5. Bố cục của luận văn
3.2.Mô hình thí nghiệm và các thiết bị
Dựa trên kiến thức về phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền g m các bƣớc thí nghiệm nhƣ hình 3.1 dƣới đây:
50
Hình 3.1. Mô hình thí nghiệm.
Các thiết bị thí nghiệm đƣợc sử dụng để chế tạo vật liệu xốp NiTi bằng phƣơng pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền:
Cân điện tử (SCENTECH, Mỹ) có độ chính xác 10-4 gram tại Phòng thí nghiệm
Bộ môn Cơ học vật liệu và Cán kim loại, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đƣợc sử dụng để cân bột, mẫu và đƣợc sử dụng để đo độ xốp của mẫu. (Hình 3.2.a).
Máy nghiền bi cánh khuấy đƣợc sử dụng để hoạt hóa cơ học và làm cho đ ng đều hỗn hợp bột. Cối và cánh khuấy của máy nghiền đƣợc làm bằng thép không gỉ. Tại Phòng thí nghiệm Bộ môn Cơ học vật liệu và Cán kim loại, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội (Hình 3.2.b).
Máy ép thủy lực 100 tấn (STENHJ, Đan Mạch) tại Phòng thí nghiệm Bộ môn
Cơ học vật liệu và Cán kim loại, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội dùng để ép sơ bộ trƣớc khi cho vào lò điện trở để nung sơ bộ. (Hình 3.2.c).
Lò điện trở với nhiệt độ tối đa đạt 10000C tại Phòng thí nghiệm Bộ môn Cơ học
vật liệu và Cán kim loại, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đƣợc sử dụng để nung sơ bộ mẫu trƣớc khi xảy ra phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền. Nhiệt độ lò có thể đƣợc điều chỉnh bởi một bộ điều khiển. Kích thƣớc trong lòng lò đƣờng kính là 60mm và chiều dài 800mm. Một đầu mở có nắp đậy và đầu kia có một đƣờng ống đƣa khí bảo vệ vào trong lò. (Hình 3.2.d).
51
Thiết bị m i lửa đƣợc làm bằng cuộn dây vonfram. Máy biến áp đƣợc sử dụng để điều chỉnh nhiệt độ có giải điện áp là 0V ÷ 30V (LiOA DC. Power) tại Phòng thí nghiệm Bộ môn Cơ học vật liệu và Cán kim loại, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà
Nội. Nhiệt độ của cuộn dây vonfram có thể tăng lên đến 2000oC (Hình 3.2.e).
Máy cắt dây NC (tại Phòng thí nghiệm Bộ môn Cơ học vật liệu và cán kim loại, Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội) đƣợc sử dụng để chế tạo mẫu phục vụ thí nghiệm xác định các tính chất cơ học của vật liệu xốp NiTi.
Để xác định thành phần pha của sản phẩm sau phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền sử dụng phƣơng pháp phân tích phổ nhiễu xạ Rơnghen XRD (máy Siemens D5005, Đức) tại Trƣờng Đại Học Khoa Học Tự Nhiên (Đại Học Quốc Gia Hà Nội). Độ xốp của mẫu và tỷ lệ độ xốp hở đƣợc xác định bằng phƣơng pháp Ác-si-mét. Cấu trúc tế vi của mẫu đƣợc quan sát và soi chụp trên hiển vi điện tử quét SEM phát sạ trƣờng Hitachi S-4800 (Viện Vệ Sinh Dịch Tễ Trung Ƣng).
Máy thử cơ tính (MTS 809.10, Mỹ) đặt tại Phòng thí nghiệm Bộ môn Cơ học vật liệu và cán kim loại, Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội. Đƣợc sử dụng để kiểm tra các tính chất cơ học của vật liệu, chẳng hạn nhƣ mô đun đàn h i, độ giãn dài, giới hạn chảy... (Hình 3.2.f)
52
Hình 3.2. Các thiết b sử dụng trong các thí nghiệm: a, Cân điện tử; b, Máy nghiền bi cánh khuấy; c, Máy ép thủy lực; d, Lò điện trở; e, Hệ thống mồi lửa bằng cuộn
53
Mô tả thí nghiệm phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền đƣợc thể hiện ở hình 3.3 dƣới đây:
Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý hệ thống các thiết b thí nghiệm thực hiện phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền chế tạo vật liệu xốp NiTi do nhóm nghiên cứu đề xuất.
