Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật vật liệu: Nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu compozit nền Al-Ti cốt hạt Al2O3 in-situ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:128

Thêm vào BST

Báo xấu

17
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật vật liệu "Nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu compozit nền Al-Ti cốt hạt Al2O3 in-situ" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về compozit nền kim loại; Cơ sở lý thuyết chế tạo compozit nền Al-Ti cốt hạt Al2O3 in-situ.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật vật liệu: Nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu compozit nền Al-Ti cốt hạt Al2O3 in-situ

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Luận án này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân, được sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Trần Đức Huy và TS Trần Viết Thường. Các số liệu, những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án này là trung thực và chưa từng được tác giả khác công bố dưới bất cứ hình thức nào. Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình. Hà Nội, ngày 22 tháng 12 năm 2021 Giáo viên hướng dẫn 1 Giáo viên hướng dẫn 2 Nghiên cứu sinh PGS.TS. Trần Đức Huy TS. Trần Viết Thường Đỗ Thanh Bình i
LỜI CẢM ƠN Tôi muốn gửi lời cảm ơn đặc biệt sâu sắc và chân thành tới các thầy hướng dẫn là PGS. TS Trần Đức Huy và TS Trần Viết Thường đã tận tình trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo, đưa ra những lời khuyên bổ ích, những định hướng khoa học quý báu để tôi có thể triển khai và hoàn thành công việc nghiên cứu của mình. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Khoa học và Kỹ thuật vật liệu đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập tại trường. Tôi xin chân thành cảm ơn tới các thầy trong bộ môn Vật liệu và Công nghệ đúc, nơi tôi làm nghiên cứu sinh đã nhiệt tình giúp đỡ và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu. Tôi xin gửi lời cảm ơn tới Ban Giám hiệu và các thầy cô Trường Cao đẳng Cơ khí Luyện kim đã động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian học tập tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Đồng thời tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn các thầy cô, các nhà khoa học, các đồng nghiệp và bạn bè thân hữu đã động viên giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu. Cuối cùng tôi xin được nói lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, chỗ dựa tinh thần và sẻ chia, giúp tôi vượt qua mọi trở ngại khó khăn để hoàn thành luận án. Hà Nội, ngày 22 tháng 12 năm 2021 Nghiên cứu sinh Đỗ Thanh Bình ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ I LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................II DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................... V DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ............................................................... VI DANH MỤC CÁC BẢNG ....................................................................................... IX LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ COMPOZIT NỀN KIM LOẠI.............................. 4 1.1. COMPOZIT NỀN KIM LOẠI ........................................................................ 4 1.1.1. Khái quát về compozit ............................................................................. 4 1.1.2. Khái niệm về compozit nền kim loại. ...................................................... 5 1.1.3. Tính chất của MMCs................................................................................ 7 1.1.4. Chế tạo MMCs ....................................................................................... 10 1.2. HỢP KIM NHÔM TITAN. ........................................................................... 15 1.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ COMPOZIT NỀN Al-Ti ......................... 18 1.3.1. Nghiên cứu ngoài nước .......................................................................... 18 1.3.2. Nghiên cứu trong nước .......................................................................... 21 1.4. ỨNG DỤNG CỦA COMPOZIT NỀN Al-Ti ............................................... 22 CHƯƠNG 2: ............................................................................................................. 24 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHẾ TẠO COMPOZIT NỀN AL-TI ................................... 24 2.1. NHIỆT ĐỘNG HỌC ..................................................................................... 24 2.2. CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO ............................................................................. 26 2.2.1. Nghiền trộn cơ học. ................................................................................ 26 2.2.2. Tạo hình vật liệu compozit..................................................................... 32 2.2.3. Nguyên lý quá trình thiêu kết .................................................................... 35 CHƯƠNG 3. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......................... 40 3.1. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ......................................................................... 40 3.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................. 40 3.2.1. Quy trình nghiên cứu ............................................................................. 