Nghiên cứu ảnh hưởng của La, Ce đến tổ chức và độ cứng pha của hợp kim Al-5Zn-3.5Mg-1.2Cu sau khi xử lý nhiệt

Bài báo trình bày những kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiệt độ hoá già đến tổ chức và độ cứng của hợp kim Al-5Zn-3.5Mg-1.2Cu sau khi được làm nhỏ mịn hạt bằng đất hiếm Việt Nam chứa La, Ce. Bằng các kết quả phân tích tổ chức như hiển vi quang học, XRD và SEM đã xác định được tổ chức và độ cứng của hợp kim trước và sau hoá già.

HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA La, Ce ĐẾN TỔ CHỨC VÀ ĐỘ CỨNG PHA CỦA HỢP KIM Al-5Zn-3.5Mg-1.2Cu SAU KHI XỬ LÝ NHIỆT RESEARCH THE INFLUENCE OF La, Ce ON THE MICROSTRUCTURE AND PHASE HARDNESS OF Al-5Zn-3.5Mg-1.2Cu ALLOY WHEN THERMALMECHANICAL BÙI THỊ NGỌC MAI Khoa Đóng tàu, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Email liên hệ: maibtn@vimaru.edu.vn Tóm tắt Bài báo trình bày kết nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ hoá già đến tổ chức độ cứng hợp kim Al-5Zn-3.5Mg-1.2Cu sau làm nhỏ mịn hạt đất Việt Nam chứa La, Ce Bằng kết phân tích tổ chức hiển vi quang học, XRD SEM xác định tổ chức độ cứng hợp kim trước sau hoá già Kết thử nghiệm cho thấy hợp kim sau biến tính với 0,21% La + 0,16% Ce cỡ hạt giảm từ ≈ 66 µm xuống cịn ≈ 48µm Kết hợp chế độ xử lý nhiệt mẫu gồm ủ đồng hoá nhiệt độ 480 oC 16 giờ+ mẫu 480oC giờ, sau tiếp tục hố già 120oC Phân tích tổ chức mẫu sau hóa già cho thấy cỡ hạt ≈ 41,5μm, kích thước hạt mẫu sau tơi ≈ 38,7μm Ngồi tổ chức sau hố già cịn quan sát số pha liên kim Zn, Mg, Cu η(MgZn 2) pha S(Al2CuMg) phân bố α-Al Sau hóa già, độ cứng pha α pha liên kim đạt giá trị lớn 126 150HV Từ khóa: Hố già, độ cứng, cỡ hạt, pha liên kim, đất Abstract The article presents about influence of aging temperature on the microstructure and hardness of Al-5Zn-3.5Mg-1.2Cu alloy after modification by Vietnam’s rare-earth, containing elements La, Ce By analytical results of structure such as optical microscopy; XRD and SEM, the microstructure have identified After modification by 0,21%La + 0,16%Ce, the grain size of this alloy is 48µm compare than the non-modification alloy The experiment result shows that the heat treatment process of this alloy was annealing, quenching and aging, the aging process was determined at temperature 120 oC in hours After 102 that, the grains size of modified alloy and aging treatment was ≈ 41,5μm meanwhile this value of the sample after quenching ≈ 38,7 μm In addition, after aging process the microstructure of alloy has intermetallic phases of Zn, Mg, Cu elements such as η(MgZn 2) S(Al2CuMg) phases distributed in the α-Al matrix The hardness of α phase and intermetallic phase are 126 and 150HV Keywords: Sging, hardness, intermetallic phases, Rare-earth