Nghiên cứu sử dụng mẫu được phủ lớp kép Al và Ni-Cr lên nền thép C45 đã qua ủ 600oC trong 8h để phân tích nhiễu xạ Rơn ghen. Phương pháp này cho biết các pha tạo thành nhờ các giản đồ nhiễu xạ nhận được.
Do các lớp phủ tương đối mỏng, lớp phủ NiCr có chiều dày từ 100 đến 150µm, lớp phủ Al có chiều dày 80 đến 120 µm, độ dày các pha liên kim lại càng nhỏ hơn nên nếu quét nhiễu xạ X-ray bằng phương pháp quét trên bề mặt cắt ngang lớp phủ (như chụp ảnh tổ chức tế vi), sẽ không nhận được thông tin về các vùng trên lớp phủ một cách chính xác. Nghiên cứu đã thực hiện bóc từng lớp mỏng trên mặt phẳng lớp phủ, quét từ lớp phủ NiCr, lớp Al đến nền. Kết quả phát hiện các pha liên kim được thể hiện trên hình 3.19, 3.20
Thiết bị được sử dụng là máy quét Xray: D8 Advance của hãng Brucker-
Đức ở Phòng thí nghiệm Vật liệu- Viện Cơ khí Năng lượng và Mỏ Vinacomin. Kết quả phân tích được thực hiện ở nhiệt độ phòng t = 18oC với các thông số:
Bước thời gian: τ = 1s
Bước của góc chiếu: ∆θ = 0,01o Góc quét từ 20o đến 90o.
Điện áp: 40kV Dòng: 40mA
03-065-2418 (C) - Aluminum Nickel - Al3Ni - Y: 2.45 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Orthorhombic - a 6.61140 - b 7.36620 - c 4.81120 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitive - Pnma (62) - 4 - 234.310 - I/Ic PDF 0.9 - F30=246(0.0036,34) 03-065-9699 (C) - Aluminum Nickel - Al3Ni2 - Y: 3.52 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Hexagonal - a 4.02820 - b 4.02820 - c 4.89060 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - P-3m1 (164) - 1 - 68.7250 - I/Ic PDF 3.1 - F30=1000(0.0000,30) 03-065-5639 (C) - Aluminum Nickel - AlNi3 - Y: 3.81 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Tetragonal - a 3.78000 - b 3.78000 - c 3.28000 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitive - P4/mmm (123) - 1 - 46.8660 - I/Ic PDF 6.5 - F30=276(0.0026,41) 03-065-5865 (C) - Aluminum Chromium Nickel - Al4CrNi15 - Y: 18.85 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Cubic - a 3.56000 - b 3.56000 - c 3.56000 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitive - Pm-3m (221) - 45.1180 - I/Ic PDF 6.8 - F17=1000(0.0001,17) 00-001-1258 (D) - Nickel - Ni - Y: 23.43 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Cubic - a 3.54000 - b 3.54000 - c 3.54000 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Face-centered - Fm-3m (225) - 2 - 44.3619 - F12= 8(0.1160,13)
Operations: Smooth 0.150 | Background 0.037,1.000 | Import
C45-lop Al-CrNi - File: C45- lop Al- CrNi.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 20.000 ° - End: 90.000 ° - Step: 0.100 ° - Step time: 1. s - Temp.: 18 °C - Time Started: 1361929984 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.000 ° - Chi: 0.00 ° - Phi: 0.00 ° - X: 0.0 mm - Y: 0.0 mm
L in (C o u n ts) 0 100 200 300 400 2-Theta - Scale 20 30 40 50 60 70 80 90
Từ giản đồ nhiễu xạ Rơn ghen biên giới giữa NiCr-Al cho thấy, có thể xuất hiện các pha:
- Các pha liên kim phát hiện được tại vùng biên giới NiCr-Al: AlNi3, Al4CrNi15, Al3Ni2, Al3Ni. Góc 2θ của các vạch nhiễu xạ tương ứng với các pha được liệt kê ở bảng 3.8.
