CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.1. ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN NGHIỀN
4.1.2. Compozit Al-Ti/Al2O 33 giờ nghiền
Hỗn hợp sau 3 giờ nghiền, tiến hành ép nguội và thiêu kết ở 750oC, kết quả phân tích nhiễu xạ tia X được trình bày trên hình 4.4.
Quan sát các đỉnh nhiễu xạ tia X trên hình 4.4, hỗn hợp phối liệu theo tỉ lệ 13Al/3TiO2, hệ vật liệu Al3Ti/Al2O3 có các pha Al3Ti; Al2O3 hình thành, các đỉnh nhiễu xạ rõ ràng, cường độ nhiễu xạ pha Al3Ti mạnh hơn nhiều so với điều kiện thời gian nghiền thấp hơn. Tăng thời gian nghiền lên 3 giờ, các lá nhôm đã bị bẻ gãy, kích thước giảm rõ rệt so với thời gian nghiền 1 giờ, tăng thời gian nghiền thúc đẩy quá trình khuếch tán, phản ứng xảy ra thuận lợi. Tuy nhiên do thời gian nghiền ngắn, vẫn còn phân biệt rõ được lá nhơm (hình 4.2c) nên tác động của quá trình nghiền đến phản ứng cịn hạn chế. Quan sát phân tích nhiễu xạ của hệ vật liệu Al3Ti/Al2O3 vẫn còn các đỉnh nhiễu xạ của Al và TiO2 ban đầu chưa tham gia phản ứng.
Quan sát ảnh HVĐTQ của mẫu 3 giờ nghiền của hệ vật liệu Al3Ti/Al2O3, thiêu kết ở 750oC trên hình 4.5 ta thấy, tổ chức tế vi vật liệu chia ra làm các vùng khác nhau đó là vùng màu sáng, vùng màu xám và vùng màu tối. Nghiên cứu xác định thành phần hỗn hợp tại các vùng bằng phương pháp phân tích bản đồ phổ phân tán năng lượng tia X, kết quả phân tích được trình bày trên hình 4.6. Kết hợp với kết quả phân tích nhiễu xạ tia X hình 4.4 với hệ vật liệu Al3Ti/Al2O3 cho thấy: vùng sáng là vùng tồn tại của Titan và Oxi (là TiO2), vùng tối là vùng của Nhôm và Oxi (là Al2O3), vùng xám là của titan và nhôm (là Al3Ti). Với thời gian nghiền thấp, 3 giờ nghiền và thiêu kết ở 750oC, phản ứng chế tạo vật liệu compozit Al3Ti/Al2O3 chưa xảy ra hoàn toàn, các cấu tử của hỗn hợp ban đầu vẫn còn tồn tại xen lẫn, quan sát tổ chức tế vi trên hình 4.5 cho thấy nền-cốt chưa phân định rõ ràng.
Vùng xám Al3Ti Vùng tối Al2O3 Vùng sáng TiO2
Hình 4.4. Giản đồ nhiễu xạ tia X compozit 3 giờ nghiền, thiêu kết ở 750oC
Hình 4.5. Ảnh HVĐTQ hệ vật liệu Al3Ti/Al2O3 3 giờ nghiền, thiêu kết 750oC
Hình 4.6. Bản đồ phổ phân tán năng lượng tia X hệ vật liệu Al3Ti/Al2O3
3 giờ nghiền, thiêu kết ở 750oC
Nghiên cứu nhiễu xạ tia X hình 4.4, với hỗn hợp phối liệu theo tỉ lệ 7Al/3TiO2 của hệ vật liệu AlTi/Al2O3 các pha AlTi, AlTi3 và Al2O3 đã hình thành. So với kết quả đã nghiên cứu với thời gian nghiền 1 giờ thì việc tăng thời gian nghiền vật liệu đã được nghiền kích thước giảm đáng kể, thúc đẩy quá trình khuếch tán các cấu tử, phản ứng diễn ra thuận lợi hơn, các pha mới đã xuất hiện mà tại điều kiện 1 giờ nghiền khơng có.
Sau khi phản ứng hồn nguyên TiO2 tạo ra nguyên tử titan, nguyên tử titan và nhôm dư phản ứng tạo pha Al3Ti (theo phản ứng 4.1, 4.2), phản ứng xảy ra cho đến khi hết nhơm và dư titan như đã phân tích ở trên. Quan sát nhiễu xạ tia X mẫu 3 giờ nghiền hình 4.4, các đỉnh nhiễu xạ của nhơm khơng cịn, nhơm đã phản ứng hết nhưng vẫn còn các đỉnh nhiễu xạ của TiO2, TiO2 chưa phản ứng hết, một phần TiO2 chuyển biến từ anatas ban đầu sang rutile, nghiên cứu của P. Galizia [101] cũng có kết quả tương tự.
