Ảnh hưởng của nguyên tố Y đến quá trình vô định hình hóa và độ bền nhiệt của hợp kim Al82Fe16-xNi2Yx

Nghiên cứu ảnh hưởng của nguyên tố y đến quá trình vô định hình hóa và độ bền nhiệt của hợp kim al82fe16 xni2yx x 0 2 4 từ hợp kim hóa cơ học.

• Tác giả: Nguyễn Minh Dương
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Hoàng Việt
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Khoa học Vật liệu
• Đề tài: Ảnh hưởng của nguyên tố Y đến quá trình vô định hình hóa và độ bền nhiệt của hệ hợp kim Al82Fe16-xNi2Yx (x = 0, 2, 4) chế tạo bằng phương pháp hợp kim hóa cơ học
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Vật liệu vô định hình
• 1.2. Định nghĩa và phân loại vật liệu vô định hình
• 1.3. Các phương pháp chế tạo vật liệu vô định hình
• 1.4. Tính chất của vô định hình kim loại
• 1.5. Hợp kim hóa cơ học
• 1.5.1. Định nghĩa và các giai đoạn của hợp kim hóa cơ học
• 1.5.2. Lịch sử phát triển của phương pháp hợp kim hóa cơ học
• 1.5.3. Ưu điểm và ứng dụng của phương pháp hợp kim hóa cơ học
• 1.5.4. Thiết bị hợp kim hóa cơ học
• 1.6. Đặc trưng và tính chất của vật liệu vô định hình
• 1.7. Đặc trưng của vật liệu vô định hình
• 1.8. Chuyển pha tinh thể - vô định hình
• 1.9. Cơ chế tạo hợp kim vô định hình bằng phương pháp nghiền cơ học
• 1.9.1. Cơ chế tạo hợp kim bằng máy nghiền bi hành tinh
• 1.9.2. Sự phát triển cấu trúc theo thời gian
• 1.9.3. Sự phát triển của hình thái hạt
• 1.9.4. Sự thay đổi cấu trúc
• 1.10. Lịch sử phát triển của hợp kim vô định hình cơ sở Al
• 1.11. Các yếu tố ảnh hưởng trong việc chế tạo hợp kim vô định hình bằng phương pháp cơ học
• 1.11.1. Môi trường trong tang nghiền
• 1.11.2. Tỷ lệ khối lượng giữa bi nghiền và bột
• 1.11.3. Lựa chọn chất trợ nghiền
• 1.11.4. Lựa chọn cường độ nghiền
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ CỦA NGHIÊN CỨU
• 4.1. Đặc trưng cấu trúc - nhiễu xạ tia X
• 4.1.1. Đặc trưng nhiễu xạ tia X của hợp kim Al82Fe16Ni2
• 4.1.2. Đặc trưng nhiễu xạ tia X của hợp kim Al82Fe14Ni2Y2
• 4.1.3. Đặc trưng nhiễu xạ tia X của hợp kim Al82Fe12Ni2Y4
• 4.2. Đặc trưng kích thước hạt
• 4.2.1. Đặc trưng kích thước của hợp kim vô định hình Al82Fe16Ni2
• 4.2.2. Đặc trưng kích thước hạt của hợp kim vô định hình Al82Fe14Ni2Y2
• 4.2.3. Đặc trưng kích thước hạt của hợp kim vô định hình Al82Fe12Ni2Y4
• 4.3. Đặc trưng hình dạng của hạt
• 4.3.1. Hợp kim Al82Fe16Ni2
• 4.3.2. Hợp kim Al82Fe14Ni2Y2
• 4.3.3. Hợp kim Al82Fe12Ni2Y4
• 4.4. Tính ổn định nhiệt
• 4.5. Kết quả của nghiên cứu
• 4.6. Kết luận về ảnh hưởng của Y
• 4.7. Công trình khoa học đã công bố
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về ảnh hưởng của nguyên tố Y đến hợp kim Al82Fe16 xNi2Yx

Hợp kim nhôm Al82Fe16-xNi2Yx đang thu hút sự chú ý trong nghiên cứu vật liệu nhờ vào tính chất cơ học và khả năng chịu nhiệt. Nguyên tố Y được cho là có ảnh hưởng đáng kể đến độ bền nhiệt và quá trình vô định hình hóa của hợp kim này. Nghiên cứu này sẽ làm rõ vai trò của nguyên tố Y trong việc cải thiện các tính chất của hợp kim nhôm.

