Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật vật liệu: Nghiên cứu ảnh hưởng của đất hiếm đến tính dẻo cao của hợp kim Al-Zn-Mg-Cu

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

17
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của luận án "Nghiên cứu ảnh hưởng của đất hiếm đến tính dẻo cao của hợp kim Al-Zn-Mg-Cu" nhằm xác định vai trò của chất biến tính (đất hiếm Việt Nam) đến khả năng làm nhỏ mịn hạt hợp kim Al-Zn. Xác định ảnh hưởng mức độ biến dạng, các thông số xử lý nhiệt sau biến dạng đến tổ chức và tính dẻo của hợp kim Al-Zn.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật vật liệu: Nghiên cứu ảnh hưởng của đất hiếm đến tính dẻo cao của hợp kim Al-Zn-Mg-Cu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÙI THỊ NGỌC MAI NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐẤT HIẾM ĐẾN TÍNH DẺO CAO CỦA HỢP KIM Al-Zn-Mg-Cu Ngành: Kỹ thuật vật liệu Mã số: 9520309 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU Hà Nội – 2022
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Trần Đức Huy PGS.TS. Phạm Mai Khánh Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ……… Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam
1. A. MỞ ĐẦU 1. Lý do lựa chọn đề tài Hợp kim nhôm kẽm được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp hàng không, ô tô, xe máy… Đó cũng là hợp kim được sử dụng nhiều trong vật liệu có độ dẻo cao. Một trong những yêu cầu rất quan trọng đối với tính dẻo cao là hợp kim cần có kích thước hạt nhỏ trong tổ chức tế vi (dưới 10 ). Phương pháp tối ưu để làm nhỏ hạt hợp kim Al-Zn đó là bổ sung nguyên tố đất hiếm vào hợp kim và kết hợp với các bước xử lý cơ nhiệt như cán, ủ kết tinh lại. Thành phần nguyên tố đất hiếm Việt Nam (REVN) bao gồm 2 thành phần chính là 65%La và 35%Ce. Các nguyên tố này có khả năng tạo ra pha liên kim Al11RE3 có mạng lập phương và thông số mạng phù hợp với kiểu mạng của nhôm nên có vai trò làm tâm mầm dị thể làm nhỏ mịn hạt hợp kim. Vì vậy, việc nghiên cứu hợp kim hóa hợp kim Al-Zn bằng đất hiếm Việt Nam kết hợp với các phương pháp công nghệ trên cơ sở điều kiện, thiết bị trong nước để chế tạo ra hợp kim có độ dẻo cao cần phải có những nghiên cứu thỏa đáng, mục đích tạo ra vật liệu mới sử dụng trong công nghiệp để chế tạo các chi tiết mỏng trong lĩnh vực sản xuất ôtô, xe máy, máy tính, điện thoại...nhằm nâng cao tỷ lệ nội địa hóa cũng như tạo xu thế ứng dụng hợp kim độ dẻo cao trong công nghiệp. Dựa trên tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước cho thấy chưa có nhiều nghiên cứu và ứng dụng về việc sử dụng La, Ce trong việc làm nhỏ mịn hợp kim Al-Zn 7xxx. Với mục đích trên, luận án “Nghiên cứu ảnh hưởng của đất hiếm đến tính dẻo cao của hợp kim Al-Zn-Mg-Cu” được thực hiện. 2. Mục đích nghiên cứu Mục đích của luận án là: Xác định vai trò của chất biến tính (đất hiếm Việt Nam) đến khả năng làm nhỏ mịn hạt hợp kim Al-Zn. Xác định ảnh hưởng mức độ biến dạng, các thông số xử lý nhiệt sau biến dạng đến tổ chức và tính dẻo của hợp kim Al-Zn. 1
