,

kỹ thuật này được ứng dụng để kết khối bột kim loại Kỹ thuật HIP đóng vai tròquan trọng trong công nghiệp chế tạo vật liệu kim loại tiên tiến và gốm đặcbiệt Ban đầu do giá thành vật liệu xử lý bằng kỹ thuật HIP rất đắt nên kỹ thuậtnày chỉ tìm được ứng dụng trong ngành hàng không vũ trụ Đen nay HIP đã trởnên thông dụng, được ứng dụng cho những loại vật liệu sử dụng hàng ngàytrong công nghiệp như họp kim cứng, thép dụng cụ

Nguyên lý của kỹ thuật ép nóng đẳng tĩnh: ép nóng đẳng tĩnh là kỹ thuậttạo ra một môi trường nhiệt độ cao, áp suất cao và đẳng hướng, để tạo điều kiệnquá trình ép và thiêu kết xảy ra đồng thời Trong đó, hỗn họp bột được bọc vỏ,hút chân không, hàn kín vỏ bọc được làm từ bất kỳ vật liệu nào có

khả năng biến dạng được ở nhiệt độ kết khối hỗn hợp bột Trước khi đưa vào

ép nóng đẳng tĩnh, khối vật liệu được nung nóng, hút chân không, các tạp chất

dễ bay hoi sẽ được lấy hết ra, tạo chân không trong vỏ, sau đó vỏ bọc được hànkín Chất lượng vỏ bọc quyết định mật độ của vật liệu sau kết khối Vì nếu cònkhí trong vỏ bọc hoặc khí tự sinh ra ở nhiệt đô cao thì vật liệu sẽ chứa bọt khí

và không đạt được mật độ xít chặt hoàn toàn Áp suất được tạo nên bởi dòngkhí đưa vào, loại khí được sử dụng là Ar hoặc N2 Phạm vi nhiệt độ và áp suất

thường sử dụng là 500 - 1800°c và 500 - 2000 kgf/cm2 Trong quá tình HIP, khicác lỗ xốp bị triệt tiêu, vỏ bọc cùng vật liệu bột co ngót Do lực tác động đều tất

cả các hướng, nên sau HIP vẫn giữ nguyên được hình ban đầu nhưng nhỏ hơn

Kỹ thuật HIP có rất nhiều ứng dụng như:

+ Chế tạo vật liệu kim loại theo phương pháp luyện kim bột đạt mật độxít chặt hoàn toàn

+ Triệt tiêu các khuyết tật rỗ xốp hình thành trong vật đúc, nâng cao cơtính của những chi tiết chế tạo bằng phương pháp đúc Tiêu biểu trong lĩnh vựcnày là xử lý, triệt tiêu khuyết tật trong các chi tiết đúc của động cơ máy bay, tênlửa bằng họp kim titan Ti - 6A1 - 4V, cánh tuốc bin máy bay bằng siêu hợpkim

+ Hàn khuếch tán hai hoặc nhiều vật liệu khác nhau, mà các phươngpháp hàn khác không thực hiện được Ví dụ như hàn Titan với thép không gỉ

1.2.4.3 Thiêu kết xung điện plasma

Kỹ thuật thiêu kết xung điện plasma (SPS) là một kỹ thuật tương đối vớimới cho phép chuẩn bị mẫu vật liệu có mật độ lý tưởng tại nhiệt độ thiêu

kết tuơng đối thấp và khoảng thời gian giữ nhiệt ngắn hom (tính theo đom vịphút) so với các phuomg pháp thiêu kết truyền thống như thiêu kết thường, épnóng là các phưomg pháp thiêu kết đòi hỏi thời gian giữ nhiệt kéo dài (hànggiờ) ở nhiệt độ cao.

Kỹ thuật thiêu kết xung điện plasma cũng được gọi là công nghệ thiêukết trường hỗ trợ thiêu kết dòng điện xung, và kết khối hỗ trợ bởi xung điện đãđược phát triển đầu tiên vào những năm 1930, nhưng ở thời gian này công nghệchưa cho phép để có thể thưomg mại hóa chúng Vào những năm 1980, côngnghệ SPS đã được phát triển xa hom và nó đã bắt đầu được sử dụng tại nhiềuphòng thí nghiệm nghiên cứu, đặc biệt tại Nhật Bản Sơ đồ cấu trúc của thiết bịthiêu kết xung điện plasma được biểu thị ở hình 1.12 dưới đây:

Hình L12: Sơ đồ cấu trúc của thiết bị thiêu kết xung điện Pỉasma.

Bộ phận thiều kết xung điện tương tự bộ phận của thiết bị ép nóng thôngthường, nghĩa là bột được đưa vào khuôn ép áp lực cao và được ép đom trục(theo 2 mặt cắt dọc trục), áp lực ép có thể được điều khiển và thay đổi trongquá trinh thiêu kết Ở thiết bị ép nóng, nhiệt được sinh bởi phần tử phát nhiệt