3.3. Kết luận chương III
- Các phƣơng pháp phân tích khoa học và tiên tiến, các thiết bị hiện đại đã đƣợc lựa chọn để nghiên cứu chế tạo cũng nhƣ khảo sát đánh giá vật liệu xốp NiTi với các yếu tố: thành phần pha, độ xốp và các tính chất cơ học cơ bản của vật liệu xốp NiTi.
- Các thiết bị nghiên cứu, chế tạo và khảo sát có độ chính xác cao, đáng tin cậy. Các thiết bị công nghệ đƣợc lựa chọn để tổng hợp vật liệu NiTi xốp đƣợc lựa chọn hoàn toàn đáp ứng đƣợc yêu cầu đặt ra. Bên cạnh các thiết bị hiện đại còn có hệ thống các thiết bị công nghệ chế tạo vật liệu xốp NiTi bằng phƣơng pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền tự chế tạo duy nhất ở Việt Nam nhƣ máy nghiền bi cánh khuấy phục vụ cho quá trình hoạt hóa cơ học hỗn hợp bột NiTi ban đầu.
54
Chƣơng IV: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.1. Chuẩn bị vật liệu
4.1.1. Nguyên liệu
Bột đƣợc kiểm tra độ tinh khiết của bột Ti và Ni, kiểm tra về kích thƣớc và hình dạng hạt nếu đạt yêu cầu thì tiến hành các bƣớc thí nghiệm tiếp theo.
Hình 4.1. Kết quả phân tích XRD hỗn hợp bột Ni và bột Ti nguyên liệu. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
55
Ảnh SEM và XRD của các nguyên liệu đầu vào cho thay thấy các loại bột đầu vào có độ tinh khiết rất cao, khoảng 99.9%. Bột Ti đƣợc cung cấp bởi hãng International Titanium Powder, Mỹ và bột Ni đƣợc cung cấp bởi hãng Shenyang Jiyongli Refratory Materrial Co.,Ltd. Trung Quốc. Kích thƣớc hạt bột trung bình của bột Ni là 10μm và của bột Ti là 100μm.
4.1.2. Sau quá trình hoạt hóa cơ học
Kết quả phân tích XRD mẫu sau khi hoạt hóa cơ học 2h đƣợc thể hiện trên hình 4.3, cho thấy chƣa có sự xuất hiện của pha liên kim giữa Ni và Ti. Các píc chỉ là sự kết hợp của từng thành phần nguyên tố Ni và Ti. Điều này cho thấy, năng lƣợng hoạt hóa cơ học chƣa đủ lớn để có thể khuếch tán các nguyên tử Ni và Ti.
Hình 4.3. Kết quả phân tích XRD hỗn hợp bột sau khi hoạt hóa cơ học 2h.
Hình 4.4 là ảnh SEM cho thấy kích thƣớc hạt bột tăng lên sau quá trình hoạt hóa cơ học. Đó là do trong quá trình này có sự tƣơng tác với bi nghiền, cánh khuấy, tang nghiền mà hạt bột đƣợc cung cấp thêm năng lƣợng. Bề mặt các hạt bột trƣợt lên nhau và kết lại với nhau, quá trình hàn nguội xảy ra làm kích thƣớc hạt tăng lên. Quá trình hoạt hóa cơ học làm tăng diện tích tiếp xúc bề mặt giữa các hạt Ni và Ti,
56
phá vỡ lớp bề mặt trơ của chúng, tăng năng lƣợng hoạt hóa trên bề mặt tiếp xúc của hai nguyên tố làm cho quá trình khếch tán đƣợc dễ dàng hơn.
