Các nghiên cứu và kết quả phân tích ở trên cho thấy, compozit nền AlTi3 cốt hạt Al2O3 in-situ có những đặc tính nổi trội hơn như độ xốp nhỏ, độ cứng lớn, độ dai phá hủy cao. Đây là những điểm cần thiết để có thểứng dụng làm vật liệu chế tạo các chi tiết làm việc ởđiều kiện nhiệt độ cao.
Trong nghiên cứu này, sử dụng mẫu của hệ vật liệu AlTi3/Al2O3 phối liệu theo tỉ lệ 5Al/3TiO2 với điều kiện thiêu kết ở 850oC sau 8 giờ nghiền theo phản ứng 3.3 như nội dung phần trên đã phân tích, tại điều kiện này compozit nền AlTi3 cốt hạt Al2O3
in-situ đã hình thành và cơ tính tốt. Nghiên cứu đo độ cứng tế vi của mẫu trong khoảng nhiệt độthay đổi từ nhiệt độphòng đến 800oC, đây là khoảng làm việc một số chi tiết được ứng dụng trong công nghiệp. Phân tích ảnh HVĐTQ hình 4.45 cho thấy compozit có cốt hạt Al2O3 phân bốđồng đều trên pha nền AlTi3(đã trình bày ở trên).
Hình 4.45. Ảnh HVĐTQ của hệ vật liệu AlTi3/Al2O3 8 giờ
Độ cứng được đo bằng phương pháp Vicker trong điều kiện nhiệt độ cao. Hình ảnh vết đâm được quan sát qua ảnh hiển vi quang học và HVĐTQ trình bày trên hình 4.46.
Kết quả nghiên cứu mối quan hệ giữa độ cứng và nhiệt độđo được trình bày như hình 4.47.
Phân tích giản đồ ta thấy, khi tăng nhiệt độthì độ cứng của vật liệu giảm quá trình này diễn ra là do tại điều kiện nhiệt độtương đối cao pha nền AlTi3 bị biến mềm, liên kết nền - cốt giảm. Ở khoảng nhiệt độ đo từ 600 ÷ 800oC độ cứng của vật liệu vẫn còn khá cao (từ 4,18 xuống 3,15 GPa). Với đặc tính này, vật liệu hoàn toàn có khả năng thay thế và chịu được điều kiện làm việc ở nhiệt độ cao của các chi tiết mà vật liệu thông thường đang được sử dụng nhưng hiệu quả không cao bởi vật liệu compozit có những lợi thế mà vật liệu thông thường không có.
a b
Hình 4.46. Ảnh mũi đâm đo độ cứng Vicker ở nhiệt độ cao của mẫu vật liệu AlTi3/Al2O3
(a) Ảnh hiển vi quang học (b) Ảnh HVĐTQ
Hình 4.47. Giản đồ mối quan hệ giữa độ cứng và nhiệt độđo của hệ vật liệu AlTi3/Al2O3 8 giờ nghiền, thiêu kết ở 850oC
2 4 6 8 10 12 14 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Đ ộ c ứ ng, GP a Nhiệt độ, oC. Vết đâm
Nhằm đánh giá cụ thểhơn về hệ vật liệu AlTi3/Al2O3, tiến hành khảo sát, đo độ cứng ở nhiệt độ cao của vật liệu Ti-48Al, Ti để so sánh. Kết quảđo được trình bày ở hình 4.48.
Quan sát hình 4.48 ta thấy, với sự có mặt của cốt hạt Al2O3 và nền AlTi3độ cứng của vật liệu được cải thiện đáng kể khi làm việc ở nhiệt độ cao. Với sự xuất hiện của cốt hạt gia cường Al2O3 có kích thước nhỏ, phân tán đồng đều trên nền pha Al-Ti giàu titan có độ cứng tốt nhất. Với mẫu thử là titan kim loại, độ cứng tại 600oC rất thấp 0,252 GPa, còn tại 800oC chỉ còn 0,067 GPa. Hợp kim Ti-48Al với sự xuất hiện của pha AlTi trong vật liệu [1] đã làm thay đổi độ cứng của vật liệu này ở nhiệt độ cao.
