1. .6 Hiệu ng t nhiệ tt nhi ngu i nhanh nền int và Ni-Zr
CHƯƠN G THỰC NGHIỆM 1 Phương há ch tạo u
.1.1. Tạo h i an đ u
Trong quá trình làm thực nghiệm, chúng tôi dùng các nguyên tố Fe, Ni, Zr có độ sạch cao trên , để chế tạo nên hợp kim e90-xNixZr10 (x = 0; 5; 10; 15; 20; 25). Các phối liệu được cân theo đúng thành phần đã định theo nồng độ phần trăm nguyên tử, sau đó được nấu chảy b ng lò hồ quang để tạo ra các tiền hợp kim. Để chắc chắn r ng các hợp phần ban đầu được xác định chính xác, các hợp kim sau khi nấu được cân lại. Kết quả cho thấy r ng sự sai khác nhỏ hơn 1/1000 so với khối lượng hợp phần trước khi nấu. Như vậy có thể nói tiền hợp kim thu được có thành phần đúng theo nồng độ phần trăm nguyên tử.
Hình 2.1. Sơ đồ khối của hệ nấu mẫu bằng hồ quang.
Toàn bộ quá trình chế tạo tiền hợp kim được thực hiện trong khí trơ r để tránh sự oxy hoá. Các bước chế tạo tiền hợp kim diễn ra như sau:
* Làm sạch lò, sắp xếp kim loại vào lò:
Trước và sau mỗi lần nấu, lò hồ quang được làm sạch. Việc làm sạch đảm bảo trong lò không còn các mảnh kim loại ho c hợp kim trong mẻ nấu
42
trước tồn lại. Không còn b i, muội của hơi kim loại bám trên lò. Sau mỗi mẻ nấu, tháo đầu của điện cực hồ quang để làm sạch và mài nhọn, điều đó giúp cho việc tập trung tia hồ quang.
Sau khi làm sạch lò, đ t viên Titan vào một nồi trong lò, xếp kim loại của hợp kim cần nấu vào các nồi khác. Không nấu các hợp kim khác nhau trong cùng một mẻ nấu.
Sau khi xếp kim loại vào lò, đậy nắp lò và siết ch t đai ốc của nắp lò.
* Tạo môi trường khí trơ cho lò nấu:
Quá trình này được chia làm hai bước.
Bước 1: hệ thống nước làm mát, bật nguồn điện cho hệ bơm chân không.
Hệ bơm chân không gồm bơm sơ cấp bơm cơ học và bơm thứ cấp bơm dầu . Nguyên tắc hoạt động của bơm dầu dựa trên cơ s sự bay hơi của dầu cuốn theo các phân tử khí vì vậy trong khi hoạt động bơm thứ cấp toả nhiệt mạnh. Để làm mát cho bơm người ta cho một dòng nước chảy qua vỏ bơm trong quá trình bơm hoạt động. Vì bơm hoạt động cần sự làm nóng dầu, nên thông thường cần bật bơm khoảng 1 phút trước khi hút khí.
Bước 2: Hút chân không buồng tạo mẫu: - Kiểm tra các van của hệ thống.
- Bật bơm cơ học, hút chân không sơ cấp cho lò nấu, khi áp suất trong lò ~10-2 Torr, chuyển cần gạt để bơm thứ cấp tiếp t c hút chân không cho lò, chân không cần đạt tới 10-3 10-5 Torr.
- Đóng van hút, m van xả khí Ar vào buồng tạo mẫu, khi áp suất ~ 0,7- 0, at thì đóng van xả khí r, sau đó l p lại quá trình hút khí trên. Thực hiện hút và xả khí Ar vài lần để tạo môi trường khí trơ tốt. Trong quá trình hút khí cần siết ch t các đai ốc giữ nắp của lò nấu.
43
- Xả khí Ar vào buồng tạo mẫu để chuẩn bị nấu mẫu, để áp suất trong lò nấu ~ 1,2 at để tránh sự thẩm thấu không khí từ bên ngoài tr lại buồng tạo mẫu trong quá trình nấu mẫu.
* Nấu hợp kim:
- Bật nguồn và hệ thống nước làm mát cho hệ nấu hồ quang.
- Nấu chảy viên Titan. Việc nấu viên Ti có tác d ng thu và khử các chất khí có thể gây ra quá trình oxi hoá. Độ sáng của viên Titan phản ánh môi trường khí trơ trong lò. Nếu viên Titan sáng môi trường khí là tốt, viên Titan xám môi trường khí không tốt. Khi đó cần dừng việc nấu hợp kim và hút xả lại khí trong lò nấu để môi trường khí trơ đạt yêu cầu.
- Tiến hành nấu mẫu nhiều lần thường khoảng 5 lần, mỗi lần nấu ~ 1 phút), sau mỗi lần nấu thì lật mẫu để tạo sự đồng đều cho hợp kim. Quá trình nấu không thực hiện liên t c mà sau mỗi lần nấu cần có thời gian nghỉ để cho lò nấu không quá nóng.
