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

Với mục đích tạo ra một loại vật liệu có các tính chất nổi trội như khả năng hấp thụ âm thanh ứng dụng làm các thiết bị cách âm, hấp thụ sóng điện từ, siêu nhẹ để làm phao nổi cho tàu th

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, nhóm vật liệu xốp đã nhận được rất nhiều sự quan tâm từ phía các nhà khoa học cũng như các ứng dụng trong thực tế Với những ưu điểm về nhiệt độ nóng chảy thấp (660o

C) và khối lượng riêng nhỏ (2,7g/cm3), nhôm gần như là kim loại đầu tiên được nghiên cứu tạo xốp Với mục đích tạo ra một loại vật liệu có các tính chất nổi trội như khả năng hấp thụ âm thanh (ứng dụng làm các thiết bị cách âm), hấp thụ sóng điện từ, siêu nhẹ để làm phao nổi cho tàu thuyền, chống va đập tốt hoặc ứng dụng trong công nghệ sản xuất xe đua…Vật liệu nhôm xốp cần đảm bảo có cấu trúc lỗ xốp đồng đều về kích thước và độ bền nhất định Hiện nay, trên thế giới nhôm xốp đã được đưa vào ứng dụng rất rộng rãi, tuy nhiên

ở Việt Nam gần như chưa được đầu tư nghiên cứu Đó cũng là lý do đề tài nghiên

cứu được chọn là “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nhôm xốp bằng phương pháp

Từ những kết quả khảo sát này, đề tài hy vọng sẽ tìm ra chế độ công nghệ cũng như hàm lượng TiH2 tối ưu nhất để đạt được vật liệu nhôm xốp có cấu trúc và tính chất như mong muốn

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: Thông qua nghiên cứu thực nghiệm,

đề tài xác lập các qui luật hình thành nhôm xốp dưới ảnh hưởng của các yếu tố chính như môi trường, áp lực ép sơ bộ, nhiệt độ, thời gian thiêu kết và hàm lượng chất tạo xốp TiH2 Các kết quả thực nghiệm đã bước đầu đề xuất được các chế độ tối ưu cho quá trình hình thành cấu trúc lỗ xốp đồng đều về kích thước trong khoảng 2-5mm, đảm bảo các tính chất phù hợp để sử dụng làm tường cách âm, các

các thiết bị hấp thụ sóng âm, thanh chống va đập [1]… Đồng thời với khối lượng riêng <1g/cm3 có thể ứng dụng làm các phao nổi cho tàu thuyền hoặc ứng dụng trong ngành công nghiệp sản xuất xe đua, công nghệ hàng không, vụ trụ

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VẬT LIỆU NHÔM XỐP

1.1 Tổng quan chung về vật liệu nhôm xốp

Trong những năm gần đây, vật liệu xốp nhận được rất nhiều sự quan tâm từ phía các nhà khoa học cũng như sản xuất Với các tính chất nổi trội như khối lượng riêng thấp, khả năng hấp thụ năng lượng va đập, hấp thụ âm thanh, giảm chấn, làm lệch sóng điện từ…Các vật liệu và hợp kim xốp thường được nghiên cứu hiện nay

là Titan, niken, nhôm và các hợp kim của chúng Nếu như titan được quan tâm nhiều trong lĩnh vực y khoa thì nhôm xốp lại được ứng dụng nhiều trong công nghiệp như ngành sản xuất xe đua, thiết bị hấp thụ sóng âm, làm phao nổi cho tàu, thuyền, thủy lôi hay làm tường cách âm…Những nghiên cứu đầu tiên về nhôm xốp

đã được thực hiện cách đây khoảng ba thập kỷ [1] và có rất nhiều nghiên cứu đã được đưa vào ứng dụng trong công nghiệp như công nghệ chế tạo các thiết bị đệm chống va đập cho tàu hỏa và xe đua, hình 1.1 và hình 1.2

Hình 1.1 Đệm chống va đập cho tà hỏa làm bằng vật liệu nhôm xốp

Có nhiều công nghệ khác nhau để chế tạo ra kim loại xốp cụ thể là nhôm xốp, nhưng chúng ta có thể phân loại theo 4 phương pháp chính là: luyện kim bột, đúc nóng chảy (molten - metal), lắng đọng kim loại (metalic deposition) và phương pháp phún xạ

1.2 Các phương pháp chế tạo nhôm xốp

1.2.1 Phương pháp luyện kim bột

Phương pháp luyện kim bột là phương pháp ra đời từ rất lâu và được ứng dụng ngày càng rộng rãi để chế tạo các vật liệu dùng trong công nghiệp và đời sống Ngày nay có thể nói không có lĩnh vực công nghiệp nào lại không sử dụng các sản phẩm của công nghệ luyện kim bột [4] Sản phẩm của luyện kim bột rất đa dạng ví

dụ như: chi tiết cơ khí (Fe-Cu-C, Fe-Ni-Cu…), vật liệu sạch chịu nhiệt (TaC, Mo2C, AlN ), Các hợp kim đặc biệt (như: nam châm Al-Ni-Co, hợp kim từ mềm, hợp kim siêu dẫn ), chi tiết xốp (bạc tự bôi trơn, màng lọc), giả hợp kim (kim loại nặng: W-Ni-Cu, W-Ni-Fe, các tiếp điểm điện và điện cực: W-Cu,W-Ag)… Phương pháp luyện kim bột là phương pháp được áp dụng rộng dãi nhất để chế tạo composite kim loại Các công đoạn chính trong chế tạo vật liệu bằng phương pháp luyện kim bột được trình bày trong hình 1.3 dưới đây

