Tổng quan nghiên cứu

Trong những năm gần đây, hợp kim vô định hình cơ sở Al-TM-RE với hàm lượng Al trên 80% đã thu hút sự quan tâm lớn trong lĩnh vực khoa học vật liệu do các đặc tính cơ học và nhiệt học ưu việt. Theo báo cáo của ngành, hợp kim vô định hình có độ bền kéo có thể lên tới 1500 MPa, cao gấp ba lần so với hợp kim tinh thể truyền thống. Tuy nhiên, việc chế tạo hợp kim vô định hình với độ ổn định nhiệt cao vẫn là thách thức lớn, đặc biệt khi sử dụng phương pháp hợp kim hóa cơ học (MA) – một kỹ thuật nghiền bi năng lượng cao cho phép tổng hợp các hợp kim mới với cấu trúc nano và vô định hình ở trạng thái rắn.

Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của nguyên tố Y (yttrium) đến quá trình vô định hình hóa và độ bền nhiệt của hệ hợp kim Al82Fe16-xNi2Yx (x = 0, 2, 4) được chế tạo bằng phương pháp hợp kim hóa cơ học. Mục tiêu chính là đánh giá sự thay đổi cấu trúc, kích thước hạt, cũng như tính ổn định nhiệt của hợp kim khi thay đổi hàm lượng Y, từ đó đề xuất các điều kiện tối ưu cho quá trình chế tạo hợp kim vô định hình có tính năng vượt trội.

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, trong khoảng thời gian từ 2020 đến 2022. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu vô định hình cơ sở Al có độ bền cao, ổn định nhiệt tốt, phục vụ cho các ứng dụng trong công nghiệp ô tô, hàng không, điện tử và năng lượng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết vật liệu vô định hình: Vật liệu vô định hình là chất rắn không có cấu trúc tinh thể dài hạn, có tính chất cơ học và nhiệt học đặc biệt như độ bền cao, khả năng chống ăn mòn và tính ổn định nhiệt giả bền. Nhiệt độ chuyển pha thủy tinh (Tg) và khoảng nhiệt độ chất lỏng quá nguội (∆Tx) là các tham số quan trọng để đánh giá tính ổn định của vật liệu vô định hình.

  • Mô hình hợp kim hóa cơ học (MA): Quá trình nghiền bi năng lượng cao tạo ra sự biến dạng dẻo, hàn nguội và phân mảnh liên tục của các hạt bột kim loại, dẫn đến sự hình thành pha vô định hình hoặc cấu trúc nano. Quá trình này gồm bốn giai đoạn: bắt đầu, trung gian, cuối và hoàn thành, trong đó cân bằng động giữa hàn nguội và nứt vỡ quyết định kích thước hạt và cấu trúc pha.

  • Khái niệm về ảnh hưởng của nguyên tố đất hiếm (RE) như Y: Nguyên tố Y có khả năng tạo vô định hình mạnh trong hệ Al-TM-RE, làm tăng độ ổn định nhiệt và cải thiện tính chất cơ học của hợp kim vô định hình.

Các khái niệm chính bao gồm: nhiệt độ chuyển pha thủy tinh (Tg), nhiệt độ kết tinh (Tx), khoảng nhiệt độ chất lỏng quá nguội (∆Tx = Tx - Tg), hàn nguội (cold welding), phân mảnh (fragmentation), và cân bằng động pha vô định hình.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu hợp kim Al82Fe16-xNi2Yx (x = 0, 2, 4) được tổng hợp bằng phương pháp hợp kim hóa cơ học sử dụng máy nghiền bi hành tinh với các điều kiện sau:

  • Tốc độ nghiền: 350 vòng/phút
  • Thời gian nghiền: từ 5 đến 100 giờ
  • Tỷ lệ khối lượng bi nghiền và bột: 20:1
  • Môi trường nghiền: khí Argon trơ và dung môi n-Hexan để tránh oxy hóa
  • Nhiệt độ nghiền: nhiệt độ phòng với hệ thống làm mát bằng nước

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc pha và sự chuyển biến pha theo thời gian nghiền.
  • Phân tích kích thước hạt bằng máy phân tích hạt Laser để đánh giá sự thay đổi kích thước hạt trong quá trình nghiền.
  • Hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM) để quan sát hình thái và phân bố kích thước hạt.
  • Phân tích nhiệt lượng kế quét vi sai (DSC) để xác định nhiệt độ chuyển pha thủy tinh, nhiệt độ kết tinh và đánh giá độ ổn định nhiệt của hợp kim.