40 3.2.2. Nguyên vật liệu ...................................................................................... 41 3.2.3. Kỹ thuật chế tạo ..................................................................................... 43 3.2.4. Thiết bị nghiên cứu ................................................................................ 44 3.2.5. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................... 46 CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................... 51 4.1. ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN NGHIỀN ............................................... 51 4.1.1. Compozit Al-Ti/Al2O3 1 giờ nghiền ...................................................... 54 4.1.2. Compozit Al-Ti/Al2O3 3 giờ nghiền ...................................................... 55 4.1.3. Compozit Al-Ti/Al2O3 5 giờ nghiền ...................................................... 58 4.2. ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ THIÊU KẾT............................................ 61 4.2.1. Compozit Al-Ti/Al2O3 thiêu kết ở 650oC .............................................. 61 4.2.2. Compozit Al-Ti/Al2O3 thiêu kết ở 850oC .............................................. 64 4.2.3. Chế tạo compozit nền AlTi cốt hạt Al2O3 in-situ .................................. 68 4.2.4. Chế tạo compozit nền AlTi3 cốt hạt Al2O3 in-situ ................................. 70 4.3. CƠ TÍNH CỦA VẬT LIỆU .......................................................................... 77 4.3.1. Độ xốp của vật liệu ................................................................................ 77 4.3.2. Độ cứng của vật liệu .............................................................................. 82 iii
4.3.3. Độ dai phá hủy của vật liệu.................................................................... 85 4.4. CẢI THIỆN CƠ TÍNH CỦA COMPOZIT NỀN AlTi3 CỐT HẠT Al2O3 ... 90 4.4.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ thiêu kết .......................................................... 91 4.4.2. Ảnh hưởng của thời gian titan bổ sung .................................................. 91 4.4.3. Ảnh hưởng của lượng titan bổ sung ....................................................... 91 4.4.4. Cơ tính của vật liệu khi bổ sung titan .................................................... 92 4.5. ĐỘ CỨNG CỦA COMPOZIT AlTi3/Al2O3 Ở NHIỆT ĐỘ CAO. ............... 93 KẾT LUẬN .............................................................................................................. 98 KIẾN NGHỊ .............................................................................................................. 99 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ................. 106 PHỤ LỤC .................................................................................................................... I iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Compozit Vật liệu tổ hợp DRA Compozit cốt sợi nhôm không liên tục (Discontinuously Reinforced Al) DRTi Compozit cốt sợi titan không liên tục (Discontinuously Reinforced Ti) DTA Nhiệt vi sai (Differential Thermal Analysis) E Mô đun đàn hồi, Pa EDS Phổ phân tán năng lượng tia X (Energy Dispersive Spectrometry) HV Độ cứng Vickers (Vickers Hardness) HVĐTQ Hiển vi điện tử quét HVQH Hiển vi quang học lptm Lập phương tâm mặt lgxc Lục giác xếp chặt MA Hợp kim hóa cơ học (Mechanical Alloying) MM Nghiền cơ học (Mechanical Milling) MMCs Compozit nền kim loại (Metal Matrix Composite) NMMCs Nano compozit nền kim loại (Nano Metal Matrix Composite) PL Phụ lục SEM Hiển vi điện tử quét/HVĐTQ (Scanning Electron Microscopy) SHS Self-propagating high-temperature synthesis (phương pháp phản ứng tự lan truyền) SPS Thiêu kết xung plasma (Spark Plasma Sintering) XRD Nhiễu xạ tia X (X-Ray Diffraction)  Hệ số giãn nở nhiệt  Mật độ, g/cm3  Hệ số dẫn nhiệt, W/m.độ v
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Tính chất vật lý và cơ học của vật liệu compozit so với 2 hợp kim 5 thường được sử dụng là nhôm và thép [7]. Hình 1.2. Các loại vật liệu composite nền kim loại hay sử dụng [7]. 6 Hình 1.3. Độ cứng riêng so với độ bền riêng của vật liệu kết cấu [12]. 7 Hình 1.4. Mặt cắt thể hiện sự gia cường chọn lọc ống lót xilanh nhôm đúc MMC 8 [12] Hình 1.5. Quan hệ của khả năng chống lại các biến dạng cơ học và nhiệt biến 9 dạng của một số vật liệu [16]. Hình 1.6. Sơ đồ công nghệ chế tạo vật liệu MMCs [11, 12]. 10 Hình 1.7. Quy trình công nghệ luyện kim bột [25]. 11 Hình 1.8. Sơ đồ công nghệ phương pháp đúc khuấy [25, 33]. 13 Hình 1.9. Sơ đồ công nghệ phương pháp đúc thẩm thấu [25]. 14 Hình 1.10. Giản đồ cân bằng pha hệ Ti-Al [41, 42, 43, 44]. 16 Hình 1.11. Cấu trúc tinh thể: (a) TiAl3, (b) Ti3Al, (c) TiAl [41, 42, 43]. 17 Hình 2.1. Giản đồ sự phụ thuộc năng lượng tự do vào nhiệt độ [80, 82, 83, 84, 25 85]. Hình 2.2. Sự va chạm của bi nghiền - hỗn hợp bột - bi nghiền trong quá trình 27 nghiền trộn cơ học [89, 90]. Hình 2.3. Mối quan hệ giữa độ bền liên kết và sức căng biến dạng [90]. 28 Hình 2.4. Các giai đoạn quá trình nghiền trộn cơ học vật liệu dẻo - dẻo [90]. 29 Hình 2.5. Các giai đoạn quá trình nghiền trộn cơ học vật liệu dẻo – dòn [90]. 29 Hình 2.6. Sơ đồ khuôn ép [25]. 32 Hình 2.7. Các giai đoạn ép vật liệu bột [25]. 33 Hình 2.8. Đường cong biến đổi mật độ vật liệu bột và compozit hạt trong quá 33 trình ép tạo hình [25]. Hình 2.9. Sơ đồ nguyên lý bề mặt tiếp xúc của hỗn hợp vật liệu bột trước (a) và 35 sau thiêu kết (b). Hình 2.10. Các hiện tượng xảy ra dưới tác động của động lực thiêu kết [75]. 36 Hình 3.1. Sơ đồ công nghệ chế tạo compozit nền Al-Ti cốt hạt Al2O3 in-situ. 41 Hình 3.2. Ảnh HVĐTQ của bột nhôm. 42 Hình 3.3. Ảnh HVĐTQ của bột titan điôxit. 42 Hình 3.4. Khuôn ép mẫu và mẫu sau ép. 43 Hình 3.5. Giản đồ thiêu kết mẫu compozit nền Al-Ti cốt hạt Al2O3 in-situ. 44 Hình 3.6. Máy nghiền hành tinh NQM – 4. 45 Hình 3.7. Tang và bi nghiền. 45 Hình 3.8. Máy ép thủy lực. 45 Hình 3.9. Lò nung Lenton. 45 Hình 3.10. Nhiễu xạ kế tia X Rigaku, Smart Lab. 46 Hình 3.11. Thiết bị phân tích tổ chức bằng hiển vi quang học. 47 Hình 3.12. HVĐTQ, JSM7001FD. 47 vi