* Lấy hợp kim và bảo quản:
Sau khi nấu xong hợp kim, để cho mẫu và lò nguội, hút khí trong lò để m chốt nắp lò, sau đó xả khí để m lò và lấy mẫu. ẫu lấy ra được bảo quản trong môi trường chân không.
Các tiền hợp kim sau đó được sử d ng để tạo các mẫu nghiên cứu b ng phương pháp phun băng nguội nhanh.
.1. . Tạo ăng ngu i nhanh
Phương pháp nguội nhanh thường được dùng để tạo hợp kim vô định hình. Nguyên tắc chung là dùng một môi trường lạnh thu nhanh nhiệt của hợp kim nóng chảy, do bị làm nguội nhanh hợp kim vẫn giữ nguyên trạng thái cấu trúc như chất lỏng VĐH . Phương pháp ph biến hiện nay là phun hợp kim nóng chảy lên tang của một trống đồng quay nhanh, sơ đồ khối được mô tả
44
trên hình 2.2. Theo đó, hợp kim ban đầu được đựng trong ống thạch anh có vòi phun và được nấu chảy b ng dòng cảm ứng cao tần.
Hình 2.2. Sơ đồ khối của hệ phun băng nguội nhanh.
Hợp kim lỏng được nén b i áp lực của dòng khí trơ r và chảy qua khe vòi, phun lên m t trống đồng đang quay. Giọt hợp kim lỏng được giàn mỏng và bám trên m t trống đồng trong khoảng thời gian t, trong khoảng thời gian này nhiệt độ hợp kim giảm từ nhiệt độ nóng chảy 1 00 K xuống nhiệt độ phòng, tức là T 103 K.Tốc độ nguội được tính b ng công thức = T/t. Tốc độ làm nguội hợp kim được thay đ i b ng cách thay đ i tốc độ quay của trống đồng. Hợp kim lỏng bị đông cứng lại khi tiếp xúc với trống đồng, sau đó văng ra khỏi m t trống. Trong trường hợp hợp kim có chứa nguyên tố đất hiếm ho c các nguyên tố dễ bị oxy hoá, quá trình tạo băng phải được thực hiện trong môi trường chân không cao ho c nạp khí trơ r, He... để bảo vệ.
Hợp kim có thể được tiếp t c làm nguội b i khí trong buồng phun và thành buồng. B ng cách này có thể làm nguội hợp kim nóng chảy với tốc độ
45
từ 105
K/s đến 106 K/s. Nếu tốc độ làm nguội lớn, tức là tốc độ quay của trống đồng đủ lớn, các mẫu băng có cấu trúc vô định hình hoàn toàn. Nếu tốc độ quay của trống đồng không đủ lớn thì mẫu băng s bị kết tinh một phần ho c hoàn toàn.
Trong luận văn này, băng nguội nhanh được tạo b ng thiết bị ZGK-1 (hình 2.3) đ t tại Phòng thí nghiệm trọng điểm thuộc Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, thiết bị này bao gồm máy hút chân không 1 , chuông làm việc 2 và nguồn phát cao tần 3 . Hình 2.3b là ảnh các bộ phận trong chuông, bao gồm trống quay , vòng cao tần và ống thạch anh có đầu vòi để phun hợp kim nóng chảy 6 .
Thiết bị có các tham số chính sau [ ]: - Công suất điện: 2 k .
- ức chân không trong trạng thái làm việc: 6,6.10-2 Pa. - Vận tốc dài của trống quay: -48 m/s.
- Khối lượng hợp kim tối đa mỗi lần phun: 100 gr.
- Trống quay được làm b ng hợp kim Cu/Cr, đường kính 300 mm. Hợp kim phối liệu sau khi tạo ra được đánh sạch xỉ rồi cho vào ống thạch anh có đầu vòi đường kính khoảng 0, mm, trước khi sử d ng ống thạch anh được làm sạch b ng aceton ho c cồn. Khoảng cách giữa đầu vòi và m t trống quay là một yếu tố ảnh hư ng đến độ dày, độ rộng của băng do đó ảnh hư ng lên tính chất của băng nguội nhanh, thường khoảng cách này được chọn trong khoảng 1-10 mm. Trong một số trường hợp để hợp kim nóng chảy có thể phun lên m t trống đồng cần phải đẩy b ng dòng khí trơ từ phía sau ống, do đó phải chú ý đóng m van xả khí này trong quá trình hút chân không và bơm khí trơ vào chuông để tránh không khí còn trong ống dẫn. Tùy thuộc vào tốc độ quay của trống và loại vật liệu, băng nguội nhanh có độ dày từ 20
46
chúng tôi chế tạo các mẫu băng với cùng một vận tốc trống quay là v = 20 và 40 m/s.
. . Ph n t ch c u t c ng hương há nhiễu ạ tia X
Nhiễu xạ tia X X D – X-ray Diffraction là một trong những phương pháp hiệu quả và được sử d ng rộng rãi nhất trong nghiên cứu cấu trúc tinh thể của vật liệu. Nguyên lý của phương pháp dựa trên việc phân tích các ảnh nhiễu xạ thu được của tia X sau khi tương tác với mẫu.
