Luận án tiến sĩ: Ảnh hưởng của chế độ nhiệt luyện đến tổ chức và tính chất hợp kim nhôm Al-Zn-Mg-Cu

Luận án tiến sĩ nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ nhiệt luyện nhiều giai đoạn đến tổ chức và tính chất hợp kim nhôm Al-Zn-Mg-Cu độ bền cao sản xuất trong nước.

• Tác giả: Ngô Minh Tiến
• Người hướng dẫn: PGS. Phùng Thị Tố Hằng
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật liệu học
• Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ nhiệt luyện đến hợp kim nhôm Al-Zn-Mg-Cu độ bền cao
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về hợp kim nhôm Al Zn Mg Cu và chế độ nhiệt luyện

Hợp kim nhôm Al-Zn-Mg-Cu là một trong những vật liệu quan trọng trong ngành công nghiệp hiện đại, đặc biệt trong lĩnh vực hàng không và quốc phòng. Hợp kim nhôm độ bền cao này được ưa chuộng nhờ khả năng chịu lực tốt, độ cứng cao và khối lượng nhẹ. Chế độ nhiệt luyện đóng vai trò quyết định trong việc tối ưu hóa các tính chất cơ học của hợp kim, bao gồm độ bền kéo, độ cứng, và khả năng chống ăn mòn. Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của chế độ nhiệt luyện đến cấu trúc vi mô và tính chất cơ học của hợp kim Al-Zn-Mg-Cu.

1.1. Tổng quan về hợp kim nhôm Al Zn Mg Cu

Hợp kim nhôm Al-Zn-Mg-Cu thuộc nhóm hợp kim nhôm độ bền cao, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng yêu cầu độ bền và độ cứng cao. Thành phần chính của hợp kim bao gồm nhôm (Al), kẽm (Zn), magie (Mg) và đồng (Cu), với các nguyên tố hợp kim phụ như Zr, Ag, Ti giúp cải thiện tính chất cơ học. Cấu trúc vi mô của hợp kim được hình thành thông qua quá trình xử lý nhiệt, bao gồm tôi và hóa già, giúp tạo ra các pha tiết ra trong nền dung dịch rắn, từ đó tăng cường độ bền và độ cứng.

1.2. Vai trò của chế độ nhiệt luyện

Chế độ nhiệt luyện là yếu tố then chốt quyết định tính chất cơ học của hợp kim Al-Zn-Mg-Cu. Quá trình này bao gồm các giai đoạn như tôi, hóa già và kết hợp với biến dạng. Nhiệt luyện giúp tối ưu hóa cấu trúc vi mô, tạo ra các pha tiết ra có kích thước và phân bố phù hợp, từ đó cải thiện độ bền kéo, độ cứng và khả năng chống ăn mòn. Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của chế độ nhiệt luyện đến các tính chất này, đặc biệt là trong các điều kiện làm việc khắc nghiệt.

II. Phương pháp nghiên cứu và thực nghiệm

Nghiên cứu này sử dụng các phương pháp thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của chế độ nhiệt luyện đến hợp kim Al-Zn-Mg-Cu. Các mẫu hợp kim được xử lý nhiệt theo các chế độ khác nhau, bao gồm tôi, hóa già 1 cấp (T6), hóa già phân cấp (T76, RRA) và kết hợp với biến dạng (cơ nhiệt luyện). Các phương pháp phân tích bao gồm kính hiển vi điện tử (SEM, TEM), nhiễu xạ tia X (XRD) và đo độ cứng, độ bền kéo để đánh giá tính chất cơ học và cấu trúc vi mô của hợp kim.

2.1. Thiết bị và quy trình thực nghiệm

Các mẫu hợp kim Al-Zn-Mg-Cu được xử lý nhiệt trong lò nung Nabertherm và biến dạng bằng máy cán tiểu hình. Quá trình tôi được thực hiện ở nhiệt độ 460-480°C, sau đó hóa già ở các nhiệt độ khác nhau (120°C, 130°C, 160°C). Các mẫu được phân tích bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua (TEM) để quan sát cấu trúc vi mô, đồng thời sử dụng nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định các pha tiết ra. Độ cứng và độ bền kéo được đo bằng các thiết bị chuyên dụng.