Hình 4.4. Ảnh SEM một hạt hỗn hợp bột Ni + Ti sau khi hoạt hóa cơ học 2h.
4.2. Một số tính chất của vật liệu xốp NiTi tổng hợp bằng phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền độ cao tự lan truyền
4.2.1. Mối quan hệ giữa thời gian hoạt hóa cơ học và nhiệt độ nung sơ bộ đến phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền đến phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền
Khi tăng thời gian hoạt hóa cơ học, ta có thể giảm đƣợc nhiệt độ nung sơ bộ và phản ứng có thể xảy ra dễ dàng hơn.Với thời gian hoạt hóa cơ học nhỏ hơn 1,5h thì
phản ứng không thể xảy ra kể cả khi nhiệt độ nung sơ bộ cao Tp = 600C có m i lửa
ở nhiệt độ Tig = 2000C.Với thời gian hoạt hóa cơ học trong khoảng 1,5h 2h, nếu
nhiệt độ nung sơ bộ Tp < 250C, phản ứng là không thể xảy ra ngay cả khi mẫu đƣợc m i lửa với Tig = 2000C. Trong khoảng nhiệt độ nung sơ bộ từ 250C tới 600C, khi Tp < 450C thì phản ứng xảy ra theo cơ chế tự lan truyền khi có m i lửa,
57
khi Tp > 450C, phản ứng có thể tự xảy ra. Điều này là do trong quá trình hoạt hóa
cơ học, năng lƣợng của bi nghiền một phần tích tụ trong các hạt bột, làm tăng diện tích tiếp xúc bề mặt giữa các hạt Ni và Ti, phá vỡ lớp bề mặt thụ động nên phản ứng xảy ra dễ dàng hơn, thời gian hoạt hóa cơ học càng cao thì năng lƣợng đƣợc tích lũy càng nhiều dẫn đến phản ứng càng dễ dàng xảy ra ở nhiệt độ nung sơ bộ thấp. Mối liên hệ giữa thời gian hoạt hóa cơ học và nhiệt độ nung sơ bộ đến phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền đƣợc thể hiện trên bảng 4.1.
Bảng 4.1: Khả năng xảy ra phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền tại nhiệt độ nung sơ bộ và thời gian hoạt hóa cơ học khác nhau.
Thời gian hoạt hóa cơ học (h)
Nhiệt độ nung (oC)
Chú ý (sau khi m i lửa)
0 600 Phản ứng không thể xảy ra 0,5 600 Phản ứng không thể xảy ra 1 600 Phản ứng không thể xảy ra 1,5 400 1,5 500 Phản ứng có thể xảy ra 1,5 600 2 250 2 300 2 400 2 450 Phản ứng có thể xảy ra 2 500 2 600
Các hiện tƣợng quan sát đƣợc khi Tp thay đổi đƣợc thể hiện trên hình 4.5 cho thấy,
khi mẫu đƣợc m i lửa ở nhiệt độ Tp 250oC các mẫu đều lóe sáng, vết sáng di chuyển từ vị trí m i lửa đến cuối mẫu. Hình dạng của các mẫu nhận đƣợc cũng khác nhau rõ rệt, mẫu dài ra, đầu các mẫu tại vị trí m i lửa đều xuất hiện một phần bị
58
Tp (hình 4.5). Mẫu có nhiệt độ nung sơ bộ 6000C thì lƣợng mẫu bị nóng chảy chiếm
khoảng 50% thể tích mẫu. Mẫu nung sơ bộ ở 2500C thì gần nhƣ không có hiện tƣợng chảy lỏng xảy ra. Kết quả này là rất phù hợp với lý thuyết. Khi mẫu bị chảy lỏng thì hình dạng mẫu sẽ bị thay đổi. Do đó, chúng ta nên để phản ứng xảy ra ở
nhiệt độ nung sơ bộ khoảng 250 ÷ 3000
C. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 4.5. Hình dạng mẫu sau khi mồi lửa với các nhiệt độ nung sơ bộ khác nhau.
