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.
TTK = (0,6 0,9)Tnc
Trong đó: TTK - nhiệt độ thiêu kết, 0C;
Tnc - nhiệt độ nóng chảy của Ti, 0C.
59
Hình 3.12 Giản đồ pha của Ti – Nb
60
Hình 3.14 Giản đồ pha của Ti-Zr
3.3.3 Thiết bị thiêu kết
Quá trình phân rã thiêu kết được thực hiện trên lò một ống SRJX-2-13 (hình 3.16). Nhiệt độ của lò được điều chỉnh bằng dòng điện thông qua bộ điều khiển số bằng điện tử. Môi trường thiêu kết của lò là môi trường chân không được tạo ra bởi bơm sơ cấp để giảm thiểu quá trình oxi hóa các cấu tử bột khi nhiệt độ tăng cao. Các thông số kỹ thuật của lò như sau:
- Kích thước buồng lò: Ø30 x 180, mm;
- Kích thước ngoại hình: 450 x 270 x 360, mm; - Khối lượng: 20 kg;
- Điện áp sử dụng: 220V, tần số 50 Hz; - Công suất: 2 kW;
61
Hình 3.15 Lò thiêu kết một ống SRJX-2-13 3.3.4 Quy trình thực nghiệm thiêu kết
- Bước 1: Mẫu hỗn hợp bột sau khi ép đóng bánh sơ bộ ở 3 chế độ áp lực ép thay đổi lần lượt là 150 MPa, 200 MPa và 250 MPa được đưa vào ống sứ chịu nhiệt của lò. Một đầu của ống sứ được bít kín hoàn toàn, đầu còn lại được đấu nối với bơm hút chân không để hạn chế tối đa môi trường oxi hóa trong lò. Bơm hút chân không được hoạt động liên tục trong suốt quá trình thiêu kết đến khi mẫu được làm nguội hẳn cùng lò. Môi trường chân không đạt được trong quá trình thiêu kết là 10 -2
Pa .
- Bước 2: Cài đặt nhiệt độ của lò theo chế độ thiêu kết cụ thể như sau: nâng nhiệt độ của lò lên 5000C trong vòng thời gian 2 giờ, khi lò đạt nhiệt thì giữ nhiệt độ tại 5000C trong 1 giờ để cho quá trình phân rã TiH2 được xảy ra hoàn toàn.
- Bước 3: Sau khi giữ nhiệt 1 giờ, ta tiếp tục nâng nhiệt độ thiêu kết lên theo 3 chế độ cụ thể đã chọn là:10500C, 11500C và 12500C và giữ nhiệt trong các khoảng thời gian theo từng chế độ cụ thể lần lượt là 2 giờ, 3 giờ và 4 giờ. Cuối cùng mẫu được làm nguội cùng lò. Các chế độ thiêu kết được thể hiện trên (bảng 3.1).
62 Bảng 3.1 Các chế độ công nghệ thiêu kết Mẫu thí nghiệm Nhiệt độ thiêu kết (T,0 C)
Thời gian thiêu kết (, h) Áp lực ép (P, MPa) 1 1050 2 150 2 1250 2 150 3 1050 4 150 4 1250 4 150 5 1050 2 250 6 1250 2 250 7 1050 4 250 8 1250 4 250 9 1150 3 200 10 1150 3 200 11 1150 3 200
Trong công trình nghiên cứu của luận văn này mục đích của tác giả chọn vật liệu ban đầu là bột kim loại TiH2 bởi vì có 2 yếu tố quan trọng như sau:
- Thứ nhất, qua tham khảo một số tài liệuđã được công bố nhiệt độ phân rã TiH2 dao động trong khoảng từ 4000C tới 7800C và nhiệt độ xảy ra quá trình phân rã TiH2 mãnh liệt nhất nằm trong khoảng 5000C tới 6000C [5], như vậy trong quá trình thiêu kết ở nhiệt độ khoảng 5000C và giữ nhiệt trong 1 giờ như đã chọn sẽ xảy ra quá trình phân rã TiH2 theo phương trình đã nêu ở điều 3.1.2 vì vậy bột Ti sẽ có diện tích bề mặt được hoạt hóa và xúc tác hơn tạo điều kiện tốt cho quá trình khuếch tán giữa các cấu tử bột với nhau để liên kết chặt hơn.
- Thứ hai, khi TiH2 phân rã, khí H2 thoát ra sẽ để lại các lỗ trống tạo điều kiện cho việc hình thành độ xốp cho hợp kim sau khi thiêu kết.
63
3.4 Kết luận
Chương 3 trình bày các kết quả nghiên cứu đã đạt được như sau:
1) Thiết kế được quy trình công nghệ ép – phân rã thiêu kết để chế tạo Hợp kim xốp Ti-3,5Nb- 3,5Zr. Đây là quy trình công nghệ kết hợp giữa hai phương pháp Phân rã thiêu kết và phương pháp Space holder.
