CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.3. CƠ TÍNH CỦA VẬT LIỆU
4.3.1. xốp của vật liệu
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 trống trong vật liệu với tổng thể tích tồn phần vật
liệu đó. Nghiên cứu đánh giá độ xốp dựa trên nguyên lý Archimedes, là tỉ lệ giá trị giữa tỉ trọng theo tính tốn lý thuyết và tỉ trọng thực của mẫu so với tỉ trọng lý thuyết, như nội dung mục 3.2 đã trình bày.
4.3.1.1. Mối quan hệ giữa độ xốp và thời gian nghiền
Độ xốp của compozit nền Al-Ti cốt hạt Al2O3 được nghiên cứu qua các mẫu với thời gian nghiền từ 3 ÷ 5 giờ và thiêu kết ở 750oC tương ứng với 03 hệ vật liệu Al3Ti/Al2O3; AlTi/Al2O3; AlTi3/Al2O3 phối liệu theo các phản ứng 3.1, 3.2, 3.3 như đã trình bày ở trên. Kết quả nghiên cứu, phân tích được trình bày trên hình 4.33.
Hình 4.33. Giản đồ mối quan hệ giữa độ xốp và thời gian
nghiền của compozit Al-Ti/Al2O3
Các nghiên cứu trên cho thấy, khi tăng thời gian nghiền sẽ thúc đẩy quá trình khuếch tán tạo điều kiện cho các phản ứng diễn ra thuận lợi, các pha mới được hình thành, tổ chức tế vi của vật liệu thay đổi. Khi thiêu kết các hạt bột liên kết thành khối cấu trúc rắn nhờ năng lượng nhiệt. Khi năng lượng nhiệt được truyền cho khối bột nén, vật thể ép được kết thành khối và chuyển thành vật thể độ bền cao hơn. Sự liên kết giữa các hạt bột chuyển từ mức năng lượng tự do cao, không ổn định về trạng thái năng lượng tự do thấp, ổn định hơn của các phần tử bột. Trong giai đoạn đầu tiên của quá trình thiêu kết, các nguyên tử bề mặt hạt chuyển động và tích tụ lại trên bề mặt tiếp xúc dẫn đến làm tăng độ bền và cầu hóa các lỗ xốp của vật thể. Trong giai đoạn thiêu kết sau, do nhiệt năng tăng làm tăng tính dẻo trong tồn bộ thể tích vật sau ép, điền đầy các lỗ trống gây ra sự co ngót thể tích sản phẩm sau thiêu kết.
Nghiên cứu ảnh HVĐTQ hệ vật liệu Al3Ti/Al2O3 sau 3 giờ nghiền, ép nguội và thiêu kết ở 750oC trình bày trên hình 4.34 cho thấy, với điều kiện thời gian nghiền ngắn, nhiệt độ thiêu kết còn thấp các phản ứng chuyển pha chưa xảy ra hoàn tồn vẫn cịn thành phần của ngun liệu ban đầu như đã phân tích ở phần trên, do vậy vật liệu tạo ra có sự co ngót khơng đồng đều tạo ra các rỗ khí trên bề mặt của vật liệu. Mặt khác, vật liệu được tạo hình bằng cách ép nguội từ hỗn hợp bột sau
nghiền càng tăng, các hạt bột được nghiền nhỏ mịn và dần biến cứng làm cho tính khả ép giảm. Khi thiêu kết, vật liệu biến mềm, co ngót tạo ra các lỗ trống vơ hình chung đối với các vật liệu bột ép nguội thường có độ xốp khá cao. Tại điều kiện này độ xốp đo được là 24,23%.
100 µm
Hình 4.34. Ảnh HVĐTQ rỗ khí hệ vật liệu Al3Ti/Al2O3
3 giờ nghiền, thiêu kết ở 750oC
Khi thời gian nghiền tăng lên 5 giờ, hỗn hợp được nghiền nhỏ mịn, quá trình khuếch tán được thúc đẩy tạo điều kiện thuận lợi để các phản ứng xảy ra hoàn toàn. Cốt hạt của hệ vật liệu Al3Ti/Al2O3 5 giờ nghiền, thiêu kết ở 750oC có kích thước nhỏ mịn cỡ 0,5 µm phân bố đồng đều trên pha nền Al3Ti, các rỗ khí trên bề mặt mẫu đã được loại bỏ, kết quả được trình bày qua ảnh HVĐTQ hình 4.8 ở trên. Cốt hạt được hình thành ngay trong pha nền theo phương pháp in-situ đem lại nhiều lợi thế như bề mặt ranh giới nền cốt rõ ràng, kích thước hạt nhỏ và phân bố đồng đều hơn so với phương pháp khác khi chế tạo vật liệu có cốt hạt kích thước xấp xỉ nano mét. Ngoài ra, khi thiêu kết dưới tác dụng của năng lượng nhiệt sẽ làm tăng tính dẻo trong tồn bộ thể tích vật sau ép, điền đầy các lỗ trống gây ra sự co ngót thể tích sản phẩm sau thiêu kết. Do vậy, độ xốp của vật liệu giảm chỉ còn 14,7%.
Hai hệ vật liệu AlTi/Al2O3 và AlTi3/Al2O3 tại điều kiện 3 giờ nghiền các pha Al- Ti và Al2O3 chưa được tạo ra, liên kết nền cốt chỉ là liên kết cơ học, hỗn hợp bắt đầu có một lượng rất nhỏ biến mềm do nhơm nóng chảy nên độ xốp của vật liệu rất lớn xấp xỉ 35%. Khi thời gian nghiền tăng lên 5 giờ, thời gian nghiền kéo dài hn hp c nghin nh mn (c 0,2 ữ 0,3 àm), phân tán vào nhau không phân biệt rõ hạt Al và hạt TiO2 như hình 4.2f đã trình bày ở trên. Thời gian nghiền tăng, thúc đẩy quá trình khuếch tán tạo điều kiện thuận lợi để các phản ứng xảy ra. Do tỉ lệ phối liệu với lượng nhơm ít hơn của hệ vật liệu Al3Ti/Al2O3 nên lượng nhiệt do phản ứng nhiệt nhơm cung cấp ít hơn (phản ứng 4.1), phản ứng chế tạo hai hệ vật liệu này khó khăn. Mặt khác, do Al và TiO2 phân tán vào nhau nên nhiệt để nóng chảy nhơm thay đổi. Chính vì các lý do trên mà tại điều kiện 5 giờ nghiền thiêu kết ở 750oC độ xốp của hai hệ vật liệu này cao hơn nhiều so với hệ vật liệu Al3Ti/Al2O3. Độ xốp đo được đối với hệ vật liệu AlTi/Al2O3 khoảng 27%, còn hệ vật liệu AlTi3/Al2O3 trên 29%.
các phản ứng xảy ra thuận lợi hơn, cốt hạt được tạo ra liên kết nền cốt tốt hơn, hỗn hợp co ngót làm giảm thể tích lỗ trống do vậy độ xốp giảm.
Với 3 hệ vật liệu tại điều kiện thời gian nghiền còn thấp, nhiệt độ thiêu chưa cao thì hệ vật liệu Al3Ti/Al2O3 có độ xốp nhỏ nhất. Hai hệ vật liệu cịn lại có độ xốp còn cao do các phản ứng chế tạo chưa xảy ra hoặc xảy ra chưa hoàn toàn.
4.3.1.2. Mối quan hệ giữa độ xốp và nhiệt độ thiêu kết
Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ thiêu kết đến độ xốp của compozit nền Al- Ti cốt hạt Al2O3 được nghiên cứu qua các mẫu 5 giờ và thiêu kết ở từ 650 ÷ 850oC tương ứng với 03 hệ vật liệu Al3Ti/Al2O3; AlTi/Al2O3; AlTi3/Al2O3 phối liệu theo các phản ứng 3.1, 3.2, 3.3 như đã trình bày ở trên. Kết quả nghiên cứu, phân tích được trình bày trên hình 4.35.
Hình 4.35. Giản đồ mối quan hệ giữa đồ xốp và nhiệt độ thiêu kết
của compozit Al-Ti/Al2O3
Tại nhiệt độ thiêu thấp 650oC, 5 giờ nghiền hệ vật liệu Al3Ti/Al2O3 các phản ứng đã xảy ra nhưng chưa hồn tồn vẫn cịn thành phần của hỗn hợp nguyên liệu ban đầu như đã phân tích ở trên. Tại nhiệt độ này vật liệu bắt đầu biến mềm, tăng tính dẻo trong tồn bộ thể tích mẫu, hiện tượng co ngót xảy ra nhưng khơng đáng kể. Do vậy tại nhiệt độ thiêu kết này vật liệu vẫn có độ xốp khá lớn trên 26%. Khi tăng nhiệt độ độ thiêu kết lên 750oC, các phản ứng xảy ra hoàn tồn, cốt hạt Al2O3 có kích thước nhỏ mịn cỡ 0,5 µm phân bố đồng đều trên pha nền Al3Ti, độ xốp của vật liệu giảm còn 14,7% như nội dung phần trên đã phân tích. Tiếp tục tăng nhiệt độ thiêu kết lên 850oC, các phản ứng xảy ra hoàn hoàn, cốt – nền hình thành có liên kết rõ ràng, tuy nhiên kích thước cốt hạt phát triển tăng kích thước lên 0,8 µm. Do vậy mặc dù nhiệt độ thiêu cao hơn, thời gian lưu mẫu ở nhiệt độ cao lớn hơn, đủ để điền đầy các lỗ trống nhưng kích thước cốt hạt lại tăng do vậy độ xốp của vật liệu có thay đổi nhưng khơng đáng kể, độ xốp đo được tại điều kiện này là 14,1%.
Hai hệ vật liệu AlTi/Al2O3 và AlTi3/Al2O3 tại điều kiện 5 giờ nghiền, thiêu kết ở 650oC các pha Al-Ti và Al2O3 chưa được tạo ra, liên kết nền cốt chỉ là liên kết cơ học, nên độ xốp của vật liệu rất lớn xấp xỉ 34%. Khi nhiệt độ thiêu kết tăng lên 850oC các phản ứng đã bắt đầu xảy ra các pha Al-Ti, Al2O3 hình thành, tuy nhiên vẫn còn thành phần hỗn hợp ban đầu chưa phản ứng. Nhiệt độ thiêu tăng hỗn hợp bị biến mềm và có thể nóng chảy 1 phần, chúng dần điền vào các lỗ trống hiện tượng co ngót xảy ra làm cho độ xốp của vật liệu giảm nhưng vẫn còn rất lớn. Độ xốp đo được của vật liệu đạt khoảng 25%.
Từ những phân tích trên cho thấy, nhiệt độ thiêu kết tăng, thúc đẩy quá trình khuếch tán tạo điều kiện thuận lợi cho các phản ứng xảy ra, các pha mới xuất hiện, vật liệu biến mềm điền đầy các lỗ trống, hiện tượng co ngót xảy ra làm giảm độ xốp của vật liệu.
Đối với hai hệ vật liệu AlTi/Al2O3 và AlTi3/Al2O3 tại điều kiện thời gian nghiền ngắn chưa hình thành nên cần có những nghiên cứu và đánh giá đầy đủ về độ xốp của hai hệ vật liệu này:
Độ xốp của hệ vật liệu AlTi/Al2O3
Như đã phân tích ở trên, tại điều kiện 7 giờ nghiền và thiêu kết ở 850oC các phản ứng chế tạo vật liệu đã xảy ra, các pha Al-Ti đã hình thành và khơng cịn thành phần của hỗn hợp ban đầu. Tại điều kiện này hệ vật liệu AlTi/Al2O3 được tạo ra, cốt hạt có kích thước cỡ 2 µm phân bố đồng đều trên pha nền Al-Ti. Nhiệt độ thiêu kết tương đối cao làm tăng tính dẻo trong tồn bộ thể tích vật sau ép, điền đầy các lỗ trống gây ra sự co ngót thể tích sản phẩm sau thiêu kết. Do vậy độ xốp của vật liệu giảm rõ rệt còn khoảng trên 20%. Độ xốp của hệ vật liệu này khá lớn, như đã phân tích ở trên, hệ vật liệu AlTi/Al2O3 được tạo ra tại điều kiện 7 giờ nghiền, thiêu kết ở 850oC cùng tồn tại nhiều pha Al-Ti khác nhau (Al3Ti, AlTi, AlTi3) và Al2O3 vì AlTi là pha trung gian của chuyển biến Al3Ti và AlTi3. Do đó, nhiệt độ biến mềm – nóng chảy và độ co ngót của các pha là khác nhau làm cho vật liệu co ngót khơng đều tạo lên các lỗ xốp. Mặt khác, cốt hạt hình thành có kích thước khá lớn (2 µm), ảnh HVĐTQ hình 4.20 cho thấy ranh giới nền – cốt cịn chưa rõ ràng. Ngồi ra, các vật liệu này đều được chế tạo bằng phương pháp ép nguội nên khó tránh khỏi độ xốp của vật liệu sau chế tạo còn khá cao.
Độ xốp của hệ vật liệu AlTi3/Al2O3
Compozit AlTi3/Al2O3 được chế tạo tại điều kiện 8 giờ nghiền, thiêu kết ở 850oC được lựa chọn là phù hợp bởi các phản ứng đã xảy ra hồn tồn, cốt hạt có kích thước nhỏ mịn cơ 0,2 µm phân bố đồng đều trên nền AlTi3 như đã trình bày ở trên. Tại điều kiện này với thời gian nghiền kéo dài, nhiệt độ thiêu tương đối cao, cốt hạt được hình thành ngay trong pha nền, các lỗ trống được điền đầy, thời gian lưu lại ở nhiệt độ cao kéo dài, thành phần pha ổn định, vật liệu co ngót đồng đều. Do vậy, độ xốp của vật liệu giảm rõ rệt so với điều kiện nhiệt độ thiêu thấp và thời gian nghiền ngắn hơn, độ xốp đo được tại điều kiện này đạt 13,30%.
Nhận xét:
Khi kéo dài thời gian nghiền và tăng nhiệt độ thiêu kết, thúc đẩy quá trình khuếch tán tạo điều kiện thuận lợi để các phản ứng chế tạo compozit nền Al-Ti cốt hạt Al2O3 in-situ xảy ra. Cốt hạt hình thành có kích thước nhỏ mịn, phấn bố đồng đều trên nền Al-Ti, liên kết nền cốt rõ ràng. Độ xốp của vật liệu giảm. Tuy nhiên, khi tăng nhiệt độ quá cao, thời gian lưu mẫu ở nhiệt độ cao kéo dài có thể làm cho cốt hạt phát triển
Vết lõm do mũi đâm tạo ra tăng kích thước, ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu.