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 3 1050 4 150 3,2 4 1250 4 150 3,8 5 1050 2 250 5,2 6 1250 2 250 5,8 7 1050 4 250 5,12 8 1250 4 250 5,4 9 1150 3 200 4,5 10 1150 3 200 4 11 1150 3 200 4,3
Theo kết quả đo trong (bảng 4.2), ta thấy mô đun đàn hồi của các mẫu dao động trong khoảng (3 5) GPa. Kết quả này cho thấy mô đun đàn hồi của mẫu đạt được phù hợp với yêu cầu thiết kế vật liệu đưa ra ở chương 1 là trong khoảng (2 ÷ 10) GPa. Các mẫu số (1); (2); (3); (4) với áp lực ép nhỏ nhất là150 MPa thì tỷ trọng vật liệu nhỏ nên có mô đun đàn hồi bé nhất trong khoảng (3,14 ÷ 3,8) GPa. Các mẫu (5); (6); (7); (8) với áp lực ép lớn nhất 250 MPa thì độ xốp nhỏ, tỷ trọng vật liệu lớn nên sẽ có mô đun đàn hồi lớn nhất khoảng (5,12 ÷ 5,8) GPa. Các mẫu (9); (10); (11) với áp lực ép 200 MPa có mô đun đàn hồi khoảng (4 ÷ 4,5) GPa. Như vậy, áp lực ép có ảnh hưởng rất lớn đến mô đun đàn hồi của mẫu. Tuy nhiên, khi so sánh mô đun đàn hồi của mẫu với mô đun đàn hồi của lớp vỏ xương mà luận văn đưa ra trong (bảng 1.2) là (17 ÷ 28) GPa thì mô đun đàn hồi của mẫu sản phẩm nhỏ hơn. Mặt khác đối với mô đun đàn hồi của lớp xương xốp đưa ra ở (bảng 1.3) là (0,17
70
Gpa) thì mô đun đàn hồi của mẫu lớn hơn. Điều này liên quan đến độ xốp của mẫu, vì ở giai đoạn khảo sát này mẫu chưa có chất phụ gia để tạo độ xốp, nên tỉ trọng của mẫu sẽ lớn hơn thực tế so với yêu cầu lớp xương xốp đưa ra trong (bảng 1.3) như vậy mô đun đàn hồi của mẫu sau thiêu kết lớn hơn mô đun đàn hồi của lớp xương xốp là điều dễ hiểu. Như vậy để tạo ra được độ xốp như mong muốn mẫu khi ép – thiêu kết phải được trộn thêm chất phụ gia để tạo độ xốp như yêu cầu đưa ra trong chương 1. Đó chính là phương pháp phân rã thiêu kết Space holder mà đề tài lựa chọn để chế thử mẫu sản phẩm được trình bày trong phần tiếp theo
4.3 Tổ chức tế vi của mẫu hợp kim Titan xốp Ti-3,5Nb-3,5Zr
Mẫu sản phẩm hợp kim titan xốp sau khi đo độ xốp và mô đun đàn hồi, được dùng để chụp ảnh tổ chức tế vi bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) tại phòng thí nghiệm Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ (AIST), Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
71
Tổ chức tế vi mẫu sản phẩm hợp kim titan xốp được chụp ở độ phân giải cao bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) cho thấy:
- Trên(hình 4.3) đã xuất hiện các lỗ xốp kín và lỗ xốp hở, trong đó có các lỗ xốp Macro và lỗ xốp Micro với kích thước lỗ xốp trong khoảng (10 ÷ 20) µm. Trên hình ta thấy một số các lỗ xốp liên thông với nhau, điều này được giải thích là do hai nguyên nhân, thứ nhất do quá trình ép đóng bánh tạo hình sơ bộ vật liệu bột vẫn tồn tại lỗ xốp giữa các hạt bột với nhau và thứ hai do quá trình phân rã TiH2 thoát ra bên ngoài để lại các lỗ trống trên phân tử bột. Độ xốp và hình thái lỗ xốp này bé hơn rất nhiều so với độ xốp của lớp xương xốp trong cơ thể người là từ (40 ÷ 60) % để cho các mô, cơ bám dính và chất dịch có thể và lưu chuyển. Như vậy, cần phải tạo cho mẫu có độ xốp lớn hơn để phù hợp với độ xốp của xương người bằng cách trộn thêm chất phụ gia vào hỗn hợp vật liệu bột khi ép – thiêu kết để có thể đạt được độ xốp theo mong muốn. Đó chính là phương pháp thiêu kết Space holder mà đề tài lựa chọn để chế thử mẫu được đề cập ở chương tiếp theo.
- Trên (hình 4.4) còn có sự xuất hiện các hạt bột kim loại màu trắng sáng trên nền nằm phân bố trên nền Titan với kích cỡ mịn khoảng (2 ÷ 5) µm, lớn hơn so với kích thước hạt bột nguyên liệu ban đầu, điều này chứng tỏ rằng sau khi thiêu kết các hạt bột đã khuếch tán vào nhau làm cho kích thước hạt lớn hơn, nhưng chưa liên kết hoàn toàn. Điều đó có nghĩa là cần nâng nhiệt độ thiêu kết hoặc kéo dài thời gian giữ nhiệt. Quan sát kỹ trên hình còn thấy có các thớ dọc song song và theo các hướng khác nhau nằm trên nền Titan. Cấu trúc thớ dọc này giúp mẫu đạt được độ bền theo các hướng khác nhau. Quan sát kỹ hơn ta có thể thấy trên bề mặt của các lỗ xốp xuất hiện các lớp màng gợn sóng và mấp mô, đó chính là lớp oxi hóa. Tuy nhiên chưa có công trình nghiên cứu nào về sự ảnh hưởng của lớp oxi hóa này tác động tiêu cực khi cấy ghép lên