Nhiệt động học là một ngành khoa học nghiên cứu các quy luật về sự chuyển hóa năng lượng từ dạng này sang dạng khác, từ phần này sang phần khác của hệ, những hiệu ứng năng lượng gây ra bởi các quá trình vật lý và hóa học khác nhau, sự phụ thuộc của chúng vào điều kiện tiến hành các quá trình, cũng như khả năng, chiều hướng và giới hạn của các quá trình tự tiến hành trong những điều kiện nhất định [80].
Khảnăng, chiều hướng của một quá trình hoặc một phản ứng hóa học được xác định căn cứ vào biến thiên thế nhiệt động đẳng nhiệt đẳng áp của quá trình hoặc phản ứng hóa học đó. Đểcó cơ sở khẳng định tính khả thi của quá trình chế tạo compozit nền Al-Ti cốt hạt Al2O3 in-situ, cần tính toán nhiệt động học các phản ứng giữa nhôm và đioxit titan khi sử dụng chúng làm nguyên liệu ban đầu để nghiên cứu.
Các nghiên cứu [1, 41, 47, 77, 81, 82] về compozit nền Al-Ti cho thấy, pha Al- Ti hình thành từ quá trình tổng hợp Al và TiO2 theo các phản ứng sau:
13Al + 3TiO2 3Al3Ti + 2Al2O3 (H = -952,4 kj/mol) 2.1 7Al + 3TiO2 3AlTi + 2Al2O3 (H = -738,4 kj/mol) 2.2 5Al + 3TiO2 AlTi3 + 2Al2O3 (H = -617,7 kj/mol) 2.3 4Al + 3TiO2 3Ti + 2Al2O3 (H = -512,0 kj/mol) 2.4 3Al + Ti Al3Ti (H = -146,8 kj/mol) 2.5 Al3Ti + 2Ti 3AlTi (H = -79,5 kj/mol) 2.6 AlTi + 2Ti AlTi3 (H = -31,3 kj/mol) 2.7 Theo Gibbs- Helmboltz phương trình tính năng lượng tự do như sau [80]:
∆𝐺𝑇0 = ∆𝐻𝑇0− 𝑇∆𝑆𝑇0 2.8 Với ∆𝐻𝑇0 = ∆𝐻2980 − 𝑇 ∫ ∆𝐶298𝑇 𝑇 𝑑𝑇 2.9 ∆𝑆𝑇0 = ∆𝑆2980 + 𝑇 ∫ ∆𝐶𝑃 𝑇 𝑑𝑇 𝑇 298 2.10
Nghiên cứu và xây dựng các phương trình tính toán năng lượng tự do Gibbs theo các phương trình trên, dựa trên các dữ liệu tra cứu [80, 82, 83, 84, 85] trình bày ở phụ lục 1. Kết quả tính toán nhiệt động học của các phản ứng, trình bày trên bảng 2.1.
Bảng 2.1. Giá trị năng lượng tự do của các phản ứng theo nhiệt độ
Nhiệt độ, oC
Năng lượng tự do GoT , J.mol-1
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 100 -906534 -709571 -587129 -490897 -138546 -80128.5 -23340 200 -892698 -699919 -579841 -483244 -136485 -80190 -24372.1 300 -878574 -689901 -572780 -475213 -134454 -80234 -26004.3 400 -864213 -679582 -565905 -466871 -132447 -80263.6 -28130.7 500 -849649 -669007 -559189 -458265 -130461 -80281 -30677.2
600 -834909 -658210 -552612 -449429 -128493 -80287.8 -33589.2 650 -827480 -652736 -549369 -444933 -127516 -80287.5 -35168.7 700 -820014 -647216 -546156 -440389 -126542 -80285.1 -36824.5 750 -812513 -641652 -542970 -435800 -125571 -80280.5 -38552.8 800 -804979 -636045 -539810 -431167 -124604 -80274 -40349.9 850 -797414 -630399 -536675 -426493 -123640 -80265.5 -42212.7 900 -789818 -624715 -533563 -421780 -122679 -80255.2 -44138.2 1000 -774541 -613238 -527407 -412242 -120767 -80229.5 -48166.9 1100 -759158 -601626 -521335 -402564 -118865 -80197.3 -52417.1 1200 -743676 -589889 -515340 -392757 -116973 -80159.1 -56872.7 Căn cứ vào các phản ứng và tính toán nhiệt động học xây dựng được giản đồ sự phụ thuộc của GT vào nhiệt độ được biểu diễn trên hình 2.1.
Nghiên cứu hình 2.1 cho thấy, năng lượng tự do của các phản ứng đều âm, đường năng tự do phụ thuộc vào nhiệt độ của các phản ứng có độ dốc lớn và tại cùng một nhiệt độ ∆G0
T phản ứng 2.1 là âm hơn cả, do vậy phản ứng 2.1 dễ xảy ra nhất tạo ra vật liệu Al3Ti/Al2O3, sau đó lần lượt là các hệ vật liệu AlTi/Al2O3 và khó xảy ra hơn là AlTi3/Al2O3. Phản ứng nhiệt nhôm 2.4 tạo nguyên tửtitan cũng là phản ứng dễ xảy. Các phản ứng giữa Al, Al3Ti và AlTi tương tác với Ti đều có khảnăng xảy ra, thứ tự ưu tiên là tạo nguyên tử titan Al3Ti AlTi AlTi3, các phản ứng chế tạo
compozit Al-Ti/Al2O3đều có khảnăng xảy ra. Nghiên cứu của Kattner [85] cho thấy, việc xây dựng giản đồ mối quan hệ giữa năng lượng tự do và nhiệt độ của phản ứng tạo pha Al-Ti tương tựnhư những phân tích ở trên. Nghiên cứu này đã sử dụng Titan tấm tinh khiết 99,4%Ti và nhôm thỏi có độ sạch 99,6%. Titan tấm được đưa vào nhôm lỏng và giữ nhiệt trong khoảng thời gian nhất định. Kết quả pha liên kim AlTi3
chỉ hình thành tại bề mặt của tấm Titan rắn và nhôm lỏng. Ở nhiệt độcao hơn nhiệt độ nóng chảy của nhôm, lớp liên kim loại tiếp tục phát triển do nhôm khuếch tán qua lớp AlTi3. Năng lượng cần thiết để phản ứng hình thành và phát triển lớp AlTi3 trên bề mặt giữa nhôm lỏng và tấm titan rắn là 197Kj/mol, cũng có thể coi đây là năng lượng để nhôm khuếch tán quá lớp sản phẩm AlTi3.