2.2. Phương pháp đánh giá tính chất cơ học

Các tính chất cơ học của hợp kim Al-Zn-Mg-Cu được đánh giá thông qua đo độ cứng Brinell (HB) và độ bền kéo (σb). Độ cứng được đo bằng máy đo độ cứng Rockwell, trong khi độ bền kéo được xác định bằng máy kéo vạn năng. Ngoài ra, khả năng chống ăn mòn của hợp kim được đánh giá thông qua thử nghiệm phun muối và đo tốc độ ăn mòn trong dung dịch NaCl 3,5%. Các kết quả được so sánh giữa các chế độ nhiệt luyện khác nhau để xác định chế độ tối ưu.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy chế độ nhiệt luyện có ảnh hưởng đáng kể đến tính chất cơ học và cấu trúc vi mô của hợp kim Al-Zn-Mg-Cu. Chế độ hóa già 1 cấp (T6) mang lại độ bền cao nhưng nhạy cảm với ăn mòn ứng suất. Trong khi đó, chế độ hóa già phân cấp (T76, RRA) giúp cải thiện khả năng chống ăn mòn nhưng độ bền có thể giảm nhẹ. Chế độ cơ nhiệt luyện (kết hợp biến dạng và hóa già) cho thấy sự cân bằng tốt giữa độ bền và khả năng chống ăn mòn, đặc biệt phù hợp với các ứng dụng yêu cầu độ bền cao.

3.1. Ảnh hưởng của chế độ hóa già 1 cấp T6

Chế độ hóa già 1 cấp (T6) mang lại độ bền kéo cao nhất, đạt khoảng 580 MPa, nhưng nhạy cảm với ăn mòn ứng suất. Cấu trúc vi mô của hợp kim sau hóa già T6 cho thấy sự hình thành các pha tiết ra phân bố đều trong nền dung dịch rắn, giúp tăng cường độ bền. Tuy nhiên, sự xuất hiện của các vùng trống tiết pha (PFZ) trên biên giới hạt làm giảm khả năng chống ăn mòn của hợp kim.

3.2. Ảnh hưởng của chế độ hóa già phân cấp T76 RRA

Chế độ hóa già phân cấp (T76, RRA) giúp cải thiện đáng kể khả năng chống ăn mòn của hợp kim Al-Zn-Mg-Cu. Chế độ T76 làm giảm kích thước các pha tiết ra trên biên giới hạt, từ đó giảm nguy cơ ăn mòn ứng suất. Chế độ RRA (Retrogression and Reaging) kết hợp hóa già ở nhiều nhiệt độ khác nhau, giúp tối ưu hóa cấu trúc vi mô và cải thiện cả độ bền và khả năng chống ăn mòn.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu này đã chứng minh rằng chế độ nhiệt luyện đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa tính chất cơ học và cấu trúc vi mô của hợp kim Al-Zn-Mg-Cu. Chế độ hóa già 1 cấp (T6) phù hợp với các ứng dụng yêu cầu độ bền cao, trong khi chế độ hóa già phân cấp (T76, RRA) và cơ nhiệt luyện mang lại sự cân bằng tốt giữa độ bền và khả năng chống ăn mòn. Những kết quả này có ý nghĩa quan trọng trong việc lựa chọn chế độ nhiệt luyện phù hợp cho các ứng dụng cụ thể trong ngành hàng không, quốc phòng và công nghiệp dân dụng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tổng quan Chương 2. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu Chương 3. Kết quả và bàn luận.

Kết luận và kiến nghị Danh mục các công trình đã công bố của luận án Tài liệu tham khảo. Hợp kim nhôm độ bền cao hé Al-Zn-Mg-Cu 1. Hợp kim nhôm hé Al-Zn-Mg-Cu 1. Thành phần và ký hiệu Các hợp kim trong hệ Al-Zn-Mg-Cu thuộc loại hợp kim có độ bền cao.