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của luận án Đối tượng nghiên cứu của luận án là: Hợp kim Al-Zn-Mg-Cu có và không có chất làm nhỏ hạt La; Ce và quy trình xử lý cơ nhiệt của hợp kim để làm nhỏ hạt; tăng độ dẻo của hợp kim nghiên cứu. Luận án tập trung nghiên cứu về quy trình đúc và thêm La, Re là chất nhỏ mịn hạt, phân tích sự khác nhau về tổ chức tế vi và sự hình thành pha của nhôm với nguyên tố đất hiếm qua mỗi chế độ đúc, ủ đồng đều hoá, biến dạng nguội và ủ kết tinh lại. Giải thích cơ chế và vai trò của pha liên kim trong việc làm nhỏ mịn hạt và tăng tính dẻo của hợp kim. Sau các bước xử lý cơ nhiệt, hợp kim đạt được tổ chức hạt nhỏ mịn đồng đều
Chương 3: Thực nghiệm Chương 4: Kết quả và thảo luận Kết luận và kiến nghị Danh mục các công trình công bố liên quan đến luận án Tài liệu tham khảo B. NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN HỢP KIM HỆ Al-Zn Hợp kim Al – Zn – Mg – Cu là hệ bốn nguyên có độ bền cao nhất trong các hợp kim nhôm, có khả năng gia công biến dạng, nhiệt luyện hóa bền, gia công cắt gọt. Ở trạng thái hóa già, hợp kim có giới hạn chảy đặc biệt cao, chỉ kém giới hạn bền 20 – 30 MPa và còn cao hơn 40 – 50% giới hạn chảy của nhôm Dura D16. Vì vậy, họ hợp kim này được sử dụng cho những sản phẩm yêu cầu độ biến dạng cao và vẫn giữ được độ bền nhất định. Một số nghiên cứu trên thế giới đã tìm hiểu về vai trò của đất hiếm như erbium (Er) đến tổ chức tế vi và cơ tính của một số hợp kim nhôm. Các kết quả bao gồm: Al và hợp kim Al – Mg: Độ hạt vật đúc nhỏ mịn hơn và độ bền nhiệt tăng. Tăng lượng Er làm tăng độ cứng và độ bền do sự hình thành của pha Al3Er. Al – Cu: Tổ chức nhánh cây của hợp kim được làm nhỏ mịn. Nhiệt độ kết tinh lại tăng, mặc dù độ bền không thay đổi. Hình thành pha Al8Cu4Er có nhiệt độ nóng chảy thấp, điều này làm giảm sự hình thành của pha CuAl2 – thành tố hóa bền chính. Hình 1.7 Tổ chức tế vi của hợp kim Al – Mg – Er sau đúc. Trái Al – 5Mg, phải Al – 5Mg – 0,5Er[28] Những nghiên cứu về ảnh hưởng của Sc và Zr để biến tính hợp kim Al – Zn – Mg, tác giả chỉ ra đất hiếm có khả năng tạo ra pha Al3(Sc1-xZrx) trên nền Al(α) [21], [30]–[32]. Từ những nghiên cứu 3
trên nhận thấy trên thế giới thường biến tính hợp kim Al-Zn bằng Zr, hoặc đồng thời cả Zr, Sc. Một số công trình của nhà khoa học người Trung Quốc dùng nguyên tố đất hiếm Er để biến tính hợp kim Al-Zn. Phương pháp này làm nhỏ mịn hạt bằng cách đưa vào hợp kim lượng nhỏ thích hợp các nguyên tố đất hiếm (hoặc nguyên tố chuyển tiếp). Khi đó sẽ hình thành các pha liên kim có vao trò cản trở sự hình thành 1 số pha có hại của hợp kim (ví dụ pha CuAl2 - thành tố chính hoá bền). Các pha liên kim này sẽ tập trung ở tâm hạt hoặc bao quanh các hạt, làm cản trở sự lớn lên của các hạt. Lúc này hợp kim có tổ chức hạt nhỏ mịn, tổ chức nhánh cây dần mất đi. Chính vì vậy độ dẻo và độ giãn dài hợp kim tăng. Trong luận án “Nghiên cứu ảnh hưởng của đất hiếm đến tính dẻo cao của hợp kim Al-Zn-Mg-Cu”, nghiên cứu sinh đi sâu vào nghiên cứu cơ chế làm nhỏ mịn hạt bằng 2 nguyên tố đất hiếm La, Ce. Đây là 2 nguyên tố thành phần chính của đất hiếm VN, có khả năng tạo ra các liên kết với Al (Al11Re, Al2RE, AlRE3) có mạng lập phương tương