Hình 1.2 Thanh chống va đập cho xe Ferrari bằng vật liệu nhôm xốp

Hình 1.3 Sơ đồ công nghệ chế tạo composite kim loại theo phương pháp luyện

kim bột

Tuy nhiên, trong thực tế nghiên cứu và sản xuất, quy trình công nghệ có thể

lược bỏ hoặc thêm một số giai đoạn cho phù hợp với từng loại vật liệu

- Sản xuất bột kim loại và hợp kim: công nghệ luyện kim bột được bắt đầu bằng quá

trình tạo bột kim loại và hợp kim Các tính chất, cấu trúc và thành phần của bột kim loại phụ thuộc vào phương pháp sản xuất bột và bản chất kim loại

- Trộn tạo hỗn hợp bột: Các bột nguyên liệu thành phần được lựa chọn về thành

phần, hình dạng, kích thước, độ sạch… tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể Sau đó, chúng được trộn với nhau với một tỷ lệ thành phần mong muốn và đưa vào nghiền trộn nhằm tạo ra hỗn hợp bột với sự phân bố đồng đều của các cấu tử Môi trường có thể trộn có thể là môi trường khô, trộn ướt hoặc trong môi trường chân không

- Ép tạo hình: Hỗn hợp bột sau khi trộn được cho vào khuôn ép và ép với một áp

lực phù hợp để tạo ra phôi ép với hình dạng mong muốn và có độ bền đảm bảo cho các bước tiếp theo

-Thiêu kết: Sau khi ép tạo hình, các hạt bột chỉ liên kết với nhau một cách lỏng lẻo

nhờ lực ép do đó cơ tính thấp Để tạo ra sản phẩm với độ bền mong muốn, phôi ép cần phải tiến hành thiêu kết ở nhiệt độ và thời gian thích hợp nhằm tạo ra quá trình liên kết tốt giữa các cấu tử thông qua động lực học quá trình thiêu kết như là quá trình khuếch tán, vận chuyển chất

- Gia công tinh: đây là bước cuối cùng để tạo ra sản phẩm Ở bước này chi tiết được

gia công, hiệu chỉnh kích thước và có thể nhiệt luyện cải thiện tính chất tùy thuộc vào từng loại vật liệu

Sản xuất bột kim

loại và hợp kim

Trộn tạo hỗn hợp bột composite

Ép tạo hình

Thiêu kết Gia công lần tinh (tinh chỉnh kích

thước, nhiêt luyện…) Sản phẩm

Phương pháp luyện kim bột có các ưu điểm nổi bật sau[14]:

- Cho phép chế tạo ra các chi tiết có độ chính xác cao do vậy mà cần gia công

cơ ít, tiết kiệm được nguyên liệu và năng lượng

- Sản phẩm có cấu trúc tương đối đồng nhất

- Quy trình chế tạo và thiết bị tương đối đơn giản

- Công nghệ luyện kim bột cho phép chế tạo ra các loại vật liệu mới (kim loại

và hợp kim có nhiệt độ nóng chảy cao như: W, WC-Co, các loại giả hợp kim, các loại vật liệu xốp…) Các loại vật liệu này không thể chế tạo được bằng luyện kim truyền thống

Nhược điểm của phương pháp luyện kim bột là[14]:

- Khó chế tạo chi tiết có hình dạng phức tạp

- Phải sản xuất với số lượng lớn mới có hiệu quả kinh tế

Phương pháp luyện kim bột được sử dụng để chế tạo các sản phẩm yêu cầu

độ đồng đều cao trong đó có các vật liệu xốp như nhôm hay titan…Đối với nhôm xốp sử dụng tác nhân tạo xốp là bột TiH2, để đảm bảo chất lượng mẫu xốp thì ngay

từ đầu cần phân tán đồng đều TiH2 trong nền nhôm

1.2.1.1 Trộn tạo hỗn hợp bột

Trộn là khâu rất quan trọng trong công nghệ luyện kim bột vì quá trình này quyết định sự đồng đều thành phần trong sản phẩm cuối cùng Qua đó ảnh hưởng tới tính chất của composite Sự phân bố của các cấu tử gia cường trong composite nhận được từ sự phân tán của nó trong hỗn hợp bột Chất lượng và mức độ phân tán của các cấu tử gia cường phụ thuộc vào phương pháp trộn và kích thước bột ban đầu Có rất nhiều phương pháp trộn khác nhau để tạo ra hỗn hợp bột composite và chúng được chia ra làm hai nhóm chính là: trộn hóa học và trộn cơ học.Trong đó chủ yếu sử dụng phương pháp trộn cơ học, phương pháp trộn hóa học ít dùng trong thực tế vì nó không thể áp dụng với tất cả các kim loại

Có rất nhiều phương pháp trộn cơ học như: trộn siêu âm, nghiền bi, phun khô Trong đó phương pháp nghiền bi được sử dụng phổ biến nhất Nghiền bi có thể

