phần mở đầu và các mục theo qui định, nội dung nghiên cứu của luận án đƣợc trình bày trong 03 chƣơng, cụ thể nhƣ sau: Chƣơng 1. Tổng quan Chƣơng 2. Đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên cứu Chƣơng 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. 4 luan an Chƣơng 1. Hợp kim nhôm độ bền cao hệ Al-Zn-Mg-Cu 1. Hợp kim nhôm hệ 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 (OCT) trên cơ sở hệ Al-Zn-Mg-Cu có thành phần hóa học nêu trong bảng 1.1 Thành phần hóa học một số hợp kim nhôm hệ Al-Zn-Mg-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 Còn lại B94 6,3 1,6 2,1 - - 0,0512 - Còn lại B95 6 2,3 1,7 0,4 0,18 - - Còn lại B96ц 8,5 2,7 2,3 - - 0,15 - Còn lại 1. Đặc điểm tổ chức tế vi và cơ tính của hợp kim Các nguyên tố hợp kim chính trong hệ hợp kim nhôm này là 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 Al của Zn và của Mg lần lƣợt là 82 % và 17,4 % [8]. Ở nhiệt độ thƣờng, độ hòa tan của Zn và Mg trong Al có giá trị không đáng kể. Các nguyên tố này có thể hòa tan vào Al 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 đƣợc độ quá bão hòa dung dịch rắn α rất lớn (dung dịch rắn của Al hòa tan các nguyên tố hợp kim).
Trong khi đó, Cu có thể hòa tan trong nhôm ít hơn, nhiều nhất đến 5,65 % (ở nhiệt độ cao, 548 oC) và không đáng kể ở nhiệt độ thƣờng (0,5 %), do vậy, nó cũng tạo ra dung dịch rắn quá bão hòa và hợp kim có khả năng hóa bền bằng nhiệt luyện. Các nguyên tố hợp kim chính trong hệ Al-Zn-Mg-Cu ngoài tạo với Al thành dung dịch rắn α, còn tạo ra các pha liên kim, các pha thƣờng gặp là (MgZn2), T(Al2Mg3Zn3), S(Al2CuMg) và θ(Al2Cu) [18, 19]. Tỷ lệ hàm lƣợng các nguyên tố hợp kim và đặc biệt là tỷ lệ Mg/Zn ảnh hƣởng mạnh đến sự hình thành pha MgZn2 [1, 2, 4, 6, 14, 15], đây đƣợc coi là hóa bền chính trong hệ hợp kim nhôm này. Chẳng hạn, trong hệ B94, B95, B96ц có các pha liên kim η(MgZn2), T(Al2Mg3Zn3), S(Al2CuMg).
Hợp kim B93 có 2 pha là η và T. Theo mức độ tăng Cu trong hệ Al-Zn-Mg-Cu thì một phần Zn trong pha T đƣợc thay thế bằng Cu. Cả 3 pha liên kim loại đều là các pha hóa bền khi hóa già. Nung đến 480 oC các pha liên kim ở B93 và B94 bị hòa tan hoàn toàn, ở B95 và B96ц còn sót lại một lƣợng nhỏ pha S và tạo ra dung dịch rắn quá bão hòa khi làm nguội nhanh.
Khi hóa già chúng sẽ đƣợc tiết ra dƣới dạng pha hóa bền ở dạng nhỏ mịn, phân tán. Các nghiên cứu ảnh hƣởng của các cấu tử khác nhau đến khả năng hóa bền hợp kim khi nhiệt luyện cho thấy, Cu nâng cao độ bền của hợp kim ở trạng thái tôi (hóa bền dung dịch rắn) và ít ảnh hƣởng đến hiệu ứng hóa già (ít tăng độ bền khi hóa già) [1, 8]. Từ đó 5 luan an thấy rằng, pha hóa bền chủ yếu trong hệ Al-Zn-Mg-Cu là các pha η và T, còn pha S giữ vai trò không đáng kể và là pha hóa bền phụ. Ảnh hưởng của các nguyên tố hợp kim phụ Trong hệ Al-Zn-Mg-Cu thƣờng đƣợc hợp kim hóa thêm các nguyên tố phụ là Mn, Cr, Zr, Ti [8, 20].
Các nguyên tố Cr, Mn và 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 tổ chức. Ngoài ra, các nguyên tố kim loại chuyển tiếp có tác dụng cải thiện độ hạt khi kết tinh và nâng cao tính ổn định chống ăn mòn dƣới tác dụng của ứng suất. Khi có mặt trong hợp kim, các kim loại chuyển tiếp nhƣ Cr, Mn và Zr làm biến đổi rất mạnh tổ chức, cả về phân bố các pha cũng nhƣ hình dạng của biên giới hạt [6].
Một mặt các nguyên tố kim loại chuyển tiếp thúc đẩy quá trình tiết pha η, T và S từ dung dịch rắn α ở trạng thái nhỏ mịn, phân tán, mặt khác, trên biên giới chúng tạo nên hình dạng răng cƣa và kéo dài biên giới tổng cộng của hạt α [8]. Với tổ chức đặc trƣng này, cƣờng độ ăn mòn nứt giảm, tốc độ phát triển vết nứt ăn mòn theo biên giới hạt cũng bị cản trở, chống ăn mòn nứt. Hợp kim nhôm độ bền cao B95 B95 là một trong số các hợp kim nhôm biến dạng độ bền cao đƣợc ứng dụng rộng rãi nhất trong các hợp kim nhôm thuộc hệ Al-Zn-Mg-Cu. Hợp kim B95 có độ bền cao hơn đura Д16 (hợp kim Al-Cu-Mg).