đồng với kiểu mạng của Al, có hệ trượt cao, độ dẻo lớn. Ngoài ra các nguyên tố La, Ce còn có tác dụng làm giảm độ xốp do La, Ce phản ứng với H2, O2 tạo thành CeH2, LaH2 ổn định để loại bỏ bọt khí, rỗ khí trong hợp kim CHƢƠNG 2. VẬT LIỆU CÓ ĐỘ DẺO CAO VÀ SỰ MỊN HÓA HẠT 2.1. Vật liệu độ dẻo cao 2.1.1. Định nghĩa Vật liệu định nghĩa là vật liệu độ dẻo cao khi với điều kiện cụ thể (tốc độ và nhiệt độ biến dạng) có được độ giãn dài trên 200%. Chính vì độ giãn dài lớn trong khi vẫn đảm bảo độ bền nên nhiều hợp kim độ dẻo cao được sử dụng trong công nghiệp để chế tạo các chi tiết mỏng, hình dáng phức tạp, giảm khối lượng, tăng độ bền riêng, tiết kiệm năng lượng. 2.1.2. Đặc điểm của vật liệu độ dẻo cao Vật liệu có đặc tính độ dẻo cao phải đảm bảo được các điều kiện sau [4], [45], [47]: - Tổ chức hạt nhỏ mịn (kích thước hạt
- Trong số các hợp kim độ dẻo cao, hợp kim nhôm được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp chế tạo do tính ứng dụng cao, tương đối phổ biến, giá thành vật liệu cũng như chi phí trong việc chế tạo thấp hơn so với những hợp kim độ dẻo cao khác. Phương trình mô tả mối quan hệ giữa ứng suất, tốc độ biến dạng, nhiệt độ và kích thước hạt ̇ ( ) ( )( ) ( ) (2.1) ̇ – tốc độ biến dạng d – kích thước hạt E – modun Young p – số mũ kích thước hạt b – vector Burger σ – ứng suất áp dụng k – hằng số Boltzman n – số mũ ứng suất và đối ứng với độ nhạy cảm tốc độ biến dạng T – nhiệt độ tuyệt đối D0 – hệ số khuếch tán Q – năng lượng của quá R – hằng số khí thực trình khuếch tán hoạt hóa 2.1.3. So sánh cấu trúc vật liệu thường và vật liệu độ dẻo cao Thực tế vật liệu độ dẻo cao có tất cả các đặc tính chung của vật liệu thông thường. Sự khác biệt lớn nhất giữa biến dạng thường và biến dạng độ dẻo cao là: đối với biến dạng thường ứng suất chảy phụ thuộc mạnh mẽ vào mức độ biến dạng và phụ thuộc tương đối yếu vào tốc độ biến dạng. Còn đối với biến dạng độ dẻo cao thì ngược lại, ứng suất chảy phụ thuộc ít vào mức độ biến dạng nhưng phụ thuộc rất lớn vào tốc độ biến dạng. Căn cứ vào tổ chức vật liệu độ dẻo cao có thể xác định được khả năng của kim loại và hợp kim đối với biến dạng dẻo mà không bị phá huỷ trong điều kiện độ nhảy cảm ứng suất tốc độ cao. Một trong những tính chất đặc trưng nhất của vật liệu độ dẻo cao chính là khả năng chống lại biến dạng cao của mẫu, tức là khả năng chống lại sự hình thành và phát triển nút thắt trong khi bị kéo. 2.1.4. Cơ chế biến dạng độ dẻo cao Cơ chế biến dạng độ dẻo cao hiện chưa được chứng minh một cách cụ thể. Tuy nhiên, hiện có ba cơ chế được đưa ra là cơ chế trượt biên hạt; sự dịch chuyển của các lệch và quá trình khuếch tán [4], [47], [50]. Trượt trên biên giới hạt 5