grain size, Mở đầu Hợp kim Al-5Zn-3.5Mg-1.2Cu tương đương mác 7475 (AA), ứng dụng rộng rãi công nghiệp hàng không, ô tô, xe máy, lĩnh vực có nhiều chi tiết chế tạo từ hợp kim Đặc biệt biến tính kết hợp với xử lý nhiệt Cũng theo nghiên cứu [1] cho thấy xử lý nhiệt chế độ T6 (sau hóa già) hợp kim hình thành nên pha η có cấu trúc nhỏ mịn phân tán Các nguyên tố hợp kim hịa tan vào nhơm tạo nên dung dịch rắn α tạo nhiều pha liên kim Do vậy, tổ chức tế vi hợp kim Al-Zn gồm pha liên kim dung dịch rắn α Các pha liên kim thường gặp hợp kim pha h(MgZn2), T (Al2Mg3Zn3), S (Al2CuMg) θ (Al2Cu) đưa Bảng Trong đó, pha η (MgZn2), T (Al2Mg3Zn3), S (Al2CuMg) pha hóa bền Pha η T đóng vai trị chủ yếu cịn pha S pha hóa bền phụ, hiệu hóa bền hóa già Cu gây hợp kim nhỏ, Cu với hàm lượng nhỏ chủ yếu hóa bền dung dịch rắn Khi nung nóng để tơi, pha η, T pha S hòa tan vào dung dịch rắn α (làm nguội nhanh) tạo thành dung dịch rắn α bão hòa nguyên tố hợp kim Khi hóa già nhân tạo, từ dung dịch rắn α bão hòa tiết phần tử phân tán với kích thước nhỏ mịn pha η, T S, gây hiệu ứng hóa bền cao Như vậy, nguyên nhân gây SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Bảng Các pha liên kim loại thường gặp hợp kim Al-Zn [2, 4, 5] Tên pha Công thức θ Al2Cu S AlCuMg (Al2CuMg, Al6Mg4Cu, Al5Mg2Cu6, Al6Cu4Mg2…) T AlMgZn (Al2Mg3Zn3, Al2Zn2Mg, Al 6Mg11 Zn11, AlMg4Zn11…) η (hay ký hiệu M) MgZn2 η’ (hay ký hiệu Z) MgZn 2, Mg4Zn7, Mg2Zn11… N Al 7Cu2Fe, Al23CuFe4… E Al18Mg3Cr2, Al12Mg2Cr… độ bền cao hợp kim Al-Zn có lượng chứa nguyên tố Zn, Mg Cu cao, chúng có tác dụng tốt đến q trình tiết pha hóa già Hóa già nhân tạo hợp kim Al-Zn thường thực 100 ¸160oC thời gian 10 ¸ 30 (giờ) dịch rắn Khi tăng nhiệt độ, độ bão hòa giảm hệ số khuếch tán tăng Nếu giảm nhiệt độ, trình xảy theo chiều ngược lại nghĩa hệ số khuếch tán giảm độ bão hòa tăng Ảnh hưởng nhiệt độ thời gian tới tiến trình tiết pha hóa bền thực q trình hóa già hợp kim Al-Zn thể rõ Hình Qua giản đồ nhận thấy, q trình phân hóa xảy mức nhiệt độ khác xảy sau: Khi hóa già nhiệt độ thấp, nhiệt độ nhỏ 150oC: α bão hòa → vùng GP → η’ (và pha S’, T’) → η (và pha S, T) → tích tụ [10]–[12] Khi tăng nhiệt độ hóa già (hơn 180oC), bỏ qua vài giai đoạn phân hóa trung gian: α bão hòa → η’ (và pha S’, T’) → η (và pha S, T) → tích tụ [10] Hình Giản đồ TTT hợp kim Al-Zn [3] Với hợp kim nhôm hệ Al-Zn-Mg-Cu, pha trung gian hóa bền pha η’ η Cơ tính tốt hợp kim đạt hợp kim tồn pha η’ η nhỏ mịn phân tán dung dịch rắn Vùng GP, pha η’ η tạo mầm phát triển nhiệt độ khác nhau, để tối ưu hóa tính chất (độ bền, độ dẻo, tính ăn mịn, độ bền mỏi,…) q trình hóa già (nhiệt độ, thời gian) cần điều chỉnh, lựa chọn thích hợp Nhiệt độ hệ biểu thị mức độ dao động nguyên tử xung quanh vị trí cân Càng