Xét sự phản xạ của một chùm tia X trên hai m t ph ng mạng song song và gần nhau nhất với khoảng cách d. Tia X có năng lượng cao nên có khả năng xuyên sâu vào vật liệu và gây ra phản xạ trên nhiều m t ph ng mạng tinh thể sâu phía dưới.
Hình 2.3. (a) Ảnh toàn bộ thiết bị phun băng nguội nhanh: (1) hệ chân không, (2) buồng tạo băng, (3) hộp điều khiển, (b) ảnh bên trong buồng tạo băng: (4) trống đồng, (5) cuộn cao tần, (6) ống thạch anh.
47
Từ hình v ta thấy hiệu quang trình giữa hai phản xạ 1’ và 2’ từ hai m t ph ng liên tiếp b ng 2dsin. Điều kiện để có hiện tượng nhiễu xạ được đưa ra b i phương trình Bragg:
2dsin = n (2.1)
Từ phương trình 2.1 ta thấy nhiễu xạ của mỗi mẫu s thể hiện các đ c trưng cơ bản của tinh thể mẫu đó. Qua giản đồ nhiễu xạ tia X ta có thể xác định được các đ c tính cấu trúc của mạng tinh thể như kiểu mạng, thành phần pha tinh thể, độ kết tinh, các h ng số cấu trúc. t khác, nhờ độ bán rộng của các đỉnh nhiễu xạ ta có thể tính được gần đúng kích thước hạt tinh thể trong mạng b ng công thức Scherrer: D = 0,9 os( ) c (2.2)
Trong đó: là bước sóng kích thích của tia X ( = 0,5406 A0). là góc nhiễu xạ Bragg.
rad là độ bán rộng của đỉnh nhiễu xạ.
48
Hình 2.5. Thiết bị Siemen D-5000.
Các phép đo và phân tích nhiễu xạ tia X được thực hiện trên thiết bị Siemens D- 000 với bức xạ Cu-K đ t tại phòng phân tích cấu trúc tia X thuộc Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam hình 2.5).
. . h o át t nh ch t t t n hệ t u ung (VSM)
Các phép đo từ độ ph thuộc nhiệt độ và phép đo đường cong từ hóa đ ng nhiệt được thực hiện trên hệ đo từ kế mẫu rung VS của Phòng Vật lý Vật liệu Từ và Siêu dẫn thuộc Viện Khoa học Vật liệu - Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Thiết bị này có độ nhạy cỡ 10-4
emu và có thể hoạt động trong khoảng từ trường từ -13 đến 13 kOe và trong khoảng nhiệt độ từ đến 1000 K. Độ nhậy và các sai số về từ trường và nhiệt của hệ đo này đảm bảo được yêu cầu cho các nghiên cứu của chúng tôi. Các mẫu đo được gắn chắc với bình đựng mẫu để tránh sự dao động của mẫu trong quá trình đo. Quá trình đo từ độ nhiệt độ cao được thực hiện trong môi trường khí trơ. Sơ đồ nguyên lý của từ kế mẫu rung được biểu diễn trên hình 2. với các bộ phận chính sau: 1 màng rung điện động; 2 giá đỡ hình nón; 3 mẫu so sánh; cuộn dây thu tín hiệu so sánh, mẫu đo, cuộn dây thu tín hiệu đo, các cực nam châm.
49
Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý và ảnh chụp của hệ từ kế mẫu rung (VSM)
Hệ VS hoạt động dựa vào sự thay đ i từ thông trong các cuộn dây thu đ t gần mẫu khi mẫu dao động với tần số xác định theo một phương cố định nhờ một màng rung điện động. Suất điện động cảm ứng xuất hiện trong các cuộn dây thu là do sự thay đ i khoảng cách tương đối giữa mẫu đo và cuộn dây do mẫu dao động. Biểu thức của suất điện động cảm ứng:
e = MAG(r)cos(t) (2.3)
Trong đó , và lần lượt là mômen từ, tần số và biên độ dao động của mẫu; G r là hàm độ nhạy ph thuộc vào vị trí đ t mẫu so với cuộn dây thu và cấu hình các cuộn thu. Tín hiệu thu được từ các cuộn dây được khuếch đại b ng bộ khuếch đại lọc lựa tần số nhạy pha trước khi đi đến bộ xử lý để hiển thị kết quả.
Từ phép đo từ độ ph thuộc nhiệt độ, ta xác định được nhiệt độ chuyển pha Curie (TC của vật liệu. Từ kết quả đo các đường cong từ hóa đ ng nhiệt
50
tại các nhiệt độ khác nhau trong vùng lân cận của chuyển pha TC, ta có thể tính được biến thiên entropy từ ph thuộc vào nhiệt độ [1, 10].
51
CHƯƠNG : ẾT Ả À THẢO L ẬN .1. C u t c c a ăng h i