Một số hợp kim chế tạo tại Liên bang Nga (TOCT) trên cơ sở hệ Al-Zn-Mg-Cu có thành phân hóa học nêu trong bang 1.1 Thành phần hóa học một số hợp kim nhôm hệ Al-Zn-Msg-Cu [8]. Mác hợp Thành phần hóa học các nguyên tố hợp kim nhôm, % khối lượng kim Zn Mg Cu Mn Cr Zr Fe Al B93 7,0 1,9 1,0 - - - 0,3 Con lai B94 6,3 1,6 2,1 - - 0,0512 - Con lai B95 6 2,3 1,7 0,4 | 0,18 - - Con lai B9%6n 8,5 2,7 2,3 - - 0,15 - Con lai 1. Đặc điểm tô chức tế vi và cơ tính của hợp kim Các nguyên tố hợp kim chính trong hệ hợp kim nhôm nay la Zn, Mg, Cu. Trong đó, nguyên tố Zn và Mg là các nguyên tố hợp kim có độ hòa tan rất lớn trong nhôm, nồng độ hòa tan cực đại trong AI của Zn và của Mg lần lượt là 82 % và 17,4 % [8].

Ở nhiệt độ thường, độ hòa tan của Zn và Mg trong AI có giá trị không đáng kể. Các nguyên tố này có thê hòa tan vào AI tạo thành dung dịch rắn hoặc tạo thành các pha liên kim. Do đó, hệ hợp kim này có khả năng hóa bền bằng nhiệt luyện cao vì có khả năng tạo ra được độ quá bão hòa dung dịch rắn ơ rất lớn (dung dịch rắn của AI hòa tan các nguyên tô hợp kim). Trong khi đó, Cu có thể hòa tan trong nhôm ít hơn, nhiều nhất đến 5,65 % (ở nhiệt độ cao, 548 °C) va không đáng kế ở nhiệt độ thường (0,5 %), do vậy, nó cũng tạo ra dung dịch rấn quá bão hòa và hợp kim có khả năng hóa bền bằng nhiệt luyện.

Các nguyên tố hợp kim chính trong hệ AI-Zn-Mg-Cu ngoài tạo với AI thành dung dịch rắn ơ, còn tạo ra các pha liên kim, các pha thường gặp là n(MgZn;), T(AlạMgzZn;), S(AI;CuMg) và 9(Al;Cu) [18, 19]. Tỷ lệ hàm lượng các nguyên tố hợp kim và đặc biệt là tỷ lệ Mg/Zn ảnh hưởng mạnh đến sự hình thành pha MgZn; {1. 2, 4, 6, 14, 15], đây được coi là hóa bền chính trong hệ hợp kim nhôm này. Chẳng hạn, trong hệ B94, B95, B96n có các pha liên kim n(MgZn;), T(AlạMgzZn;), S(AI;CuMg).

Hợp kim B93 có 2 pha là nị và T. Theo mức độ tăng Cu trong hệ Al-Zn-Mg-Cu thì một phần Zn trong pha T được thay thé bang Cu. Ca 3 pha liên kim loại đêu là các pha hóa bền khi hóa già. Nung đến 480 °C các pha liên kim ở B93 và B94 bị hòa tan hoàn toàn, ở B95 và B9ón còn sót lại một lượng nhỏ pha S và tạo ra dung dịch rắn quá bão hòa khi làm nguội nhanh.

Khi hóa già chúng sẽ được tiết ra dưới dạng pha hóa bền ở dạng nhỏ mịn, phân tán. Các nghiên cứu ảnh hưởng của các cấu tử khác nhau đến khả năng hóa bên hợp kim khi nhiệt luyện cho thấy, Cu nâng cao độ bền của hợp kim ở trạng thái tôi (hóa bền dung địch rắn) và ít ảnh hưởng đến hiệu ứng hóa già (ít tăng độ bên khi hóa gia) [1, 8]. Từ đó thấy rằng, pha hóa bền chủ yếu trong hệ Al-Zn-Mg-Cu là các pha ị và T, còn pha S giữ vai trò không đáng kê và là pha hóa bền phụ. Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim phụ Trong hệ Al-Zn-Mg-Cu thường được hợp kim hóa thêm các nguyên tố phụ là Mn, Cr, Zr, Ti [8, 20].