Khi nhiệt độ thử độ cứng tăng lên đến 600oC, ta thấy độ cứng của hệ vật liệu AlTi3/Al2O3 giảm nhanh, nhanh hơn cả của Ti-48Al (đây là vật liệu đã được ứng dụng làm van xả đông cơ ô tô của xe mitsubishi lancer), điều này cho thấy khi ở nhiệt độ cao nền AlTi3 làm cho liên kết nền cốt giảm nhanh và cơ tính tại thời điểm này phụ thuộc nhiều vào tính chất của vật liệu nền, nhưng độ cứng vẫn tốt hơn vật liệu Ti- 48Al. Như vậy, về độ cứng khi làm việc ở nhiệt độ cao thì compozit nền AlTi3 cốt hạt Al2O3 in-situ hoàn toàn có thể thay thế vật liệu Ti-48Al sử dụng chế tạo van xả động cơ ô tô.
Nhận xét:
Sự có mặt của cốt hạt gia cường Al2O3 có kích thước nhỏ mịn, phân bốđồng đều trong nền AlTi3, độ cứng của hệ vật liệu AlTi3/Al2O3được cải thiện ởđiều kiện nhiệt độthường và nhiệt độtương đối cao.
Đ ộ c ứ ng, GP a Hợp kim Ti-48Al Nhiệt độ, oC.
Hình 4.48. Giản đồ mối quan hệ giữa độ cứng và nhiệt độđo
0 2 4 6 8 10 12 14 0 100 200 300 400 500 600 700 800
Kết luận chương 4:
1. Nghiên cứu vềảnh hưởng của thời gian nghiền đến quá trình hình thành pha khi chế tạo compozit nền Al-Ti cốt hạt Al2O3 cho thấy thời gian nghiền tăng, hỗn hợp được nghiền trộn, thành phần phân tán đồng đều, kích thước hạt giảm, thúc đẩy quá trình khuếch tán tạo điều kiện thuận lợi để phản ứng chế tạo compozit nền Al-Ti cốt hạt Al2O3 diễn ra.
2. Nhiệt độ thiêu kết có ảnh hưởng đến quá trình hình thành pha khi chế tạo compozit nền Al-Ti cốt hạt Al2O3 là khi nhiệt độ thiêu kết tăng, thúc đẩy quá trình khuếch tán tạo điều kiện thuận lợi để phản ứng chế tạo compozit nền Al-Ti cốt hạt Al2O3 diễn ra.
3. Chế tạo thành công vật liệu chế tạo vật liệu compozit nền Al-Ti cốt hạt Al2O3
in-situ. Xác định được điều kiện công nghệ cụ thểnhư sau:
TT Phản ứng Thời gian
nghiền (giờ) thiêu kết (Nhiệt độ oC) Hệ vật liệu 1 13Al + 3TiO2 = 3Al3Ti + 2Al2O3 5 750 Al3Ti/Al2O3
2 7Al + 3TiO2 = 3AlTi + 2Al2O3 7 850 AlTi/Al2O3
3 5Al + 3TiO2 = AlTi3 + 2Al2O3 8 850 AlTi3/Al2O3
4. Cơ chế của các phản ứng trong quá trình chế tạo vật liệu:
Titan đioxit chuyển biến từ dạng Anatas sang dạng Rutile sau đó mới phản ứng với nhôm để tạo Al2O3, các pha Al-Ti và nguyên tửtitan như sau;
4Al + 3TiO2 2Al2O3 + 3Ti
Nhôm dư sẽtương tác với nguyên tửtitan để tạo pha Al3Ti. 3Al + Ti Al3Ti
Cơ chế phản ứng nguyên tử titan khuếch tán vào mạng tinh thể của nhôm. Phản ứng xảy ra cho đến khi hết titan nếu nhôm còn dư, khi đó tổ chức hợp kim sẽ bao gồm Al2O3, Al3Ti và nhôm dư. Sau phản ứng nếu còn dư titan thì sẽ xảy ra phản ứng tạo pha AlTi.