được thực hiện trong máy nghiền hành tinh, máy nghiền tang trống, máy nghiền rung Mô phỏng quá trình nghiền bi được thể hiện trong hình 1.4 Các thông số ảnh hưởng tới quá trình nghiền bao gồm: tỷ lệ bi/bột, tốc độ nghiền, thời gian nghiền và môi trường nghiền Đối với composite kim loại thì môi trường nghiền rất quan trọng vì phải đảm bảo không xảy ra sự oxy hóa bột kim loại, môi trường nghiền có thể là khí trơ, cồn, xăng, axeton…

Hình 1.4 Mô hình mô phỏng quá trình nghiền bi

1.2.1.2 Ép tạo hình

Mục đích của bước này là để tạo ra hình dạng và kích thước mong muốn cho chi tiết, độ xốp ổn định, tạo độ bền cần thiết để tiến hành bước thiêu kết sau đó Có nhiều cách ép khác nhau như: ép một chiều, ép hai chiều, ép đẳng hướng trong khí hoặc dầu Trong đó ép đẳng hướng trong dầu cho viên ép có độ xốp đồng đều nhất

và thường được sử dụng để ép các loại bột có tính ép kém như các loại bột oxit, kim loại và hợp kim cứng giòn Thể tích của vật ép luôn thay đổi trong quá trình ép do

có sự biến dạng hạt riêng biệt Quá trình ép bao gồm 3 giai đoạn và sự phân bố áp lực ép cũng được thể hiện rõ qua từng giai đoạn [14] – hình 1.5 và hình 1.6:

- Giai đoạn 1: khi tăng lực ép thì mật độ tăng nhanh do có sự xắp xếp lại trật tự các hạt, các hạt tự xắp sếp nhờ chuyển động trượt và xoay của nó

- Giai đoạn 2: khi tiếp tục tăng áp lực mà các hạt không sắp xếp lại được nữa, trên các hạt xuất hiện phản lực chống lại áp lực bên ngoài Do vậy ở giai đoạn này mật

độ tăng không đáng kể cho dù lực ép vẫn tăng

- Giai đoạn 3: tiếp tục tăng lực ép và tới khi lực ép lớn hơn phản lực của các hạt bột dẫn tới sự biến dạng Sự biến dạng đầu tiên xuất hiện tại phần tiếp xúc giữa các hạt

và giữa hạt với thành khuôn, sau đó là toàn bộ thể tích hạt Do đó ở giai đoạn này mật độ lại tăng nhanh

Hình 1.5 Ba giai đoạn của quá trình ép

Trong thực tế 3 giai đoạn không xảy ra tách biệt mà có thể xảy ra đồng thời tùy theo sự xắp xếp của các hạt bột Sự biến dạng của các hạt riêng biệt xảy ra trong khi sự trượt của các hạt khác vẫn xảy ra khi áp lực lớn Sự chuyển động của các hạt

ở giai đoạn đầu và sự biến dạng của các hạt ở giai đoạn cuối quyết định đến mật độ của vật ép Với bột có tính dẻo lớn thì sự xít chặt xảy ra ngay ở áp lực thấp Sự phân

bố lực ép không đều, lực ép lên thành khuôn ít mà phần lớn tập trung ở bề mặt chày Dẫn đến sự phân bố không đồng đều mật độ của vật ép

Hình 1.6 Ảnh hưởng của áp lực ép đến mật độ

Độ xốp của vật ép ngoài phụ thuộc vào lực ép còn phụ thuộc vào bản chất của bột ví dụ như: màng oxit, kích thước hạt không đều, trạng thái bề mặt (nhẵn hoặc gồ ghề)… Lực ma sát giữa bột- bột và bột - thành khuôn làm tiêu hao năng lượng trong quá trình ép Khi đẩy mẫu ra khỏi khuôn ép thì lực đẩy phải thắng được lực ma sát ngoài (giữa vật ép và thành khuôn) Khi đẩy vật ép ra khỏi khuôn thường xuất hiện

sự đàn hồi của viên ép nên quá trình đẩy phải tiến hành nhanh Do vậy với các chi tiết chính xác thì sau khi ép cần phải thiêu kết ngay Để giảm ma sát giữa các hạt bột người ta sử dụng ép có chất bôi trơn, các chất bôi trơn như: dầu prafin, axeton, hợp chất dễ bay hơi…Khi có chất bôi trơn thì mật độ vật ép đồng đều hơn, chất lượng viên ép tốt hơn Với bột kim loại và hợp kim cứng giòn thì phải dùng chất kết dính, các chất kết dính như: parafin, polyethylene glycol…Các chất bôi trơn và kết dính được loại bỏ ở nhiệt độ thấp và không để lại tạp chất trong sản phẩm Riêng đối với nhôm do có đặc tính dễ biến dạng nên không cần thiết phải sử dụng chất bôi trơn cũng như chất dính kết Tuy nhiên, riêng đối với nhôm xốp lực ép phải đủ lớn

để đảm bảo tỷ trọng tươi của mẫu Nếu tỷ trọng tươi thấp nghĩa là giữa các hạt bột nhôm vẫn còn tồn tại một lượng khí nhất định, và tạo những khe hở trong mẫu ép Đồng thời, lực ép thấp không đủ phá vỡ lớp màng ô xít nhôm làm cản trở quá trình nóng chảy của nhôm ở nhiệt độ thiêu kết