2) Hoàn thiện được dây chuyền thiết bị hiện có tại phòng thí nghiệm, và lắp đạt, chế tạo mới các dụng cụ và thiết bị còn thiếu và cần thiết cho nghiên cứu chế tạo mẫu.
3) Quy trình công nghệ được thiết kế có tính khả thi cao. Chương tiếp theo sẽ trình bày các kết quả nghiên cứu tối ưu hóa quy trình công nghệ, phân tích và cải tiến quy trình.
64
CHƢƠNG 4 – XÁC ĐỊNH TÍNH CHẤT VÀ TỐI ƢU HÓA QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO HỢP KIM TITAN XỐP BẰNG
PHƢƠNG PHÁP PHÂN RÃ THIÊU KẾT
Để khẳng định một số tính chất công nghệ và tối ưu hóa quy trình công nghệ chế tạo vật liệu y sinh hợp kim titan xốp được chế tạo bằng phương pháp phân rã thiêu kết, cần phải giải quyết các vấn đề sau đây:
- Xác định cơ tính (độ xốp, mô đun đàn hồi) của mẫu Ti-3,5Nb-3,5Zr; - Tổ chức tế vi của mẫu Ti-3,5Nb-3,5Zr;
- Xây dựng hàm mục tiêu tối ưu hóa quy trình công nghệ chế tạo Ti- 3,5Nb-3,5Zr.
4.1 Xác định độ xốp mẫu hợp kim TitanTi-3,5Nb-3,5Zr
Độ xốp là một thông số rất quan trọng đối với các sản phẩm hợp kim bột. Nó cho phép gián tiếp đánh giá các tính chất khác như độ bền, độ cứng, mô đun đàn, tổ chức tế vi của sản phẩm. Độ xốp là tỉ lệ tổng các lỗ hổng trong vật liệu với tổng thể tích toàn phần vật liệu đó. Để xác định được độ xốp (hay còn gọi là mật độ) của vật liệu, ta áp dụng định luật Ác-si-mét.
Để xác định được độ xốp của mẫu sản phẩm hợp kim bột phải xác định được giá trị tỷ trọng thực của mẫu. Tỷ trọng thực của mẫu được xác định theo định luật Ác-si-mét, định luật này được phát biểu lại như sau:“Khi một vật được thả vào trong chất lỏng thì vật đó sẽ chịu một lực đẩy, và lực đẩy đó có giá trị bằng thể tích chất lỏng bị vật đó chiếm chỗ”.
Tỷ trọng thực của mẫu sau thiêu kết là tỷ số giữa trọng lượng thực của mẫu và thể tích của nó. Trọng lượng của mẫu được xác định bằng cân phân tích điện tử, có độ chính xác 10-4
gr như đã trình bày ở điều 3.1.1 (hình 3.2). Thể tích của mẫu được xác định bằng lực đẩy khi nhúng mẫu vào trong nước.
65
Độ xốp của mẫu sản phẩm hợp kim Titan xốp Ti-3,5Nb-3,5Zr được xác định nhờ thí nghiệm sau đây: Lấy khoảng 200 ml nước cất cho vào cốc thủy tinh. Mẫu được bôi một lớp sơn hoặc keo mỏng để tránh cho nước thấm vào bên trong mẫu khi đo độ xốp. Dùng một sợi dây mảnh, một đầu buộc mẫu, một đầu treo vào giá đặt trên cân. Nhúng mẫu vào cốc nước đã chuẩn bị, ta xác định được trọng lượng của mẫu trong nước, tức là xác định được thể tích thực của mẫu.
Tỷ trọng của mẫu được xác định theo công thức sau:
m m V G γ (4.1) Trong đó:
Gm- trọng lượng của mẫu; Vm- thể tích của mẫu. Vm = HO O H O H O H 2 2 2 2 G γ G V (4.2) Trong đó:
VH2O - thể tích của nước bị chiếm chỗ; GH2O- trọng lượng của nước;
γH2O- tỷ trọng của nước ( H O 2
γ = 1g/cm3).
Giả sử: GKK-là trọng lượng của mẫu khi cân trong không khí; GH20- là trọng lượng của mẫu khi cân trong nước. Ta có, tỷ trọng của mẫu vật liệu xốp được xác định như sau:
O H KK O H KK X 2 2 G G γ G γ , g/cm3 (4.3)
66
Sau khi xác định được tỷ trọng của mẫu hợp kim xốp, sẽ xác định được độ xốp tương đối của mẫu thông qua công thức:
.100% γ γ γ θ T X T (4.4) Trong đó: T
γ - tỷ trọng của mẫu theo phối liệu có các cấu tử thành phần, g/cm3
; Ở đây: γT= (%TiH2.TiH2 + %Nb.Nb + %Zr.Zr) = 4,189 g/cm3
X- tỷ trọng của mẫu hợp kim xốp, g/cm3.
