Ngoài ra để chế tạo hợp kim xốp Titan, người ta có thể sử dụng một số phương pháp khác như
- Phương pháp vi sóng hình 2.7
- Phương pháp ép trục vít hình 2.8, 2.9 - Phương pháp đúc hình 2.10,2.11
- kỹ thuật tạo xốp đoạn nhiệt ở trạng thái rắn
Mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm và các điều kiện riêng, áp dụng phương pháp nào tùy thuộc vào yêu cầu của ứng dụng và khả năng tài chính để xây dựng thiết bị.
41
Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý phƣơng pháp thiêu kết vi sóng
42
Hình 2.10 Thiết bị máy ép trục vít (MIM)
43
Hình 2.12 Phƣơng pháp đúc để tạo mẫu xốp[ 3 ] 2.7 Kết luận
Luận văn này tác giả đã tìm hiểu và đánh giá các công nghệ thường được sử dụng để chế tạo hợp kim Titan xốp, được các nhà khoa học trên thế giới sử dụng trong các công trình công bố đến thời điểm cuối năm 2014. Nhằm mục đích lựa chọn công nghệ phù hợp cho nghiên cứu phát triển của đề tài.
Qua phân tích các ưu nhược điểm của từng phương pháp đã nêu, cùng với các yêu cầu về thành phần vật liệu, về hình dáng mẫu sản phẩm, về cơ tính của mẫu sản phẩm sau khi thiêu kết được đưa ra ở kết luận chương 1 tác giả nhận thấy rằng:
- Vật liệu cấy ghép với nguyên liệu ban đầu là hỗn hợp bột kim loại gồm Titanium hydride, Niobi và Zirconi (TiH2-3,5Nb-3,5Zr) là những kim loại dễ bị oxi hóa khi nung ở nhiệt độ cao, như vây cần phải thiêu kết mẫu ở môi trường chân không cao để tránh hiện tượng oxi hóa và hơn nữa khi TiH2 phân rã khí H2 có thể thoát hết ra khỏi mẫu.
44
- Vật liệu cấy ghép với yêu cầu độ xốp khống chế trong khoảng (40 ÷ 60) % như vậy cần phải dùng chất phụ gia để tạo độ xốp theo mong muốn.
Phương pháp phân rã thiêu kết sử dụng chất tạo độ xốp (space holder) sử dụng chất tạo độ xốp là phương pháp phù hợp nhất để chế tạo hợp kim Titan xốp, với độ xốp lớn. Nguyên liệu ban đầu là hỗn hợp bột kim loại gồm Titanium hydride, Niobi và Zirconi (TiH2-3,5Nb-3,5Zr). Môi trường thiêu kết của mẫu là chân không cao để tránh hiện tượng oxi hóa và hơn nữa khi TiH2 phân rã khí H2 có thể thoát hết ra khỏi mẫu. Các bước quy trình thực nghiệm được thể hiện rõ từng bước ở chương 3.
45
CHƢƠNG 3 – KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO HỢP KIM TITAN XỐP TiH2 - 3,5Nb - 3,5Zr
Quy trình công nghệ chế tạo hợp kim y sinh Titan xốp TiH2 - 3,5Nb - 3,5Zr được đề xuất như trên hình 3.1
Hình 3.1 Sơ đồ quy trình thực nghiệm chế tạo hợp kim y sinh Titan xốp
Hiển vi điện tử quét Đo độ xốp Đo mô đun đàn hồi
Bột TiH2 Bột Nb Bột Zr
Phối liệu theo tỷ lệ
Trộn đồng đều thành phần hỗn hợp bột kim loại
Ép đóng bánh sơ bộ
Phân rã thiêu kết trong môi trường chân không cao
Mẫu sản phẩm sau thiêu kết được phân tích để xác định tính chất
46
Sơ đồ được trình bày trên (hình 3.1) là quy trình công nghệ chế tạo hai bước: Phân rã – Thiêu kết, trong đó bước Phân rã để phân hủy TiH2, bước thiêu kết thực hiện ở nhiệt độ cao hơn nhằm hợp kim hóa và liên kết các hạt bột. Các công đoạn trong quy trình công nghệ được trình bày cụ thể như sau:
3.1 Công đoạn nghiền trộn cơ học 3.1.1 Thiết bị phối liệu 3.1.1 Thiết bị phối liệu
Khối lượng từng thành phần hỗn hợp bột kim loại ban đầu (bột TiH2, bột Nb và bột Zr) được xác định trên cân điện tử (Scientech, Mỹ) với độ chính xác 10-4g đặt tại phòng thí nghiệm Công nghệ cán ép, Bộ môn Cơ học vật liệu và Cán kim loại, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Ngoài ra thiết bị này cũng được sử dụng để xác định độ xốp của mẫu sau khi đóng bánh, tổng độ xốp và tỷ lệ lỗ xốp hở của vật hợp kim Titan xốp sau khi thiêu kết.