tăng nhiệt độ nguyên tử dự trữ lượng cao, lệch khỏi vị trí cân q trình hóa già xảy dễ dàng Khi thay đổi nhiệt độ ảnh hưởng đến q trình phân hóa dung dịch rắn q bão hịa Q trình phân hóa bị chi phối hệ số khuếch tán độ bão hòa dung SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) Ở nhiệt độ cao (lớn 350oC) trình hóa già xảy hai giai đoạn: α bão hòa → η (và pha S, T) → tích tụ [3] Tuy nhiên, số cơng trình nghiên cứu chưa thấy có phân tích ảnh hưởng La Ce đến tổ chức tính hợp kim Al-5Zn-3.5Mg1.2Cu đặc biệt sau hóa già Đây nội dung mà báo cơng bố Phương pháp nghiên cứu 2.1 Cơ sở lý thuyết chọn chế độ nhiệt luyện Ủ đồng hố: Mục đích giai đoạn xử lý nhiệt khử bỏ tổ chức tế vi trạng thái đúc hợp kim nghiên cứu Đối với hợp kim Al-Zn-Mg-Cu, nguyên tố hợp kim hóa Cr; Mn Zr hình thành pha liên kim q trình đồng hóa, điều có ảnh hưởng đến giảm kích thước hạt kết tinh lại nhiệt độ cao Căn vào giản đồ pha, nhiệt độ ủ 103 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 đồng hóa thực khoảng 450÷ 500oC Tơi: Mục đích q trình tơi nhằm tạo dung dịch rắn q bão hịa ngun tố hợp kim Trong q trình nung tơi, pha liên kim hòa tan vào dung dịch rắn nhôm tạo dung dịch rắn bão hòa sau làm nguội nhanh với tốc độ nguội lớn tốc độ nguội tới hạn hợp kim nhôm Nhiệt độ hợp kim Al-Zn-Mg-Cu nói chung hay hợp kim B95 nói riêng nằm khoảng 450÷490oC [7] Hố già: Hóa già phương pháp xử lý nhiệt hợp kim sau tơi khơng có chuyển biến thù hình Sau tơi, hợp kim có tổ chức dung dịch rắn bão hòa với hiệu tăng bền khơng cao, hợp kim sau tơi phải hóa già Hóa già cấp hợp kim nhơm hệ Al-Zn-Mg-Cu chế độ hóa già phổ biến, thường tiến hành nhiệt độ 100÷160oC (chế độ hóa già truyền thống, ký hiệu T6) 2.2 Các bước tiến hành thực nghiệm Hợp kim Al-5Zn-3.5Mg-1.2Cu tiến hành nấu lò trung tần tiến hành hợp kim hóa La, Ce Mẫu nghiên cứu chia thành nhóm: Có (La+Ce) khơng có (La+Ce) với thành phần hoá học Bảng Bảng Thành phần hợp kim M1 M2 Zn Mg Cu Si Fe La Ce 8,26 2,30 1,11 0,71 0,15 x x 7,60 1,90 1,05 0,61 0,19 0,21 0,16 Al Còn lại Cịn lại Sau q trình nấu luyện biến tính, mẫu thực quy trình xử lý nhiệt bao gồm ủ đồng hóa, tơi hóa già với chế độ sau: Ủ đồng hóa: Tiến hành ủ 480 oC, thời gian giữ nhiệt 16 tiếng Tôi: Sau q trình đồng hóa kết thúc, nâng nhiệt độ lò lên 480 oC giữ nhiệt giờ, mẫu làm nguội nước Mẫu sau đúc a) Mẫu M1 104 a) Mẫu M1 b) Mẫu M2 b) Mẫu M2 Hình Tổ chức tế vi mẫu sau đúc Hình Tổ chức tế vi mẫu sau ủ đồng hoá SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 a) Mẫu M1 a) Mẫu M1 b) Mẫu M2 b) Mẫu M2 Hình Tổ chức tế vi mẫu sau tơi Hình Tổ chức tế vi mẫu sau hóa già Hóa già: Sau q trình tơi mẫu tiếp tục thực hóa già với chế độ nung 120oC Phân tích tổ chức tế vi mẫu nghiên cứu thực thiết bị phân tích FESEM phân