CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ COMPOZIT NỀN KIM LOẠI
1.2. HỢP KIM NHÔM TITAN
Một nỗ lực lớn đã được thực hiện hơn 20 năm để đưa hợp kim nhôm titan vào thị trường như một hợp chất kỹ thuật. Gần đây, hợp chất nền nhơm titan có khả năng cạnh tranh sử dụng trong lĩnh vực hàng khơng vũ trụ do tính chất đặc biệt của vật liệu, như là tỉ trọng thấp, độ bền cực cao và tương đối tốt tại nhiệt độ cao [5, 37, 38, 39, 40]. Thực tế, từ vài thập kỷ trước hợp chất đa kim nền nhôm của các kim loại chuyển tiếp như sắt, niken, niobi, titan và coban đã được đánh giá có tiềm năng là vật liệu cấu trúc nhiệt độ cao. Lượng nhôm được dùng trong hợp kim với titan lớn hơn khi được sử dụng trong hợp kim thơng thường, có thể nằm trong khoảng 10% đến 48%. Nồng độ như vậy cho phép tạo thành tại chỗ nhiều oxit nhơm đó là ngun nhân chống lại sự oxi hóa, sunfua hóa và cacbit hóa một cách tuyệt vời tại 1000oC và cao hơn nữa.
Tuy nhiên, tính giịn và tốc độ phát triển vết nứt tại nhiệt độ thấp đến trung bình gây cản trở cho những ứng dụng của chúng. Bằng cách làm nhỏ hạt hợp kim nhôm titan tới kích thước nano có thể tăng tính dẻo của chúng tại nhiệt độ phòng. Tuy nhiên, cấu trúc nano của khối hợp kim nhôm titan không ổn định tại nhiệt độ cao gây hỏng tính chất tại nhiệt độ cao. Việc cố gắng mở rộng phạm vi nghiên cứu, thí nghiệm và lý thuyết sẽ được ứng dụng để trả lời những câu hỏi này.
Nhôm là một kim loại mềm, nhẹ với tỷ trọng riêng của nhôm (2,7 g/cm3), nóng chảy ở nhiệt độ 660oC. Nhơm có kiểu mạng A1 rất dễ biến dạng dẻo. Titan là ngun tố có hai dạng thù hình: ở dưới nhiệt độ 882oC có mạng lục giác xếp chặt ký hiệu là Tiα, cao hơn nhiệt độ đó có mạng lập phương tâm khối ký hiệu là Tiβ. Xét trên tương quan về kiểu mạng, nhơm có khả năng tạo với titan dung dịch rắn thay thế, làm hóa bền titan nhưng không làm giảm độ dẻo và độ dai.
Trên giản đồ pha hệ Ti-Al (hình 1.10) có thể thấy các pha với tỷ lệ phần trăm nhôm tương ứng: pha γTiAl và pha α2 Ti3Al là một vùng rộng. Pha TiAl3 là một vùng hẹp.
Bảng 1.2. Tính chất vật lý hệ Ti-Al [41, 42, 43] Hợp chất Kiểu mạng tinh thể Thông số
mạng, nm Nhiệt độ nóngchảy, oC Tỉ trọng,g/cm3 Mơđun đàn hồi, GPa
TiAl3 DO22 (fcc) .a= 0,3840.c= 0,8596 1340 3,4 200
TiAl (γ) L10 (fcc) .a= 0,4005.c= 0,4070 1460 3,9 175
Ti3Al
(α2) DO19 (hcp) .a= 0,5782.c= 0,4629 1600 4,3 145
Al (fcc) .a= 0,4040 660 2,7 69
Ti (hcp) .a= 0,2960.c= 0,4720 1660 4,5 115
Hệ Al-Ti có nhiệt độ nóng chảy tương đối cao, khối lượng riêng nhẹ, có mơđun đàn hồi lớn. TiAl, TiAl3 có cấu trúc lập phương tâm mặt A1, Ti3Al có cấu trúc sáu phương xếp chặt A3, như hình 1.11.