Trượt trên biên giới hạt - là một loại biến dạng của vật liệu đa tinh thể, được ghi nhận là sự dịch chuyển tương hỗ lẫn nhau giữa các hạt liền kề, chúng thay thế các hạt lân cận, dẫn đến sự tăng mật độ hạt theo chiều kéo và giảm trên tiết diện ngang – quá trình thay thế này đặc trưng cho biến dạng độ dẻo cao, hiếm khi xuất hiện trong điều kiện thường. Quá trình trượt của hạt có thể xảy ra do sự dịch chuyển của chúng dọc theo biên giới hoặc trong 1 vùng biên giới hạt. Cơ chế dịch chuyển của lệch trong hạt và khuếch tán Trong các cơ chế của hiệu ứng độ dẻo cao có hai cơ chế là sự dịch chuyển của lệch ở trong hạt và quá trình khuếch tán. Hai cơ chế này có mối tương quan với nhau và ảnh hưởng đến quá trình độ dẻo cao của hợp kim nghiên cứu. Theo như nghiên cứu của Ashby và Verral về quá trình khuếch tán trong độ dẻo cao được thể hiện ngưỡng ứng suất được giải thích là do sự tăng biên giới hạt khi có sự dịch chuyển của các hạt từ hình 2.8a sang hình 2.8b. Một số nghiên cứu về mô hình này đã được chỉ ra. Như nghiên cứu của Spingarn và Nix cho rằng sự sắp xếp lại hạt do Ashby và Verral đề xuất không thể xảy ra một cách hoàn toàn bằng sự khuếch tán. Nghiên cứu của Mishra và cộng sự đã chỉ ra một lượng nhỏ các hạt có kích thước nhỏ của khuếch tán giảm ứng suất ở hạt bằng trượt biên hạt hình 2.9 Hình 2. 1 Mô hình trượt biên hạt Ashby - Verral được điều chỉnh bởi dòng khuếch tán [4] Hình 2. 2 Trượt biên hạt bằng khuếch tán biên hạt [47] Mối liên quan và vai trò của các cơ chế biến dạng khác nhau để đạt được điều kiện độ dẻo cao 6
Ba cơ chế biến dạng độ dẻo cao: trượt biên hạt, sự dịch chuyển các lệch trong hạt và khuếch tán có quan hệ chặt chẽ với nhau. Thiết lập được mối quan hệ giữa 3 cơ chế là một trong những vấn đề chính trong việc nghiên cứu bản chất của dòng chảy độ dẻo cao. Có 2 cách tiếp cận khả thi để giải quyết được bài toán đó chính là vĩ mô và vi mô. 2.2. Làm nhỏ mịn hạt bằng chất biến tính 2.2.1. Khái niệm chung Quá trình làm nhỏ mịn hạt là đưa vào kim loại lỏng một lượng các nguyên tố gọi là chất biến tính nhằm thay đổi hình dạng kích thước của tinh thể sơ cấp, làm cho cơ tính và tính chất của hợp kim cải thiện đáng kể nhưng không làm thay đổi thành phần của hợp kim. 2.2.2. Làm nhỏ mịn hạt hợp kim nhôm Làm nhỏ mịn hợp kim nhôm gồm 2 mục đích: làm nhỏ mịn hạt nhôm nền và làm nhỏ mịn các pha liên kim hoặc pha thứ hai 2.2.3. Các mô hình làm nhỏ mịn hạt hợp kim nhôm Để giải thích cơ chế làm nhỏ mịn hợp kim nhôm hiện có hai mô hình là: mô hình tạo mầm và mô hình chất tan. Mô hình tạo mầm: Đối với mô hình tạo mầm có hai thuyết là thuyết phần tử tạo mầm và thuyết giản đồ pha. Mô hình chất tan: Theo mô hình này thì thông số kìm hãm sự phát triển (GRF) là thông số quan trọng trong việc làm nhỏ mịn hạt hợp kim. Một số nhà khoa học cho rằng chất tan là những nguyên tố cản trở sự phát triển của tinh thể là rất quan trọng trong việc làm nhỏ mịn hạt [3]. 2.2.4. Đất hiếm Việt Nam Những kết quả điều tra, đánh giá, thăm dò từ những năm 1950 đến nay đã kh ng định Việt Nam là quốc gia có tiềm năng lớn về đất hiếm (đứng thứ hai thế giới). Thành phần nguyên tố đất hiếm Việt Nam (REVN) bao gồm 2 thành phần chính là La và Ce. Các nguyên tố này có khả năng tạo ra các liên kim Al11Re3 và Al2RE, AlRE3 có mạng lập phương với số lượng hệ trượt cao, có độ dẻo lớn. Khi hợp kim bị biến dạng, các pha có khả năng biến dạng cùng với nền hợp kim nhôm, giảm nguy cơ nứt cho hợp kim. Đất hiếm và nhôm có thể tạo các pha liên kim với các cấu trúc mạng tinh thể như sau 7