Hình 3.13. Thiết bị đo độ cứng HV (Vickers HMV-1 tester). 48 Hình 3.14. Cân phân tích. 49 Hình 4.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X hỗn hợp bột sau nghiền của hệ vật liệu 52 AlTi3/Al2O3. Hình 4.2. Ảnh HVĐTQ hỗn hợp với thời gian nghiền khác nhau của hệ vật liệu 53 AlTi3/Al2O3. Hình 4.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X compozit 1 giờ nghiền, thiêu kết ở 750oC. 54 Hình 4.4. Giản đồ nhiễu xạ tia X compozit 3 giờ nghiền, thiêu kết ở 750oC. 56 Hình 4.5. Ảnh HVĐTQ hệ vật liệu Al3Ti/Al2O3 3 giờ nghiền, thiêu kết 750oC. 56 Hình 4.6. Bản đồ phổ phân tán năng lượng tia X hệ vật liệu Al3Ti/Al2O3 3 giờ 57 nghiền, thiêu kết ở 750oC. Hình 4.7. Giản đồ nhiễu xạ tia X compozit 5 giờ nghiền, thiêu kết ở 750oC. 59 Hình 4.8. Ảnh HVĐTQ hệ vật liệu Al3Ti/Al2O3 5 giờ nghiền, thiêu kết 750oC. 59 Hình 4.9. Bản đồ phổ phân tán năng lượng tia X hệ vật liệu Al3Ti/Al2O3 5 giờ 60 nghiền, thiêu kết ở 750oC. Hình 4.10. Giản đồ nhiễu xạ tia X compozit 5 giờ nghiền, thiêu kết ở 650oC. 62 Hình 4.11. Ảnh HVĐTQ hệ vật liệu Al3Ti/Al2O3 5 giờ nghiền, thiêu kết 650oC. 63 Hình 4.12. Bản đồ phổ phân tán năng lượng tia X hệ vật liệu Al3Ti/Al2O3 5 giờ 63 nghiền, thiêu kết ở 650oC. Hình 4.13. Giản đồ nhiễu xạ tia X compozit 5 giờ nghiền, thiêu kết ở 850oC. 64 Hình 4.14. Ảnh HVĐTQ hệ vật liệu Al3Ti/Al2O3 5 giờ nghiền, thiêu kết 850oC. 65 Hình 4.15. Bản đồ phổ phân tán năng lượng tia X hệ vật liệu Al3Ti/Al2O3 5 giờ 65 nghiền, thiêu kết ở 850oC Hình 4.16. Ảnh HVĐTQ hệ vật liệu AlTi3/Al2O3 5 giờ nghiền, thiêu kết 850oC. 66 Hình 4.17. Bản đồ phổ phân tán năng lượng tia X hệ vật liệu AlTi3/Al2O3 5 giờ 67 nghiền, thiêu kết ở 850oC. Hình 4.18. Ảnh HVĐTQ hệ vật liệu Al3Ti/Al2O3. 67 Hình 4.19. Giản đồ nhiễu xạ tia X hệ vật liệu AlTi/Al2O3 7 giờ nghiền. 68 Hình 4.20. Ảnh HVĐTQ hệ vật liệu AlTi/Al2O3 7 giờ nghiền, thiêu kết 850oC. 69 Hình 4.21. Phổ phân tán năng lượng tia X hệ vật liệu AlTi/Al2O3 7 giờ nghiền, 70 thiêu kết ở 850oC. Hình 4.22. Giản đồ nhiễu xạ tia X hệ vật liệu AlTi3/Al2O3 6 giờ nghiền. 71 Hình 4.23. Ảnh HVĐTQ mẫu AlTi3/Al2O3 6 giờ nghiền và thiêu kết ở 650oC. 72 Hình 4.24. Bản đồ phổ phân tán năng lượng tia X hệ vật liệu AlTi3/Al2O3 6 giờ 72 nghiền và thiêu kết ở ở 650oC. Hình 4.25. Ảnh HVĐTQ hệ vật liệu AlTi3/Al2O3 6 giờ nghiền và thiêu kết ở 73 750oC. Hình 4.26. Bản đồ phổ phân tán năng lượng tia X hệ vật liệu AlTi3/Al2O3 6 giờ 74 nghiền và thiêu kết ở 750oC. Hình 4.27. Ảnh HVĐTQ hệ vật liệu AlTi3/Al2O3 6 giờ nghiền và thiêu kết ở 74 850oC. Hình 4.28. Giản đồ nhiễu xạ tia X hệ vật liệu AlTi3/Al2O3 8 giờ nghiền. 75 vii
Hình 4.29. Bản đồ phổ phân tán năng lượng tia X mẫu AlTi3/Al2O3 8 giờ nghiền 75 và thiêu kết ở 750oC. Hình 4.30. Bản đồ phổ phân tán năng lượng tia X hệ vật liệu AlTi3/Al2O3 8 giờ 76 nghiền và thiêu kết ở 850oC. Hình 4.31. Ảnh HVĐTQ hệ vật liệu AlTi3/Al2O3 nghiền 8 giờ. 76 Hình 4.32. Ảnh HVĐTQ hệ vật liệu AlTi3/Al2O3. 77 Hình 4.33. Mối quan hệ giữa độ xốp và thời gian nghiền của compozit Al- 78 Ti/Al2O3. Hình 4.34. Ảnh HVĐTQ rỗ khí hệ vật liệu Al3Ti/Al2O3 3 giờ nghiền, thiêu kết ở 79 750oC. Hình 4.35. Mối quan hệ giữa độ xốp và nhiệt độ thiêu kết của compozit Al- 80 Ti/Al2O3. Hình 4.36. Ảnh HVĐTQ vết lõm do mũi đâm tạo ra khi đo độ cứng của compozit 82 Al-Ti/Al2O3. Hình 4.37. Mối quan hệ giữa độ cứng và thời gian nghiền của compozit Al- 83 Ti/Al2O3. Hình 4.38. Mối quan hệ giữa độ cứng và nhiệt độ thiêu kết của compozit Al- 84 Ti/Al2O3. Hình 4.39. Ảnh HVĐTQ vết nứt do mũi đâm tạo ra khi đo độ dai phá hủy của 85 compozit Al-Ti/Al2O3. Hình 4.40. Ảnh hưởng của thời gian nghiền đến độ dai phá hủy của compozit 86 Al-Ti/Al2O3. Hình 4.41. Ảnh HVĐTQ vết nứt do mũi đâm tạo ra khi đo độ dai phá hủy của 87 hệ vật liệu Al3Ti/Al2O3 5 giờ nghiền, thiêu kết ở 750oC. Hình 4.42. Ảnh HVĐTQ sự lan truyền vết nứt của hệ vật liệu Al3Ti/Al2O3 5 giờ 88 nghiền, thiêu kết ở 750oC. Hình 4.43. Ảnh hưởng của nhiệt độ thiêu kết đến độ dai phá hủy của compozit 89 Al-Ti/Al2O3. Hình 4.44. Giản đồ độ cứng của vật liệu có bổ sung titan. 92 Hình 4.45. Ảnh HVĐTQ của hệ vật liệu AlTi3/Al2O3 8 giờ nghiền, thiêu kết ở 93 850oC . Hình 4.46. Ảnh mũi đâm đo độ cứng Vicker ở nhiệt độ cao của hệ vật liệu 94 AlTi3/Al2O3. Hình 4.47. Giản đồ mối quan hệ giữa độ cứng và nhiệt độ đo của hệ vật liệu 94 AlTi3/Al2O3 8 giờ nghiền, thiêu kết ở 850oC. Hình 4.48. Giản đồ mối quan hệ giữa độ cứng và nhiệt độ đo. 95 viii
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Tính chất vật lý, cơ học của hợp kim titan và Ti-MMC [7]. 7 Bảng 1.2. Tính chất vật lý hệ Ti-Al [41, 42, 43]. 16 Bảng 1.3. Tính chất của hợp kim biến dạng “орmо” [42]. 17 Bảng 2.1. Năng lượng tự do của các phản ứng theo nhiệt độ. 24 Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật của bột nhôm. 41 Bảng 3.2. Thông số kỹ thuật của bột TiO2. 42 Bảng 3.3. Thành phần phối liệu của hỗn hợp theo các phản ứng 43 Bảng 4.1. Bảng thông số công nghệ chế tạo compozit nền Al-Ti cốt hạt Al2O3 90 in-situ. ix