Riêng đối với nhôm do có đặc tính dễ biến dạng nên không cần sử dụng chất bôi trơn cũng như chất dính kết Tuy nhiên, lực ép phải đảm bảo một giá trị nhất

định, để gần như loại bỏ được hoàn toàn lớp không khí giữa các hạt bột Đồng thời, bột nhôm luôn có một lớp màng ô xít bao bọc bên ngoài, nếu lực ép đủ lớn có thể phá vỡ lớp màng này tạo điều kiện cho quá trình thiêu kết được dễ dàng hơn Nếu lực ép nhỏ, TiH2 phân hủy sẽ thoát ra ngoài qua các khe hở giữa các hạt bột, do đó sau quá trình thiêu kết có rất ít lỗ xốp được hình thành trong nền nhôm

1.2.1.3 Thiêu kết

Thiêu kết là quá trình làm tăng sự liên kết giữa các hạt bột, triệt tiêu lỗ xốp dư trong quá trình ép sơ bộ Kết quả là xảy ra sự co ngót, điều này làm thay đổi kích thước và hình dạng của vật liệu sau thiêu kết Sự thay đổi kích thước và hình dạng sau thiêu kết là kết quả của nhiều quá trình như: khuếch tán bề mặt, khuếch tán biên hạt, bay hơi và ngưng tụ tại phần tiếp xúc giữa các hạt Quá trình thiêu kết chịu ảnh

hưởng chủ yếu của các yếu tố như:

- Tính chất của bột ban đầu: quá trình thiêu kết phụ thuộc vào sự tiếp xúc ban đầu của các hạt bột với nhau, quá trình này càng mạnh nếu bột tiếp xúc ban đầu lớn, bột càng nhỏ mịn thì khả năng thiêu kết càng tốt Ngoài ra hình dạng bột cũng ảnh hưởng tới quá trình thiêu kết, bột dạng nhánh cây thiêu kết tốt hơn dạng hình cầu

- Nhiệt độ thiêu kết: thiêu kết là quá trình khuếch tán và vận chuyển chất… Tất cả các quá trình đó đều phụ thuộc vào nhiệt độ và nhạy cảm với nhiệt độ Cho nên, nhiệt độ thiêu kết ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình thiêu kết 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 mối liên

hệ chặt chẽ với nhau và ảnh hưởng tới quá trình thiêu kết Nhiệt độ cao thì quá trình thiêu kết xảy ra mạnh và cần thời gian thiêu kết ngắn hơn

Thiêu kết được chia ra làm hai phương pháp: thiêu kết ở pha rắn và thiêu kết

có xuất hiện pha lỏng Trong thiêu kết ở pha rắn thì nhiệt độ thiêu kết phải nhỏ hơn nhiệt độ nóng chảy của các cấu tử thành phần, cơ chế khuếch tán đóng vai trỏ chủ yếu trong thiêu kết Trong thiêu kết có sự xuất hiện pha lỏng thì pha lỏng có thể được tạo thành do sự nóng chảy của cấu tử có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn nhiệt độ

thiêu kết hoặc do sự tạo thành cùng tinh, pha lỏng có thể xuất hiện và biến mất trong quá trình thiêu kết hoặc tồn tại trong suốt quá trình thiêu kết Pha lỏng xuất hiện điền đầy vào các lỗ xốp và làm các hạt rắn xích lại gần nhau do sức căng bề mặt lỏng- rắn Trong trường hợp thiêu kết tạo nhôm xốp, nhiệt độ thiêu kết cần thiết phải trên nhiệt độ nóng chảy của nhôm Khi đó nhôm đã chảy loảng và có độ nhớt cần thiết để các bóng khí H2 linh động và tạo thành các lỗ xốp Nếu nhiệt độ thiêu kết thấp, nhôm lỏng có độ nhớt cao, các bóng khí khó có thể sáp nhập và tạo thành các bóng khí lớn hơn Ngược lại, nếu nhiệt độ thiêu kết cao, nhôm lỏng linh hoạt, các bóng khí có xu hướng tích tụ lại với nhau tạo thành các bóng khí lớn, áp suất trong bóng khí lớn và có thể phá vỡ để nổi lên trên trong khi nhôm lỏng có xu hướng đi xuống do trọng lực nên cấu trúc lỗ xốp sẽ bị xẹp xuống Vì vậy, cần thiết phải lựa chọn nhiệt độ thiêu kết hợp lý, đủ để đảm bảo nhôm chảy loảng nhưng vẫn giữ được hình dạng và kích thước lỗ xốp Tương tự như nhiệt độ, thời gian giữ nhiệt cũng ảnh hưởng đến quá trình thiêu kết và tạo xốp Thời gian giữ nhiệt ngắn, các lỗ xốp nhỏ hơn; thời gian quá dài cũng có hiện tượng các lỗ xốp có xu hướng xẹp lại

và không đảm bảo cơ tính cho vật liệu

Nhôm là vật liệu có ái lực rất mạnh với oxy, nếu môi trường thiêu kết không loại bỏ được oxy, nhôm sẽ bị oxy hóa Lớp oxy hóa này thường sẽ bọc bên ngoài hạt nhôm, tạo thành một lớp màng rất khó phá vỡ Ta cũng đã biết, nhiệt độ nóng chảy của nhôm oxit > 2000oC, nếu lớp oxit nhôm dày, sẽ không thể làm nóng chảy nhôm ở nhiệt độ thấp được Vì vậy, môi trường thiêu kết đóng một vai trò quan trọng, mang tính quyết định đến chế tạo thành công vật liệu nhôm xốp hay không Môi trường thiêu kết ở đây có thể là chân không (đạt khoảng 10-6