Hình 2. 3 Cấu trúc mạng tinh thể một số pha liên kim Al-Re [68] a) Al11RE3, b) Al3RE và AlRE3, c) Al2RE, d) AlRE, e) AlRE2 2.3. Làm nhỏ mịn hạt bằng cơ nhiệt luyện Chúng ta đã biết biến dạng dẻo làm tăng mật độ khuyết tật mạng tinh thể như lệch, nút trống, khuyết tật xếp v.v…cũng như làm thay đổi đặc tính phân bố của chúng. Các khuyết tật mạng tinh thể có ảnh hưởng mạnh đến việc hình thành tổ chức hợp kim khi chuyển biến pha, vì thế có thể dùng biến dạng dẻo trước hoặc trong khi chuyển biến pha để tạo thành tổ chức tối ưu cho hợp kim sau khi nhiệt luyện. Cơ – nhiệt luyện là dạng gia công kết hợp giữa nhiệt luyện với biến dạng dẻo, nhưng không thể phối hợp một cách tùy tiện giữa các nguyên công biến dạng, nung nóng và làm nguội. Nếu biến dạng dẻo tiến hành sau khi nhiệt luyện thì đó không phải là cơ nhiệt luyện mà là dạng nhiệt luyện thông thường kết hợp với gia công áp lực. Biến dạng dẻo trong trường hợp này, ví dụ cán nguội sau khi hóa già, có thể xảy ra biến cứng làm tăng các đặc tính bền nhưng không có ảnh hưởng đến việc hình thành tổ chức khi chuyển biến pha. 2.4. Xử lý nhiệt hợp kim Al-Zn-Mg-Cu Ủ đồng đều hóa Đồng đều hóa hợp kim Al-Zn-Mg-Cu được thực hiện trong khoảng nhiệt độ từ 450 – 500oC nhưng nhiệt độ có thể thay đổi khi thành phần hợp kim thay đổi. Mục đích chính của giai đoạn xử lý nhiệt này là thay đổi tổ chức tế vi ở trạng thái đúc của hợp kim nghiên cứu. Đối với hợp kim Al-Zn-Mg-Cu, các nguyên tố hợp kim hóa như Cr, Mn và Zr hình thành pha liên kim trong quá trình đồng nhất hóa, điều này có ảnh hưởng đến việc giảm kích thước hạt và kết tinh lại ở nhiệt độ cao. Ủ kết tinh lại 8
Kết tinh lại là quá trình mà các hạt bị biến dạng sẽ bị thay thế bằng một loạt các hạt không bị biến dạng; các hạt đó sẽ được tạo mầm và phát triển cho đến khi hạt ban đầu hòa toàn mất đi. CHƢƠNG 3. THỰC NGHIỆM 3.1. Quy trình thí nghiệm 3.1.1. Quy trình thí nghiệm Hình 3. 1 Sơ đồ thí nghiệm 3.1.2. Đối tượng nghiên cứu Bảng 3. 1 Các chế độ mẫu nghiên cứu Mẫu Chế độ mẫu nghiên cứu M1 Mẫu không có La, Ce M2 Đưa trực tiếp La, Ce vào hợp kim với hàm lượng 0,4 % M3 Đưa La, Ce vào hợp kim dưới dạng hợp kim trung gian Thành phần các mẫu ở các trạng thái khác nhau của hợp kim nghiên cứu được thể hiện ở bảng 3.2: Bảng 3. 2 Thành phần hóa học của hợp kim nghiên cứu 3.2. Chế tạo hợp kim Al-Zn-Mg-Cu 3.2.1. Quá trình nấu luyện 3.2.2. Quy trình xử lý nhiệt, cơ – nhiệt 9
uy trình xử lý nhiệt. Ủ đồng đều hóa: Tiến hành ủ tại 480 oC, thời gian giữ nhiệt là 16 tiếng. Làm nguội mẫu cùng lò cho đến khi nhiệt độ của mẫu ổn định với nhiệt độ môi trường. Cán biến dạng: Mẫu sau khi ủ đồng đều hóa được cán biến dạng từ chiều dày 6mm xuống 2mm. Ủ kết tinh lại: Mẫu sau khi cán biến dạng được tiến hành ủ kết tinh lại với các nhiệt độ ủ kết tinh lại khác nhau từ 250 oC đến 450 oC trong các khoảng thời gian khác nhau. 3.3. Các phƣơng pháp phân tích thành phần nguyên tố và tổ chức tế vi Mẫu sau nghiên cứu được tiến hành phân tích trên các thiết bị hiển vi quang học; hiển vi điện tử quét; mapping; EDS và XRD. 3.4. Các phƣơng pháp đánh giá cơ tính CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1. Vai trò của các pha liên kim Hợp kim có thành phần Al-5Zn-3.5Mg-1.2Cu chế tạo trong lò điện trở có sử dụng chất che phủ. Đất hiếm sử dụng là đất hiếm Việt Nam có thành phần 65  Ce và 35  La. Phân tích SEM và EDS đối với nhóm mẫu đưa La, Ce trực tiếp a) Ảnh hiển vi điện tử quét b) Kết quả phân tích phổ năng lượng tại mẫu M2 spectrum 4 Hình 4. 2 Giản đồ EDS tại các điểm khác nhau sau biến tính 10