Hình 3.2 Cân điện tử Scientech độ chính xác 10-4 g 3.1.2 Tính toán phối liệu
Vật liệu ban đầu được lựa chọn là bột thương mại, bao gồm : Bột TiH2
( độ sạch > 99% , kích thước hạt 300 nm , Whole Win (Beijing) Metarials. Sci. Tech. Co.,Ltd). Bột Zr ( độ sạch > 99%, kích thước hạt 400 nm, Whole
47
Win (Beijing) Metarials. Sci. Tech. Co.,Ltd). Bột Nb (20µm). Ta có kết quả phân tích của các giản đồ nhiễu xạ X-ray của 3 mẫu bột kim loại nguyên liệu ban đầu.
48
Hình 3.3 Giản đồ nhiễu xạ X-ray bột TiH2 nguyên liệu
VNU-HN-SIEMENS D5005 - Mau TiH2
25-0982 (I) - Titanium Hydride - TiH1.924 - Y: 19.64 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056
File: Toan-DHBK-TiH2.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 79.990 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1.0 s - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 10/24/14 16:29:08
L in ( C p s ) 0 100 200 300 400 500 600 700 2-Theta - Scale 10 20 30 40 50 60 70 80 d = 2 .5 6 5 5 d = 2 .2 2 5 7 d = 1 .5 7 0 7 d = 1 .3 4 1 1 d = 1 .2 8 1 8
49
Hình 3.4 Giản đồ nhiễu xạ X-ray bột Nb nguyên liệu
VNU-HN-SIEMENS D5005 - Mau Nb
34-0370 (*) - Niobium columbium - Nb - Y: 96.36 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056
File: Toan-DHBK-Nb.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 79.990 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1.0 s - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 10/24/14 17:09:49
L in ( C p s ) 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 2800 2900 3000 2-Theta - Scale 10 20 30 40 50 60 70 80 d = 2 .3 3 4 7 d = 1 .6 5 1 5 d = 1 .3 4 8 6
50
Hình 3.5 Giản đồ nhiễu xạ X-ray bột Zr nguyên liệu
VNU-HN-SIEMENS D5005 - Mau Zr
05-0665 (I) - Zirconium - Zr - Y: 47.27 % - d x by: 1.000 - WL: 1.54056
File: Toan-DHBK-Zr.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 10.000 ° - End: 79.990 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1.0 s - Temp.: 25.0 °C (Room) - Anode: Cu - Creation: 10/24/14 18:15:25
L in ( C p s ) 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 2-Theta - Scale 10 20 30 40 50 60 70 80 d = 2 .8 0 3 7 d= 2 .5 7 8 2 d = 2 .4 6 2 7 d = 1 .8 9 6 9 d = 1 .6 1 8 2 d = 1 .4 6 4 4 d = 1 .4 0 2 4 d = 1 .3 7 0 3 d = 1 .3 5 2 4 d = 1 .2 8 8 6 d = 1 .2 3 1 2
51
Tổng lượng bột trong mỗi lần phối trộn là 20g. Tỉ lệ bột ban đầu được tính toán sao cho sau khi trộn ta được tỉ lệ như sau : TiH2-3,5Nb-3,5Zr. Thành phần bột mỗi loại ban đầu được tính như sau:
Gọi khối lượng bột Ti, Nb, Zr lần lượt là a,b,c. Nguyên tử khối của các bột theo thứ tự lần lượt là Ti = 48, Nb = 93, Zr = 91.
Khối lượng bột tổng cộng là 20g nên ta có phương trình : a + b + c = 20 (1)
Tỉ lệ thành phần bột là : TiH2-3,5Nb-3,5Zr nên ta có phương trình :
Từ (1); (2); (3) ta có hệ phương trình: a + b + c = 20
Giải hệ phương trình trên ta thu được : a = 17.47 b = 1.27 c = 1.26 Khối lượng cần phối liệu của các bột theo thứ tự lần lượt là: Ti = 17,47 (g), Nb = 1,27 (g), Zr = 1,26 (g)
Khối lượng bột TiH2được tính theo phản ứng sau : TiH2→ Ti + H2
Số mol : a a a Khối lượng : 18,2(g) 17,47 (g)
Vậy khối lượng cần phối liệu ban đầu của các bột theo thứ tự lần lượt là: TiH2 = 18,2 (g), Nb = 1,27 (g), Zr = 1,26 (g)
52
3.1.3 Thiết bị trộn đồng đều hóa thành phần
Thiết bị sử dụng cho công đoạn nghiền trộn hỗn hợp bột kim loại ban đầu là máy trộn tang trống nằm ngang (hình 3.6). Thiết bị này do nhóm nghiên cứu thiết kế chế tạo và được đặt tại phòng thí nghiệm Công nghệ Cán ép, Bộ môn Cơ học vật liệu và Cán kim loại, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Quá trình nghiền trộn đồng đều hóa thành phần được thực hiện trên máy nghiền trộn dạng tang trống nằm ngang. Tang trống được đặt trên bộ phận giá đỡ có con lăn và nhận truyền động quay nhờ nối với trục chính động cơ. Khi tang trống chuyển động quay nằm ngang thì bột kim loại và bi nghiền sẽ chuyển động va đập vào nhau xung quanh tang trống dẫn đến bột kim loại được trộn đồng đều thành phần với nhau.