– 10-7Pa), cũng có thể là khí trơ như Ar, H2

1.2.2 Phương pháp tạo xốp bằng cách thổi khí vào kim loại nóng chảy

Kim loại được nung nóng chảy hoàn toàn, sau đó các bóng khí sẽ được thổi vào có kết hợp với khuấy trong lòng kim loại lỏng để tạo xốp Khi đó dòng khí sẽ tự xâm nhập và phân tán trong khối nhôm lỏng nên yêu cầu độ linh động của kim loại phải rất cao Để áp ứng yêu cầu này thường phối liệu sẽ có thêm một số chất phụ

gia (10 – 30% về khối lượng) như SiC, Al2O3…Phương pháp này được áp dụng phổ biến khi chế tạo nhôm hoặc hợp kim nhôm xốp bởi nhôm có khối lượng riêng thấp

và cũng không dễ tạo lớp màng ôxit khi thực hiện nung nóng chảy trong không khí, hay dòng khí thổi vào có chứa oxy Riêng nhôm và nhôm hợp kim gười ta thường cho thêm 5-15% chất phụ gia (Al2O3, SiC, TiB2, ZrO2) để tăng độ nhớt [9]

Hình 1.7 Tạo xốp bằng phương pháp thổi khí vào lòng kim loại nóng chảy[9]

Có rất nhiều loại khí có thể sử dụng trong phương pháp này, phổ biến nhất vẫn

là không khí Ngoài ra các khí như CO2, thậm chí là hơi nước cũng đảm bảo yêu cầu [9] Các bóng khí sẽ hình thành bởi chúng luôn có xu hướng nổi lên, thoát ra khỏi nhôm lỏng, phần phía trên của thiết bị tạo xốp đã chứa nhiều bóng khí và đóng rắn Với phương pháp này, thường nhận được lỗ xốp kín

1.2.3 Tạo xốp bằng phương pháp thêm thành phần có phân hủy vào trong lòng kim loại lỏng

Với một số vật liệu xốp có thể được chế tạo bằng cách thêm vào các tác nhân tạo xốp – có giải phóng ra khí khi nung lên nhiệt độ nhất định Có rất nhiều tác nhân tạo xốp có thể được sử dụng như TiH2, ZrH2, CaCO3… Với tác nhân tạo xốp là TiH2, nhiệt độ bắt đầu phân hủy thường thấp (khoảng 300oC) và phụ thuộc vào tốc

độ nâng nhiệt Sau khi nhôm được nung nóng chảy, TiH2 được thêm vào, TiH2 phân hủy và tạo ra một lượng lớn khí H , chính lượng khí này tạo thành các bong bóng

khí trong lòng nhôm lỏng Với phương pháp này ta cũng nhận được sản phẩm là nhôm xốp với cấu trúc kín

Hình 1.8 đã mô phỏng quá trình tạo vật liệu nhôm xốp bằng phương pháp thêm tác nhân tạo xốp trong lòng nhôm lỏng, trong trường hợp này tác nhân tạo xốp được sử dụng là TiH2 Đầu tiên, nhôm được nung nóng chảy trong khoảng nhiệt độ

từ 670 – 690oC, thêm 1-2% Ca hình thành các hạt CaO và CaAl2O4 tăng độ nhớt cho nhôm lỏng TiH2 (1-2% về khối lượng) được thêm vào dưới dạng bột có kích thước hạt từ 5-20µm, sử dụng cánh khuấy để tạo sự đồng đều TiH2 trong lòng nhôm lỏng [9] Thông thường quá trình tạo xốp sẽ diễn ra trong khoảng 10 phút So với phương pháp tạo xốp bằng thổi khí chi phí sẽ cao hơn do các chất tạo độ nhớt và tác nhân tạo xốp đều có giá thành cao

Hình 1.8 phương pháp thêm tác nhân tạo xốp vào lòng kim loại nóng chảy[9]

Mặc dù có nhiều phương pháp khác nhau để chế tạo nhôm xốp nhưng để tận dụng các thiết bị có sẵn tại phòng thí nghiệm luyện kim bột – viện khoa học vật liệu, phương pháp luyện kim bột đã được lựa chọn để nghiên cứu và khảo sát trong luận văn này Đối với phương pháp luyện kim bột, một trong những yếu tố quan trọng nhất quyết định đến chất lượng của sản phẩm sau cùng là lựa chọn tác nhân tạo xốp

1.3 Tổng quan về tác nhân tạo xốp

Có rất nhiều tác nhân tạo xốp mà chúng ta có thể sử dụng như TiH2, ZrH2, carbamide, CaCO3… Vật liệu sử dụng tạo xốp là nhôm nên ưu tiên hơn cả vẫn là sử dụng TiH2 Bởi nhiệt độ bắt đầu phân hủy của TiH2 thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của nhôm đồng thời sau khi phân hủy Ti tạo thành pha liên kim Al3Ti góp phần tăng bền cho vật liệu nhôm xốp [7,8]