Cỡ mẫu được lựa chọn khoảng 20 gram cho mỗi mẻ nghiền, đảm bảo đủ lượng vật liệu để phân tích đồng thời giảm thiểu sai số. Phương pháp chọn mẫu là lấy mẫu ngẫu nhiên từ các mẻ nghiền khác nhau để đảm bảo tính đại diện. Phân tích dữ liệu được thực hiện bằng phần mềm chuyên dụng, kết hợp so sánh các chỉ số nhiệt học và cấu trúc pha nhằm đánh giá ảnh hưởng của nguyên tố Y.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của Y đến quá trình vô định hình hóa: Kết quả XRD cho thấy hợp kim Al82Fe16Ni2 (x=0) đạt trạng thái vô định hình sau khoảng 60 giờ nghiền, trong khi hợp kim có Y (x=2, 4) cần thời gian nghiền dài hơn, lần lượt là 70 và 100 giờ để đạt trạng thái vô định hình hoàn toàn. Điều này chứng tỏ nguyên tố Y làm chậm quá trình vô định hình hóa nhưng đồng thời giúp tạo ra cấu trúc vô định hình ổn định hơn.

  2. Kích thước hạt và hình thái: Phân tích kích thước hạt cho thấy kích thước trung bình của hạt giảm từ khoảng 5 µm ở hợp kim không có Y xuống còn khoảng 2 µm ở hợp kim chứa 4% Y sau thời gian nghiền tối ưu. Hình ảnh FE-SEM minh họa hạt bột có hình dạng gần như hình cầu và phân bố kích thước đồng đều hơn khi tăng hàm lượng Y.

  3. Độ ổn định nhiệt: Phân tích DSC cho thấy nhiệt độ chuyển pha thủy tinh (Tg) và nhiệt độ kết tinh (Tx) tăng theo hàm lượng Y, với Tg tăng từ khoảng 350°C (x=0) lên 370°C (x=4), Tx tăng từ 365°C lên 390°C. Khoảng nhiệt độ chất lỏng quá nguội ∆Tx cũng tăng từ 15°C lên 20°C, cho thấy hợp kim chứa Y có độ ổn định nhiệt tốt hơn.

  4. So sánh với các nghiên cứu trước: Kết quả phù hợp với báo cáo của ngành về vai trò của nguyên tố đất hiếm trong việc cải thiện tính ổn định nhiệt và cơ học của hợp kim vô định hình. Sự gia tăng Tg và Tx tương ứng với sự tăng cường liên kết nguyên tử do sự hiện diện của Y, làm giảm tốc độ khuếch tán và tinh thể hóa.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc Y làm chậm quá trình vô định hình hóa là do nguyên tử Y có kích thước lớn và năng lượng liên kết cao, làm tăng rào cản năng lượng cho sự khuếch tán nguyên tử trong quá trình nghiền. Điều này dẫn đến sự hình thành pha vô định hình ổn định hơn với cấu trúc tinh thể nano mịn hơn. Dữ liệu XRD và FE-SEM có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện sự giảm dần kích thước hạt theo thời gian nghiền và hình ảnh vi mô minh họa sự đồng nhất của hạt.

So với các hợp kim Al82Fe16Ni2 không có Y, hợp kim chứa Y có khả năng chịu nhiệt tốt hơn, phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi độ bền nhiệt cao như trong công nghiệp ô tô và hàng không. Kết quả này cũng đồng nhất với các nghiên cứu trước về hợp kim Al-TM-RE, khẳng định vai trò quan trọng của nguyên tố đất hiếm trong việc nâng cao tính năng vật liệu vô định hình.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu thời gian và cường độ nghiền: Đề xuất sử dụng thời gian nghiền từ 70 đến 100 giờ với tốc độ 350 vòng/phút và tỷ lệ bi-bột 20:1 để đảm bảo tạo pha vô định hình ổn định cho hợp kim chứa Y. Chủ thể thực hiện là các phòng thí nghiệm nghiên cứu vật liệu.

  2. Kiểm soát hàm lượng Y: Khuyến nghị duy trì hàm lượng Y trong khoảng 2-4% để cân bằng giữa tốc độ vô định hình hóa và độ ổn định nhiệt, nhằm tối ưu hóa tính chất cơ học và nhiệt học của hợp kim.

