Nghiên cứu chế tạo vật liệu composites al aln chịu nhiệt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN QUỐC TUẤN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITES Al/AlN CHỊU NHIỆT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU Hà Nội - 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN QUỐC TUẤN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITES Al/AlN CHỊU NHIỆT Chuyên ngành: Kỹ thuật vật liệu Mã số: 62520309 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Nguyễn Hồng Hải Hà Nội - 2017 LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập hồn thành luận án, tác giả ln nhận quan tâm, hướng dẫn tận tình tập thể cán giảng dạy, nhà khoa học cán viên chức Bộ môn: Vật liệu CN Đúc giúp đỡ, động viên gia đình, người thân, đồng nghiệp Tơi xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn khoa học PGS.TS Nguyễn Hồng Hải tận tình dạy bảo, hướng dẫn giúp đỡ tơi suốt khố học Những lời khun, hướng dẫn tận tình thầy giúp tơi có định hướng tiếp cận tốt với nội dung đề tài để hồn thành luận án Tôi xin cảm ơn tập thể cán giảng dạy, nhà khoa học cán viên chức của: Viện khoa học kỹ thuật vật liệu, Viện tiên tiến khoa học công nghệ (AIST) - Đại học Bách khoa Hà Nội; Khoa Hóa - Trường Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội; Viện tên lửa – Viện KH - CN Quân sự; Phòng vật liệu vơ - Viện hàn lâm khoa học công nghệ Việt Nam tạo điều kiện cho tơi thực thí nghiệm hỗ trợ q trình phân tích mẫu Xin chân thành cám ơn tập thể cán bộ, giảng viên khoa Cơ khí Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội tạo điều kiện, hỗ trợ động viên tơi hồn thành tốt luận án Cuối cùng, xin cảm ơn người thân gia đình, bạn bè đồng nghiệp động viên, hỗ trợ, tạo điều kiện giúp đỡ tơi suốt q trình thực luận án i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ “Nghiên cứu chế tạo vật liệu composites Al/AlN chịu nhiệt” cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu tài liệu luận án trung thực chưa công bố cơng trình nghiên cứu Tất tài liệu tham khảo kế thừa trích dẫn tham chiếu đầy đủ Hà Nội, ngày 30 tháng 10 năm 2017 Nghiên cứu sinh Nguyễn Quốc Tuấn ii MỤC LỤC MỞ ĐẦU 3.1 Lý thuyết .2 3.2 Thí nghiệm 4.1 Ý nghĩa khoa học 4.2 Ý nghĩa thực tiễn Chương Tổng quan vật liệu composit kim loại 1.1 Đặc điểm phân loại vật liệu composit 1.2 Khái quát vật liệu composit kim loại (MMCs) 1.3 Hạt tăng bền kim loại 1.4 Đặc điểm khả ứng dụng vật liệu composit nhôm 1.5 Khái quát composit AlN/Al 1.5.1 Lịch sử phát triển 1.5.2 Cấu trúc tinh thể AlN 1.5.3 Đặc điểm AlN 10 1.5.4 Các tính chất hợp kim nhôm với hạt nano tăng bền 11 1.5.5 Một số nghiên cứu vật liệu nano composit AlN/Al 12 1.6 Phạm vi nghiên cứu luận án 15 1.7 Kết luận .15 Chương Cơ sở lý