Quá trình phân hủy TiH2 thành Ti kim loại và khí H2 phụ thuộc vào độ sạch của TiH2 và tốc độ của quá trình gia nhiệt Sự thay đổi nhiệt độ phân hủy TiH2 phụ thuộc vào tốc độ nâng nhiệt có thể thấy trên giản đồ phân tích nhiệt vi sai DTA, hình 1.9 và bảng 1.1 [6]

TiH2 thường phân hủy qua 2 bước như phương trình (1) và (2) sau đây [6]:

TiH2  TiHx + H2 (1) TiHx  α-Ti + H2 (2)

Sự tồn tại của các màng oxit Ti3O và TiO2 cũng ảnh hưởng đến quá trình phân hủy TiH2 [6] Thông thường trên bề mặt của hạt bột TiH2 tồn tại lớp oxit Ti; lớp màng oxit này làm cản trở xu hướng phân hủy TiH2 và thường làm tăng nhiệt độ phân hủy của TiH2 Các nghiên cứu trước đây cho thấy nhiệt độ bắt đầu và kết thúc quá trình phân hủy TiH2 sẽ tăng khi tốc độ gia nhiệt tăng (bảng 1.1) Quá trình phân hủy này gồm một chuỗi các phản ứng diễn ra ở các nhiệt độ khác nhau Bước đầu tiên là sự xuất hiện của lớp màng mỏng δ-TiHx trên bề mặt TiH2 nên khối lượng mẫu bắt đầu giảm đi Điều này cũng có nghĩa là các phân tử H2 bắt đầu giải phóng

ra khỏi mạng tinh thể của TiH2 Khi ta tiếp tục tăng nhiệt độ, TiO3 bắt đầu xuất hiện trên bề mặt TiH2 và cản trở sự di chuyển của H2 ra bên ngoài hạt TiH2 Đồng thời cũng sẽ có một số nguyên tử oxy xâm nhập vào trong mạng tinh thể của TiH2 Khi tiếp tục tăng nhiệt độ các hợp chất phức hợp của Ti sẽ hình thành trên bề mặt hạt TiH2 khi đó quá trình giải phóng H2 ra khỏi bề mặt phân tử TiH2 sẽ chuyển từ quá trình vật lý sang hóa học Ở vùng nhiệt độ thấp khoảng 600oC sự giải phóng ra H2

phụ thuộc vào quá trình khuếch tán H2 bên trong mạng tinh thể Titan Nhưng khi lên nhiệt độ cao hơn 700oC thì quá trình giải phóng H2 lại phụ thuộc vào phản ứng hóa học với sự hình thành các lớp ôxit của titan

Hình 1.9 Đường cong DTA với các tốc độ nâng nhiệt khác nhau 5, 10, 20, 25,

30 o C/phút[6]

Bảng 1.1 Các điểm phân hủy TiH 2 ở các tốc độ nâng nhiệt khác nhau[6]

Theo bảng 1.1 nếu tốc độ nâng nhiệt là 5oC/phút, nhiệt độ bắt đầu phân hủy TiH2 là 260oC, nhiệt độ kết thúc quá trình phân hủy là 795oC Với nhiệt độ phân hủy thấp như vậy gần như lượng H2 sẽ bị giải phóng ra ngoài và không thể tạo thành được nhiều lỗ xốp Tuy nhiên, nếu tốc độ nâng nhiệt cao như 30oC/phút điểm bắt đầu và kết thúc phân hủy tương ứng là 350 – 860oC, sẽ có tới 3 điểm phân hủy trên nhiệt độ nóng chảy của nhôm và nhiệt độ đề tài này khảo sát nên lượng TiH2 sẽ còn dư lại trong vật liệu

Hình 1.10 Đường cong giảm khối lượng theo tốc độ nâng nhiệt[6]

Mặt khác, dựa trên kết quả phân tích trên hình 1.10 ta cũng có thể thấy với tốc

độ nâng nhiệt 10o/phút, lượng TiH2 phân hủy đạt giá trị lớn nhất so với các tốc độ nâng nhiệt khác Và đây cũng là tốc độ nâng nhiệt được lựa chọn để khảo sát trong luận văn này

Quá trình phân hủy TiH2 thành khí H2 nhằm tạo xốp cho vật liệu, kim loại Ti vẫn còn giữ lại trong nền nhôm Theo giản đồ pha hai cấu tử Al-Ti (hình 1.11), với nhiệt độ thiêu kết trong khoảng trên nhiệt độ nóng chảy của nhôm (680-750oC), sẽ

có sự hình thành pha liên kim Al3Ti Việc hình thành pha liên kim sẽ góp phần tăng bền cho vật liệu nhôm xốp[7,8]

Hình 1.11 Giản đồ pha hai cấu tử Al-Ti

Theo giản đồ pha khi nung hỗn hợp hai kim loại Al và Ti lên đến nhiệt độ

665oC với hàm lượng nhôm chiếm 76% sẽ hình thành pha liên kim Al3Ti

Tình hình nghiên cứu vật liệu nhôm xốp trong và ngoài nước

Vật liệu xốp nói chung và nhôm xốp nói riêng đã được nghiên cứu rất rộng rãi trên thế giới trong vài thập kỷ trở lại đây Không những thế còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực thực tế khác nhau như làm các panel cách âm trong hình 1.12