4.2.2. Kết quả phân tích thành phần pha sau phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền truyền
Kết quả phân tích thành phần pha XRD đã cho thấy sự hình thành của pha liên kim NixTi1-x giữa Ni và Ti (hình 4.6). Cơ chế tạo thành liên kim NixTi1-x là sự khuếch tán của Ni vào Ti và ngƣợc lại ở pha rắn dƣới ảnh hƣởng của nhiệt độ rất cao tỏa ra trong quá trình phản ứng giữa chúng. Cũng qua kết quả phân tích XRD nhận thấy, sự hình thành pha trong phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền giữa Ni và
Ti phụ thuộc vào nhiệt độ nung sơ bộ. Khi nhiệt độ Tp tăng, nhiệt độ cháy giữa Ni
và Ti tỏa ra cũng tăng lên, do đó năng lƣợng mà các nguyên tử Ni, Ti nhận đƣợc cũng tăng lên dẫn đến hệ số khuếch tán cũng tăng lên, phản ứng tạo thành pha NiTi (ở hai kiểu mạng tinh thể B2 –Austenit và B19’ – Mactenxit), và không quan sát thấy sự xuất hiện píc pha không cân bằng giữa NiTi hoặc píc của Ni, Ti còn dƣ sau phản ứng. Điều đó chứng tỏ rằng, bằng phƣơng pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền, ta có thể chế tạo thành công hệ Vật liệu xốp NiTi với chủ yếu pha NiTi (kểu mạng B2 và B19) mong muốn.
59
Hình 4.6. Kết quả phân tích thành phần pha bằng phương pháp XRD sản phẩm thu được sau phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền với các chế độ nung sơ bộ khác nhau.
60
Nhƣ đã phân tích ở trên, dƣới tác dụng của tải trọng, vật liệu nhớ hình sẽ bị biến dạng nhờ quá trình chuyển biến pha (chuyển biến thuận) từ pha Austenit B2
(pha gốc) pha NiTi Mactenxit B19’ (pha sản phẩm) mà khổng phải do sự chuyển
động của lệch trong mạng tinh thể. Sau khi dỡ tải tác dụng xảy ra quá trình chuyển
biến ngƣợc lại, một phần biến dạng đƣợc h i phục (phan NiTi Mactenxit B19’
pha NiTi Austenit B2: hiệu ứng nhớ hình). Quá trình h i phục biến dạng này cũng có thể diễn ra khi mẫu đƣợc nung nóng đến một nhiệt độ nhất định sau khi dỡ tải,
đó chính là nhiệt độ chuyển biến ngƣợc từ pha NiTi Mactenxit B19’ pha NiTi
Austenit B2). Nhƣ vậy, để có quá trình chuyển biến nhớ hình rõ ràng, sau khi chế tạo vật liệu xốp NiTi yêu cầu thành phần chủ yếu là pha NiTi cân bằng t n tại ở kiểu mạng tinh thể B2 (Austenit).
Hình 4.7. Quá trình chuyển biến Mactenxit trong vật liệu Ti-Ni.
Các kết quả phân tích phổ XRD thể hiện trên hình 4.6, 4.7 cho thấy, hầu hết các mẫu vật liệu xốp NiTi xảy ra phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền trong quá trình chế tạo đều có thành phần pha chủ yếu là NiTi cân bằng t n tại ở kiểu mạng tinh thể B2 (Austenit). Pha NiTi Austenit kiểu mạng B2 chiếm ƣu thế, thể hiện ở các píc lớn, rõ rệt trên biểu đ phân tích XRD. Bên cạnh đó, t n tại một phần nhỏ pha NiTi kiểu mạng B19’ (Mactenxit), thể hiện ở các píc nhỏ, hẹp và không rõ ràng trên các biểu đ phân tích XRD. Các kết quả này hoàn toàn phù hợp với các điều kiện cần thiết để có quá trình chuyển biến pha có thể xảy ra trong quá trình biến dạng tạo nên sự thay đổi hình dạng ở những vật liệu nhớ hình.