Al3Ti + 2Ti 3AlTi
Cơ chế phản ứng nguyên tử titan khuếch tán vào mạng của nhôm. Phản ứng xảy ra cho đến khi hết titan, khi đó tổ chức hợp kim sẽ bao gồm Al2O3, AlTi và Al3Ti dư. Nếu dư titan thì phản ứng sẽ xảy ra tiếp tạo pha AlTi3.
AlTi + 2Ti AlTi3
Cơ chế phản ứng nguyên tử nhôm khuếch tán vào nguyên tử titan. Phản ứng xảy ra cho đến khi hết titan, khi đó tổ chức hợp kim sẽ bao gồm Al2O3, AlTi3và AlTi dư. Nếu còn dư titan, khi đó tổ chức hợp kim sẽ bao gồm Al2O3, AlTi3và Ti dư.
Như vậy quá trình chuyển biến từ Al3Ti AlTi AlTi3 là quá trình thay thế dần nguyên tử Al bằng các nguyên tử Ti.
5. Thành phần pha nền Al-Ti không hoàn toàn là một dạng cụ thể, chúng có thể đa số là Al3Ti hoặc AlTi3, có thể chúng tồn tại cả 3 dạng pha đặc trưng của hệ Al-Ti mà cũng có thể tồn tại cảpha trung gian như Al2Ti.
6. Bằng cách tăng thời gian nghiền và nhiệt độ thiêu phù hợp sẽ làm giảm độ xốp của vật liệu và làm tăng độ cứng cũng như độ dai phá hủy của compozit nền Al-Ti cốt hạt Al2O3 in-situ. Thành phần nền-cốt, độ hạt, tỉ lệ nền/cốt ảnh hưởng đến độ cứng cũng như độ dai phá hủy của vật liệu. Hệ vật liệu AlTi3/Al2O3 có độ cứng và độ dai phá hủy vượt trội so với các hệ vật liệu Al-Ti/Al2O3 còn lại.
7. Khi bổ sung titan vào hỗn hợp sẽlàm thay đổi cơ tính của vật liệu, tuy nhiên đểlàm rõ hơn vấn đề này cần có những nghiên cứu tiếp theo.
8. Khi nhiệt độ làm việc tăng thì độ cứng của vật liệu giảm và ở điều kiện làm việc tại 800oC hệ vật liệu AlTi3/Al2O3 độ cứng đạt giá trị trên 3,1 GPa, có thể đáp ứng yêu cầu là vật liệu để chế một số chi tiết làm việc tại điều kiện nhiệt độtương đối cao.
KẾT LUẬN
1. Đã xác định được điều kiện chế tạo vật liệu compozit nền Al-Ti cốt hạt Al2O3
in-situ: TT Phản ứng Thời gian nghiền (giờ) Nhiệt độ thiêu kết (oC) Compozit 1 13Al + 3TiO2 = 3Al3Ti + 2Al2O3 5 750 Al3Ti/Al2O3
2 7Al + 3TiO2 = 3AlTi + 2Al2O3 7 850 AlTi/Al2O3
3 5Al + 3TiO2 = AlTi3 + 2Al2O3 8 850 AlTi3/Al2O3
2. Cơ chế của các phản ứng trong quá trình chế tạo compozit nền Al-Ti cốt hạt Al2O3 in-situ gồm:
Titan đioxit chuyển biến từ dạng Anatas sang dạng Rutile sau đó phản ứng hoàn nguyên với nhôm để tạo titan nguyên tử và Al2O3;
Quá trình chuyển biến pha từ Al3Ti AlTi AlTi3 là quá trình thay thế dần nguyên tử Al bằng các nguyên tử Ti.