Với phương pháp đo độ xốp như đã giới thiệu ở trên, tác giả đã tiến hành xác định độ xốp của các mẫu sản phẩm hợp kimTitan xốpTi-3,5Nb-3,5Zr chế tạo bằng phương pháp phân rã thiêu kết với các chế độ công nghệ ép - thiêu kết khác nhau. Kết quả thể hiện trong (bảng 4.1).
Theo số liệu đo được của các chế độ ép - thiêu kết khác nhau thể hiện trong bảng 4.1 đem so sánh vớigiản đồ 1.9 của điều 1.5.2 ( ảnh hưởng của áp lực ép đến độ xốp) ta thấy rằng kết quả độ xốp nhận được hoàn toàn tương đồng và phù hợp với phân tích lí thuyết đưa ra ban đầu. Độ xốp của mẫu hợp kim Ti-3,5Nb-3,5Zr dao động trong khoảng (7 13) %. Các mẫu số (1); (2); (3); (4) với áp lực ép 150 MPa có độ xốp lớn nhất trong khoảng (10,2 13) %. Các mẫu số (5); (6); (7); (8) với áp lực ép 250 MPa có độ xốp bé nhất trong khoảng (7 7,7) %. Các mẫu số (9); (10); (11) với áp lực ép 200 Mpa có độ xốp phù hợp nhất trong khoảng (9 9,5) %. Như vậy so sánh các kết quả này cho thấy, áp lực ép là thông số ảnh hưởng mạnh nhất đến việc làm giảm độ xốp và tăng tỷ trọng của mẫu hơn so với ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian thiêu kết.
67
Bảng 4.1 Sự phụ thuộc của độ xốp vào nhiệt độ thiêu kết (T), thời gian thiêu kết () và áp lực ép (P). Mẫu thí nghiệm Nhiệt độ thiêu kết (T,0 C)
Thời gian thiêu kết (, h) Áp lực ép (P, MPa) Độ xốp (, %) 1 1050 2 150 13 2 1250 2 150 12,3 3 1050 4 150 12 4 1250 4 150 10,2 5 1050 2 250 7,7 6 1250 2 250 7,3 7 1050 4 250 7,5 8 1250 4 250 7 9 1150 3 200 9 10 1150 3 200 9,5 11 1150 3 200 9,3
4.2 Xác định mô đun đàn hồi của mẫu hợp kim Titan xốpTi-3,5Nb- 3,5Zr
Khi chịu tác động của một ứng suất kéo hoặc nén (lực tác động trên một đơn vị diện tích), một vật phản ứng bằng cách biến dạng theo tác dụng của lực dãn ra hoặc nén lại. Trong một giới hạn biến dạng nhỏ, độ biến dạng này tỷ lệ thuận với ứng suất tác động. Hệ số tỷ lệ này gọi là mô đun đàn hồi. Mô đun đàn hồi của một vật thể được xác định bằng độ dốc của đường cong ứng suất biến dạng trong vùng biến dạng đàn hồi.
Việc xác định, phân tích, đánh giá các tính chất cơ lý của mẫuhợp kim bột sau thiêu kếtđược thực hiện trên hệ thống máy MTS 809.10 (A/T Material Testing System, MTS Systems Corporation, Mỹ) đặt tại phòng thí nghiệm Cơ học Vật liệu và Cán kim loại, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội (hình 4.1).
68
Khả năng của máy cho phép thực hiện các thí nghiệm kéo/nén/xoắn đơn hoặc theo chu kỳ để xác định các tính chất cơ học cơ bản của vật liệu như: Mô đun đàn hồi, giới hạn đàn hồi, giới hạn chảy, giới hạn bền, độ bền mỏi ... của vật liệu. Kết quả thí nghiệm nhận được dưới dạng đồ thị hoặc bảng số liệu.
Hình 4.1 Máy thử cơ tính MTS 809.10
Các mẫu sản phẩm hợp kimtitan xốp đã chế tạo với các chế độ công nghệ ép - thiêu kết khác nhau, được tiến hành đo mô đun đàn hồitrên máy thử cơ tính MTS. Kết quả đo mô đun đàn hồi của các mẫu sản phẩm được thể hiện trong (bảng 4.2).
69
Bảng 4.2 Sự phụ thuộc của mô đun đàn hồi vào nhiệt độ thiêu kết (T), thời gian thiêu kết () và áp lực ép (P).
Mẫu thí nghiệm
Nhiệt độ thiêu kết
(T,0C)
Thời gian thiêu kết (, h) Áp lực ép (P, Mpa) Mô đun đàn hồi (GPa) 1 1050 2 150 3,14 2 1250 2 150 3,54