Hình 1.12 Nhôm xốp được ứng dụng làm các tấm panel cách âm

Các công bố cũng cho thấy việc điều khiển hình dạng, kích thước lỗ xốp là hoàn toàn có thể làm được Tuy nhiên, khi chế tạo nhôm xốp bằng phương pháp luyện kim bột vẫn còn những mâu thuẫn cần phải có các nghiên cứu thêm để thống nhất các thông số công nghệ Chẳng hạn như trong vấn đề sử dụng tác nhân tạo xốp

là TiH2 theo Zohair Sarajan [10] và Palin [1] cùng các đồng nghiệp đều cho rằng không cần phải tiền xử lý nhiệt trước khi trộn với bột Al Ngược lại, theo Biljana và Jonh [11] lại đề xuất nung riêng bột TiH2 ở các nhiệt độ khác nhau trước khi trộn đồng đều với bột Al Đây cũng là một khía cạnh cần có thêm các nghiên cứu để thống nhất công nghệ chế tạo nhôm xốp

Các nghiên cứu trước đây cho thấy nhiệt độ thiêu kết cho vật liệu nhôm xốp rất khác nhau và phụ thuộc vào nhiều nhân tố như thành phần hợp kim nhôm, kích thước bột nguyên liệu, tốc độ gia nhiệt…Paulin [1] cho thấy nhiệt độ thiêu kết nhôm xốp tối ưu trong khoảng 750-770oC, trong khi Zohair Sarajan [10] lại chứng minh rằng chỉ cần thiêu kết ở nhiệt độ 640oC là đã đạt được nhôm xốp với kích thước lỗ xốp từ 2-6mm và độ xốp đạt 86% Các nghiên cứu của E.Koza [5], C.C.Yang [10] và Satoshi [13] cùng các đồng nghiệp của họ lại cho rằng nhiệt độ thiêu kết cho kết quả mẫu xốp tối ưu nhất là từ 700oC-800oC Chính vì còn rất nhiều mâu thuẫn trong các công bố nên cần thêm các khảo sát để xác định thông số tối ưu

Ở Việt Nam hiện nay, cũng chưa được đầu tư nghiên cứu một cách bài bản

về loại vật liệu này Chính vì vậy, mục tiêu của đề tài này nhằm tiến hành nghiên cứu một số thông số công nghệ ảnh hưởng đến quá trình chế tạo nhôm xốp và làm tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo

CHƯƠNG II THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU VÀ QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM

2.1 Sơ đồ công nghệ chế tạo nhôm xốp

Nhôm xốp được chế tạo bằng phương pháp luyện kim bột theo quy trình

được trình bày trong sơ đồ hình 2.1 Trong đó các công đoạn chính bao gồm: trộn

đồng đều hỗn hợp bột Al và TiH2, ép tạo hình và thiêu kết

`

Hình 2.1 Sơ đồ công nghệ chế tạo nhôm xốp bằng phương pháp luyện kim bột

- Sử dụng tang trộn côn hai đầu

- Thời gian: 2h

- Tốc độ: 100 vòng/phút

- Môi trường khô

- Lực ép: 300, 400, 500 và 600MPa

- Thời gian giữ: 30s

- Môi trường: chân không và khí bảo vệ

- Nhiệt độ thiêu kết: 680, 690, 700, 710, 720oC

- Thời gian thiêu kết: 1, 3, 5, 8, 10 phút

Đặc trưng các tính chất của mẫu sau khi thiêu kết

2.2 Nguyên liệu ban đầu

Nguyên liệu chính được sử dụng trong nghiên cứu này bao gồm bột nhôm (Al)

và tác nhân tạo xốp TiH2 Bột nhôm có độ sạch >99,5% với kích thước hạt trung bình < 50µm và được nhập khẩu từ Hàn Quốc (Changsung Co.,Ltd) Trong khi tác nhân tạo xốp là bột TiH2 có kích thước 10-40 m được nhập khẩu từ Trung Quốc (Chemical Industry Incoporated Co., Ltd) Ngoài ra một số hóa chất khác được sử dụng trong quá trình chế tạo vật liệu như là dung môi làm sạch cồn (ethanol) và khí argon (Ar) phục vụ cho quá trình thiêu kết và một số hóa chất khác

2.3 Các thiết bị chính sử dụng trong quá trình thực nghiệm

Nghiên cứu này được thực nghiệm trên các thiết bị chính đặt tại phòng thí nghiệm Luyện kim bột, Viện Khoa học vật liệu Bao gồm các thiết bị sau:

 Máy trộn côn hai đầu

Để trộn hỗn hợp bột Al/TiH2 đề tài sử dụng máy trộn côn hai đầu có tốc độ tối đa 150 vòng/phút, như thấy trên hình 2.2 Tốc độ của máy trộn được thay đổi nhờ thay đổi tần số dòng điện thông qua một máy biến tần Trong nghiên cứu này hỗn hợp bột Al-TiH2 sẽ được trộn với các thông số kỹ thuật như dưới đây:

Thời gian trộn: 2h

Tốc độ trộn 100 vòng/phút

Môi trường khô (không khí thường)