Sau quá trình làm nhỏ mịn hạt, có thể nhận thấy sự đất hiếm có mặt trên toàn bộ bề mặt của pha nền cũng như ở biên giới pha. Chất biến tính ở đây là đất hiếm không bị hòa tan vào trong kim loại lỏng vì nhiệt độ nóng chảy của La, Ce cao hơn nhiệt độ biến tính, nó có tác dụng giảm năng lượng tạo mầm kết tinh, và đóng vai trò như các tâm mầm có sẵn. Trong quá trình nấu luyện và làm nhỏ mịn hạt cũng đã làm nguội nhanh, làm tăng độ quá nguội do đó dễ thu được cấu trúc nhỏ mịn hơn. Các nguyên tử đất hiếm càng nhiều là tâm mầm kết tinh càng nhiều và hạt sẽ càng làm nhỏ mịn. Phân tích phổ phân tán năng lượng tại các điểm khác nhau (điểm 4 và điểm 5) của tổ chức hợp kim sau khi làm nhỏ mịn hạt bằng RE (hình 4.2); đều thu được kết quả tồn tại đất hiếm một cách khá tương tự về tỷ phần của La và Ce. Với kết quả phân tích ở điểm 4 (hình 4.2b) cho thành phần Ce là 0,9 %, thành phần La là 0,5 %; tại điểm 5 (hình 4.2c) có thành phần Ce là 1,6%, thành phần La là 1,7% là những hàm lượng nhỏ không tạo được pha liên kim của nguyên tố đất hiếm với nhôm; như vậy thành phần đất hiếm của hợp kim này là tâm mầm kết tinh ngoại lai và làm cho hạt trở nên nhỏ mịn. Kết quả chứng minh hạt nhỏ mịn được xác thực bằng kích thước hạt bởi phương pháp chụp trên kính hiển vi quang học. Bảng 4. 1 Thành phần hóa học của hợp kim trung gian La Ce Al 10,96 6,87 Còn lại Hình 4. 1 Giản đồ nhiễu xạ hợp kim trung gian 11
Bằng kết quả phân tích nhiễu xạ X-ray của hợp kim trung gian nhận thấy trong hợp kim xuất hiện các pha liên kim Al11Ce3 và Al3La. Phân tích tổ chức của hợp kim trung gian bằng phân tích EDS (hình 4.6) cho thấy: Tại các điểm 1 và 2 (vùng màu xám) xuất hiện một cách rõ ràng của La và Ce kết hợp với Al. Từ những kết quả phân tích về XRD cho thấy đây là những pha liên kim của Al với các nguyên tố đất hiếm. Tại điểm 3 cho thấy đó là pha nền của Al. Spectrum 1 Nguyên tố % khối lượng Sai số % khối lượng % nguyên tử Al 41.56 0.26 78.18 Zn 1.40 0.15 1.08 La 20.22 0.30 7.39 Ce 36.83 0.31 13.34 Spectrum 3 Nguyên tố % khối lượng Sai số % khối lượng % nguyên tử Mg 0.88 0.04 0.98 Al 98.59 0.08 98.80 Zn 0.53 0.07 0.22 Hình 4. 2 Kết quả EDS mẫu hợp kim trung gian 12
a) Ảnh hiển vi điện tử quét mẫu M3 Hình 4. 8 Ảnh hiển vi điện tử và phổ năng lượng mẫu M3 Bảng 4. 2 Hàm lượng La, Ce (% khối lượng) Spectrum 4 Spectrum 5 Spectrum 6 Al 16,6 33,3 89,7 La 6,1 3,5 0,4 Ce 27,4 3,4 3,1 Trên hình 4.8 với mẫu M3 phổ EDS cho thấy La, Ce được tìm thấy ở spectrum 4, 5, 6 với hàm lượng cao hơn h n (0,4 6,1%wt La và 3,1 27,4 %wt Ce). Để tạo được pha Al11Ce3 thì (nguyên tử khối Al=27, nguyên tử khối Ce=140) Tỷ lệ 1,65>1,41 vì thế lượng Ce qua phân tích mẫu EDS đủ để hình thành pha Al11Ce3 và còn một lượng nhỏ ở dạng tự do không tạo pha. Từ tỷ phần khối lượng của Al với Ce xác định được pha liên kim hình thành ở đây là Al11Ce3. Từ đặc điểm cấu trúc của Al11Ce3 có mặt đáy và mặt bên có cấu trúc tương tự như mặt đáy và mặt bên của Al (hình 4.9). Hơn nữa, sự sai khác về thông số mạng của hai mạng này là 8,3 %; giá trị thông số mạng của Al11Ce3 là 4,377 ̇ còn thông số mạng của dung dịch 13