Các nhóm hợp kim của nhơm và titan:
+ Nhóm hợp kim Alpha- 2
Liên kim Ti3Al, cịn gọi là α2, là hợp chất giàu titan nhất trong các pha Ti-Al, pha này khi làm nguội ở vùng nhiệt độ cao có chuyển biến từ trạng thái vơ trật tự sang trạng thái trật tự hóa α2 và tồn tại trong một khoảng nồng độ (22 – 39% nguyên tử Al), ở nhiệt độ thường [41] và có độ dão thấp. Hợp kim đầu tiên thuộc nhóm này là hợp kim CT5, được Kornilov I.I. cùng các cộng sự nghiên cứu [45]. Cấu trúc pha gồm hơn 95% pha α2 + ít hơn 5% pha β. Ưu điểm của hợp kim này là tỷ lệ các nguyên tố hợp kim nhỏ (giảm giá thành sản phẩm), độ bền riêng và độ bền nhiệt riêng cao.
Khối lượng Al, %
Nguyên tử Al, %
Hình 1.10. Giản đồ cân bằng pha hệ Ti-Al [41, 42, 43, 44]
N hi ệt đ ộ, o C
Nhưng do độ dẻo và độ dai va đập thấp ở nhiệt độ thường, tính cơng nghệ thấp đã gây khó khăn trong việc chế tạo các bán thành phẩm từ thỏi đúc. Cộng với tỷ lệ pha β thấp đã làm giảm khả năng chịu ăn mòn của vật liệu. Để tăng tỷ lệ pha β trong hợp
Hình 1.11. Cấu trúc tinh thể: (a) Al3Ti, (b) Al Ti3, (c) TiAl [41, 42, 43]
kim người ta tiến hành hợp kim hóa bằng Nb với tỷ lệ trên 10%. Và để tăng độ bền cho pha β này hợp kim hóa bằng các nguyên tố Mo, V, Zr và Si [46]. Những hợp kim thu được còn được gọi là hợp kim “super-alpha-2”.
+ Nhóm hợp kim γ.
Phụ thuộc vào hàm lượng nguyên tố Al hợp kim gamma được chia thành hợp kim một pha và hợp kim hai pha. Hợp kim gamma một pha chứa trên 51% Al có độ bền và độ dẻo không cao. Hợp kim gamma với hàm lượng Al nhỏ hơn 51% có cấu trúc hai pha. Pha thứ hai là AlTi3, hàm lượng của nó phụ thuộc vào hàm lượng Al chứa trong hợp kim (khoảng 5% khi hàm lượng Al trong hợp kim chiếm 50% và 25% khi hàm lượng Al bằng 47%). Vì vậy cấu trúc cũng như tính chất của hợp kim phụ thuộc rất mạnh vào hàm lượng Al chứa trong nó.
Thực nghiệm cho thấy, chỉ hợp kim đúc Ti-(47 ÷ 49)Al (% nguyên tử), cấu trúc bao gồm 10 ÷ 15% pha α2 , mới có được cơ tính tốt nhất (σB = 480 ÷ 520 MPa, δ = 2,5 ÷ 2,7%).
Ưu điểm của hợp kim gamma là khối lượng riêng nhỏ từ đó làm giảm khối lượng của chi tiết. Nhược điểm của hợp kim này là độ dẻo thấp, độ bền tại nhiệt độ thường cũng như tại nhiệt độ làm việc không cao. Từ hợp kim này có thể chế tạo các vật đúc như cánh tuốc bin, vỏ buồng nén khí của động cơ tuốc bin khí.
+ Nhóm hợp kim “орто”
Khi hợp kim hóa Ti3Al bằng Nb với hàm lượng trên 17% trong hợp kim sẽ xuất hiện một pha mới Ti2AlNb. Thực nghiệm cho thấy Ti2AlNb có nhiệt độ nóng chảy cao, hệ số dãn nở nhiệt thấp, độ bền, độ dẻo cao và tính cơng nghệ hơn hẳn pha Ti3Al. Tại nhiệt độ 650 ÷ 750oC modul đàn hồi giảm ít hơn so với pha Ti3Al. Nhược điểm của hợp kim này là khối lượng riêng lớn, công nghệ luyện kim phức tạp do chứa nhiều các ngun tố hợp kim khó nóng chảy [42].
Bảng 1.3. Tính chất của hợp kim biến dạng “орmо” [42] Mác hợp kim Nước sản xuất 200C 6500C ρ, kg/m3 σB, MPa E, GPa KIC δ,% σB, MPa σ100, MPa δ,% TiAl Nga 5100 950 171 40 8 800 280 17 22-23 Hoa Kỳ 5200 1150 129 35 5 880 340 14 22-20-3 TQ 5500 1110 14 996 10 22-20-3 Nhật 5350 1130 15 1030 10 22-25-2-0,5 Pháp 5600 1120 120 40 8 850 350 16