Hình 3.6 Máy trộn tang trống
Một số thông số đặc trưng của máy trộn tang trống: - Công suất động cơ: 0,37 kW;
- Số vòng quay của động cơ: 1390 vg/ph; - Đường kính trục động cơ: 38 mm;
- Vật liệu chế tạo tang nghiền: thép không gỉ SUS 304 dày 6 ÷ 8 mm; - Đường kính ngoài tang nghiền: 180 mm;
53
- Chiều dài tang nghiền: 130 mm kèm theo hệ thống khí bảo vệ;
- Bi nghiền: bi nghiền làm bằng thép không gỉ SU304, đường kính 3 mm.
3.1.4 Trộn đồng đều thành phần
Sau khi tính toán phối liệu theo tỷ lệ như trên, nạp 20 gr hỗn hợp bột ban đầu vào tang trống cùng với bi nghiền. Quá trình nghiền trộn được thực hiện trên máy trộn tang trống với chế độ nghiền như sau:
- Tốc độ tang quay: 150 vg/ph
- Tỉ lệ (theo khối lượng) bi nghiền/ bột: 10 : 1 - Thời gian nghiền: 2 h
- Môi trường bảo vệ: khí Argon
Mục đích chính của bước này là đồng đều hóa hỗn hợp bột kim loại, hoạt hóa bề mặt các hạt bột để đảm bảo các hạt bột TiH2, Nb, Zr có thể tiếp xúc với nhau. Hỗn hợp bột kim loại càng đồng đều thì diện tích bề mặt tiếp xúc giữa chúng càng lớn. Do đó, phản ứng xảy ra dễ dàng hơn. Hơn nữa, việc hoạt hóa cơ học trộn đồng đều còn làm tăng năng lượng của các nguyên tử trên bề mặt các hạt bột làm chúng trở nên hoạt động hơn, do đó phản ứng phân hủy TiH2 dễ xảy ra hơn. Vì TiH2, Nb và Zr đều là kim loại có tính dẻo, do vậy các hạt bột sẽ bám dính với nhau ở giai đoạn hàn nguội nên thành phần hóa học các hạt bột được phân bố đồng đều hơn. Hơn nữa, quá trình hàn nguội cũng có khả năng làm cho các hạt bám dính với nhau nên kích thước hạt bột sẽ lớn hơn. Quá trình này tạo điều kiện tăng độ xốp trong quá trình đóng bánh với mục đích tăng độ xốp của mẫu sau khi thiêu kết. Kết quả trên hình ảnh trước và sau khi trộn đồng đều thành phần hỗn hợp 3 bột bằng máy nghiền nằm ngang đã không quan sát thấy sự thay đổi nào về kích thước hạt bột. Ta có kết quả phân tích hình ảnh SEM của hỗn hợp vật liệu bột ban đầu sau khi trộn như trên (hình 3.7), hạt TiH2 có hình dạng khối, hạt Nb và Zr có hình dạng cầu.
54
Hình 3.7 Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) hỗn hợp bột TiH2-3,5Nb-3,5Zr sau quá trình trộn đồng đều thành phần (X200 và X2000)
55
3.2 Công đoạn ép đóng bánh tạo hình sơ bộ
3.2.1 Thiết bị ép đóng bánh hỗn hợp bột TiH2–3,5Nb–3,5Zr
Máy ép thủy lực 1000 KN (hình 3.8) của hãng STENHØJ đặt tại phòng thí nghiệm Công nghệ Cán ép, Bộ môn Cơ học vật liệu và Cán kim loại, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, được sử dụng để đóng bánh sơ bộ hỗn hợp bột TiH2; Nb và Zr sau khi trộn đồng đều thành phần. Khuôn ép hình trụ có đường kính d = 10 mm, chiều cao h = 80 mm, vật liệu làm khuôn và chày ép là C45 nhiệt luyện đạt độ cứng 35 HRC, được gia công đạt độ nhám 1,25 µm và được đánh bóng.