thuyết vật liệu nano - composit Al/AlN 16 2.1 Khái quát khả thấm ướt AlN 16 2.1.1 Góc thấm ướt phương trình Young 16 2.1.2 Các phương pháp đánh giá tính thấm ướt .16 2.1.3 Khả thấm ướt AlN với kim loại lỏng .18 2.1.4 Khả thấm ướt AlN với nhôm lỏng 19 2.2 Cơ chế phá hủy vật liệu composit .21 2.2.1 Cơ chế lan truyền vết nứt bề mặt tương tác Al/AlN 21 2.2.2 Cơ chế phá hủy .23 2.3 Chế tạo có tổ chức phi nhánh 25 2.3.1 Các phương pháp tạo tổ chức phi nhánh 25 2.3.2 Cải thiện tổ chức phương pháp thổi khí 27 2.4 Các phương pháp chế tạo nano-composit Al 28 2.4.1 Một số phương pháp ex-situ 29 2.4.2 Phương pháp tổng hợp In-situ .33 2.4.3 Chế tạo AlN phương pháp lỏng/khí in-situ 39 2.5 Sự hình thành tổ chức hợp kim A380 42 2.5.1 Cùng tinh Al-Si 43 2.5.2 Pha liên kim giàu sắt .43 2.5.3 Pha liên kim giàu đồng 44 2.5.4 Pha liên kim giàu Mg 45 2.6 Kết luận .45 Chương Thực nghiệm 47 3.1 Chế tạo tổ chức phi nhánh 47 3.1.1 Hợp kim A380 47 3.1.2 Quy trình nấu luyện .47 3.1.3 Thiết bị nấu kim loại .47 3.1.4 Dụng cụ thổi khí 48 3.1.5 Khn rót kim loại lỏng 48 3.1.6 Số lượng thí nghiệm điều kiện thí nghiệm 48 3.2 Tổng hợp AlN phương pháp Lỏng/Khí in-situ 49 iii 3.2.1 Thành phần hợp kim Al – Mg .49 3.2.2 Lò thí nghiệm (hình 3.4) 49 3.2.3 Qui trình nấu luyện 50 3.3 Chế tạo vật liệu composit A380/AlN 52 3.3.1 Qui trình chế tạo 52 3.3.2 Chế độ xử lý nhiệt 53 3.4 Thiết bị kiểm tra đánh giá .55 Chương Kết thảo luận 56 4.1 Đánh giá hình thành tổ chức 56 4.1.1 Tổ chức tế vi 56 4.1.2 Cơ tính 60 4.1.3 Kết luận 66 4.2 Phân tích hình thành AlN 66 4.2.1 Vai trò Ô xy 66 4.2.2 Ảnh hưởng thông số công nghệ 71 4.2.3 Một số phân tích động học q trình hình thành AlN .78 4.2.4 Kết luận 82 4.3 Nghiên cứu ảnh hưởng AlN đến tổ chức tính chất vật liệu composit A380/AlN 83 4.3.1 Phân tích tổ chức tế vi 83 4.3.2 Đánh giá tính 93 4.3.3 Kết luận 100 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 101 I Kết luận 101 I.1 Tạo tổ chức phi nhánh hợp kim A380 101 I.2 Tạo AlN phương pháp phản ứng lỏng/khí in-situ 101 I.3 Tổ chức tính vật liệu A380/AlN 101 II Kiến nghị 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO 103 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 109 iv BẢNG DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT Thứ tự Ký hiệu tắt Giải nghĩa MMCs SEM Kính hiển vi điển tử quét (Scanning Electron Microscope) TEM Kính hiển vi Microscope) XRD Nhiễu xạ tia rơn ghen (X-ray Diffraction) EDX Phổ phân tán lượng tia X (Energy Dispersive Spectroscopy – EDS) SPD Biến dạng dẻo mãnh liệt (Severe Plastic Deformation) FSP Phương pháp khuấy ma sát (Friction Stir Processing) SPTS Xoắn dẻo mãnh liệt áp lực cao (Severe Plastic Torsional Straining) ECAP Ép kênh gấp khúc tiết diện không đổi (Equal