Nghiền là khâu quan trọng trong công nghệ chế tạo vật liệu kim loại bột. Đặc biệt nghiền năng lượng cao là phương pháp được sử dụng trong nhiều quá trình cần tập trung năng lượng như hợp kim hóa cơ học, hoạt hóa cơ học và hoạt hóa hóa học... Nghiền hành tinh là phương pháp đặc trưng cho phương pháp nghiền năng lượng cao. Điều kiện nghiền ảnh hưởng rất lớn đến vật liệu nghiền, đặc trưng bởi sự thay đổi kích thước bi nghiền, tỉ lệ bi nghiền/vật liệu nghiền, hình dạng tang nghiền và tốc độ nghiền…. Quá trình nghiền với bi nghiền tỷ trọng lớn, tốc độ nghiền cao cung cấp nhiều năng lượng hơn so với quá trình nghiền với bi nghiền nhỏ và tốc độ thấp. Vấn đề đặt ra là hiểu được mối quan hệ giữa các thông số của quá trình nghiền với đặc điểm của sản phẩm cuối cùng.
Bột được nghiền bởi sự va chạm giữa bi với bi hoặc bi với tang nghiền. Các nghiên cứu [36, 47, 99, 100] chỉ ra rằng, tăng thời gian nghiền vật liệu được nghiền nhỏ mịn, thúc đẩy khả năng khuếch tán các thành phần vào nhau tạo điều kiện cho phản ứng xảy ra thuận lợi hơn. Trong nghiên cứu này, tiến hành phối liệu bột nhôm và bột titan điôxit theo các phản ứng (2.1, 2.2, 2.3). Hỗn hợp sau phối liệu được nghiền trong máy nghiền hành tinh NQM-4 với tốc độ 300 vòng/phút, tỉ lệ bi/bột 10:1 trong môi trường khí argon bảo vệ như đã trình bày ở mục 3.2.3.
Nghiên cứu tác động của quá trình nghiền đến hỗn hợp bột khi thời gian nghiền thay đổi từ 1 ÷ 5 giờ. Hỗn hợp được phối liệu theo phản ứng 2.3 (hệ vật liệu AlTi3/Al2O3), bột sau nghiền tiến hành xác định thành phần pha bằng phương pháp phân tích nhiễu xạ tia X, kết quả trình bày trên hình 4.1. Quan sát giản đồ trong khoảng thời gian nghiền từ 1 ÷ 5 giờ các đỉnh nhiễu xạ nhiễu xạ cho thấy chưa có sự chuyển pha của nhôm, còn titan điôxít có sự chuyển pha một phần từ dạng anatas sang rutile, các pha hỗn hợp mới chưa hình thành. Như vậy, nghiên cứu cho thấy với thời gian nghiền ngắn, nhỏ hơn 5 giờ nghiền quá trình hợp kim hóa cơ học chưa xảy ra, pha mới chưa hình thành.
Tuy nhiên, quan sát giản đồ nhiễu xạ với thời gian nghiền khác nhau thì việc kéo dài thời gian nghiền làm cho các đỉnh nhiễu xạ có xu hướng lệch phải, độ rộng chân của các đỉnh nhiễu xạ mở rộng. Sự xê dịch xuất hiện là do quá trình nghiền làm nhỏ mịn hỗn hợp, hiện tượng hàn nguội – bẻ gãy xảy ra liên tục, ban đầu do vật liệu mềm khả năng hàn nguội xảy ra thuận lợi, thúc đẩy quá trình hợp kim hóa cơ học. Tuy
52
nhiên khi kích thước hạt giảm, thời gian nghiền tăng quá trình hợp kim hóa cơ học xảy ra khó khăn vì sự tăng độ cứng của các hạt bột. Sự hàn là cơ chế nổi bật trong phương pháp này, các hạt thay đổi hình dạng của chúng bằng cách ghim lên các tầng hạt. Các hiện tượng biến dạng, hàn nguội, các hạt rắn phân tán làm cứng vật liệu và làm tăng quá trình bẻ gãy. Các hạt phân tán làm cấu trúc mạng bị biến dạng một phần, độ rộng chân đỉnh nhiễu xạ thay đổi, rộng hơn (góc nhiễu xạ 2 của cấu tử thay đổi khi có sự xê dịch cấu trúc mạng), nghiên cứu của LI Xue-wen (2011) [52] cũng có kết quả tương tự.
