3.2.1. Quy trình nghiên cứu
Compozit nền Al-Ti cốt hạt Al2O3 có thể chế tạo theo các công nghệ khác nhau như: ôxi hóa, hợp kim hóa, …Nhìn chung, việc hợp kim hóa cơ học [48, 49, 51, 53, 56, 57] trong thời gian gần đây được quan tâm. Phương pháp đó đã và đang được dùng phổ biến để chế tạo compozit cốt hạt phân tán trong nền kim loạitạo ra cácsản phẩm đạt được yêu cầu cần thiết vềđộ cứng, độ bền, độ dẫn nhiệt, độ chịu mài mòn, v.v…
Nhờ kết hợp quá trình nghiền cơ học, ép và thiêu kết để tổng hợp compozit nền Al-Ti cốt hạt Al2O3 in-situ, cốt hạt Al2O3hình thành có kích thước nhỏ mịn, phân tán tương đối đồng đều trong nền Al-Ti.
Trong luận án này, đã lựa chọn phương pháp gia công cơ - hóa để chế tạo compozit nền Al-Ti cốt hạt Al2O3 in-situ. Qui trình công nghệ được trình bày trên hình 3.1.
Cối và bi nghiền được làm sạch, khối lượng bi nghiền đưa vào cối tính theo tỉ lệ 10/1 so với lượngbột nghiền. Cân hỗn hợp bột căn cứ theo phản ứng, hỗn hợp sau cân được đưa vào cối nghiền, cối nghiền được đậy chặt bằng nắp và gioăng silicon, các thao tác thực hiện trong Glove box bảo vệ bằng khí Argon. Tiến hành nghiền trong máy nghiền hành tinh NQM-4, tốc độ quay 300 v/ph, thời gian nghiền từ 1 ÷ 8 giờ. Hỗn hợp bột sau nghiền được đem đi ép trong cối ép bằng hợp kim có đường kính 16mm, ép với áp lực 100MPa. Mẫu sau ép, tiến hành thiêu kết trong lò Lenton có khí Argon bảo vệ, nhiệt độ thiêu từ 650 oC đến 850oC. Mẫu sau thiêu kết tiến hành phân tích thành phần pha, tổ chức tế vi và xác định cơ tính.
3.2.2. Nguyên vật liệu
a. Bột Nhôm
Bột nhôm thương mại có độ sạch trên 99% (xuất xứĐức) với thông số kỹ thuật trình bày trên bảng 3.1.
Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật của bột nhôm
Hình dạng và kích thước của bột nhôm được quan sát và phân tích trên hiển vi điện tửquét (HVĐTQ) hình 3.2. Bột nhôm có hình dạng là các lá nhôm, kích thước trung bình khoảng 40 µm.
Thông số kỹ thuật
M, g/mol Khối lượng, %
As, Pb Fe As Al 28,96 ≥ 0.03 ≤ 1 ≤ 0.0005 Còn lại Al (Bột, Al 99 %) TiO2 (Bột, TiO2 99,5 %)
Cân trong Glove box
Khí Ar Cối, bi nghiền Bi/bột = 10/1 Nghiền v = 300 v/ph Thời gian nghiền (1 ÷ 8) giờ Bột sau nghiền Ép Thiêu kết Sản phẩm Áp lực ép 100MPa Khí Ar Cối ép Nhiệt độ thiêu (650 ÷ 850) oC Xác định tính chất của compozit nền Al-Ti cốt hạt Al2O3
b.Bột Titan đioxit
Bột titan đioxit thương mại có độ sạch khoảng 99,5% (xuất xứ Trung Quốc) với thông số kỹ thuật trình bày trên bảng 3.2.
Bảng 3.2. Thông số kỹ thuật của bột TiO2
Hình dạng và kích thước của bột titan điôxitđược quan sát và phân tích trên hiển vi điện tửquét (HVĐTQ) hình 3.3. Bột titan điôxit có hình dạng hạt kết khối, kích thước trung bình khoảng 0,2 µm.