61
4.2.3. Độ xốp của vật liệu xốp NiTi
4.2.3.1. Độ xốp sơ bộ trước phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền
Sau khi hoạt hóa cơ học, hỗn hợp bột NiTi đƣợc ép sơ bộ thành mẫu hình trụ có kích thƣớc nhƣ sau: đƣờng kính d = 15mm và chiều cao h = 25mm. Lực ép sơ bộ
trung bình đƣợc lựa chọn trong khoảng 40120MPa. Với lực ép sơ bộ 120MPa tỷ
trọng trung bình của khối đƣợc tính nhƣ sau (cho 21,312g hỗn hợp bột NiTi theo tỷ lệ nguyên tử 50%-50%):
th = m/V = (mNi + mTi)/V
= (11.739g+9.573g)/(*(15mm)2* (25mm)/4)
= 0.00483 g/mm3 = 4.83 g/cm3
Tỷ trọng lý thuyết của Ti 50% (nguyên tử) Ni là:
LT = (mNi + mTi)/(VNi + VTi) = (mNi + mTi)/ (mNi/ Ni + mTi/ Ti)
= (11.739g + 9.573g) / (11.739g * 8.9 g/cm3 + 9.573g * 4.5g/cm3)
= 6.18 g/cm3 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Độ xốp của khối bột thô là:
th = (1- th/ LT) * 100% = (1- 4.83/6.18)*100% = 21.9 %
Cũng với cách tính tƣơng tự với mẫu ép ở 40MPa, tính toán đƣợc độ xốp của khối bột thô là: 29,0%.
Qua khảo sát các nghiên cứu đã công bố về tổng hợp vật liệu xốp NiTi bằng phƣơng pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền thì độ xốp thƣờng đƣợc lựa chọn
để tiến hành khảo sát là khoảng 20%60%.
4.2.3.2. Độ xốp sơ bộ sau phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền
Đối với các mẫu vật liệu xốp NiTi nhận đƣợc bằng phƣơng pháp phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền, phản ứng thƣờng xảy ra quá mãnh liệt khi thực hiện m i
lửa kích hoạt phản ƣng ở nhiệt độ nung sơ bộ khoảng 550 600oC. Hầu hết các sản
phẩm này bị nở ph ng tại đầu m i lửa, do ảnh hƣởng của ngu n nhiệt m i lửa và nhiệt độ cháy của phản ứng cao nên mẫu bị chảy lỏng nhiều hơn, do đó các mẫu có
62
Sự chảy lỏng này đƣợc quan sát rõ trên ảnh SEM mặt cắt mẫu (hình 4.8) có rất nhiều các hạt hình cầu bám trên bề mặt các lỗ xốp.
Quan sát trên hình 4.8 và hình 4.9 nhận thấy, hình dạng của các lỗ xốp không đối xứng mà có dạng rãnh do nhiều lỗ xốp liên thông với nhau do chính khe hở ban đầu của các hạt bột khi ép sơ bộ và sự lan truyền của sóng cháy trong quá trình phản ứng. Hơn nữa nhiệt độ cao của phản ứng chính là quá trình tự thiêu của mẫu, làm cho các hạt bột dính liền nhau bền chặt không còn rời rạc.
Hình 4.8. a. Mặt cắt dọc, b. Mặt cắt ngang mẫu sau quá trình phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền.
63
64
Do sự lan truyền của sóng cháy, mặt cháy sẽ di chuyển tạo nên các vùng nhiệt độ không đ ng đều, vì vậy mẫu thƣờng có su hƣớng nở dọc theo chiều lan truyền sóng cháy (dọc theo chiều dài mẫu). Do đó các phản ứng nhiệt độ cao tự lan truyền thƣờng cho chiều dài mẫu tăng lên và độ xốp của mẫu vì thế cũng tăng lên so với độ