Với phối liệu theo tỉ lệ 7Al/3TiO2 của hệ vật liệu AlTi/Al2O3, lượng nhôm tham gia cả phản ứng 4.1 tạo titan nguyên tử và phản ứng 4.2 tạo pha Al3Ti, tuy nhiên phản ứng 4.1 có năng lượng tự do thấp hơn nên ưu tiên phản ứng xảy ra thuận lợi hơn. Phản ứng xảy ra cho đến khi hết nhơm, khi đó ngun tử titan được tạo ra dư sẽ phản ứng tiếp với Al3Ti để tạo pha mới AlTi theo phản ứng 4.3:
Al3Ti + 2Ti 3AlTi (4.3)
Về điều kiện nhiệt động học, phản ứng này xảy ra thuận lợi tạo pha AlTi (ở 750oC ∆G = -80,2 kJ/mol, mục 2.1) và cơ chế của nó được cho là nguyên tử titan khuếch tán vào mạng tinh thể của nhơm, vì AlTi có mạng tinh thể giống của nhôm – lập phương tâm mặt. Phản ứng xảy cho đến khi hết titan, khi đó tổ chức hợp kim bao gồm: Al2O3, AlTi và Al3Ti dư. Nếu còn dư nguyên tử titan, khi đó tổ chức hợp kim bao gồm: Al2O3, AlTi và Ti dư. Titan dư sẽ phản ứng tiếp với AlTi hình thành pha mới AlTi3 theo phản ứng 4.4:
AlTi + 2Ti AlTi3 (4.4)
Về điều kiện nhiệt động học, phản ứng này xảy ra thuận lợi tạo pha AlTi3 (ở 750oC ∆G = -38,5 kJ/mol, mục 2.1) và cơ chế của nó được cho là nhơm khuếch tán vào mạng tinh thể của titan, vì AlTi3 có mạng tinh thể giống của titan – lục giác xếp chặt. Phản ứng xảy ra cho đến khi hết nguyên tử titan và tổ chức hợp kim sẽ bao gồm: Al2O3, AlTi3 và AlTi dư. Nếu hết AlTi, khi đó hợp kim sẽ bao gồm: Al2O3, AlTi3 và Ti dư. Quan sát kết quả phân tích nhiễu xạ tia X hình 4.4, các pha Al2O3, AlTi3 và AlTi đã hình thành, khơng có đỉnh nhiễu xạ của titan. Như vậy, tại điều kiện nghiên cứu nguyên tử titan được tạo ra theo phản ứng 4.1 đã tham gia và phản ứng hết với AlTi để tạo pha AlTi3. Tuy nhiên, tại điều kiện thời gian nghiền còn thấp và thiêu kết ở nhiệt độ 750oC chưa đủ để phản ứng chế tạo hệ vật liệu AlTi/Al2O3 xảy ra hồn tồn, vẫn cịn thành phần của hỗn hợp ban đầu là TiO2.
Thông qua các kết quả nghiên cứu thấy rằng, các phản ứng 4.1, 4.2, 4.3, 4.4 xảy ra liên tục, kế tiếp nhau và đồng thời xảy ra. Tại điều kiện nghiên cứu chưa đáp ứng đủ điều kiện cần thiết để chế tạo hệ vật liệu AlTi/Al2O3 từ phản ứng của hỗn hợp 7Al/3TiO2. Al2O3 hình thành từ phản ứng hồn ngun TiO2 bởi Al (phản ứng 4.1), các pha Al-Ti chuyển biến từ dạng Al3Ti AlTi AlTi3 là quá trình thay thế dần các nguyên tử Al bằng các nguyên tử Ti. Pha AlTi là pha trung gian của pha Al3Ti và AlTi3 nên hệ vật liệu AlTi/Al2O3 có thành phần khó ổn định.
Nghiên cứu nhiễu xạ tia X hình 4.4, với hỗn hợp phối liệu theo tỉ lệ 5Al/3TiO2 của hệ vật liệu AlTi3/Al2O3 chỉ có các đỉnh nhiễu xạ của hỗn hợp ban đầu. Tại điều kiện nghiên cứu, lượng nhôm phối liệu của hệ vật liệu AlTi3/Al2O3 là ít nhất trong 3 hệ vật liệu, ngoài ra với thời gian nghiền ngắn, nhiệt độ thiêu kết chưa đủ cao để các phản ứng chế tạo hệ vật liệu này xảy ra. Về điều kiện nhiệt động học thì phản ứng chế tạo hệ vật liệu AlTi3/Al2O3 có năng lượng tự do Gibbs cao nhất (hình 2.1), do vậy tại cùng 1 điều kiện chế tạo 3 giờ nghiền, thiêu kết ở 750oC các pha Al-Ti, Al2O3 của hệ vật liệu AlTi3/Al2O3 chưa hình thành.