  3. Sử dụng môi trường khí trơ và dung môi kiểm soát quá trình: Áp dụng môi trường Argon và dung môi n-Hexan trong quá trình nghiền để hạn chế oxy hóa và tăng hiệu quả hợp kim hóa cơ học, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm.

  4. Phát triển quy trình kết khối bằng thiêu kết xung điện plasma (SPS): Khuyến nghị áp dụng SPS để kết khối các hạt bột vô định hình nhằm giữ nguyên cấu trúc vô định hình và tăng cường tính cơ học của vật liệu thành phẩm trong vòng 1-2 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Khoa học Vật liệu: Nghiên cứu cung cấp kiến thức sâu về hợp kim vô định hình và phương pháp hợp kim hóa cơ học, hỗ trợ phát triển đề tài nghiên cứu mới.

  2. Kỹ sư phát triển vật liệu trong công nghiệp ô tô và hàng không: Tham khảo để ứng dụng hợp kim vô định hình có độ bền cao và ổn định nhiệt trong thiết kế linh kiện chịu nhiệt và tải trọng lớn.

  3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu tiên tiến: Áp dụng quy trình hợp kim hóa cơ học và các giải pháp kiểm soát quá trình để sản xuất hợp kim vô định hình chất lượng cao, nâng cao năng lực cạnh tranh.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách khoa học công nghệ: Sử dụng kết quả nghiên cứu để định hướng đầu tư phát triển công nghệ vật liệu mới, thúc đẩy ứng dụng trong các ngành công nghiệp trọng điểm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nguyên tố Y ảnh hưởng như thế nào đến quá trình vô định hình hóa?
    Nguyên tố Y làm tăng rào cản năng lượng khuếch tán, làm chậm quá trình vô định hình hóa nhưng tạo ra cấu trúc vô định hình ổn định hơn, giúp tăng độ bền nhiệt của hợp kim.

  2. Tại sao hợp kim vô định hình có độ bền cao hơn hợp kim tinh thể?
    Do cấu trúc không có khuyết tật tinh thể và sự phân bố đồng đều của các nguyên tử, hợp kim vô định hình có giới hạn đàn hồi và độ bền kéo cao hơn, giảm nguy cơ nứt gãy.

  3. Phương pháp hợp kim hóa cơ học có ưu điểm gì so với phương pháp nguội nhanh?
    Hợp kim hóa cơ học cho phép tổng hợp hợp kim vô định hình ở trạng thái rắn, không giới hạn về hình dạng sản phẩm và có thể tạo cấu trúc nano đồng nhất với chi phí thấp hơn.

  4. Làm thế nào để kiểm soát kích thước hạt trong quá trình hợp kim hóa cơ học?
    Kiểm soát thông qua thời gian nghiền, tốc độ quay, tỷ lệ bi-bột và sử dụng chất trợ nghiền như n-Hexan để hạn chế hàn nguội quá mức, giúp duy trì kích thước hạt nhỏ và đồng đều.

  5. Ứng dụng thực tế của hợp kim Al82Fe16-xNi2Yx vô định hình là gì?
    Hợp kim này phù hợp cho các bộ phận chịu nhiệt và tải trọng cao trong công nghiệp ô tô, hàng không, điện tử và thiết bị y tế nhờ tính năng cơ học và nhiệt học vượt trội.

Kết luận

  • Hợp kim Al82Fe16-xNi2Yx (x = 0, 2, 4) được tổng hợp thành công bằng phương pháp hợp kim hóa cơ học với cấu trúc vô định hình ổn định.
  • Nguyên tố Y làm chậm quá trình vô định hình hóa nhưng tăng độ ổn định nhiệt và cải thiện tính chất cơ học của hợp kim.
  • Kích thước hạt giảm và phân bố đồng đều hơn khi tăng hàm lượng Y, góp phần nâng cao hiệu suất vật liệu.
  • Phân tích nhiệt DSC cho thấy Tg, Tx và ∆Tx tăng theo hàm lượng Y, chứng tỏ hợp kim chứa Y có độ bền nhiệt tốt hơn.
  • Đề xuất các điều kiện nghiền và quy trình kết khối SPS để ứng dụng hợp kim vô định hình trong công nghiệp.

Tiếp theo, nghiên cứu sẽ tập trung vào tối ưu hóa quy trình kết khối và đánh giá tính năng cơ học của vật liệu thành phẩm nhằm mở rộng ứng dụng thực tiễn. Độc giả và nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng kết quả này để phát triển vật liệu vô định hình mới có hiệu suất cao hơn.