LỜI MỞ ĐẦU 1. Lý do lựa chọn đề tài Cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ nói chung, khoa học công nghệ vật liệu cũng có sự phát triển mạnh mẽ. Bởi lẽ, vật liệu là một yếu tố thiết yếu quyết định sự phát triển công nghiệp mọi quốc gia. Công nghiệp càng phát triển, yêu cầu về chất lượng vật liệu càng cao, trình độ công nghệ sản xuất vật liệu càng hiện đại. Vì vậy, khoa học và công nghệ cần liên tục đổi mới, tiếp thu và sáng tạo các phương pháp công nghệ mới tiên tiến, hiện đại một cách kịp thời nhằm góp phần tích cực, có hiệu quả vào sự nghiệp Công nghiệp hoá, Hiện đại hoá đất nước, đồng thời hội nhập từng bước với các nước trong khu vực và trên thế giới. Sự đổi mới công nghệ, trong đó có sự phát triển công nghệ vật liệu, là một đòi hỏi khách quan trước yêu cầu phát triển của nền kinh tế - xã hội Việt Nam. Trước thực tế đó, trong lĩnh vực công nghệ vật liệu, bên cạnh các công nghệ truyền thống cần phải phát triển các công nghệ mới nhằm chế tạo các vật liệu có những tính chất đặc biệt, có khả năng đảm bảo tính ổn định cho các thiết bị máy móc hiện đại làm việc trong điều kiện khắc nghiệt. Như một quy luật tất yếu, nhiều loại vật liệu mới đã ra đời. Vật liệu compozit ra đời cũng trong xu hướng phát triển đó và ngày càng có vị trí quan trọng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp của nền kinh tế quốc dân và quốc phòng. Compozit đã kết hợp được nhiều tính chất ưu việt của các loại vật liệu khác hoặc tạo ra những tính chất hoàn toàn mới có khả năng thỏa mãn yêu cầu rất đa dạng và phong phú của nền công nghiệp phát triển hiện nay cũng như trong tương lai với các tính năng đặc biệt như: độ bền cao, tỉ trọng thấp, chịu mài mòn, làm việc trong điều kiện áp suất, nhiệt độ cao và một số tính năng khác mà vật liệu truyền thống không có được. Do đó, compozit nói chung và vật liệu compozit nền kim loại nói riêng ngày càng thu hút được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu, nhà sản xuất và được ứng dụng rộng rãi để thay thế dần vật liệu truyền thống trong nhiều lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân hiện nay. Compozit trên cơ sở nền pha Al-Ti mang lại cho vật liệu các tính chất đặc trưng như độ cứng vững cao, tỉ trọng thấp, khả năng chống oxi hóa và độ bền được cải thiện mạnh… cùng với đó là sự có mặt của cốt hạt tăng bền Al2O3 đang là hướng nghiên cứu rất có triển vọng ứng dụng trong các ngành công nghiệp tiên tiến hiện nay như hàng không, ô tô, y sinh... Ở nước ta, việc nghiên cứu chế tạo compozit, đặc biệt là compozit nền kim loại còn rất hạn chế. Việc nghiên cứu compozit nền kim loại, được phát triển theo hai hướng chính, đó là: nghiên cứu các phương pháp chế tạo vật liệu và nghiên cứu công nghệ tạo hình các chi tiết, sản phẩm từ compozit nền kim loại. Có thể nói, đây là lĩnh vực nghiên cứu vật liệu mới tiềm năng, đầy triển vọng. Căn cứ vào nhu cầu thực tiễn của vật liệu và mong muốn làm sáng tỏ một số cơ sở lý thuyết của hệ compozit nền kim loại nói chung và compozit nền Al-Ti cốt Al2O3 nói riêng vào thực tiễn, vấn đề “Nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu compozit nền Al-Ti cốt hạt Al2O3 in-situ” là đề tài được lựa chọn giải quyết trong bản luận án này. 2. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu Mục tiêu của bản luận án là xác định quy trình công nghệ chế tạo compozit nền Al-Ti cốt hạt Al2O3 in-situ, khảo sát một số tính chất của vật liệu nhận được. Để đạt được mục tiêu đó, luận án cần thực hiện các nội dung chính sau: 1
- Tổng quan về compozit nền kim loại và compozit trên cơ sở nền Al-Ti. Nhiệt động học phản ứng in-situ xảy ra trong quá trình chế tạo compozit nền Al-Ti cốt hạt Al2O3 bằng phương pháp in-situ. - Chế tạo compozit nền Al-Ti cốt hạt Al2O3 bằng phương pháp in-situ. - Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian nghiền và nhiệt độ thiêu kết đến sự hình thành pha trong vật liệu. - Khảo sát một số tính chất của vật liệu ở nhiệt độ phòng và nhiệt độ tương đối cao. Ảnh hưởng của các điều kiện chế tạo đến tính chất của vật liệu. Đối tượng nghiên cứu của luận án là: Compozit nền Al-Ti cốt hạt Al2O3. 3. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm trên cơ sở hệ thống thiết bị thí nghiệm Bộ môn Vật liệu và Công nghệ đúc - Viện khoa học và Kỹ thuật vật liệu, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Trường Đại học Doshisha – Kyoto – Nhật Bản. - Sử dụng một số phương pháp hiện đại để chế tạo và phân tích vật liệu bằng nhiễu xạ tia X, hiển vi điện tử quét (HVĐTQ), đo độ xốp, đo độ cứng, đo độ dai phá hủy … - Sử dụng và so sánh các dữ liệu để đối chứng. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Nghiên cứu chế tạo compozit nền kim loại là hướng nghiên cứu tiếp cận với công nghệ sản xuất vật liệu tiên tiến trên thế giới và có tiềm năng ứng dụng trong thực tế. Tại Việt Nam đã bắt đầu được quan tâm đến hệ vật liệu này nhưng chưa có nghiên cứu một cách đầy đủ và hệ thống việc chế tạo compozit nền Al-Ti cốt hạt Al2O3 bằng phương pháp in-situ. Vật liệu này đang được các nhà nghiên cứu trong nước và quốc tế quan tâm. Compozit nền Al-Ti cốt hạt Al2O3 in-situ được nghiên cứu chế tạo có những tính chất công nghệ có thể đáp ứng đối với vật liệu kỹ thuật trong chế tạo chi tiết yêu cầu làm việc trong điều kiện khắc nghiệt và có những đặc tính ưu việt hơn, giá thành giảm. Có khả năng triển khai trong thực tiễn sản xuất. Việc nghiên cứu có hệ thống một số tính chất đặc trưng, ưu việt của compozit nền Al-Ti cốt hạt Al2O3 in-situ đã khẳng định ưu thế so với các phương pháp khác bởi hiệu quả tăng bền vật liệu liên kim Al-Ti bằng cốt hạt Al2O3. 