Thông số kỹ thuật pH Khối lượng, % Cl N SiO2 Mg K Ca Fe TiO2 ≤ 8,6 0,002 0,001 0,005 0,003 0,01 0,007 0,001 Còn lại Hình 3.2. Ảnh HVĐTQcủa bột nhôm Hình 3.3. Ảnh HVĐTQ của bột titan điôxit
3.2.3. Kỹ thuật chế tạo
a. Cân phối liệu
Tổng khối lượng hỗn hợp bột cho mỗi lần nghiền là 100 g, tỉ lệ riêng phần của từng loại bột trong hỗn hợp bột ban đầu đã được tính toán sao cho tạo ra thành phần pha theo các phản ứng 2.1, 2.2, 2.3:
13Al + 3TiO2 3Al3Ti + 2Al2O3 (2.1) 7Al + 3TiO2 3AlTi + 2Al2O3 (2.2) 5Al + 3TiO2 AlTi3 + 2Al2O3 (2.3)
Bảng 3.3. Thành phần phối liệu của hỗn hợp theo các phản ứng
TT Phản ứng Khối lượng Al (g) Khối lượng TiO2 (g) Khối lượng hỗn hợp (g)
1 2.1 59,40 40,60 100
2 2.2 44,07 55,93 100
3 2.3 36,01 63,99 100
b.Chế độ nghiền
Sau khi tính toán phối liệu, hỗn hợp 100 g vật liệu bột ban đầu được nạp vào buồng nghiền cùng với bi nghiền bằng thép hợp kim đã biến cứng. Quá trình nghiền được thực hiện trên máy nghiền hành tinh NQM-4 với chếđộ nghiền như sau:
- Tốc độ quay : 300 vòng/phút
- Tỉ lệ (theo khối lượng) bi nghiền/ bột nghiền : 10/1
- Chếđộ nghiền : 15 phút, nghỉ 30 phút
- Thời gian nghiền : (1 8) giờ
- Môi trường bảo vệ : Khí Argon
c. Ép tạo hình mẫu
Nhằm tạo cho vật liệu có hình dáng cần thiết và có sự gắn kết nhất định trước khi thiêu kết. Tiến hành ép với áp lực 100 MPa để tạo khối sơ bộ hỗn hợp bột sau nghiền hành tinh từ 1 ÷ 8 giờ. Áp lực ép tạo ra sự biến dạng dẻo của các hạt bột trên bề mặt tiếp xúc và sự liên kết giữa các hạt bột trên bề mặt này.
Với điều kiện thí nghiệm hiện có, đã chọn phương pháp ép nguội một chiều trong khuôn kín hình trụ bằng thép 9CrSi đã qua nhiệt luyện, đường kính trong 16 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, hình dạng khuôn ép và mẫu sau ép như hình 3.4.
d.Thiêu kết
Công đoạn thiêu kết được tiến hành trong môi trường khí bảo vệ với chếđộ thiêu kết và nhiệt độ thiêu kết riêng [48, 53, 95]. Quá trình này giúp các cấu tử bột liên kết lại với nhau, đồng thời hoàn nguyên titan đioxit thu được Al2O3 và pha Al-Ti. Sau khi thiêu kết mẫu có được độ bền chắc nhất định.
Chế độ thiêu kết được thực hiện theo quy trình nêu ở hình 3.5. Việc lựa chọn nhiệt độ thiêu kết dựa vào nhiệt độ của cấu tử có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn và giản đồ pha Ti-Al và Ti-Al-O [42, 47, 51, 53, 81], đã lựa chọn khoảng nhiệt độ thiêu từ 650 850oC.
3.2.4. Thiết bị nghiên cứu
a. Máy nghiền hành tinh
Thiết bị sử dụng trong nghiên cứu là máy nghiền bi kiểu hành tinh (NQM-4, xuất xứ Trung Quốc) như ở hình 3.6.
Thông số kỹ thuật:
- Chếđộ làm việc: 2 tang nghiền hoặc 4 tang nghiền - Chếđộ nghiền: nghiền khô, nghiền ướt
- Tốc độ quay: 0 ÷ 600 vòng/phút, có thểđiều chỉnh
- Kích cỡ hạt đầu vào: < 10 mm với vật liệu mềm, < 3 mm với vật liệu cứng - Cỡ hạt đầu ra: nhỏ nhất 0.1 µm.