1.1. Định nghĩa và tính chất của hợp kim nhôm

Hợp kim nhôm là vật liệu có tính chất nhẹ, bền và chống ăn mòn. Chúng thường được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp nhờ vào khả năng chịu nhiệt và độ bền cao. Hợp kim Al82Fe16-xNi2Yx là một trong những loại hợp kim nhôm có tiềm năng lớn trong các ứng dụng kỹ thuật.

1.2. Nguyên tố Y và vai trò của nó trong hợp kim

Nguyên tố Y được biết đến với khả năng cải thiện độ bền và tính ổn định nhiệt của hợp kim. Sự hiện diện của Y trong hợp kim Al82Fe16-xNi2Yx có thể làm tăng khả năng chống oxi hóa và cải thiện quá trình vô định hình hóa, từ đó nâng cao tính chất cơ học của vật liệu.

II. Thách thức trong nghiên cứu độ bền nhiệt của hợp kim Al82Fe16 xNi2Yx

Một trong những thách thức lớn trong nghiên cứu hợp kim Al82Fe16-xNi2Yx là xác định ảnh hưởng của các yếu tố như tỷ lệ nguyên tố Y và điều kiện chế tạo đến độ bền nhiệt. Việc hiểu rõ các yếu tố này sẽ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và cải thiện tính chất của hợp kim.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền nhiệt

Độ bền nhiệt của hợp kim Al82Fe16-xNi2Yx phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm thành phần hóa học, cấu trúc vi mô và điều kiện chế tạo. Việc nghiên cứu các yếu tố này sẽ giúp xác định được cách tối ưu hóa độ bền nhiệt của hợp kim.

2.2. Thách thức trong quá trình vô định hình hóa

Quá trình vô định hình hóa của hợp kim Al82Fe16-xNi2Yx gặp nhiều thách thức, đặc biệt là trong việc kiểm soát kích thước hạt và cấu trúc vi mô. Những yếu tố này có thể ảnh hưởng đến tính chất cơ học và độ bền nhiệt của hợp kim.

III. Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng của nguyên tố Y đến hợp kim

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp hợp kim hóa cơ học để chế tạo hợp kim Al82Fe16-xNi2Yx. Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt các yếu tố ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất của hợp kim, từ đó đánh giá được ảnh hưởng của nguyên tố Y.

3.1. Quy trình chế tạo hợp kim bằng phương pháp hợp kim hóa cơ học

Quy trình chế tạo hợp kim Al82Fe16-xNi2Yx bao gồm các bước nghiền, trộn và thiêu kết. Phương pháp này giúp tạo ra các hạt hợp kim có kích thước nhỏ và đồng nhất, từ đó cải thiện tính chất cơ học của vật liệu.

3.2. Phân tích cấu trúc và tính chất của hợp kim

Sau khi chế tạo, hợp kim sẽ được phân tích bằng các phương pháp như nhiễu xạ tia X và phân tích nhiệt lượng kế quét vi sai. Những phương pháp này giúp đánh giá cấu trúc vi mô và tính chất nhiệt của hợp kim Al82Fe16-xNi2Yx.

IV. Kết quả nghiên cứu về độ bền nhiệt của hợp kim Al82Fe16 xNi2Yx

Kết quả nghiên cứu cho thấy nguyên tố Y có ảnh hưởng tích cực đến độ bền nhiệt của hợp kim Al82Fe16-xNi2Yx. Sự hiện diện của Y giúp cải thiện khả năng chịu nhiệt và ổn định cấu trúc của hợp kim trong điều kiện nhiệt độ cao.

4.1. Đánh giá độ bền nhiệt của hợp kim

Các mẫu hợp kim Al82Fe16-xNi2Yx được thử nghiệm ở nhiều nhiệt độ khác nhau. Kết quả cho thấy mẫu có chứa nguyên tố Y có độ bền nhiệt cao hơn so với mẫu không có Y, chứng tỏ vai trò quan trọng của nguyên tố này.

4.2. Ảnh hưởng của nguyên tố Y đến quá trình vô định hình hóa

Quá trình vô định hình hóa của hợp kim Al82Fe16-xNi2Yx diễn ra hiệu quả hơn khi có sự hiện diện của nguyên tố Y. Điều này cho thấy Y không chỉ cải thiện độ bền nhiệt mà còn hỗ trợ quá trình hình thành cấu trúc vô định hình.

V. Ứng dụng thực tiễn của hợp kim Al82Fe16 xNi2Yx

Hợp kim Al82Fe16-xNi2Yx có nhiều ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực công nghiệp như chế tạo linh kiện máy bay, thiết bị điện tử và các sản phẩm chịu nhiệt. Việc nghiên cứu và phát triển hợp kim này sẽ mở ra nhiều cơ hội mới trong ngành vật liệu.