- Các pha liên kim phát hiện được tại vùng biên giới Al-Fe: AlFe3; AlFe; FeAl3. Góc 2θ của các vạch nhiễu xạ tương ứng với các pha được liệt kê ở bảng 3.9.
Bảng 3.8. Các pha và các góc 2θ của vạch nhiễu xạ tương ứng với nó trên mẫu phun phủ nền C45 vùng NiCr-Al Pha Góc 2θ(o) Al3Ni 25.901 41.800 43.589 45.291 Al4CrNi15 44.075 51.301 75.484 Al3Ni2 25.615 44.933 45.291 AlNi3 43.645 48.153 76.915 86.646
Bảng 3.9 Các pha và các góc 2θ của vạch nhiễu xạ tương ứng với nó trên mẫu phun phủ nền C45 vùng NiCr-Al Pha Góc 2θ(o) AlFe3 44.189 64.313 81.287 AlFe 30.796 44.117 64.099 81.144 FeAl3 43.544 44.905 64.242 Nhận xét:
- Đúng theo lý thuyết, trên giản đồ pha không thấy có tương tác của Cr và Ni, chỉ có sự tương tác của Cr và Ni với Al để tạo thành các liên kim theo tỉ lệ Al khuếch tán được.
- Không có các pha liên kim của Al-Cr (phù hợp với nhận xét về xuất hiện các pha nhờ phổ EDS)
- Các pha liên kim giữa Al và Ni-Cr tạo thành liên tiếp tùy theo tỉ lệ của Al với hai nguyên tố còn lại. Trong đó Al tạo thành các liên kim riêng lẻ với Ni. Ở
vùng gần lớp phủ NiCr, xuất hiện pha giàu Niken AlNi3 (từ nhiễu xạ X-ray), còn vùng gần lớp phủ Al, xuất hiện pha giàu nhôm Al3Ni (từ phổ EDS). Tuy nhiên phổ
EDS cũng chỉ là quét điểm bất kỳ, phụ thuộc vào đường quét và điểm chia trên
đường quét (mang tính ngẫu nhiên), còn nhiễu xạ X-ray cũng phụ thuộc vào lớp mà người nghiên cứu bóc tách (cũng mang tính ngẫu nhiên). Do vậy, có thể xuất hiện thêm cách pha khác, cần phải có nhiều phân tích thì mới có thể kết luận về tất cả các pha xuất hiện.
- Nhiễu xạ X-ray còn phát hiện thêm pha phức của 3 nguyên tố Ni-Cr-Al là pha Al4CrNi15
- Trên biên giới giưa Al-nền thép (Fe), các pha FeAl2 là pha giả bền trong quá trình khuếch tán, khả năng tạo thành là thấp nhất vì chúng bị phân huỷ, trên các kết quả phân tích Xray đều không thấy sự có mặt của pha này.
- Nhôm khuếch tán sâu vào trong bề mặt thép nên hàm lượng nhôm giảm dần và hình thành các pha trung gian (theo giản đồ pha): Al3Fe → Al5Fe2→ AlFe →
AlFe3. Như đã nêu do cách quét X-ray theo các lớp ngẫu nhiên, do vậy không phát hiện được đủ các pha, xong cũng đã xuất hiệt các pha giàu nhôm như Al3Fe (gần lớp phủ nhôm), pha trung gian AlFe đến pha nghèo nhôm AlFe3 (gần với nền thép).
Đến đây chúng ta đã có thể kết luận chắc chắn về việc hình thành các pha liên kim giữa các lớp phủ sau khi ủ. Ngay tại nhiệt độ 550oC đã hình thành các pha liên kim. Nhiệt độ càng cao tốc độ khuếch tán càng nhanh, chiều dày khuếch tán càng lớn, các pha liên kim này có tính chất đặc biệt: nhiệt độ nóng chảy cao, độ bền,
độ cứng cao, đây là những tính chất quý để làm tăng độ bền cũng như khả năng làm việc trong môi trường khắc nghiệt của lớp phủ. Tuy nhiên để thực sựđánh giá được
ưu nhược điểm của việc ủ tạo các pha liên kim trong lớp phủ cần có thêm những thí nghiệm để kiểm chứng.