rắn α-Al là 4,04 ̇ . Như vậy có thể kết luận được pha liên kim Al11Ce3 có vai trò là tâm mầm kết tinh của hợp kim nghiên cứu; bởi lẽ pha liên kim này được hình thành ở trạng thái sau cùng tinh. Hình 4. 3 Giản đồ nhiễu xạ phân tích pha liên kim RE và Al 14
Hình 4. 4 Kết quả phân tích mapping mẫu M3 Hình 4.11 cho thấy những kết quả phân tích về sự phân bố nguyên tố của mẫu M3. Kết quả phân tích cho thấy có sự phân tán của nguyên tố La; Ce trong nền hợp kim sau nấu luyện. Tuy nhiên, cũng cho thấy có một số điểm có sự tập trung của La; Ce; những điểm này có vai trò hình thành các pha liên kim như Al11Ce3 và Al3La. Kết quả phân tích mapping minh chứng thêm về vai trò của các pha liên kim này trong quá trình làm nhỏ hạt hợp kim sau khi đúc. Những minh chứng về vai trò của các pha liên kim trong việc kìm hãm sự phát triển của các hạt α-Al được thể chứng minh khi tính thông số kìm hãm sự phát triển GRF của hợp kim nghiên cứu. Tính toán năng lượng GRF Quá trình làm nhỏ mịn hạt được thực hiện bởi yếu tố đưa thêm mầm ngoại lại và/hoặc đưa thêm các nguyên tố hợp kim vào trong kim loại lỏng trước khi tiến hành đúc rót. Các nguyên tố hợp kim hóa thêm vào ảnh hưởng lớn đến mô hình quá trình tạo mầm của hợp kim nghiên cứu. 15
Bảng 4. 3 Kết quả tính toán giá trị của thành phần làm nguội với hàm lượng Ce khác nhau: Tỷ phần của Ce G/R 0.21 2.5-14.1x102 6.38x106 2 0.77 2.5-14.1x10 2.34x107 1.30 2.5-14.1x102 3.95x107 2 1.54 2.5-14.1x10 4.68x107 Do đó, trong suốt quá trình đông đặc, tốc độ đông đặc R tăng, gradient nhiệt độ G giảm, hệ số m tăng, thành phần C0 của hợp kim tăng và hệ số K0 giảm Từ kết quả phân tích ở trên cho thấy khi có Ce và hàm lượng Ce tăng lên thì vùng quá nguội ở bề mặt phân cách rắn – lỏng được tăng lên trong suốt quá trình đông đặc. Vùng quá nguội tăng sẽ kích hoạt các hạt nhân phân bố trước mặt phân cách rắn lỏng để trở thành lõi tạo mầm mới. Điều này sẽ góp phần làm tăng tốc độ tạo mầm cho hợp kim lỏng. Việc các mầm hình thành nhiều sẽ góp phần làm giảm độ hạt của hợp kim nghiên cứu. Bằng nghiên cứu về đo góc thấm ướt của hợp kim có và không có RE đã góp phần chứng minh RE(La, Ce) là những chất tạo mầm. Kết quả thực nghiệm được thể hiện trên hình 4.13. Phân tích kết quả đo góc thấm ướt cho thấy: Mẫu M1 góc thấm ướt đo được là φ1=124o trong khi đó mẫu M3 (mẫu có La; Ce) góc thấm ướt là φ2=44o (hình 4.13). Theo những phân tích về lý thuyết ở chương ba đã cho thấy: Khi có La, Ce với giá trị góc thấm ướt nhỏ hơn nên những pha liên kim này sẽ đóng vai trò là tâm mầm cho quá trình kết tinh. 4.2. Sự thay đổi tổ chức hợp kim Al-Zn-Mg-Cu Hình 4. 15 Ảnh hiển vi điện tử quét mẫu sau đúc 16
Hình 4.15 cho thấy tổ chức mẫu sau đúc bằng kính hiển vi điện tử quét: khoảng cách giữa các nhánh cây của hợp kim sau đúc không có La và Ce là khoảng 65 µm; tuy nhiên đối với mẫu khi có La và Ce thì khoảng cách này giảm còn từ 40 đến 50 µm. Điều này, có thể được giải thích nhờ vai trò của của pha liên kim Al11Ce3; Al3La và đất hiếm trong mẫu làm giảm kích thước của các nhánh cây. Tuy vậy, với thành phần của RE trong hợp kim nghiên cứu có thể xuất hiện pha liên kim của Al với các nguyên tố này. Điều này sẽ được minh chứng bằng những phân tích khác như XRD hoặc SEM. Bằng kết quả phân tích hiển vi quang học và hiển vi điện tử có thể thấy các pha nền là dung dịch rắn của nhôm còn phần màu đen có thể dự đoán là các pha liên kim của Zn, Mg, Cu và cũng có thể có sự có mặt của nguyên tố đất hiếm phía bên trong kẽ của pha màu đen đối với mẫu được làm nhỏ mịn hạt bằng đất hiếm. Bằng kết quả phân tích ảnh SEM và EDS ở biên giới hạt (spectrum 7 – hình 4.16) cho thấy xuất hiện có xuất hiện La và Ce ở biên giới hạt. Với hàm lượng đất hiếm là 1,3 % với La và 0,8 % với Ce chưa đủ để hình thành các pha liên kim do vậy đất hiếm ở đây tồn tại dưới dạng các đám nguyên tử tự do. Để biết được sự phân bố nguyên tố đất hiếm thì cần tiến hành phân tích về phổ nguyên tố ở các vị trí khác nhau để xác định vai trò của La; Ce cả ở biên giới hạt và trong hạt; điều này được giải thích dựa trên những kết quả ở hình 4.17 và 4.18. Dựa theo kết quả đã nghiên cứu trước đó từ [5] [6] [7] thì có thể thấy rằng các nguyên tố đất hiếm tập trung chủ yếu ở biên giới hạt. Như vậy các pha liên kim với đất hiếm Alx(La,Ce) sẽ tồn tại nhiều ở biên hạt, các pha này có vai trò như những chốt chặn để hạn chế quá trình lớn hạt xảy ra [6]. Phân tích các kết quả mẫu sau biến tính có thể nhận thấy sự có mặt của đất hiếm trên toàn bộ bề mặt của các pha, cả ở trên pha nền cũng như ở cả biên giới pha. Chất làm nhỏ mịn hạt ở đây là đất hiếm không hòa tan vào trong kim loại lỏng (nhiệt độ nóng chảy của La, Ce cao hơn nhiệt độ biến tính) nó hình thành các pha liên kim của đất hiếm với La và Ce. 17
Hình 4. 5 Ảnh hiển vi điện tử quét mẫu M3 Căn cứ theo giản đồ pha của Al-Ce thì có thể có sự xuất hiện của pha Al11Ce3 được hình thành như tâm mầm kết tinh. Điều này được minh chứng ở kết quả phân tích thành phần spectrum 4; với hàm lượng Ce là 27,4 % tính theo tỷ phần khối lượng xác định được cấu trúc của pha liên kim là Al11Ce3; với thành phần La là 6,1 % thì công thức của hợp kim nghiên cứu là Al3La (hình 4.18b). 4.2.2. Tổ chức tế vi của hợp kim sau ủ đồng đều hóa Đối với mẫu không có La và Ce độ hạt là không đều có hạt có kích thước khá lớn (trên 57µm); ngược lại có hạt có kích thước khoảng 40µm. Với độ phóng đại cao hơn, còn thấy các hạt đều trục. Bên cạnh các hạt đa cạnh không đều. Còn đối với mẫu có La, Ce hạt có dạng tương đối đều có dạng tứ giác có xu hướng tròn. Những hạt dạng như vậy góp phần thuận lợi cho quá trình biến dạng cũng như tăng độ dẻo của hợp kim. Sau ủ đồng đều hóa với thời gian dài độ hạt không phát triển lên; hình dáng hạt có xu hướng là các hạt tròn tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình biến dạng dẻo và ủ kết tinh lại sau này. 18