- Thời gian hoạt động liên tục: tối đa 72 giờ
Bi nghiền: bi thép hợp kim đã biến cứng, đường kính 6mm, khối lượng 4g/viên. Tang nghiền sử dụng thép hợp kim, không gỉ.
Gioăng cao su chịu nhiệt và một số thiết bị phụ trợ khác, hình 3.7. Nguội cùng với lò tTK, oC
, phút
Hình 3.5. Quy trình thiêu kết mẫu compozit nền Al-Ti cốt hạt Al2O3 in-situ
b.Thiết bị ép
Hỗn hợp vật liệu bột được nạp vào trong khuôn ép, sau đó thực hiện quá trình ép trên máy ép thủy lực (hình 3.8), để tạo ra áp lực 100 MPa đã xác định ở trên.
Hình 3.6. Máy nghiền hành tinh NQM – 4
Hình 3.8. Máy ép thủy lực
Hình 3.7. Tang và bi nghiền
c. Thiết bị thiêu
Quá trình thiêu kết được tiến hành trong ống gốm gia nhiệt trong lò Lenton (Model: EF11/8B –Anh) như hình 3.9, môi trường thiêu kết là khí Argon.
Thông số kỹ thuật
+ Nhiệt độ tối đa: 1100oC + Công suất tối đa: 1,8 kW
+ Độ sạch của khí Argon trên 99 %
3.2.5. Phương pháp nghiên cứu
Trên cơ sởnghiên cứu tổng quan đãđề xuất nội dung nghiên cứuvà thực nghiệm nhằm đạt mục tiêu đề tài. Khi tiến hành thực nghiệm đã lựa chọn các phương pháp phù hợp với điều kiện của phòng thí nghiệm, kết hợp với các phương pháp đánh giá hiện đại khác để đảm bảo độ tin cậy.
a. Phân tích nhiễu xạ tia X
Mục đích củaphương pháp phân tích nhiễu xạRơnghen là xác định thành phần pha của compozit, so sánh tương đối hàm lượng pha, từđó cho phép điều chỉnh quy trình công nghệ chế tạo và góp phần lý giải các kết quả. Trong luận án này phân tích nhiễu xạ tia X nhằm xác định thành phần pha nền Al-Ti, cốt hạt Al2O3 và các pha liên quan, dựa vào vị trí và cường độ pick nhiễu xạ trên giản đồghi được của các mẫu xử lý ở chếđộ công nghệ khác nhau sau nghiền và thiêu kết. Các phép đo được thực hiện trên thiết bị Rigaku, Smart Lab tại Trường đại học Doshisha, Nhật Bản, Khoa Hóa, Trường Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội (hình 3.10).
b.Phương pháp hiển vi
Kỹ thuậthiển vi quang học
Các mẫu trước khi xem tổ chức tế vi phải được mài nhẵn và đánh bóng. Các mẫu nghiên cứu có bề mặt phẳng được mài trên máy Struers – Labopol 25 có lắp giấy ráp SiC (hình 3.11a).