Đây là hợp kim nhôm có nhiều tiềm năng đang đƣợc khai thác trong ngành hàng không, dùng để chế tạo các chi tiết khung máy bay, tên lửa, tàu hải quân và các chi tiết quan trọng trong lĩnh vực quân sự nhƣ 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 đƣợc ứng dụng nhiều trong dân dụng nhƣ: khuôn thổi nhựa, giầy trƣợt tuyết, các chi tiết kết cấu có độ bền cao, độ cứng cao…[8].2 liệt kê thành phần hóa học của hợp kim B95 (tiêu chuẩn Nga-OCT) và hợp kim 7075 (tiêu chuẩn Hoa Kỳ-AA) có thành phần gần tƣơng đƣơng với B95.2 Bảng thành phần hóa học của hợp kim nhôm B95 (OCT 4784-97) và 7075 (AA– Hoa kỳ) [21]. Mác Hợp Thành phần hóa học các nguyên tố hợp kim nhôm, % khối lượng kim Al Zn Mg Cu Cr Ti Si Fe Ni Mn 86,3- 5,0- 1,8- 1,4- 0,1- Max Max Max Max 0,2- B95 (Nga) 91,5 7,0 2,8 2,0 0,25 0,05 0,5 0,5 0,1 0,6 87,17- 5,1- 2,1- 1,2- 0,18- Max Max 7075 (Mỹ) 0,20 - 0,3 89,87 6,1 2,9 2,0 0,28 0,4 0,5 Khi tăng hàm lƣợng tổng của Zn và Mg lên 8 11 %, đƣa thêm vào khoảng 2 % Cu sẽ tạo ra nhóm hợp kim nhôm biến dạng có độ bền cao nhất. Vai trò của đồng trong trƣờng hợp này là hòa tan vào dung dịch rắn α và hóa bền α.
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 lƣợng, 6 luan an các nguyên tử Cu khi hóa già nhiệt độ cao hơn 150 oC sẽ cùng với Al khuếch tán mạnh thay thế một vài nguyên tử Zn để thành pha liên kim Mg(AlCuZn)2, giảm điện thế ăn mòn và tăng bền ăn mòn ứng suất [1, 8]. Hợp kim nhôm B95 đƣợc hợp kim hóa thêm (0,2 ÷ 0,6 %) Mn, (0,1 ÷ 0,25 %) Cr và max 0,05 % Ti nhằm làm nhỏ hạt, cải thiện tổ chức vùng biên giới, nâng cao cơ tính và làm giảm xu hƣớng nhạy cảm với ăn mòn dƣới ứng suất. Hợp kim B95 và 7075 có các nguyên tố hợp kim chính về cơ bản gần giống nhau, tuy nhiên, khoảng hàm lƣợng Zn trong B95 rộng hơn và nhiều hơn so với trong 7075. Bên cạnh đó, nguyên tố hợp kim phụ khá khác nhau.
Zn là một nguyên tố chính quan trọng vì tỷ lệ Mg/Zn ảnh hƣởng rất mạnh đến khả năng hóa bền bằng hóa già của hợp kim này. Ngoài việc tạo pha hóa bền chính η’ và η, Zn (cùng với Mg) còn là nguyên tố có điện thế điện cực khá âm, do đó hàm lƣợng nguyên tố này thay đổi sẽ ảnh hƣởng 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 ngƣỡng trên gấp 2 lần trong hợp kim nhôm 7075. Mn là nguyên tố có độ hòa tan giảm rất nhanh trong Al trong khoảng nhiệt độ từ 550-450 oC, hệ số khuếch tán của Mn trong Al rất nhỏ, do vậy xu hƣớng tạo dung dịch rắn quá bão hòa Mn trong Al khá lớn.
Với hàm lƣợng nhỏ, Mn chủ yếu hóa bền dung dịch rắn. Trong B95, còn cho phép có mặt của nguyên tố Ni, với hàm lƣợng nhỏ, đây cũng là nguyên tố hòa tan trong dung dịch rắn, hóa bền dung dịch rắn. Nhƣ 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 lƣợng Ti (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 thƣớc hạt khi kết tinh, đồng thời có vai trò thay đổi tổ chức biên giới hạt nhƣ Mn, Cr và Zr để làm giảm nhạy cảm ăn mòn biên giới, ăn mòn ứng suất cho hợp kim [8]. Do vậy, mặc dù đƣợc coi là các hợp kim tƣơng đƣơng nhƣng chúng có những tính chất khác nhau về cơ tính và tính bền ăn mòn do sự khác nhau về nguyên tố Zn và các nguyên tố phụ. Do đó, trong một số trƣờng hợp không thể coi hợp kim B95 là hợp kim 7075 đƣợc, chúng ta chỉ nên coi chúng là tƣơng đƣơng để phục vụ cho các nghiên cứu, khi đó các qui trình xử lý nhiệt cho hợp kim 7075 có thể đƣợc sử dụng làm cơ sở cho quá trình xử lý nhiệt hợp kim B95. Một khuynh hƣớng nghiên cứu hiện nay là ngƣời ta đƣa thêm vào hợp kim hệ Al-Zn-Mg-Cu một số nguyên tố với hàm lƣợng nhỏ (gọi là nguyên tố vi lƣợng, thƣờng là Zr, Sc, Ni, Cr, Ag…), kết hợp với công nghệ nhiệt luyện, nhằm cải thiện tính chất 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 chuẩn Nga, lý do là nhiều chi tiết và công nghệ đƣợc mua hoặc hỗ trợ từ Nga, trong khi trong lĩnh vực công nghiệp dân dụng nói chung lại thƣờng sử dụng các hợp kim theo tiêu chuẩn Mỹ (AA) hoặc của một số nƣớc khác.