Nghiên cứu ảnh hiển vi điện tử quét (HVĐTQ) của hỗn hợp cho thấy, dưới tác động của quá trình nghiền hình dạng hỗn hợp bột thay đổi theo thời gian nghiền. Kết quả trình bày trên hình 4.2.
Quan sát hình 4.2a với bột nhôm và titan điôxit chưa tiến hành nghiền, bột nhôm có kích thước tương đối lớn với kích thước khoảng 50 ÷ 70m, bột oxit titan kích thước tương đối nhỏ vào khoảng 200 ÷ 300 nm. Khi chưa nghiền bột nhôm và titan đioxit được trộn thủ công bằng tay, nên các hạt titan đioxit chỉ bám trên bề mặt các lá nhôm, phân tán không đều và tập trung thành cụm. Ảnh HVĐTQ của mẫu 1 giờ nghiền (hình 4.2b), các lá nhôm đã bắt đầu bị bẻ gẫy, kích thước giảm còn khoảng 20 ÷ 30 m, các hạt titan đioxit bắt đầu được trộn lẫn phân bố đều hơn, đây là giai đoạn đầu của quá trình nghiền cơ học, lá nhôm chưa biến dạng các hạt điôxit titan phân bố
53
đều trên lá nhôm. Sau 2 ÷ 3 giờ nghiền (hình 4.2c, d) các lá nhôm đã bị bẻ gãy, kích thước giảm rõ rệt, tuy nhiên vẫn còn phân biệt rõ được lá nhôm.
Khi thời gian nghiền tăng lên khoảng 4 ÷ 5 giờ nghiền (hình 4.2 e, f) thì các hạt nhôm không còn ở dạng lá mà được vo tròn và các hạt titan đioxit đã được trộn lẫn và phân bố khá đồng đều. Đây là giai đoạn trung gian thể hiện quá trình hàn nguội - phá vỡ làm cho bột nghiền trở lên nhỏ hơn, lá nhôm có dấu hiệu xoắn lại. Như vậy quá trình nghiền cơ học đã phát huy tác dụng và có thể tạo ra các khuyết tật mạng, nút trống để tạo điều kiện thúc đẩy khả năng khuếch tán. Thời gian nghiền tăng lên làm cho nhiệt độ trong tang nghiền cũng tăng lên. Điều này cũng giúp cho quá trình khuếch tán thuận lợi hơn. Mặt khác, khi thời gian nghiền tăng các hạt nhôm được bẻ
(a) (b)
(c) (d)
a- 0 giờ, b- 1 giờ, c- 2 giờ, d- 3 giờ, e- 4 giờ, f- 5 giờ
Hình 4.2. Ảnh HVĐTQ hỗn hợp với thời gian nghiền khác nhau của hệ vật liệu AlTi3/Al2O3
(e) (f)
Al
TiO2
Al
54
gãy, nghiền nhỏ và trộn lẫn với các hạt titan đioxit. Sau 4 giờ nghiền sự phân biệt giữa các hạt nhôm và titan đioxit dần mất đi, chúng được trộn lẫn và phân tán vào nhau. Các hạt có kích thước lớn ban đầu khoảng 50m sau 5 giờ nghiền giảm còn khoảng 0,2 ÷ 0,3 m, nếu tiếp tục tăng thì kích thước hạt có xu hướng giảm nhưng mức độ thay đổi ít hơn thời gian nghiền ban đầu do độ cứng của các hạt tăng lên.
Nghiên cứu hỗn hợp nghiền từ 1 ÷ 5 giờ cho thấy, hỗn hợp bột nhôm và bột titan điôxit được nghiền nhỏ mịn kích thước hỗn hợp giảm từ khoảng 50 m xuống còn 0,2 ÷ 0,3 m. Tăng thời gian nghiền thúc đẩy quá trình khuếch tán giữa các cấu tử tạo điều kiện thuận lợi để các phản ứng có thể xảy ra. Tại khoảng thời gian nghiền nghiên cứu, quá trình hợp kim hóa cơ học chưa xảy ra.
Để làm rõ hơn tác động của thời gian nghiền đến quá trình chế tạo compozit nền Al-Ti cốt hạt Al2O3 in-situ, luận án đã nghiên cứu hỗn hợp bột sau nghiền từ 1 ÷ 5 giờ, sau đó tiến hành ép nguội và thiêu kết ở nhiệt độ 750oC trong môi trường khí argon bảo vệ (như mục 3.2.3), kết quả nghiên cứu được trình bày như sau: