CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.2. ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ THIÊU KẾT
4.2.4. Chế tạo compozit nền AlTi3 cốt hạt Al2O3 in-situ
Với điều kiện nghiền với thời gian ngắn 5 giờ, nhiệt độ thiêu lên đến 850oC, hệ vật liệu AlTi3/Al2O3 chưa được tạo ra. Luận án tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian nghiền và nhiệt độ thiêu kết đến hệ vật liệu này. Nghiên cứu tăng thời gian nghiền lên 6 giờ và 8 giờ, sản phẩm sau nghiền được ép nguội và thiêu kết trong khoảng nhiệt độ từ 650 ÷ 850oC.
Điều kiện 6 giờ nghiền và thiêu kết ở nhiệt độ từ 650 ÷ 850oC.
Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X đối với vật liệu sau 6 giờ nghiền được trình bày trên hình 4.22.
Nghiên cứu giản đồ nhiễu xạ tia X hình 4.22 cho thấy, khi tăng thời gian nghiền sẽ thúc đẩy quá trình khuếch tán, tạo điều kiện thuận lợi cho các phản ứng xảy ra. So với 5 giờ nghiền thì tại 6 giờ nghiền, các phản ứng xảy ra ngay ở điều kiện 650oC (các đỉnh nhiễu xạ của các pha AlTi3, Al2Ti và Al2O3 đã xuất hiện) mà với điều kiện 5 giờ nghiền thiêu kết ở 850oC chưa xảy ra (kết quả đã trình bày ở mục 4.2.1), điều
AlTi3
này cho thấy tác động của việc tăng thời gian nghiền có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng xảy ra của các phản ứng khi chế tạo compozit. Tuy nhiên, tại 6 giờ nghiền vẫn còn đỉnh nhiễu xạ của nguyên liệu ban đầu TiO2, do vậy chưa đủ điều kiện để các phản ứng chế tạo hệ vật liệu này xảy ra hoàn tồn. Ngồi ra, cịn xuất hiện pha trung gian Al2Ti, pha này kém ổn định và sẽ chuyển biến về các dạng pha ổn định hơn [41, 42, 102].
Hình 4.22. Giản đồ nhiễu xạ tia X hệ vật liệu AlTi3/Al2O3 6 giờ nghiền
Nghiên cứu ảnh HVĐTQ của mẫu vật liệu AlTi3/Al2O3 tại điều kiện 6 giờ nghiền, thiêu kết ở 650oC trên hình 4.23 cho thấy, tổ chức tế vi của vật liệu chia thành các vùng sáng, vùng tối khác nhau. Kết hợp với kết quả phân tích bản đồ phổ phân tán năng lượng tia X trên hình 4.24 và giản đồ nhiễu xạ tia X hình 4.22 thì vùng tối là vùng của Al-O (Al2O3), còn vùng sáng là vùng của Al-Ti (Al2Ti, AlTi3). Cốt hạt Al2O3 hình thành có kích thước khá lớn khoảng 3 µm phân bố đều trên nền Al-Ti (Al2Ti, AlTi3).
Khi tăng nhiệt độ thiêu lên 750oC, các đỉnh nhiễu xạ trên hình 4.22 cho thấy khơng cịn tồn tại của nguyên liệu ban đầu Al và TiO2. Tại điều kiện này, tác động của quá trình nghiền và nhiệt độ thiêu kết đã thúc đẩy quá trình khuếch tán giúp cho phản ứng chế tạo compozit AlTi3/Al2O3 diễn ra thuận lợi. Xét về điều kiện nhiệt động học thì tại nhiệt độ 750oC năng lượng tự do Gibbs của phản ứng chế tạo vật liệu từ phối liệu theo tỉ lệ 5Al/3TiO2 có giá trị âm (∆G = - 549,3kJ/mol, theo tính tốn mục 2.3), phản ứng diễn ra thuận lợi. Nghiên cứu ảnh HVĐTQ hình 4.25 và bản đồ phổ phân tán
Al2O3
Al-Ti
nhiễu xạ tia X hình 4.26, cho thấy tổ chức tế vi chia thành các vùng tối mầu là Al2O3 và vùng sáng mầu là AlTi3. Cốt hạt Al2O3 có kích thước giảm hơn điều kiện 6 giờ nghiền nhưng vẫn khá lớn cịn khoảng 2 µm và phân bố đều trên nền AlTi3.