5. Những kết quả đạt được và những đóng góp mới của luận án Nghiên cứu công nghệ chế tạo compozit nền Al-Ti cốt hạt Al2O3 in-situ là hướng nghiên cứu hiện đại, lần đầu được thực hiện ở Việt Nam và chỉ có một vài công bố chưa đầy đủ trên thế giới. Xây dựng, lựa chọn được hệ thống thiết bị thực nghiệm, phân tích kiểm tra và đánh giá một số tính chất đặc trưng của vật liệu phù hợp với điều kiện thực tiễn để tiến hành quá trình chế tạo compozit nền Al-Ti cốt hạt Al2O3 in-situ. Những đóng góp mới của luận án: 1. Chế tạo thành công compozit nền Al-Ti cốt hạt Al2O3 bằng phương pháp in- situ. Đây là hướng nghiên cứu hiện đại, công nghệ và thiết bị chế tạo đơn giản và dễ thực hiện trong điều kiện thực tiễn tại Việt Nam. 2. Thiết lập được quy trình công nghệ chế tạo compozit nền Al-Ti cốt hạt Al2O3 bằng phương pháp in-situ. 3. Xác định được cơ chế của các phản ứng xảy ra trong chế tạo compozit nền Al- 2
Ti cốt hạt Al2O3 bằng phương pháp in-situ. 5. Xác định được cơ tính của compozit nền Al-Ti cốt hạt Al2O3 so với các vật liệu khác ở nhiệt độ phòng và nhiệt độ tương đối cao. 6. Compozit nền Al-Ti cốt hạt Al2O3 được chế tạo khẳng định có tính công nghệ cơ bản đáp ứng yêu cầu chế tạo chi tiết kỹ thuật làm việc ở nhiệt độ tương đối cao. 6. Bố cục của luận án Luận án được trình bày với các nội dung sau: Mở đầu Chương 1. Tổng quan về compozit nền kim loại. Chương 2. Cơ sở lý thuyết chế tạo compozit nền Al-Ti cốt hạt Al2O3 in-situ. Chương 3. Nội dung và phương pháp nghiên cứu. Chương 4. Kết quả và thảo luận Kết luận Kiến nghị Tài liệu tham khảo Danh mục các công trình đã công bố của luận án Phụ lục Do thời gian, thiết bị nghiên cứu và trình độ còn những hạn chế nhất định nên bản luận án chắc chắn còn nhiều thiếu sót. Rất mong được sự góp ý của các chuyên gia và đồng nghiệp. Xin chân thành cảm ơn. 3
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ COMPOZIT NỀN KIM LOẠI 1.1. COMPOZIT NỀN KIM LOẠI 1.1.1. Khái quát về compozit Vật liệu compozit là vật liệu tổ hợp gồm hai hay nhiều cấu tử khác nhau về tổ chức, tính chất, không hoặc ít tạo pha trung gian với nhau. Tính chất của vật liệu compozit phụ thuộc chủ yếu vào các thành phần tạo nên nó và độ bền liên kết giữa chúng. Đặc điểm nổi bật của compozit là phát huy được những ưu điểm của vật liệu thành phần, đồng thời xuất hiện các tính chất mà vật liệu thành phần không có được khi đứng độc lập. Compozit được cấu tạo bởi hai phần chính là nền và cốt trong đó: - Nền là thành phần liên tục trong toàn bộ thể tích khối compozit. Vật liệu nền thường là các vật liệu có độ dẻo lớn, tỷ trọng nhỏ và đóng vai trò liên kết các pha cốt, tiếp nhận và truyền tác động bên ngoài vào pha cốt, bảo vệ pha cốt khỏi tác động của môi trường và tạo hình sản phẩm. Nền có thể là kim loại và hợp kim; cũng có thể là vật liệu hữu cơ, vô cơ, gốm, vật liệu cácbon và các vật liệu khác. Tính chất của vật liệu nền quyết định các tham số công nghệ của quá trình chế tạo compozit và các đặc tính sử dụng của nó như khối lượng riêng, độ bền riêng, nhiệt độ làm việc, độ bền mỏi và khả năng chống ăn mòn. - Vật liệu cốt là pha gián đoạn phân bố trong nền, đóng vai trò tăng cường cơ, lý tính của vật liệu. Vật liệu cốt có thể là hai hoặc ba pha và thường là các hợp chất có độ bền, độ cứng, nhiệt độ nóng chảy cao [1, 2, 3, 4]. Cốt có bản chất khác nhau tùy thuộc vào loại compozit cần chế tạo: Trong compozit kết cấu cốt là pha có độ bền lớn, có tính quyết định tới độ bền của compozit; trong compozit cốt là pha có vai trò quyết định chức năng của compozit, ví dụ: trong compozit chịu mài mòn, cốt là các hạt cứng được phân bố đều trên nền mềm có tác dụng chịu mài mòn. Hình dạng, kích thước, hàm lượng và sự phân bố của cốt là những yếu tố ảnh hưởng rất mạnh tới tính chất của compozit. Trên nguyên tắc, giữa nền và cốt của compozit ở điều kiện làm việc bình thường không có sự khuếch tán hòa tan lẫn nhau. Tuy nhiên, trong quá trình chế tạo, hệ thống có thể trải qua các điều kiện nhiệt độ cao, áp suất cao nên có thể xuất hiện sự tương tác giữa nền và cốt. Có các dạng tương tác giữa nền và cốt như:  Nền - cốt không hoà tan lẫn nhau và không tạo hợp chất hoá học, Al-B, Al-Si …  Nền - cốt tương tác tạo dung dịch rắn với độ hoà tan rất nhỏ và không tạo hợp chất hoá học. Phần lớn các compozit nền kim loại có cốt là kim loại đều thuộc loại này: Nb-B, Ni-W, Ni-Al …  Nền và cốt tạo phản ứng hoá học với nhau: Al-SiO2, Ti-Al2O3, Ti-SiC … Tuỳ thuộc vào tác dụng tương tác giữa nền và cốt sẽ hình thành mối liên kết nhất định. Độ bền của compozit chịu ảnh hưởng rất mạnh vào mối liên kết giữa nền và cốt. Liên kết giữa nền và cốt có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất của vật liệu compozit. Sự truyền tải lực giữa nền và cốt chỉ xảy ra tốt khi nền - cốt được liên kết chặt chẽ với nhau. Bề mặt tiếp xúc giữa nền và cốt tốt dẫn đến môi trường truyền tải khi có lực tác dụng tốt và khi đó pha cốt mới phát huy được vai trò là pha tăng bền cho vật liệu. Vậy phải có liên kết tốt giữa nền và cốt, đó là yếu tố quan trọng nhất đảm bảo cho sự kết hợp các đặc tính tốt của hai pha nền và cốt. Có rất nhiều loại liên kết giữa 4
nền và cốt nhưng có thể phân ra các loại liên kết chính là:  Liên kết cơ học: Là kiểu liên kết thuần túy cơ học giữa nền và cốt thông qua độ mấp mô bề mặt hoặc do lực ma sát. Liên kết này thường kém bền.  Liên kết nhờ thấm ướt: Liên kết thực hiện nhờ năng lượng sức căng bề mặt. Khi pha nền được nung chảy và dính ướt vào cốt, sẽ có hiện tượng khuếch tán hòa tan lẫn nhau của nền và cốt. Sức căng bề mặt trên ranh giới nền cốt khi nền đông đặc là yếu tố quyết định độ bền của dạng liên kết này.  Liên kết phản ứng: Liên kết phản ứng xuất hiện khi trên ranh giới nền-cốt xảy ra phản ứng hóa học giữa nền và cốt. Đặc tính của hợp chất hóa học tạo thành quyết định độ bền của mối liên kết này.  Liên kết phản ứng phân đoạn: Phản ứng hóa học giữa nền và cốt xảy ra theo nhiều giai đoạn.  Liên kết ôxít: Là dạng liên kết đặc trưng cho compozit nền kim loại với cốt là các ôxít. Liên kết thực hiện nhờ tạo ra các sản phẩm phản ứng ở dạng màng ôxít.  Liên kết hỗn hợp: Là dạng hỗn hợp của các kiểu liên kết. Liên kết này xuất hiện trong compozit mà sự tương tác giữa nền và cốt phụ thuộc chủ yếu vào công nghệ hoặc điều kiện sử dụng. 1.1.2. Khái niệm về compozit nền kim loại. Vật liệu compozit là tổ hợp của hai hay nhiều vật liệu thành phần nhằm tạo ra vật liệu mới có tính chất nổi trội hơn tính chất của từng vật liệu thành phần. Vật liệu compozit nền kim loại (MMCs) là nhóm vật liệu có sự kết hợp giữa nền kim loại và các hạt tăng bền; chúng có những tính chất đặc trưng như: độ bền, độ bền riêng cao, hệ số giãn nở nhiệt thấp, độ dẫn nhiệt cao, chịu mài mòn tốt, chịu nhiệt tốt… hơn vật liệu thành phần [4, 5, 6, 7, 8, 9, 10], được minh họa theo hình 1.1. compozit compozit compozit nhôm thép thép compozit nhôm thép thép thép nhôm nhôm nhôm compozit Khối lượng Hệ số giãn Độ cứng Độ bền Độ bền mỏi nở nhiệt Hình 1.1. Tính chất vật lý và cơ học của vật liệu compozit so với 2 hợp kim thường được sử dụng là nhôm và thép [7] Compozit nền kim loại lần đầu được chế tạo bằng cách đưa vào nền kim loại những loại cốt tăng bền với mục đích chính là cải thiện môđun đàn hồi và độ bền cao hơn so với vật liệu polime. Nền chủ yếu là các kim loại nhẹ như nhôm, titan, magiê để cải thiện môđun đàn hồi và độ bền riêng ứng dụng cho ngành hàng không vũ trụ. Từ những năm 1980 đã có nhiều nghiên cứu về vật liệu compozit nền kim loại cốt hạt để nâng cao hiệu quả sử dụng cũng như giảm giá thành sản phẩm. Các dạng thường gặp hơn cả của MMCs bao gồm các vật liệu như hợp kim cùng tinh kết tinh định hướng, hợp kim hóa bền phân tán bằng oxit, hợp kim đúc cùng tinh Al-Si, đôi khi cả thép peclit và hợp kim xếp lớp 2 pha như TiAl gamma. Đặc điểm nổi bật của 5
chúng là tính tăng bền vẫn được duy trì trong suốt quá trình gia công [11] và ngay cả khi ở nhiệt độ cao. Như vậy, có thể định nghĩa compozit nền kim loại (MMCs) là vật liệu tổ hợp giữa hai hoặc một vài cấu tử, trong đó ít nhất một cấu tử là kim loại hoặc hợp kim. Sự kết hợp đó theo một sơ đồ được thiết kế. Các cấu tử ít hoặc không hòa tan vào nhau. Vật liệu compozit nền kim loại thường có nền là các kim loại như nhôm, magie, titan, sắt, cobalt, đồng… hoặc là các hợp kim của chúng như Al-Ti. Trong đó, nền trên cơ sở kim loại nhôm được sử dụng rộng rãi nhất. Chúng được sử dụng trong công nghệ tự động hóa, công nghiệp hàng không, ô tô và dân dụng … Các hạt gia cường như: SiC; Al2O3 và B4C có thể chế tạo dễ dàng khi nóng chảy nhôm. Chúng có độ bền cao, tỷ trọng nhỏ và độ bền nhiệt cao; khả năng dãn nở nhiệt tốt và khả năng chống ăn mòn cao. Compozit nền mangan cũng được sử dụng nhiều nhưng do khó khăn trong quá trình chế tạo cũng như tính dẫn nhiệt kém nên chúng không được sử dụng rộng rãi như là nền nhôm. Compozit nền magiê được ứng dụng nhiều trong công nghiệp hàng không do độ bền tốt và tỷ trọng thấp. Compozit nền titan được sử dụng rộng rãi vì do độ bền tốt, độ bền ở nhiệt độ cao và khả năng chống ăn mòn tốt. So với compozit nền nhôm thì compozit nền titan có tiềm năng sử dụng lớn hơn, tuy nhiên do những khó khăn trong quá trình chế tạo nên nên nhóm vật liệu này vẫn còn hạn chế. Mức sử dụng của vật liệu compozit theo các nền kim loại khác nhau được trình bày như hình 1.2. Compozit trên cơ sở Al có những ưu điểm như sau:  Độ bền tốt hơn  Giảm tỷ trọng  Cải thiện độ bền ở nhiệt độ cao  Kiểm soát được hằng số dãn nở nhiệt  Cải thiện được tính dẫn điện  Cải thiện khả năng chống ăn mòn Mức sử dụng vật liệu nền Vật liệu nền Hình 1.2. Các loại vật liệu compozit nền kim loại hay sử dụng [7] Compozit nền Ti: Compozit nền Ti với cốt SiC ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp hàng không được rất nhiều nước sử dụng như Mỹ, Anh, Trung Quốc. Nhóm vật liệu này có độ bền cao, khả năng chống dão ở nhiệt độ cao hơn hẳn vật liệu là hợp 6