Channel Angular Pressing) 10 SHS Phương pháp tổng hợp nhiệt độ cao tự lan truyền (Self – propagation – High Temperature Synthesis) 11 FSP Phương pháp khuấy ma sát ( Friction Stir Processing) 12 FSW Phương pháp hàn khuấy ma sát ( Friction Stir Welding) 13 OD Composite kim loại (Metal Matrix Composites) điện tử xuyên (Transmission Electron Phương pháp phân tán hóa nhiệt (Oxothermic Dispersion) v DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Tính chất AlN số gốm sử dụng làm chất [71] 11 Bảng 1.2 Kích thước hạt tới hạn để cải thiện tính chất nano-composit [11] 12 Bảng 2.1 Cơng thấm ướt Wi góc thấm ướt biểu kiến Al/AlN tính tốn khoảng nhiệt độ từ 1073K đến 1373K [71] 19 Bảng 2.2 Góc thấm ướt đạt trạng thái cân AlN kim loại khác nhau, xác định theo phương pháp nhỏ giọt không cuống [71] .20 Bảng 2.3 Góc thấm ướt ban đầu AlN với nhôm lỏng, xác định theo phương pháp nhỏ giọt không cuống [71] 20 Bảng 2.4 Phản ứng lỏng/khí: dạng khí, nền, sản phẩm phản ứng [10] .38 Bảng 2.5 Đặc trưng pha ảnh hiển vi quang học, SEM EDX [59] 45 Bảng 3.1 Tổng hợp mẫu thí nghiệm chế độ khác 49 Bảng 3.2 Các chế độ công nghệ phản ứng khí/lỏng in-situ tạo AlN 52 Bảng 3.3 Bảng phối liệu hợp kim A380 Al/AlN 53 Bảng 3.4 Bảng chế độ xử lý nhiệt composit A380/AlN .54 Bảng 3.5 Bảng ký hiệu mẫu chế độ xử lý nhiệt 54 Bảng 4.1 Tóm tắt điều kiện thí nghiệm kiểm tra độ nhớt (độ chảy lỗng) mẫu 60 Bảng 4.2 Tóm tắt thử kéo mẫu chế độ rót khơng sục khí, khơng rót qua máng nghiêng 63 Bảng 4.3 Tóm tắt chế độ sục khí mẫu dùng thử kéo 64 Bảng 4.4 Tóm tắt chế độ sục khí, rót qua máng nghiêng mẫu dùng thử kéo .65 Bảng 4.5 Hàm lượng N, Mg Si mẫu S1, S5, S8 S9 .70 Bảng 4.6 Kết phân tích XRD chế độ sục khí (0,2 lít/phút, nhiệt độ 1150 0C) 78 Bảng 4.7 Bảng tổng hợp tính của mẫu chế độ thử kéo khác 95 vi DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Râu đơn tinh thể dùng để chế tạo vật liệu composit cấp sợi [1] Hình 1.2 Các dạng thấm ướt cốt [1] Hình 1.3 Sơ đồ minh họa: a) hình thái khác hạt tăng bền [19]; b) hình dạng hạt tăng bền composit kim loại [90] Hình 1.4 Biểu đồ so sánh nhóm vật liệu sử dụng giai đoạn từ 2008 đến 2025 [46] Hình 1.5 Biểu đồ so sánh khối lượng nhóm vật liệu sử dụng giai đoạn 20082025 [46] Hình 1.6 Tỷ phần hợp kim nhơm dùng xe cadillac CT6, màu vàng: thép, màu sẫm: hợp kim nhôm [47] Hình 1.7 Biểu đồ so sánh mức độ sử dụng hợp kim nhôm hãng tơ [30] Hình 1.8 Cấu trúc tinh thể AlN: a) Kiểu mạng lục giác xếp chặt wurtzite [28]; b) Kiểu mạng lập phương diện tâm [101] 10 Hình 1.9 Giới hạn bền kéo tỷ lệ với %AlN nhiệt độ cao (300 0C) [10] 11 Hình 1.10 Giới hạn đàn hồi tỷ lệ với % AlN, nhiệt độ cao (300 0C) [10] 11 Hình 1.11 Modul đàn hồi tỷ lệ với % AlN nhiệt độ cao (300 0C) [10] 12 