5.1. Ứng dụng trong ngành công nghiệp hàng không

Hợp kim Al82Fe16-xNi2Yx có thể được sử dụng để chế tạo các linh kiện trong ngành hàng không nhờ vào độ bền và khả năng chịu nhiệt cao. Điều này giúp nâng cao hiệu suất và độ an toàn của các thiết bị bay.

5.2. Ứng dụng trong công nghệ điện tử

Với tính chất điện tốt và khả năng chống ăn mòn, hợp kim Al82Fe16-xNi2Yx có thể được ứng dụng trong sản xuất các linh kiện điện tử, từ đó nâng cao hiệu suất và độ bền của các thiết bị điện tử.

VI. Kết luận và triển vọng nghiên cứu hợp kim Al82Fe16 xNi2Yx

Nghiên cứu về ảnh hưởng của nguyên tố Y đến độ bền nhiệt và quá trình vô định hình hóa của hợp kim Al82Fe16-xNi2Yx đã chỉ ra những kết quả khả quan. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng mới trong ngành vật liệu.

6.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy nguyên tố Y có ảnh hưởng tích cực đến độ bền nhiệt và quá trình vô định hình hóa của hợp kim Al82Fe16-xNi2Yx. Những phát hiện này mở ra hướng đi mới cho việc phát triển vật liệu nhôm.

6.2. Triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa tỷ lệ nguyên tố Y và các yếu tố khác để cải thiện hơn nữa tính chất của hợp kim Al82Fe16-xNi2Yx. Điều này sẽ giúp phát triển các ứng dụng mới trong nhiều lĩnh vực công nghiệp.

Nội dung chính

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.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Vật liệu vô định hình Định nghĩa và phân loại vật liệu vô định hình Vật liệu vô định hình là một chất rắn mất trật tự hoặc không có cấu trúc tinh thể, không có trật tự xa hoặc tính tuần hoàn trong khoảng cách nguyên tử lớn [1-6]. Chất rắn vô định hình điển hình là kính hay thủy tinh (glasses). Vật liệu kim loại có cấu trúc vô định hình được gọi là kim loại thủy tinh (glass metals).

Chất rắn vô định hình được mô tả giống như những quả cầu cứng xếp chặt trong túi cao su bó chặt một cách ngẫu nhiên tạo nên trật tự gần theo mô hình quả cầu rắn xếp chặt của Bernal [7]. Cấu trúc vô định hình (trật tự gần) được hình thành từ năm loại mạng chính (hình 1. Năm loại mạng cơ bản (các dạng đều cạnh, xếp chặt ngẫu nhiên của các quả cầu cứng) trong cấu trúc trật tự gần theo mô hình Bernal [7]. Kim loại vô định hình có cấu trúc vô định hình giống như thủy tinh.

Khi nhắc đến kim loại vô định hình hay hợp kim vô định hình, người ta thường chỉ nghĩ đến sự chuyển pha Rắn - Rắn (Solid - Solid), còn khi nhắc đến thủy tinh kim loại thường chuyển pha Lỏng - Rắn (Liquid - Solid) sẽ được quan tâm. 1 Các phương pháp chế tạo vật liệu vô định hình Các phương pháp chế tạo vật liệu vô định hình bao gồm [1, 7]:  Nguội nhanh từ thể lỏng: Phổ biến nhất là phương pháp “nguội nhanh trên đĩa quay”.  Bắn phá vật liệu nguồn bằng chùm điện tử, ion có năng lượng cao.  Nghiền cơ học động năng cao: Cho các bột kim loại hoặc hợp kim vô định hình.

 Thiêu kết áp lực cao từ bột hợp kim. Trong nghiên cứu này, đi sâu vào nghiên cứu, chế tạo và đánh giá hợp kim vô định hình được chế tạo bằng phương pháp hợp kim hóa cơ học. Tính chất của vô định hình kim loại  Vô định hình kim loại cũng thể hiện các tính chất điện tương tự như kim loại tinh thể. Tuy nhiên, điện trở của vô định hình kim loại thường lớn hơn và ít nhạy cảm với nhiệt độ hơn.

 Khả năng chống ăn mòn cao.  Có các đặc tính từ tính đặc biệt [1]. Ứng dụng làm lõi biến áp, các cảm biến và đầu dò khác nhau [1, 8].  Có giới hạn chảy (yield strength), giới hạn đàn hồi (elastic limit) cao hơn và tỷ trọng (density) thấp hơn so với kim loại tinh thể (hình 1.