Không sử dụng bi

Hình 2.2 Máy trộn côn hai đầu

 Thiết bị ép tạo hình

- Khuôn ép: Hỗn hợp bột Al/TiH2 sau khi trộn được ép tạo hình nhờ một khuôn hình chữ nhật có kích thước 40x50 mm– hình 2.3 Khuôn ép bao gồm: thân khuôn, chày trên và chày dưới Vật liệu làm khuôn là thép hợp kim 9XC Sau khi gia công, khuôn ép được nhiệt luyện để đảm bảo độ bền khi ép mẫu

Hình 2.3 Khuôn hình chữ nhật kích thước 40 x 50mm

- Máy ép: Quá trình ép mẫu được thực hiện trên máy ép thủy lực 200 tấn và được

điều khiển tự động thông qua một màn hình cảm ứng PLC, hình 2.4

Hình 2.4 Máy ép thủy lực điều khiển tự động 200 tấn

 Thiết bị thiêu kết

Các mẫu nhôm xốp được thiêu kết trong lò điện trở có khả năng thiêu kết ở hai chế độ là thiêu kết trong chân không và trong môi trường khí bảo vệ (Ar, Ni) Lò thiêu kết có xuất sứ từ Liên Xô cũ, hình 2.5, độ chân không có thể đạt 10-1Pa và nhiệt độ nung tối đa là 1200oC Quá trình nâng nhiệt được tiến hành nhờ một máy biến áp vô cấp

Trước khi nâng nhiệt, buồng lò được tiến hành hút chân không đạt tới 10-1

Với những mẫu thiêu kết trong môi trường khí bảo vệ, quá trình hút chân không được thực hiện liên tục đến 300oC, sau đó khí Ar sẽ được đưa vào đến áp suất dư khoảng 0,5-0,6 atm Áp suất dư này sẽ được duy trì trong suốt quá trình thiêu kết mẫu Quy trình nhiệt quá trình thiêu kết như thấy trên hình 2.7

Hình 2.5 Lò thiêu kết chân không

Hình 2.6 Chu trình nhiệt quá trình thiêu kết trong chân không

Hình 2.7 Chu trình nhiệt quá trình thiêu kết trong khí bảo vệ Ar

2.4 Các thiết bị phân tích

 Phân tích cấu trúc vật liệu

Các đặc trưng của nguyên liệu ban đầu, sự phân bố của TiH2 trong hỗn hợp bột sau khi trộn và thành phần hóa học của mẫu nhôm xốp sau thiêu kết được xác định bằng phổ phân tán năng lượng tia X (EDX), quan sát và chụp ảnh trên kính hiển vi điện tử quét SEM – EDX/JEOL – JSM 6490, hình 2.8, (Trung tâm đánh giá COMFA – Viện khoa học Vật liệu)

Hình 2.8 Kính hiển vi điện tử quét SEM – EDX/JEOL-JSM6490

 Phân tích thành phần pha

Các mẫu bột trước và sau khi thiêu kết được xác định thành phần pha bằng phương pháp chụp nhiễu xạ tia X, để xem xét ảnh hưởng của quá trình chế tạo tới thành phần pha của vật liệu Các phép đo nhiễu xạ được thực hiện trên máy nhiễu

xạ tia X- Advanced Brucker D8000 (hình 2.9) do hãng SIEMENS, CHLB Đức sản xuất (Đại học quốc gia Hà Nội)

Hình 2.9 Máy nhiễu xạ tia X-D8000

 Khảo sát giới hạn chảy

Giới hạn chảy của mẫu sau khi thiêu kết được phân tích từ kết quả thử nén trên thiết bị Tinius Olsen, hình 2.10 (Trung tâm COMFA, Viện khoa học Vật liệu) Các mẫu sẽ được đưa đi cắt và gia công đến dạng hình trụ 20mm

Hình 2.10 Máy thử kéo nén đa năng

 Chụp ảnh mẫu sau thiêu kết

Mẫu sau thiêu kết được chụp ảnh hiển vi quang học trên kính hiển vi soi nổi STEMI- Carl Zeiss do CHLB Đức sản xuất, hình 2.11 Cấu trúc nhôm xốp sẽ được quan sát và ghi lại hình hảnh thông qua hệ phần mềm và thiết bị kết nối giữa kính hiển vi và máy tính (Trung tâm COMFA, Viện Khoa học Vật liệu)

Hình 2.11 Kính hiển vi soi nổi STEMI DV4

 Xác định khối lượng riêng của mẫu sau khi ép và sau khi thiêu kết

Mẫu Al-TiH2 sau khi ép và sau khi thiêu kết được kiểm tra khối lượng riêng theo công thức sau:

 = m/v (2.1) Trong đó: : khối lượng riêng của mẫu (sau ép tạo hình) (g/cm3)

m: khối lượng mẫu sau ép (g) v: thể tích mẫu sau ép (cm3)

Để đảm bảo độ chính xác cao khối lượng mẫu được bằng cân điện tử có độ chính xác cao, OHAUS Pioneer – hình 2.12

Khối lượng riêng của mẫu sau ép tùy từng thành phần phối liệu được so sánh với tỷ trọng lý thuyết của hỗn hợp hai cấu tử Al và TiH2 được tính theo công thức sau:

lt = 100/(mAl/2,7 + mTiH2/ 3,75) (2.2) Trong đó mAl + mTiH2 = 100 g