Tốc độ vòng quay tới 500 vòng/phút và được làm mát bằng nước. Mẫu được mài
lần lượt trên giấy ráp 80, 320, 400, 600, 800, 1000, 1200, 1500 và sau đó đánh bóng trên vải nỉ. Bề mặt đạt được sáng, không có vết xước và cuối cùng được đánh bóng bằng bột Al2O3 cỡ hạt 5 µm. Tổ chức tếvi được quan sát và chụp trên kính hiển vi quang học (HVQH) Leica 4000 (hình 3.11b)
Kỹ thuật hiển vi điện tử quét
Hiển vi điện tửquét (HVĐTQ) là một công cụ cho phép thu nhận các ảnh bề mặt mẫu với độ phân giải cao, hoạt động trên nguyên tắc ghi các tín hiệu điện tử phát xạ từ sâu trong khối, bên dưới bề mặt mẫu (cỡ vài µm) khi chùm điện tửtương tác với bề mặt mẫu cho phép phân tích thành phần nguyên tố. Kiểu ảnh chung nhất được tạo bởi các điện tử thứ cấp có năng
lượng thấp (E < 50 eV). Trong luận án phương pháp HVĐTQ dùng đểxác định tổ chức tế vi của compozit, kích thước hạt và thành phần nguyên tố của các mẫu nghiên cứu, cấu trúc của mẫu xốp. Các nghiên cứu trong luận án được khảo sát trên kính HVĐTQ phát xạ trường FESEM Hitachi S-4800 (Model JSM-7600F) tại PTN Hiển vi điện tử và vi phân tích (BKEMMA) thuộc Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ (AIST), Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và JSM7001FD tại Trường đại học Doshisha, Nhật Bản (hình 3.12).
(a) (b)
Hình 3.11. Thiết bị phân tích tổ chức bằng hiển vi quang học
c. Thử cơ tính
Đo độ cứng Vickers
Phép đo cho các mẫu sau nghiền và thiêu kết tại phòng thí nghiệm Vật liệu học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và Trường đại học Doshisha, Nhật Bản bằng máy đo độ cứng Vickers HMV-1 tester (Shimadzu), thử nghiệm với tải trọng 245,2 mN trong 15 s (hình 3.13).
Độ dai phá hủy
Nghiên cứu cho thấy có nhiều phương pháp xác định độ dai phá hủy khác nhau, trong luận án đo độ dai phá hủy được xác định theo độ dài vết nứt do mũi đâm từ phương pháp đo độ cứng Vickers, IF (indentation fracture) [96]. Mẫu sau mài và đánh bóng, tiến hành đo độ dai phá hủy bằng cách tạo vết nứt bởi vết đâm đo độ cứng Vickers với lực đâm được lựa chọn đủ lớn để tạo ra vết nứt có thể đo được của mẫu thử, lực đâm lớn hơn lực đo độ cứng mẫu và nhỏhơn lực làm vỡ mẫu (nghiên cứu mẫu thử sử dụng lực đâm từ 98 đến 294 N). Vết nứt được tạo ra tại góc của mũi đâm, tiến hành đo chiều dài trung bình của vết nứt và
đường chéo vết đâm. Độ dai phá hủy có mối liên hệ với lực đâm, kích thước trung bình vết nứt, môđun đàn hồi và độ cứng của vật liệu. Phương pháp này có đặc tính đo độ dai phá hủy “tếvi” và chỉ cần một lượng nhỏ vật liệu sử dụng khi đo.
Độ dai có thểđược cải thiện nếu thay đổi bản chất, đặc tính liên bề mặt và phân bố của các phần tử pha thứ hai nhằm khống chế sự lan truyền vết nứt từphía trước đỉnh của nó. Độ dai khi đó gọi là độ dai nội tại, nó là thuộc tính của một tổ chức tếvi đặc thù và là dạng độ dai chủ yếu của nhóm vật liệu kim loại dẻo, ví dụ hợp kim, nhưng lại không hiệu quảđối với nhóm vật liệu giòn, ví dụ gốm.
Loại vật liệu giòn cần có độ dai ngoại vi. Nó bao gồm các cơ chế (tếvi) tác động ở vùng phía sau đỉnh vết nứt nhằm giảm đáng kể động lực lan truyền đỉnh vết nứt (hiệu ứng che chắn đỉnh nứt) nhờ tạo ra các cầu nối giữa các bề mặt vết nứt, hoặc nhờ chuyển pha. Phá hủy thực tế là một sự cạnh tranh lẫn nhau giữa cơ chế (phá hủy) nội tại ở phía đỉnh vết nứt nhằm kích thích nứt lan truyền và cơ chế (che chắn) ngoại vi chủ yếu ởphía sau đỉnh vết nứt để cản trở nó.