kim của titan. Bảng 1.1. Trình bày tính chất vật lý, cơ học của hợp kim titan Ti-6-2- 4-2 (Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si) và vật liệu compozit nền kim loại titan (Ti-MMC). Bảng 1.1. Tính chất vật lý, cơ học của hợp kim titan và Ti-MMC [7] Tính chất Titan (Ti-6-2-4-2) Ti-MMC 3 Tỉ trọng, g/cm 4,54 3,93 Độ bền kéo (dọc), MPa 931 1689 Môđun đàn hồi (dọc), GPa 117 200 Độ bền kéo (ngang), MPa 931 400 Môđun đàn hồi (ngang), GPa 117 145 Độ bền nén, MPa 931 > 4481 Độ bền kéo ở 315,5oC, MPa 552 1379 1.1.3. Tính chất của MMCs 1.1.3.1. Tính chất cơ Độ bền và độ cứng là hai tính chất quan trọng đối với vật liệu kết cấu. Độ cứng riêng và độ bền riêng của compozit cốt sợi Al và Ti. (compozit cốt sợi Ti viết tắt là TMCs), cốt sợi Al không liên tục (DRA), cốt sợi Ti không liên tục (DRTi), các kim loại truyền thống và compozit graphite/epoxy thể hiện trong hình 1.3. Compozit graphite/epoxy có độ cứng riêng và độ bền kéo riêng tốt nhất. Cốt sợi Ti và Al liên tục có độ cứng riêng và độ bền kéo riêng thấp hơn của những vật liệu này, trong khi graphite/epoxy đã xuất hiện từ lâu và kinh tế hơn MMCs cốt liên tục. Trong hình 1.3 có thể thấy compozit nền hữu cơ trong công nghiệp hàng không là graphite/epoxy (Gr) hoặc PAN/epoxy (P), có cấu trúc dọc trục 0, ngang 90và gần như đẳng hướng (Q/I) (quasi-isotropic). Tính chất theo phương dọc và phương ngang của cốt sợi Al và cốt sợi Ti cũng được thể hiện trên hình. Những vật liệu truyền thống của công nghiệp hàng không như Al, Mg, Ti, Ni và hợp kim thép cũng được thể hiện. Ngoài ra cũng thể hiện một vài kim loại đặc biệt như -Ti và thép có độ bền rất cao [12]. Độ bền riêng, E/(GPa/(Mg/cm3) Kim loại Kim loại vô định hình Độ cứng riêng, f/(MPa/(Mg/cm3) Hình 1.3. Độ cứng riêng so với độ bền riêng của vật liệu kết cấu [12] 7
Vật liệu graphite/epoxy mang đến độ bền và độ cứng đơn trục tốt nhất theo phương dọc trục và kém nhất theo phương ngang. Thường thì vật liệu kết cấu phải chịu được lực theo nhiều hướng nên những loại compozit dị hướng như vậy sẽ có những hạn chế nhất định. Tính chất đẳng hướng Q/I được tạo ra bằng các kết cấu đan chéo, được ứng dụng rộng rãi trong compozit graphite/epoxy với nhiều mức độ cứng và độ bền riêng khác nhau (hình 1.3). Đó là vùng mà độ cứng và độ bền riêng của MMCs có giá trị tốt nhất. Ngoài ra, vật liệu kết cấu (tùy môi trường làm việc) còn có các yêu cầu khác, những yêu cầu này bao gồm sức chịu tải liên kết cao, khả năng chống lại những tác động khắc nghiệt của môi trường xâm thực (hóa học, môi trường đông lạnh, chất lỏng hữu cơ, oxi nguyên tử, tia cực tím), khả năng chống thẩm thấu khí, tính dẫn nhiệt, khả năng chống mài mòn tốt, tính ổn định đẳng hướng, khả năng chống va đập và mài mòn, khả năng chống cháy nổ tốt nên được ứng dụng khi nhiệt độ làm việc cao đó là các tính chất rất hạn chế ở vật liệu compozit graphite/epoxy. Cho nên MMCs nhìn chung có những đặc tính ưu việt hơn do đó được ứng dụng rộng rãi hơn so với các loại compozit nền hữu cơ trong lĩnh vực này [12]. Tính chất cơ của MMCs được ứng dụng trong thị trường ôtô như các piston gia cường chọn lọc được sản xuất bằng công nghệ thấm kim loại lỏng cho các động cơ diesel Toyota [12]. Tiếp nối thành công này, năm 1990 hãng Honda đã sử dụng các xi lanh hóa bền chọn lọc (hình 1.4). Honda đã phát triển một công nghệ đơn giản sản xuất phôi mẫu xi lanh gốm từ các sợi grafit và Saffil® bằng tích hợp quá trình thẩm thấu vào lớp sợi gia cường cùng với quá trình đúc các khối động cơ [12]. Hình 1.4. Mặt cắt thể hiện sự gia cường chọn lọc ống lót xilanh nhôm đúc MMC [12] DRA được sản xuất thông qua các quá trình xử lý kim loại lỏng có giá thành rẻ. Sản phẩm luyện kim bột DRA cũng được sử dụng trong các môtô hiệu năng cao của Honda. Các trục dẫn động được sử dụng trong các ôtô và xe tải nhẹ. Vật liệu 6061Al/Al2O3 DRA đã được sử dụng để sản xuất các ống lót xylanh chế tạo bằng công nghệ đúc khuấy hay đúc liền trực tiếp [12, 13, 14, 15]. Do có độ cứng cao hơn thép hay trục dẫn động nhôm, trục dẫn động DRA với chiều dài lớn hơn và đường kính thích hợp đã được sử dụng. DRA chế tạo bằng công nghệ luyện kim bột cũng được sử dụng nhiều trong hệ thống phanh của xe đua. 8
1.1.3.2. Đặc tính cho thiết bị chính xác cao Đây cũng là một tính chất mới đặc trưng cho các vật liệu ứng dụng trong một số công nghệ hiện đại. Rất nhiều các thiết bị khi sử dụng yêu cầu khả năng chống lại biến dạng dưới tác dụng đồng thời của lực và nhiệt, như cánh tay rôbốt, các hệ thống dẫn hướng, các hệ thống sản xuất làm việc tốc độ cao, pitton, van xả động cơ ô tô, ... Các hệ thống đẩy (động cơ máy bay) cũng được xem như là “các thiết bị chính xác” vì độ chính xác kích thước yêu cầu phải được duy trì trong suốt quá trình làm việc ở nhiệt độ và ứng suất lớn. Khả năng chống lại sự thay đổi kết cấu phụ thuộc vào các đặc trưng của vật liệu, như là độ cứng (E) và mật độ (), các thông số hình học và chế độ tải trọng. Sự giãn nở do nhiệt gây ra ứng suất và kết quả là gây ra biến dạng. Có thể coi vật liệu biến dạng dưới tải trọng bản thân của nó như sự uốn của thanh dầm. Giá trị biến dạng của nó được tính bằng giá trị E1/2/. Vật liệu với hệ số dẫn nhiệt lớn () làm giảm gradient nhiệt sẽ làm giảm ứng suất sinh ra do nhiệt. Vì vậy, tăng tỉ số /(hệ số giãn nở nhiệt ) giúp giảm cường độ của biến dạng sinh ra do nhiệt [16]. Các vật liệu gốm, kim cương và Be đều có các tính chất riêng biệt. Các hạt gốm bổ sung trong nền kim loại làm giảm đôi chút hệ số dẫn nhiệt và sự thay đổi nhỏ về mật độ, nhưng giúp giảm đáng kể hệ số giãn nở nhiệt và tăng độ cứng (hình 1.5). Vì vậy, vật liệu MMCs giúp cải thiện khả năng chống lại biến dạng về cả lực và nhiệt so với các vật liệu hợp kim nền không hóa bền. Cũng theo sự phân loại vật liệu, DRA vượt quá tất cả các kim loại kết cấu phổ biến về khả năng chống lại biến dạng. Thêm nữa DRA cạnh tranh với graphite/epoxy về biến dạng do lực, tuy nhiên nó có khả năng chống lại các biến dạng về nhiệt cao hơn nhiều. Vật liệu nhôm với kết cấu được gia cường liên tục cũng được kể đến và có thể cho các đặc tính làm việc tốt tuy nhiên giá thành của loại vật liệu này khá cao [16]. Hợp kim Kim cương Hợp kim Mg Hợp kim Ti thép Hình 1.5. Quan hệ của khả năng chống lại các biến dạng cơ học và nhiệt biến dạng của một số vật liệu [16] 1.1.3.3. Đặc tính chịu mài mòn Đặc tính chống mòn cũng là một đặc tính quan trọng của MMC. Các lớp được gia cường cứng bổ sung trên nền kim loại giúp gia tăng đáng kể khả năng chống lại 9