Hình 4.23. Ảnh HVĐTQ hệ vật liệu AlTi3/Al2O3 6 giờ nghiền và thiêu kết ở 650oC
Hình 4.24. Bản đồ phổ phân tán năng lượng tia X hệ vật liệu AlTi3/Al2O3
Hình 4.25. Ảnh HVĐTQ hệ vật liệu AlTi3/Al2O3 6 giờ nghiền và thiêu kết ở 750oC
Hình 4.26. Bản đồ phổ phân tán năng lượng tia X hệ vật liệu AlTi3/Al2O3
6 giờ nghiền và thiêu kết ở 750oC
Al2O3
Khi tăng nhiệt độ thiêu kết lên 850oC, trên giản đồ nhiễu xạ tia X hình 4.21 cường độ nhiễu xạ pha AlTi3 tăng rõ rệt. Nhiệt độ thiêu kết tăng, thúc đẩy quá trình khuếch tán tạo điều kiện thuận lợi cho các phản ứng xảy ra. Tuy nhiên, với hỗn hợp sau 6 giờ nghiền thì tác động của nhiệt độ thiêu kết chưa làm biến đổi nhiều so với nhiệt độ thiêu thấp hơn. Nghiên cứu ảnh HVĐTQ trên hình 4.27 cho thấy, tổ chức tế vi của mẫu 6 giờ nghiền – thiêu kết ở 850oC đã có sự phân bố nền cốt, biên giới nền cốt rõ ràng hơn nhưng kích thước cốt hạt gần như khơng đổi so với nhiệt độ thiêu kết thấp hơn 750oC. Việc tăng nhiệt độ thiêu kết tạo điều kiện để các phản ứng xảy ra thuận lợi nhưng ở thời gian nghiền cịn thấp sự thay đổi đó chưa đem lại nhiều chuyển biến rõ ràng. Để xem xét kỹ hơn tác động của thời gian nghiền và nhiệt độ thiêu kết cần có những nghiên cứu tiếp theo.
Hình 4.27. Ảnh HVĐTQ mẫu AlTi3/Al2O3 6 giờ nghiền và thiêu kết ở 850oC
Điều kiện 8 giờ nghiền và thiêu kết ở nhiệt độ từ 650 ÷ 850oC.
Kết quả phân tích nhiễu xạ tia X đối với vật liệu sau 8 giờ nghiền được trình bày trên hình 4.28.
Nghiên cứu giản đồ nhiễu xạ tia X hình 4.28 cho thấy, khi tăng thời gian nghiền sẽ thúc đẩy quá trình khuếch tán, tạo điều kiện thuận lợi cho các phản ứng xảy ra. Tương tự như phân tích đối với mẫu 6 giờ nghiền thì mẫu 8 giờ nghiền thiêu kết ở 650oC quá trình chuyển pha đã diễn ra nhưng chưa hồn tồn vẫn cịn thành phần của nguyên liệu ban đầu. Khi thiêu kết ở nhiệt độ cao hơn 750oC và 850oC, quá trình khuếch tán được thúc đẩy, các phản ứng xảy ra hoàn toàn, các pha AlTi3 và Al2O3 được tạo ra. Kết quả nghiên cứu ảnh HVĐTQ và bản đồ phổ phân tán năng lượng tia X hình 4.29 và hình 4.30 cho thấy tác động của việc tăng thời gian nghiền có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng xảy ra của các phản ứng khi chế tạo compozit. Tổ chức tế vi được tạo ra có cốt hạt có kích thước nhỏ mịn, phân bố đồng đều trên nền AlTi3.
Hình 4.28. Giản đồ nhiễu xạ tia X hệ vật liệu AlTi3/Al2O3 8 giờ nghiền
Hình 4.29. Bản đồ phổ phân tán năng lượng tia X hệ vật liệu AlTi3/Al2O3
a b
c
Hình 4.30. Bản đồ phổ phân tán năng lượng tia X hệ vật liệu AlTi3/Al2O3
8 giờ nghiền và thiêu kết ở 850oC
So sánh tổ chức tế vi của vật liệu AlTi3/Al2O3 8 giờ nghiền khi thay đổi nhiệt độ thiêu kết từ 650 ÷ 850oC trên hình 4.31, kết quả cho thấy khi tăng nhiệt độ thiêu kết q trình hình thành vật liệu có cốt hạt ngày càng nhỏ mịn. Kích thước cốt hạt giảm từ 3 µm ở 650oC xuống cịn 0,2 µm ở 850oC. Kích thước cốt hạt thay đổi sẽ ảnh hưởng đến cơ tính của vật liệu compozit chế tạo.
Hình 4.31. Ảnh HVĐTQ hệ vật liệu AlTi3/Al2O3 nghiền 8 giờ
Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian nghiền và nhiệt độ thiêu đối với hệ vật liệu AlTi3/Al2O3 trên hình 4.32 cho thấy, compozit nền AlTi3 cốt hạt Al2O3 in- situ được tạo ra ở điều kiện 8 giờ nghiền và thiêu kết ở 850oC với cốt hạt Al2O3 có kích thước nhỏ cỡ 0,2 µm phân bố đồng đều trên nền AlTi3 là phù hợp.
Hình 4.32. Ảnh HVĐTQ hệ vật liệu AlTi3/Al2O3