3. Cơ tính của vật liệu như độ cứng, độ dai phá hủy của compozit nền Al-Ti cốt hạt Al2O3 in-situ đều tăng khi tăng thời gian nghiền và nhiệt độ thiêu kết còn độ xốp thì giảm. Kết quả cụ thể của các hệnhư sau:
TT Phản ứng Độ xốp, % ĐộGPa cứng, Độ dai phá hMPa.m1/2 ủy,
1 13Al + 3TiO2 = 3Al3Ti + 2Al2O3 14,7 7,70 4,07 2 7Al + 3TiO2 = 3AlTi + 2Al2O3 20,4 7,52 5,22 3 5Al + 3TiO2 = AlTi3 + 2Al2O3 13,3 11,56 8,27
4. Đã xác định được độ cứng của vật liệu compozit nền AlTi3 cốt hạt Al2O3 in-situ ở nhiệt độ cao, tại 800oC độ cứng đạt giá trị trên 3,1 GPa. Đã lựa chọn hệ vật liệu compozit nền AlTi3 cốt hạt Al2O3 in-situ là vật liệu có thể sử dụng để chế tạo các chi tiết làm việc ở nhiệt độtương đối cao.
KIẾN NGHỊ
1. Nghiên cứu hoàn thiện các tính chất cơ, lý của compozit nền AlTi3 cốt hạt Al2O3
in-situ đáp ứng yêu cầu là vật liệu chế tạo chi tiết làm việc ở nhiệt độ cao.
2. Nghiên cứu hoàn thiện phương pháp bổ sung titan nhằm tăng độ bền của compozit nền Al-Ti cốt hạt Al2O3.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Kohei Taguchi, A study on near-net shape processing of TiAl intermetalic compounds use of pseudo HIP-SHS, Kyoto Unieversity, Japan.
[2] Lê Công Dưỡng (2000), Vật liệu học, Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật. [3] Ignac Capex (2006), Nanocomposite structure and dispersions, Science and Nanotechnology, Elsesier
[4] F.L. Matthews, R.D. Rawlings (1994), Composite Materials: Engineering and Science, Imperial College of Science, Technology and Medicine, London, UK. [5] Xinhua Wu (2006) Review of alloy and process development of TiAl alloys,
Intermetallic 14, p1114-1122.
[6] Chawla and N. Chawla (2006) Metal Matrix Composites. New York. Springer. [7] T.W.Clyne, P.J. Withers (1993), An Introduction to Metal Matrix Composites, Cambridge University Press.
[8] Debdas Roy, Bikramjit Basu, Amitava Basu Mallick (2005), Tribological properties of Ti-aluminide reinforced Al-based in situ metal matrix composite, Intermetallics 13, pp733–740.
[9] LEI Yu-cheng, ZHANG Zhen, NIE Jia-jun,CHEN Xi-zhang (2008), Effect of Ti- Al on microstructures and mechanical properties of plasma arc in-situ welded joint of SiCp/Al MMCs, Trans. Nonferrous Met. Soc. China 18, pp 809-813.
[10] M. Haghshenas (2016), Metal–Matrix Composites, Ref. Mod. Mat. Sci. and Mat. Eng.
[11] Evans A., Marchi C. S, Mortensen A. (2003), Metal matrix composites in industry: an introduction and a survey. Dordrecht, Netherlands: Kluwer Academic Publishers.
[12] Miracle D. B. (2005), Metal matrix composites - From science to technological significance, Composites Science and Technology, 65, pp. 2526-2540
[13] Miracle D. B. (2001), Metal matrix composites for space systems: current uses and future opportunities, In: Pandey AB, Kendig KL, Watson TW, editors. Affordable metal matrix composites for high performance applications. Warrendale: TMS; pp. 1-21.
[14] Miracle D. B. (2001), Aeronautical applications of metal matrix composites, In: ASM handbook. In: Miracle DB, Donaldson SL, editors. Composites, vol. 21. Materials Park: ASM International. pp.1043-1049.
[15] Hunt W. H, Miracle D. B., (2001), Automotive applications of metal matrix composites. In: ASM handbook. In: Miracle DB, Donaldson SL, editors. Composites, vol. 21. Materials Park: ASM International; pp. 1029-1032.
[16] Ashby M. F. (1993), Materials selection in mechanical design. Oxford: Pergamon Press.
[17] Andreas Mortensen and Javier Llorca (2010), Metal Matrix Composites, Annu. Rev. Mater. Res. 2010. 40:243-270
[18] Rittner M. (2000), Metal matrix composites in the 21st century: markets and opportunities, Norwalk, CT: BCC, Inc.
[19] Z.R. Yang, S.Q. Wang, Y.T. Zhao, M.X. Wei (2010), Evaluation of wear characteristics of Al3Tip/Mg composite, Materials characterization 61, pp 554-563. [20] Binglin Zou, Ping Shen, Xueqiang Cao, Qichuan Jiang (2012), The mechanism of thermal explosion (TE) synthesis of TiC–TiB2 particulate locally reinforced steel
matrix composites from an Al–Ti–B4C system via a TE-casting route, Materials Chemistry and Physics 132, pp51–62.
[21] Q.D. Qin, Y.G. Zhao, C. Liu, W. Zhou, Q.C. Jiang (2007), Development of aluminium composites with in situ formed AlTiSi reinforcements through infiltration, Materials Science and Engineering A 460–461, pp604–610.
[22] S. Ray (1969) Mtech Dissertation. India Institute of Technology, Kanpur. [23] Jinshuang Zhao, Yanping Wang, Xiaorong Lou, Kai Li, Zhe Li, Wei Huang (2013), Effects of adding Al2O3 on the crystal structure of TiO2 and the performance of Pd-based catalysts supported on the composite for the total oxidation of ethanol, Inorganica Chimica Acta 405 pp 395–399.
[24] R. Sagar, R. Purohit (2006), Fabrication and testing of Al-SiCp composite valve seat inserts, International Journal of Adv Manufacturing Technology 29, pp.922 – 928.
[25] Trần Văn Dũng (2006), Biến dạng tạo hình vật liệu bột và Composite hạt, Nhà xuất bản Bách Khoa Hà Nội.
[26] M.I.Pech-Canul, M.M.Makhlouf, J.Mater (2000) Synth. Process, 8.2000, pp.35- 53
[27] M.I.Pech-Canul, R.N.Katz, M.M.Makhlouf, J.Mater (2000) Process. Technol.108, pp.68 – 77
[28] H.V. Atkinson (2005), Modelling the semisolid processing of metallic alloys,
Progress in Materials Science 50
[29] Matjaz Torkar. Bojan Breskvar, Matjaz Godec, Paola Giordano, Aianluigi Chiarmetta (2006), Microstructural evaluation of an NRC-processed automative component, Professional article. ISSN 1580-2949
[30] Jim Yurko (2002), Semi-solid rheocasting. IdraPrince Inc. Holland, Michigan USA
[31] Z. Fan (2002), Semisolid metal processing, International Materials Reviews, Vol. 47 No. 2
[32] A.LOU (1995) Metall, Trans. A 26A, pp 2445.
[33] F.A.GIROT, L.ALBINGRE, J.M.QUENISSET and R.NASLAIN (1987) J. Met. 39.
[34] N.HARNBY, M.F.EDWARD and A.W.NIENOW (1985) Mixing in Process Industries, Butterworths, London.
[35] S.H. Ko, S. Hanada (1999), In-situ production and microstructures of iron aluminide/TiC composites, Intermetallics 7, pp 947–955.
[36] G.W. Meetham; M.H. Van de Voorde (2000), Materials for High temperature engineering applications, Springer, p25.
[37] N. Forouzanmehr F. Karimzadeh, M.H. Enayati (2009), Synthesis and characterization of TiAl/Al2O3 nanocomposite by mechanical alloying, Journal of Alloys and Compound, 257-259.
[38] R.K. Gupta, Bhanu Pant, Vijaya Agarwala, R.C. Agarwalaand P.P. Sinha2010), Effect of Pressure and Temperature on Phase Transformation and Properties of Titanium Aluminide Obtained through Reaction Synthesis, J. Mater. Sci. Technol., (8), 693-704.
[39] Shishkovsky I., Missemer F., Smurov I (2012), Direct metal deposition of functional graded structures in Ti-Al system, Physics Procedia 39, pp382 – 391.
[40] H. Zhang, X.H. Wang, Z.J. Li, M.Y. Liu, Y.C. Zhou (2014), A novel Ni2AlTi- containing composite with excellent wear resistance and anomalous flexural strength, Materials Science & Engineering A597, pp 70 - 74.
[41] Nguyễn Khắc Xương (2018), Kim loại và hợp kim nhẹtrong đời sống, Nhà xuất bản Bách khoa Hà Nội.
[42] M.Sc. Stephen Peter Brookes (2009), Thermo-mechanical fatigue behaviour of the near-γ-titanium aluminide alloy TNB-V5 under uniaxial and multiaxial loading, BAM-Dissertationsreihe • Band 49 Berlin.
[43] S. DjanarthanyJ.C. Viala, J. Bouix (2001), An overview of monolithic titanium aluminides based on Ti3Al and TiAl, Materials Chemistry and Physics 72, pp301– 319.
[44] LI Gui-rong, WANG Hong-ming, HAO Yu-tao, CHEN Deng-bin, CHEN Gang, CHENG Xiao-nong (2010), Microstructure of in situ Al3Ti/6351Al composites fabricated with electromagnetic stirring and fluxes, Trans. Non met. China 20, pp 577-583.
[45] I. I. Kornilov (1960), Certain Problems on the Theory of Heat Resistance and the Development of New High-Strength Titanium Alloys - USSR.
[46] Bo Li, Yifu Shen, Lei Luo, Weiye Hu, Zhenhua Zhang (2013), Surface aluminizing on Ti–6Al–4V alloy via a novel multi-pass friction-stir lap welding method: Preparation process, oxidation behavior and interlayer evolution, Materials and Design 49, pp647–656.
[47] S. Alamolhoda, S. Heshmati-Manesh (2012), Role of intensive milling in mechano-thermal processing of TiAl/Al2O3 nano-composite, Adv. Pow. Tech 23, 343- 348
[48] D. Horvitza, I. Gotman, E.Y. Gutmanas (2002), In situ processing of dense Al2O3–TiAl interpenetrating phase composites, Journal of the European Ceramic Society 22, 947–954
[49] N.J. Welham (1998), Mechanical activation of the solid-state reaction between Al and TiO2, Materials Science and Engineering A255, pp81–89.
[50] Krzysztof Naplocha, Kazimierz Granat (2009). Microwave activated combustion synthesis of porous Al–Ti structures for composite reinforcing. Institute of Production Engineering and Automation, Technical University of Wroclaw, ul. Łukasiewicza 5, 50-371 Wroclaw, Poland.
[51] FANG Wen-bin, LI Xue-wen (2011), Characterization of Ti-50%Al composite powder synthesized by high energy ball milling School of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China.
[52] LI Xue-wen, SUN Hong-fei, FANG Wen-bin (2011), Structure and morphology of Ti-Al composite powders treated by mechanical alloying. Vol 21 – Supplement 2, Trans … , pp s338 – s341.
[53] N. Travitzky, I. Gotman, N. Claussen (2003), Alumina–Ti aluminide interpenetrating composites microstructure and mechanical properties, Materials Letters 57, 3422–3426
[54] NIU Li-bin, ZHANG Ju-mei (2011), In-situ synthesis of Al3Ti particles reinforced Al-based composite coating. College of Materials Science and Engineering, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710055, China.
[55] Zhiwei Liu, Qingyou Han (2013), Fabrication of in situ Al3Ti/Al composites by using ultrasound assisted direct reaction between solid Ti powders and liquid Al. Powder Technology 247, 55–59
[56] Cory Farley, Travis Turnbull (2010), Self-propagating high-temperature synthesis of nanostructured titanium aluminide alloys with varying porosity. Vol 59 – issue 6, acta materialia, pp 2447-2454.
[57] Makoto Kobashi, Norio Inoguchi (2010), Effect of elemental powder blending ratio on combustion foaming behavior of porous Al-Ti intermetallics and Al3Ti/Al composites. Vol 18 – issue 5, intermetallics, pp 1039-1045.
[58] Maja Mrak, Natasˇa Novak Tusˇar (2006), Titanium containing
microporous/mesoporous composite (Ti,Al)-Beta/MCM-41: Synthesis and
characterization. National Institute of Chemistry, Hajdrihova 19, 1000 Ljubljana, Slovenia.
[59] Maja Mrak, Natasˇa Novak Tusˇar (2006), Synthesis and structural properties