tích XRD Kết bàn luận 3.1 Kết phân tích tổ chức tế vi Phân tích ảnh SEM mẫu sau đúc: Khoảng cách nhánh hợp kim sau đúc khơng có La Ce khoảng 65µm; nhiên mẫu có La Ce khoảng cách giảm cũn t 40ữ50 (àm) iu ny, cú th c gii thích nhờ vai trị ngun tố đất (La+Ce) mẫu làm giảm kích thước nhánh 3.1.1 Mẫu sau ủ đồng hố Phân tích ảnh SEM mẫu sau đồng hóa: Hình Phân tích kết XRD Để đo độ cứng tế vi (HV) hợp kim Al-Zn-MgCu sử dụng máy đo độ cứng Vicker PHV-1000 SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) Đối với mẫu khơng có La Ce độ hạt khơng có hạt có kích thước lớn (trên 57µm) Đối với mẫu có La Ce mức độ phóng đại thấp kích thước hạt trung bình (khoảng 30-40 (µm)) hạt có kích thước tương đối Với độ phóng đại cao hơn, cho thấy hạt trục có độ hạt tương đối nhỏ 3.1.2 Kết phân tích tổ chức tế vi sau tơi Quan sát hình ảnh tổ chức tế vi mẫu mẫu trạng thái sau tôi, tổ chức mẫu có tương đồng với kết mà tác giả Mahmoud Chemingui [6] 105 HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Bảng Kết đo độ cứng pha HV Mẫu khơng có La Ce (HV) Pha α Pha LK 42,1 71,6 102 126 Sau đúc Ủ + tơi + hóa già) Mẫu có La Ce (HV) Pha α Pha LK 62,8 94,8 148 150 Độ cứng tế vi pha α 140 120 100 80 60 40 20 Độ cứng tế vi pha liên kim 126 200 148150 102 Mẫu khơng có La Ce (HV) Pha α 71.6 42.1 Mẫu khơng có La Ce (HV) Pha LK Sau đúc Ủ + tơi + hóa già) Hình Biểu đồ phân tích độ cứng pha α Mẫu không chứa La, Ce sau trạng thái tôi, hạt có kích kích thước lớn, hạt thơ, cỡ hạt ~ 47μm, kích thước tăng 70% so với mẫu trạng thái ủ đồng hóa Mẫu có chứa La, Ce trạng thái sau tôi, hạt mịn hơn, so với mẫu không chứa La, Ce Kích thước hạt tương đồng, cỡ hạt ~ 33μm Các pha màu đen khơng cịn tồn biên hạt mẫu trạng thái ủ đồng hóa (Hình 4b) 3.1.3 Kết phân tích tổ chức tế vi sau hố già Sau q trình hóa già 120 oC 6h, cỡ hạt mẫu không chứa La, Ce 5,48 (ASM) ~ 53,7μm, kích thước hạt tăng 15% so với mẫu trạng thái tơi Mẫu có chứa La, Ce cỡ hạt 6,24 (ASM) ~ 41,5μm, kích thước hạt tăng 7% so với mẫu trạng thái Một số pha màu đen có tượng tập trung thành vùng độc lập nhôm Các pha màu đen cho pha liên kim Zn, Mg, Cu, cụ thể pha η (MgZn2) pha S (Al2CuMg) nhận định Mahmoud Chemingui [6] 3.2 Kết phân tích độ cứng Phân tích độ cứng pha α pha liên kim nhận thấy: Sau xử lý nhiệt độ cứng pha lớn so với mẫu sau đúc Điều giải thích có hịa tan nguyên tố hợp kim vào mẫu dẫn đến làm tăng giá trị độ cứng hợp kim nghiên cứu Mẫu có La Ce cho giá trị độ cứng cao so với mẫu khơng có La Ce Điều giải thích có hình thành pha liên kim đất 106 150 100 Mẫu có La Ce (HV) Pha α 94.8 62.8 Mẫu có La Ce (HV) Pha LK 50 Sau đúc Ủ + tơi + hóa già) Hình Biểu đồ phân tích độ cứng pha liên kim hòa tan đất vào dung dịch rắn góp phần làm tăng tính hợp kim Kết luận