Độ dai phá hủy được tính theo công thức sau: 𝐾𝐼𝐶 = 0,026𝐸1/2𝑐.𝑃3/21/2.𝑎 (3.4) Trong đó: KIC: Độ dai phá hủy (Pa.m1/2) E: Môđun đàn hồi (Pa) Mô đun đàn hồi E [97]: E=ΦP.EP+(1-ΦP)EM (3.5) E: mô đun đàn hổi của compozit (Pa)
Hình 3.13. Thiết bịđo độ cứng Hv (Vickers HMV-1 tester)
Ep: Mô đun đàn hồi của cốt hạt (Pa) EM: Mô đun đàn hồi của nền (Pa) p: % thể tích hạt.
P: Lực đâm (N)
a: Độdài đường chéo vết đâm (m) c: Chiều dài trung bình của vết nứt (m)
Thí nghiệm được thực hiện tại phòng thí nghiệm Vật liệu học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và Trường đại học Doshisha, Nhật Bản bằng máy đo độ cứng Vickers HMV-1 tester (Shimadzu) (hình 3.13).
d.Phương pháp đo độ xốp Độ xốp là một thông số quan trọng đối với các sản phẩm bột. Nó cho phép gián tiếp đánh giá các tính chất khác như độ bền, độ cứng và tổ chức tế vi của sản phẩm. Độ xốp là tỉ lệ giữa tổng các lỗ hổng trong vật liệu với tổng thể tích toàn phần vật liệu đó. Đểxác định được độ xốp (hay còn gọi là mật độ) của vật liệu đã áp dụng định luật Ác-si-mét và theo tiêu chuẩn TCVN 8189:2009 [98].
Độ xốp của mẫu compozit nền Al-Ti cốt hạt Al2O3 in-situ được xác định bằng cách lấy mẫu (được bôi một lớp glyxerin để tránh cho nước thấm vào bên trong mẫu vật liệu) đo độ xốp. Dùng cân đo tỉ trọng xác định độ xốp thể hiện trên hình 3.14.
Tỷ trọng của mẫu được xác định theo công thức sau: m m V G γ (3.6) Trong đó: Gm- trọng lượng mẫu; Vm- thể tích mẫu. Vm = VH2O =GH2O γH2O = GH2O (3.7) Trong đó:
VH2O - thể tích của nước bị chiếm chỗ; GH2O- trọng lượng của nước;
γH2O- tỷ trọng của nước (γH2O≈ 1g/cm3). Giả sử: GKK là trọng lượng của mẫu khi cân trong không khí; GH2Olà trọng lượng của mẫu khi cân trong nước. Ta có, tỷ trọng của mẫu vật liệu xốp được xác định như sau:
γX =GGKK. γH2O
KK− GH2O , g cm⁄ 3 (3.8)
Sau khi xác định được tỷ trọng của mẫu vật liệu xốp, sẽ xác định được độ xốp tương đối của mẫu thông qua công thức:
% 100 . γ γ γ θ T X T (3.9) Trong đó: γT- tỷ trọng của mẫu vật liệu theo phối liệu có các cấu tử thành phần, g/cm3;
γT = [(vol.%Al).Al + (vol.%TiO2). ρTiO2] X- tỷ trọng của mẫu vật liệu xốp, g/cm3.
Kết luận chương 3:
1. Đã lựa chọn được quy trình công nghệ và thiết bị thực nghiệm, phân tích kiểm tra, đánh giá tính chất của vật liệu phù hợp để nghiên cứu chế tạo compozit nền Al- Ti cốt hạt Al2O3 in-situ.
2. Đã lựa chọn được chếđộ công nghệ chế tạo compozit nền Al-Ti cốt hạt Al2O3
in-situ, cụ thể là:
Cân phối liệu theo tỉ lệ số mol của các phản ứng 2.1, 2.2, 2.3. Tốc độ nghiền: v = 300 vòng/phút.
Thời gian nghiền: = 1 ÷ 8 giờ nghiền. Áp lực ép: P = 100 MPa.
Chương 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Compozit nền Al-Ti cốt hạt Al2O3 in-situ chế tạo thông qua phản ứng giữa bột nhôm với bột titan điôxit dưới tác động của quá trình nghiền, ép và thiêu kết.