Hình 3.8 Máy ép thủy lực 1000 KN hãng STENHØJ. 3.2.2 Phƣơng pháp ép
Quá trình ép đóng bánh sơ bộ tạo cho bột kim loại có hình dáng cần thiết và được gắn kết nhất định trước khi tiến hành thiêu kết.Với điều kiện thí nghiệm hiện có, tác giả lựa chọn phương pháp ép nguội một chiều trong
56
khuôn kín hình trụ, thép C45 đã qua nhiệt luyện, đường kính 10 mm, để tạo hình các mẫu thí nghiệm. Đây là phương pháp ép đơn giản, mặt khác đường kính và chiều cao của mẫu không lớn (H/D < 1). Kết cấu và hình dạng khuôn ép sơ bộ như trên (hình 3.9).
Hình 3.9 Khuôn và chày ép 3.2.3 Áp lực éptạo hình sơ bộ
Chọn áp lực ép sơ bộ trong khoảng (150 250) MPa để tạo hình khối sơ bộ mẫu hỗn hợp bột sau khi trộn đồng đều thành phần.
Sở dĩ chọn áp lực ép trong khoảng (100 250) MPa. Kết quả khảo sát quá trình ép một chiều trong khuôn kín cho thấy. Khi ép bột với áp lực ép 100 Mpa, ta thấy trên bề mặt mẫu sau khi ép sự liên kết giữa các hạt bột tiếp xúc với nhau còn rời rạc, mẫu chưa được đóng bánh thành khối. Đối với mẫu khi ép đóng bánh sơ bộ với áp lực ép 300 MPa thì mẫu ép bị phá hủy và nứt tách lớp tại chính giữa khối.Điều này được lý giải như sau: áp lực ép đóng vai trò tạo ra sự biến dạng dẻo của các hạt vật liệu bột, từ đó tạo ra sự biến dạng trên bề mặt tiếp xúc và tạo nên sự móc nối giữa các nguyên tử trên bề mặt này. Sự tham gia của các pha và tỷ trọng lệch tăng lên quá nhiều trong quá trình ép đã làm giảm tính dẻo của hỗn hợp bột và hạn chế quá trình liên kết giữa các hạt. Cho nên, cần phải giảm áp lực ép khi tạo hình đóng bánh hỗn hợp bột TiH2- 3,5Nb-3,5Zr.Quá trình ép bột được chia ra làm 3 giai đoạn cơ bản như sau:
57
- Giai đoạn 1: Là giai đoạn các hạt bột điền đầy các lỗ trống theo định luật trở kháng biến dạng nhỏ nhất . Trong giai đoạn này khi áp lực tăng thì tỷ trọng của mẫu cũng tăng gần như là tuyến tính [ 1 ].
- Giai đoạn 2: Là giai đoạn xảy ra quá trình biến dạng dẻo của các hạt bột kim loại [ 1 ]. Trong giai đoạn này lỗ trống gần như được điền đầy hoàn toàn , khi ta tăng áp lực ép vượt quá giới hạn đàn hồi của bột kim loại dẫn đến kim loại bị biến dạng dẻo . Kết quả là khi ta tăng lượng ép thì gần như tỉ trọng của mẫu bột không đổi
- Giai đoạn 3: Là giai đoạn bột kim loại bị phá hủy, kết quả là khi tăng áp lực ép thì tỷ trọng lệch của mẫu bột tăng nhanh [ 1 ].
Hình 3.10 Sự phụ thuộc của tỷ trọng vào áp lực ép 3.3 Công đoạn thiêu kết
3.3.1 Mục đích
Quá trình thiêu kết nhằm giúp liên kết giữa các cấu tử bột lại với nhau, sau khi thiêu kết ta đạt được cơ tính nhất định. Trong quá trình thiêu kết xảy ra hai quá trình, quá trình thứ nhất là TiH2bị phân rã ở khoảng 4000C đến 7800C và quá trình thứ hai là sự khuếch tán pha giữa các cấu tử bột với nhau trên biên giới hạt.
58
3.3.2 Chế độ thiêu kết
Chế độ thiêu kết được thể hiện trên sơ đồ (hình 3.11) và (bảng 3.1). Việc lựa chọn nhiệt độ thiêu kết dựa vào nhiệt độ của cấu tử bột có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn và dựa vào giản đồ pha 2 nguyên của các cấu tử trên. Nhiệt độ nóng chảy của 3 cấu tử lần lượt là: Ti = 16670C, Nb = 24670C và Zr = 18520C. Ta thấy nhiệt độ nóng chảy của Ti là nhỏ nhất trong 3 cấu tử nên ta lựa chọn nhiệt độ thiêu kết dựa theo nhiệt độ nóng chảy của Ti theo biểu thức.