mòn. Hơn nữa, các vật liệu phụ gia như là grafit cũng giúp tăng khả năng tự bôi trơn, làm giảm hệ số ma sát ở nơi tiếp xúc giữa các vật thể chuyển động chế tạo bằng vật liệu đó Tổng các sản phẩm MMCs được ứng dụng trong công nghiệp và cơ sở hạ tầng chiếm khoảng 6% về sản lượng và khoảng 13% về giá trị của thị trường MMCs [18, 19]. Các ứng dụng công nghiệp gồm các vật liệu gốm kim loại và cacbit được kết dính, các dụng cụ tẩm và mạ kim cương, MMCs Cu và Ag trong các thiết bị điện, lớp vỏ chống gỉ trong ngành hóa dầu, sản phẩm thép được thấm Cu và các hợp kim Ni và Fe được gia cường TiC. 1.1.4. Chế tạo MMCs Để chế tạo MMCs có nhiều phương pháp, việc lựa chọn phương pháp chế tạo phụ thuộc vào các yếu tố như bản chất liên kết nền - cốt, khả năng của phương pháp có chế tạo được vật liệu đảm bảo tính chất tối ưu và hiệu quả kinh tế. Thông thường một quá trình công nghệ chế tạo MMCs thực hiện theo sơ đồ hình 1.6. Vật liệu nền Kết hợp Vật liệu cốt Xử lý nhiệt Gia công cơ Sản phẩm Hình 1.6. Sơ đồ công nghệ chế tạo vật liệu MMCs [11, 12] 1.1.4.1. Thành phần cấu tạo Vật liệu tổ hợp được cấu tạo từ hai cấu tử chính, đó là nền và cốt. Mỗi cấu tử có một vai trò và tính chất đặc trưng, chúng liên kết với nhau để tạo ra một vật liệu có tính chất tổng hợp, kết hợp các tính chất ưu việt của các cấu tử thành phần. a) Vật liệu nền Tùy thuộc vào mục đích sử dụng mà có loại vật liệu nền khác nhau. Để chế tạo vật liệu kết cấu, cấu tử nền thường là các vật liệu có độ bền riêng cao, tỷ trọng nhỏ như titan, nhôm, magie và các hợp kim của chúng. Để đáp ứng yêu cầu về vật liệu bền nóng, vật liệu chịu mài mòn thường sử dụng vật liệu nền là các kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao như vonfram, crôm và hợp kim của chúng, rất ít khi sử dụng các hợp chất trên cơ sở sắt vì nó có độ bền riêng nhỏ và dễ bị oxi hóa. Vật liệu tổ hợp trên cơ sở nền nhôm và hợp kim của nhôm có ưu điểm là tỷ trọng nhỏ, chống ăn mòn tốt, công nghệ chế tạo đơn giản được ứng dụng để chế tạo piston. Vật liệu tổ hợp nền titan và hợp kim titan: do có tỷ trọng nhỏ, độ bền riêng, môđun đàn hồi lớn (80  100 GPa), chống ăn mòn, chịu mài mòn tốt nên được sử dụng nhiều trong động cơ phản lực, tuabin, cánh máy nén … Vật liệu tổ hợp nền đồng và hợp kim của đồng được sử dụng để chế tạo thiết bị trao đổi nhiệt và thiết bị nhiệt do khả năng dẫn nhiệt tốt. Nhưng chủ yếu vật liệu tổ hợp này vẫn được dùng trong vật liệu kỹ thuật điện như chổi than, tiếp điểm điện do 10
có khả năng dẫn điện tốt. Bên cạnh đó, vật liệu tổ hợp trên cơ sở nền đồng còn được sử dụng làm vật liệu chế tạo bạc tự bôi trơn, bạc trượt … b) Vật liệu cốt Tùy theo kích thước, hình dáng và cách sắp xếp của cốt vào nền mà cốt được chia làm ba loại: Cốt sợi, cốt hạt, cốt cấu trúc. Vật liệu cốt thường là các hợp chất vô cơ có độ bền, độ cứng, nhiệt độ nóng chảy cao và môđun đàn hồi lớn. Trong thực tế, thường sử dụng vật liệu tổ hợp nền kim loại cốt hạt. Cốt hạt thường là các phần tử có kích thước nhỏ, môđun đàn hồi cao, nhiệt độ nóng chảy lớn, tỷ trọng nhỏ và ít tương tác với nền. Khi các phần tử cốt này được đưa vào trong nền, chúng sẽ cản trở chuyển động của lệch và gây ra hiệu ứng hóa bền vật liệu. Các loại cốt hạt thường gặp là Al2O3, TiC, TiB2, SiC … [20, 21, 22, 23]. Cốt hạt Al2O3 có nhiệt độ nóng chảy cao, tỷ trọng thấp, độ cứng cao. Cốt hạt SiC có độ cứng cao, chịu nhiệt tốt, chống ăn mòn và chịu mài mòn tốt. Cốt TiC có độ cứng, độ bền cao nên thường được sử dụng để chế tạo dụng cụ cắt và các chi tiết trong hàng không - vũ trụ. 1.1.4.2. Phương pháp chế tạo Trong sơ đồ hình 1.6, cốt lõi của công nghệ chế tạo MMCs là phương pháp kết hợp nền - cốt và xử lí nhiệt. Phương pháp phân tán cốt vào nền sẽ quyết định tới tính chất của sản phẩm sau này. Xử lý nhiệt sau khi kết hợp nền - cốt đóng vai trò quan trọng tới tính chất của vật liệu MMCs nhận được. Tùy thuộc vào trạng thái kết hợp nền - cốt mà có các phương pháp chế tạo khác nhau như:  Phương pháp chế tạo ở pha rắn.  Phương pháp chế tạo pha lỏng.  Phương pháp lắng đọng.  Phương pháp Ex-situ  Phương pháp In-situ. Trong đó phương pháp chế tạo ở pha rắn được sử dụng phổ biến hơn cả đối với cốt không liên tục. a) Phương pháp chế tạo ở pha rắn Trong phương pháp chế tạo ở pha rắn, vật liệu ở dạng bột hay tấm mỏng được tạo hình dưới tác dụng của áp lực hoặc nhiệt độ. Cốt được đưa vào nền bằng quá trình tiếp xúc trực tiếp thông qua quá trình khuếch tán giữa chúng. Phương pháp này có các phương án sau: - Biến dạng kết hợp với xử lý nhiệt: cán rèn sau ủ khuếch tán - Hàn dưới áp lực: cơ năng chuyển thành nhiệt năng - Phương pháp luyện kim bột Trong các phương pháp trên phương pháp luyện kim bột là tương đối đơn giản và do đó nó được sử dụng rộng rãi, hơn 60% sản phẩm MMCs được sản xuất bằng phương pháp luyện kim bột. Quy trình công nghệ của phương pháp luyện kim bột được trình bày ở sơ đồ hình 1.7. Ưu điểm của phương pháp luyện kim bột là có thể điều khiển chính xác thành phần, tính chất và kích thước sản phẩm, tiết kiệm được nguyên vật liệu, công nghệ tương đối đơn giản. [24] Nhược điểm của phương pháp luyện kim bột là: Khó chế tạo chi tiết có hình dạng phức tạp; Phải sản xuất với số lượng lớn mới có hiệu quả kinh tế. 11