Từ kết phân tích cho thấy mẫu sau hợp kim hóa La+Ce có độ hạt nhỏ so với mẫu khơng hợp kim hóa Sau hóa già, kích thước hạt hợp kim nghiên cứu 41,5µm so với 53,7µm mẫu khơng có La Ce Giá trị độ cứng pha α mẫu hợp kim hóa La Ce cao so với mẫu khơng hợp kim hóa Sau hóa già giá trị độ cứng pha α hợp kim có đất 126HV so với giá trị độ cứng hợp kim khơng có đất 71,6HV Đối với kết pha liên kim tương ứng 150HV mẫu có La; Ce 94,8HV với mẫu khơng có La; Ce Bằng kỹ thuật phân tích XRD xác định pha liên kim mẫu sau hóa già Các pha màu đen cho pha liên kim Zn, Mg, Cu, cụ thể pha η (MgZn2) pha S (Al2CuMg) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A M O A A R O K M R A L A K Isadare D.A, Effect of As-Cast Cooling on the Microstructure and Mechanical Properties of Age-Hardened 7000 Series Aluminium Alloy, Int J Mater Eng., Vol.2015, No.1, pp.5-9, 2015 [2] G E Totten and D S MacKenzie, Handbook of aluminium - Physical Mettallurly and Process, SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) HỘI NGHỊ KH&CN CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 2021 Marcel Dekker, Inc 270 Madison Avenue, New York, NY 10016, 2003 [3] J F Nie, A J Morton, B C Muddle, and N Saunders, The Modelling of Stable and Metastable Phase Formation in Multi-Component Al-Alloys, 2004 [4] N X M Li and M J Starink, Effect of compositional variations on characteristics of coarse intermetallic particles in overaged 7000 aluminium alloys, Mater Sci Technol, Vol.17, pp 1324-1328, 2001 [5] H T Naeem and K S Mohammed, Retrogression and re-aging of aluminum alloys (AA 7075) containing nickel, Dig J Nanomater Biostructures, Vol.8, pp.1621-1632, 2013 [6] M Chemingui, F Benkhenafou, M Khitouni, Effect of heat treatment on microstructure a commercial Al-Zn-Mg-Cu alloy, November 29, 2018 https://doi.org/10.3139/146.111709 [7] P A Rometsch, Y Zhang, and S Knigh, Heat treatment of 7xxx series aluminium alloys - Some recent developments, Trans Nonferrous Met Soc China, Vol.24, pp.2003-2017, 2014 Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa: Ngày duyệt đăng: SỐ ĐẶC BIỆT (10-2021) 26/6/2021 05/8/2021 16/8/2021 107 ... thấy: Sau xử lý nhiệt độ cứng pha lớn so với mẫu sau đúc Điều giải thích có hịa tan nguyên tố hợp kim vào mẫu dẫn đến làm tăng giá trị độ cứng hợp kim nghiên cứu Mẫu có La Ce cho giá trị độ cứng. .. thước hạt hợp kim nghiên cứu 41,5µm so với 53,7µm mẫu khơng có La Ce Giá trị độ cứng pha α mẫu hợp kim hóa La Ce cao so với mẫu khơng hợp kim hóa Sau hóa già giá trị độ cứng pha α hợp kim có đất... đoạn xử lý nhiệt khử bỏ tổ chức tế vi trạng thái đúc hợp kim nghiên cứu Đối với hợp kim Al-Zn-Mg-Cu, nguyên tố hợp kim hóa Cr; Mn Zr hình thành pha liên kim q trình đồng hóa, điều có ảnh hưởng đến