Hình 1.12 Biểu đồ quan hệ chiều dài - nhiệt độ Al composit Al với lượng SiC không đổi (7,5 Vol% Si [13] 12 Hình 1.13 Mơ hình chế tạo AlN buồng phản ứng [72] .13 Hình 2.1 Hình minh họa chất lỏng bề mặt chất rắn thể lượng bề mặt góc thấm ướt: (a) hệ thấm ướt; (b) hệ không thấm ướt [71] 16 Hình 2.2 Sơ đồ thí nghiệm nhỏ giọt khơng cuống: (a) kỹ thuật cổ điển; (b) hình thành hợp kim in-situ; (c) phân tán giọt; (d) biến đổi giọt; (e) kép; (f) nghiêng [32] 17 Hình 2.3 Khả thấm ướt AlN với kim loại theo nhiệt độ chân không [109] 18 Hình 2.4 Ảnh hưởng nồng độ đến khả thấm ướt Al2O3 AlN với hệ Sn - Al nhiệt độ 1373 K môi trường chân không [110] 18 Hình 2.5 Ảnh hưởng hàm lượng Ti Cu lỏng đến góc tiếp xúc hạt gốm nitrit Si3N4, BN AlN nhiệt độ 1432 K môi trường chân không [110] 19 Hình 2.6 Sơ đồ minh họa ảnh hưởng lớp ơxít tới khả thấm ướt AlN hai hệ “phản ứng” “không phản ứng”[71] .21 Hình 2.7 Các phương thức phá hủy vật liệu composit (a) ảnh hiển vi điện tử quét bề mặt gẫy hợp kim bạc-đồng tăng bền sợi cácbon (b) Mối liên kết cho thấy cốt bị tách khỏi (x3000) [1] .21 Hình 2.8 Vùng nhiễu xạ mẫu đường tròn ảnh TEM nhơm gần đỉnh vết nứt sau thí nghiệm vòng nhiệt: (a) ảnh vùng sáng; (b) ảnh vùng tối [111] 22 Hình 2.9 Ảnh SEM đỉnh vết nứt lớp nhôm Hạt nhôm quan sát rõ tương phản nhiễu xạ [111] 22 Hình 2.10 Mẫu nhiễu xạ ảnh vùng sáng quanh đỉnh vết nứt lớp nhôm Vùng lớp nhôm Vùng lớp AlN [111] 22 Hình 2.11 Kích thước hạt khác nhơm với sứng suất chu kỳ (σf) số chu kỳ, mũi tên điểm hình thành nứt [104] .23 Hình 2.12 Ảnh SEM đỉnh vết nứt lớp nhôm Hạt Si quan sát nhôm [95] 23 Hình 2.13 Hành vi ứng suất-biến dạng vật liệu giòn dẻo[96] 24 Hình 2.14 a) Phá hủy cực dẻo; nút thắt cổ chai lớn (một điểm); b) Phá hủy dẻo vừa phải; nút thắt cổ chai thấy rõ; c) phá hủy giòn: khơng thắt cổ chai[96] 24 Hình 2.15 Các giai đoạn phá hủy dai [96] 24 Hình 2.16 Cấu trúc đặc trưng phá hủy dẻo: a) “lúm đồng tiền”; b) “gỗ mục” [96] .24 vii Hình 2.17 Mặt gẫy hình quạt [96] 25 Hình 2.18 a) Mặt cắt có tính chất sơ đồ cho thấy nứt phát triển xuyên qua tinh thể trường hợp phá hủy giòn xuyên tinh; b) Ảnh SEM mặt gãy gang bền cao [96] 25 Hình 2.19 a) Mặt cắt có tính chất sơ đồ cho thấy nứt phát triển trường hợp phá hủy giòn theo biên giới hạt; b) Ảnh SEM mặt gãy theo biên giới hạt [96] .25 Hình 2.20 Sản phẩm cơng nghệ đúc theo phương pháp khuấy thuỷ động 26 Hình 2.21 Sơ đồ nguyên lý phương pháp phun bột 26 Hình 2.22 Phương pháp Mitt 27 Hình 2.23 Tổ chức Al, a) dạng nhánh cây, b) dạng cầu tròn [49] 28 Hình 2.24 Sơ đồ phương pháp chế tạo vật liệu nano- composit [10] 29 Hình 2.25 Sơ đồ phương pháp đúc khuấy 30 Hình 2.26 Sơ đồ minh họa phương pháp Compocasting 30 Hình 2.27 Sơ đồ quy trình đúc ép 31 Hình 2.28 