Độ bền và các giá trị giới hạn đàn hồi đối với các loại vật liệu khác nhau [9]. 2 Trong tất cả các đặc tính của vô định hình kim loại, các tính chất cơ học nhận được nhiều sự quan tâm hơn. Có một thách thức đó là phát triển vật liệu với sự kết hợp độc đáo giữa độ bền cao và mô đun Young, như minh họa trong hình 1. Mối quan hệ giữa mô đun Young và độ bền kéo của vô định hình kim loại khối [10].

Người ta thấy rằng giá trị độ bền của vô định hình kim loại khối BMG (Bulk metallic glass) thường cao hơn hai hoặc ba lần so với các hợp kim truyền thống thông thường. Ví dụ BMG nền Al có độ bền kéo có thể lên tới 1500MPa trong khi các hợp kim Al tinh thể thông thường có độ bền kéo là 500MPa [9, 11]. Hợp kim vô định hình cơ sở Al là vật liệu rất hứa hẹn với khả năng chống ăn mòn cao, độ bền cao và mật độ tương đối thấp [1, 3, 4, 12]. Hợp kim Al với cường độ cụ thể cao có thể đạt được bằng cách lệch một phần [13, 14].

Trong số các vật liệu cơ sở Al, hợp kim Al-RE-TM (Fe, Co, Ni) vô định hình số lượng lớn hoặc vật liệu tổng hợp có chứa hơn 80% Al, được coi là ứng cử viên đặc biệt hứa hẹn cho các ứng dụng cấu trúc do sự kết hợp của độ dẻo tốt và độ bền cao [14, 15]. Nhóm của Akihisa Inoue đã thành công trong việc hình thành các hợp kim vô định hình cơ sở Al với độ 3 bền kéo cao vượt quá 1200Mpa [13]. Nghiên cứu sau đó phát hiện ra rằng sự phân tán đồng nhất của các hạt fcc-Al tinh thể nano thành một ma trận vô định hình làm tăng đáng kể độ bền gãy kéo lên 1560MPa, cao gấp ba lần so với mức độ sức mạnh của các hợp kim cơ sở Al có độ bền cao thông thường. Hợp kim hóa cơ học Định nghĩa và các giai đoạn của hợp kim hóa cơ học MA là một quá trình nghiền bi trong đó hỗn hợp bột vật liệu nghiền được trộn cùng bi nghiền đựng trong tang nghiền sẽ trải qua quá trình va chạm năng lượng cao từ bi nghiền: Tương tác bi-bột-bi hay bi-bột-tang.

Quá trình này thường được thực hiện ở trạng thái rắn. Hai sự kiện quan trọng nhất trong hợp kim hóa cơ học là quá trình lặp lại liên tục của hàn nguội (cold- welding) và phân mảnh (fragment) hỗn hợp bột kim loại. Nhìn chung, mặc dù nguyên liệu ban đầu được dùng trong hợp kim hóa cơ học phải có bao gồm ít nhất 1 kim loại dẻo để có vai trò làm chất chủ hay chất liên kết để kết hợp các nguyên liệu khác với nhau, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra là kim loại giòn cũng có thể được hợp kim hóa cơ học để tạo dung dịch rắn, liên kim loại và cũng như hợp kim vô định hình [2, 16, 17]. Các đặc tính của hợp kim sau thành phẩm phụ thuộc lớn vào các yếu tố trong khi nghiền.

Các yếu tố này được liệt kê như sau:  Phương pháp nghiền (nghiền năng lượng cao hoặc nghiền năng lượng thấp);  Vật liệu cấu tạo của máy nghiền (là gốm sứ, thép không gỉ hay hợp kim WC…);  Kiểu bi nghiền (bi cầu, bi lục giác hay bi trụ);  Môi trường nghiền (không khí, nito hay khí trơ…);  Tỷ lệ trọng lượng giữa các bột hợp kim;  Nhiệt độ nghiền;  Thời gian nghiền. Các giai đoạn hình thành và phát triển của hợp kim chế tạo bằng MA: 4  Giai đoạn đầu của quá trình nghiền: Giai đoạn đầu của quá trình nghiền các hạt là vật liệu tổng hợp phân lớp của các thành phần bột ban đầu. Giai đoạn đầu của quá trình hợp kim hóa cơ học.  Quá trình xử lý trung gian: Các hạt bột composite được làm mịn thêm trong khi quá trình hàn nguội tiếp tục xảy ra.

Ở giai đoạn xử lý trung gian, các hạt bao gồm các lớp phức tạp. Giai đoạn trung gian của quá trình kợp kim hóa cơ học.  Giai đoạn cuối của quá trình hợp kim hóa cơ học: Các lớp phức dạng phiến trở nên phức tạp và mịn khi quá trình xử lý sắp hoàn thành. Giai đoạn cuối của quá trình hợp kim hóa cơ học.

5 Hoàn thành quá trình xử lý: Các hạt bột có cấu trúc bị biến dạng rất lớn dẫn đến sự bền vững và ổn định đồng thời chúng có chứa các thể phân tán. Lịch sử phát triển của phương pháp hợp kim hóa cơ học Hình 1.7 biểu diễn lịch sử phát triển và áp dụng của phương pháp hợp kim hóa cơ học trong 60 năm qua tính đến 2010. Lộ trình phát triển và áp dụng của phương pháp nghiền [16]. 6 Ưu điểm và ứng dụng của phương pháp hợp kim hóa cơ học MA là một quá trình đơn giản và khả thi về mặt kinh tế với những lợi thế kỹ thuật quan trọng:  Có thể sản xuất những vật liệu dạng tơi xốp với kích thước lớn hơn công nghệ đông đặc nhanh (RSP).

 Tổng hợp các hợp kim mới, ví dụ: Hợp kim của các nguyên tố thường không pha trộn được, điều này không thể thực hiện được bằng bất kỳ kỹ thuật nào khác như RSP.  Mở rộng khả năng hòa tan trạng thái rắn trong một số hệ hợp kim. Kỹ thuật này có thể được sử dụng để tạo ra các phản ứng chuyển vị hóa học trong hỗn hợp bột ở nhiệt độ phòng hoặc ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với yêu cầu thông thường để tổng hợp kim loại nguyên chất.  Có thể được sử dụng để làm mịn nền có cấu trúc tế vi xuống phạm vi nm.

Các cấu trúc nano này thu được không phải bằng cách lắp ráp theo cụm mà do sự phân hủy cấu trúc của các cấu trúc hạt thô hơn do kết quả của biến dạng dẻo mãnh liệt. MA cho thấy tiềm năng trong các lĩnh vực vật liệu sử dụng ở nhiệt độ cao. Các sản phẩm có tính thương mại được sản xuất bằng phương pháp này bao gồm MA956 (nền Fe), MA959 (nền Al), Inconel MA754 (nền Ni), MA6000 cung cấp các linh kiện kết cấu cho các ứng dụng trong hàng không. Ví dụ tiêu biểu cho ứng dụng này là hợp kim INCOLOY MA956 đang được sử dụng trong buồng đốt động cơ diezen thế hệ mới ở nhiệt độ làm việc cao.

Hợp kim nền Fe này có nhiệt độ nóng chảy 1775K cao hơn so với các hợp kim nền Ni truyền thống. Nó sở hữu khả năng chống oxi hóa rất cao so với các hợp kim truyền thống. Do có khả năng chống ăn mòn cao, hợp kim này được đánh giá có thể ứng dụng trong con lăn của lò nung, ống buồng lò múp. Phương pháp hợp kim hóa cơ học cũng được sử dụng để sản xuất các hợp kim và hợp chất khó hoặc không thể thu được bằng các kỹ thuật đúc và nấu chảy thông thường [2, 8, 16].

Do cứng và có điểm nóng chảy thấp nên 7 kim loại vô định hình đang dần được quan tâm. Công ty Liquidmetal đang dùng thủy tinh kim loại dựa trên Pt để làm thiết bị y tế, lưỡi dao và vợt tennis chuyên nghiệp. Độ bền của các loại kim loại vô định hình là một điều kiện lý tưởng để chúng được sử dụng vào việc tạo ra các bộ phận máy bay và thân tàu. Thiết bị hợp kim hóa cơ học a.

Máy nghiền hành tinh Máy nghiền hành tinh thường được sử dụng trong hợp kim hóa cơ học, đặc biệt ở các nước châu Âu. Thiết bị này phù hợp cho mục đích nghiên cứu trong các phòng thí nghiệm, vì lượng bột sử dụng rất nhỏ (ví dụ như vài g đến vài chục g). Một loại máy nghiền bị rất thông dụng được chế tạo bởi Fritsch GmbH (hình 1. Máy nghiền hành tinh Fritsch Puluerisette 5.

Ưu điểm của máy nghiền bi hành tinh là nó có năng lượng va chạm cao và tần số va chạm cao nên có thể rút gọn thời gian quá trình hợp kim hóa. Tuy nhiên, cần chú ý rằng vì có tần số va chạm cao, nhiệt độ của tang nghiền có thể tăng nhanh trong quá trình nghiền.