Các nguyên tố Cr, Mn va Zr có tác dụng tăng tốc quá trình phân hủy dung dịch rắn, làm nhỏ hạt, nâng cao nhiệt độ kết tinh lại. Do đó, thêm Cr, Mn và Zr có tác dụng hóa bền và gây hiệu ứng hóa bền tô chức. Ngoài ra, các nguyên tố kim loại chuyển tiếp có tác dụng cải thiện độ hạt khi kết tỉnh và nâng cao tính ôn định chong a ăn mòn dưới tác dụng của ứng suất. Khi có mặt trong hợp kim, các kim loại chuyển tiếp như Cr, Mn và Zr làm biến đổi rất mạnh tô chức, cả về phân bố các pha cũng như hình dạng của biên giới hat [6].

Một mặt các nguyên tố kim loại chuyên tiếp thúc đây quá trình tiết pha n, T và S từ dung dịch rắn ơ ở trạng thái nhỏ mịn, phân tán, mặt khác, trên biên giới chúng tạo nên hình dạng răng cưa và kéo dài biên giới tổng cộng của hạt a [8]. Với tổ chức đặc trưng này, cường độ ăn mòn nứt giảm, tốc độ phát triển vết nứt ăn mòn theo biên giới hạt cũng bị cản trở, chống an mon nut. Hop kim nhôm độ bền cao B95 B95 là một trong số các hợp kim nhôm biến dạng độ bền cao được ứng dụng rộng rãi nhất trong các hợp kim nhôm thuộc hệ Al-Zn-Mg-Cu. Hợp kim B95 có độ bén cao hon dura JI16 (hợp kim Al-Cu-Mg).

Đây là hợp kim nhôm có nhiều tiềm năng đang được khai thác trong ngành hàng không, dùng để chế tạo các chỉ tiết khung máy bay, tên lửa, tàu hải quân và các chi tiết quan trọng trong lĩnh vực quân sự như làm phễu đạn lõm thay cho thép 40X (PG-7VL đạn chống tăng), cánh ổn định PG-9. Ngoài ra, hệ hợp kim nhôm độ bền cao B95 còn được ứng dụng nhiều trong dân dụng như: khuôn thổi nhựa, giầy trượt tuyết, các chỉ tiết kết cấu có độ bền cao, độ cứng cao.2 liệt kê thành phần hóa học của hợp kim B95 (tiêu chuẩn Nga-TOCT) và hợp kim 7075 (tiêu chuân Hoa Kỳ-AA) có thành phần gần tương đương với B95.2 Bảng thành phân hóa học cúa hợp kim nhôm B95 (TOCT 4784-97) và 7075 (AA- Hoa ky) [21]. Mac Hop Thành phần hóa học các nguyên tố hợp kim nhôm, % khối lượng kim AI |Zn |Mg |Cu |Cr |Ti |Si |Fe |Ni |Mn 86,3- |5,0- | 1,8- |1,44- |0/1- |Max |Max |Max |Max | 0.2- BOS (Nga) | ors (70 |28 (20 025 |005 |05 |05 |01 |06 = |87,17- |5,1- |2,1- |1/2- |0,18- Max |Max 1015 (Mỹ) oạ vị lao J20 028 29 loa os | > | O83 Khi tăng hàm lượng tổng của Zn và Mg lên 8 + I1 %, đưa thêm vào khoảng 2 % Cu sẽ tạo ra nhóm hợp kim nhôm biến dạng có độ bền cao nhất. Vai trò của đồng trong trường hợp này là hòa tan vào dung dịch rắn œ và hóa bền ơ.

Tuy nhiên, yếu tố quan trọng nhất của bổ sung thêm Cu không phải là tăng bền mà là tăng mức độ chống ăn mòn ứng suất, đặc biệt khi thành phần Cu lớn hơn 1,5 % khối lượng, các nguyên tử Cu khi hóa già nhiệt độ cao hơn 150 °C sẽ cùng với Al khuếch tán mạnh thay thế một vài nguyên tử Zn để thành pha liên kim Mg(AlCuZn);, giảm điện thế ăn mòn và tăng bên ăn mòn ứng suất [1, 8]. Hợp kim nhôm B95 được hợp kim hóa thêm (0,2 + 0,6 %) Mn, (0,1 + 0,25 %) Cr và max 0,05 % T¡ nhằm làm nhỏ hạt, cải thiện tổ chức vùng biên giới, nâng cao cơ tính và làm giảm xu hướng nhạy cảm với ăn mòn dưới ứng suất. Hợp kim B95 và 7075 có các nguyên tố hợp kim chính về cơ bản gần giống nhau, tuy nhiên, khoảng hàm lượng Zn trong B95 rộng hơn và nhiều hơn so với trong 7075. Bên cạnh đó, nguyên tô hợp kim phụ khá khác nhau.

Zn là một nguyên tố chính quan trọng vì tỷ lệ Mg/Zn ảnh hưởng rất mạnh đến khả năng hóa bền bằng hoa gia của hợp kim này. Ngoài việc tạo pha hóa bén chinh n’ va n, Zn (cùng với Mg) còn là nguyên tố có điện thế điện cực khá âm, do đó hàm lượng nguyên tô này thay đổi sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến tính bền ăn mòn do liên quan đến việc tạo các pha có chứa chúng. Nguyên tố Mn của B95 nằm trong dải rộng và có giá trị ngưỡng trên gấp 2 lần trong hợp kim nhôm 7075. Mn là nguyên tố có độ hòa tan giảm rất nhanh trong AI trong khoảng nhiệt độ từ 550-450 °C, hệ số khuếch tán của Mn trong AI rất nhỏ, do vậy xu hướng tạo dung dịch rắn quá bão hòa Mn trong AI khá lớn.

Với hàm lượng nhỏ, Mn chủ yếu hóa bền dung dịch rắn. Trong B95, còn cho phép có mặt của nguyên tố Ni, với hàm lượng nhỏ, đây cũng là nguyên tố hòa tan trong dung dich ran, hoa bền dung dịch răn. Như vậy, cùng với Cu, Mn và Ni là nguyên tố hóa bền dung dịch rắn, góp phần tăng bền của hợp kim. Mặt khác, trong hợp kim 7075 có hàm lượng Tì (đến 0,2 %) đáng kể hơn so với B95 (max 0,05 %).

Đây là nguyên tố có vai trò rất quan trọng làm nhỏ hạt, cải thiện kích thước hạt khi kết tinh, đồng thời có vai trò thay đôi tô chức biên giới hạt nhu Mn, Cr va Zr dé làm giảm nhạy cảm ăn mòn biên giới, ăn mòn ứng suất cho hợp kim [8]. Do vậy, mặc dù được coi là các hợp kim tương đương nhưng chúng có những tính chất khác nhau về cơ tính và tính bền ăn mòn do sự khác nhau vê nguyên tố Zn và các nguyên tố phụ. Do đó, trong một số trường hợp không thể coi hợp kim B95 là hợp kim 7075 được, chúng ta chỉ nên coi chúng là tương đương để phục vụ cho các nghiên cứu, khi đó các qui trình xử lý nhiệt cho hợp kim 7075 có thê được sử dụng làm cơ sở cho quá trình xử lý nhiệt hợp kim B95. Một khuynh hướng nghiên cứu hiện nay là người ta đưa thêm vào hợp kim hệ Al-Zn-Mg-Cu một số nguyên tổ với hàm lượng nhỏ (gọi là nguyên tố vi lượng, thường là Zr, Sc, Ni, Cr, Ag.), kết hợp với công nghệ nhiệt luyện, nhằm cải thiện tính chat và nâng cao cơ tính cho hợp kim nhôm [5, 6, 10, 11].

Trong quân đội Việt nam, phần lớn sử dụng và nấu luyện các mác hợp kim theo tiêu chuan Nga, lý do là nhiều chỉ tiết và công nghệ được mua hoặc hỗ trợ từ Nga, trong khi trong lĩnh vực công nghiệp dân dụng nói chung lại thường sử dụng các hợp kim theo tiêu chuẩn Mỹ (AA) hoặc của một số nước khác. Từ những phân tích vê thành phần hóa học của mác B95 và 7075 mặc dù được coi là tương đương, nhưng cũng có những điểm khác nhau.