Quy trình chế tạo composit phương pháp luyện kim bột 32 Hình 2.29 Hình minh họa qui trình nghiền bi lượng cao .32 Hình 2.30 Sơ đồ thấm đơng đặc [9] 33 Hình 2.31 Sơ đồ phương pháp rung siêu âm [99] 33 Hình 2.32 Qui trình tổng hợp In- Situ 34 Hình 2.33 Sơ đồ nguyên lý hàn khuấy ma sát 35 Hình 2.34 Nguyên lý phương pháp SPTS [45] 36 Hình 2.35 Sơ đồ minh họa trình ép qua kênh gấp khúc có tiết diện khơng đổi [92] 36 Hình 2.36 Giản đồ lượng Gibbs AlN Mg3N2 [83] 39 Hình 2.37 Giản đồ Ellingham ơxít nitrit hóa MgO, Li2O [10] 40 Hình 2.38 Ảnh tổ chức hợp kim AlSi9Cu3, 43 Hình 2.39 Hình thái pha liên kim giầu Fe hợp kim AlSi9Cu3, 44 Hình 2.40 Hình thái pha liên kim hợp kim DCM5 [97] 44 Hình 2.41 Hình thái pha liên kim giầu Cu hợp kim AlSi9Cu3 [58] 45 Hình 2.42 Hình thái pha liên kim hợp kim Al-7Si [74] .45 Hình 3.1 Sơ đồ qui trình nấu luyện hợp kim A380 47 Hình 3.2 Thiết bị sục khí: a) Đầu sục gốm; b) Bình khí Ar 48 Hình 3.3 Khn tạo mẫu thí nghiệm: a) Khn tạo mẫu xác định độ nhớt; b) Khn rót mẫu qua máng nghiêng 48 Hình 3.4 Mơ hình 3D lò phản ứng lỏng/khí in-situ: 50 Hình 3.5 Sơ đồ cấu tạo lò phản ứng lỏng/khí in-situ 50 Hình 3.6 Sơ đồ qui trình tạo AlN 51 Hình 3.7 Mơ hình thí nghiệm rút gọn 52 Hình 3.8 Quy trình chế tạo vật liệu composit A380/AlN 53 Hình 3.9 Mẫu thí nghiệm: a) mẫu sau đúc; b) mẫu sau gia công; c) mẫu sau xử lý nhiệt HT-A; d) mẫu sau xử lý nhiệt HT-B 54 Hình 3.10 Kính hiển vi quang học Olympus GX51F .55 Hình 3.11 Máy thử kéo vạn MTS 809 Axial 55 Hình 3.12 Thiết bị kính hiển vi điện tử JSM-7600F 56 Hình 3.13 Thiết bị phân tích pha XDR D8 ADVANDE 56 Hình 3.14 Máy thử kéo BESTUTM 050MD 56 Hình 4.1 Tổ chức ban đầu hợp kim A380: a) Mẫu KK5, x200; b) Mẫu KK22, x500; c) Hình minh họa phát triển tinh thể nhánh 57 Hình 4.2 Tổ chức tế vi số mẫu điều kiện sục khí, lưu lượng 1,5 lít/phút, áp suất 4,2 kg/cm2: a) Mẫu SK 12 sục khí 610 0C, kết thúc sục khí 590 0C, rót 580 0C; b) Mẫu SK15 sục khí 650 0C, kết thúc sục khí 620 0C, rót 580 0C; c) Mẫu SK17 sục khí 620 0C, kết thúc sục khí 600 0C, rót 590 0C; x500 57 viii ... án tiến sĩ Nghiên cứu chế tạo vật liệu composites Al/ AlN chịu nhiệt cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu tài liệu luận án trung thực chưa công bố cơng trình nghiên cứu Tất tài liệu tham khảo... điểm AlN AlN cho phù hợp với vật liệu cách điện, cụ thể: (a) AlN vật liệu nhẹ, (b) liên kết nguyên tử mạnh, (c) AlN có cấu trúc tinh thể đơn giản (d) AlN có tính đối xứng cao Độ dẫn nhiệt AlN nhiệt. .. ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN QUỐC TUẤN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITES Al/ AlN CHỊU NHIỆT Chuyên ngành: Kỹ thuật vật liệu Mã số: 62520309 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU