MỞ ĐẦU 1. Lý do lựa chọn đề tài Ngày nay, các máy gia công điều khiển bằng kỹ thuật số (máy CNC) đang dần thay thế máy gia công truyền thống trong ngành gia công cơ khí. Khác với các thế hệ máy gia công truyền thống, máy gia công CNC có đặc tính là tốc độ gia công lớn, độ chính xác cao, khả năng chuyên môn hóa và tự động hóa cao. Vì thé, dung cụ cắt gọt dùng cho may CNC phải làm việc trong điều kiện rất khắc nghiệt: nhiệt độ cao đo ma sát, lực cắt lớn, trọng tải va đập và tốc độ mài mòn lớn.
Trong những điều kiện như vậy, dụng cụ cắt trên máy CNC phải có những đặc tính hơn hẳn các loại dụng cụ cắt truyền thống. Trong đó, những đặc tính cơ bản của dụng cụ cắt gọt dùng cho máy gia công CNC là: có độ mài mòn thấp nhất, khả năng chịu nhiệt độ cao, chịu lực va đập mạnh và giá thành chấp nhận được. Dựa trên các đặc tính này, vật liệu cacbit entropy cao (HEC) với các cơ lý tính đã được chứng minh vượt trội so với các vật liệu cacbit và hợp kim cứng cứng truyền thống. Do đó, việc nghiên cứu chế tạo vật liệu HEC đang là hướng nghiên cứu thu hút được sự quan tâm rất lớn từ các nhà khoa học ở khắp nơi trên thế giới.
Thêm vào đó, đây cũng là hướng nghiên cứu mới tại Việt Nam và rất hạn chế về mặt thực nghiệm cũng như kết quả công bố. Điều này là do quá trình chế tạo vật liệu HEC thường đòi hỏi việc kết khối tại nhiệt độ rất cao (1700-2300 °C), rất ít các thiết bị tại Việt Nam có thê đáp ứng được. Ngoài ra, việc nghiên cứu chế tạo và sử dụng các sản phẩm dụng cụ cat trong nước còn hạn chế và chưa được chú trọng. Thị phần các sản phẩm dụng cụ cắt trong nước là vô cùng nhỏ so với các sản phẩm tương tự nhập khâu từ nước ngoài.
Do đó, mục tiêu nghiên cứu của luận văn đưa ra là “Nghiên cứu chế tạo vật liệu cacbit entropy cao hé (HfZrTaNbTi)C bằng phương pháp thiêu kết dòng xung plasma” nhằm định hướng ứng dụng làm dụng cụ cắt gọt cho ngành gia công cơ khí. Đây là một trong những vật liệu có rất nhiều tiềm năng ứng dụng trong thực tế bởi chúng có độ cứng và độ bền nhiệt cao, khả năng khả năng chống mài mòn và ăn mòn tốt. Hơn nữa, kết quả của dé tài có thể mở ra hướng chế tạo các hệ vật liệu HEC thay thế cho hợp kim cứng trong ngành gia công cơ khí chính xác. Đối tượng nghiên cứu của luận văn Vật liệu cacbit entropy cao (HfZrTaNbTi)C 3.
Mục tiêu nghiên cứu của luận văn Nghiên cứu chế tạo vật liệu cacbit entropy cao (HfZrTaNbTi)C bằng phương pháp thiêu kết dòng xung plasma (SPS) có cấu trúc đơn pha, cùng với độ cứng và mật độ xít chặt cao. 4 + Chế tạo hỗn hợp bột mịn và phân tán đồng đều thông qua phương pháp nghiền hành tinh năng lượng cao. + Nghiên cứu quá trình kết khối của mẫu cacbit entropy cao (HfZrTiTaNb)C bằng phương pháp SPS một bước và so sánh với phương pháp SPS hai bước. Phương pháp nghiên cứu của luận văn 4.
Phương pháp chế tạo mẫu HEC Trong nghiên cứu này, hỗn hợp bột HEC được chuẩn bị bằng phương pháp nghiền bi năng lượng cao từ các bột cacbit kim loại ban đầu gồm: HfC, ZrC, TaC, NbC va TiC. Quá trình kết khối vật liệu HEC từ hỗn hợp bột HEC được tiến hành bằng phương pháp thiêu kết dòng xung plasma (SPS). Phương pháp nghiên cứu tính chất vật liệu - Cấu trúc tinh thê của tất cả các mẫu được kiểm tra bằng máy đo nhiễu xạ tia X PANalytical. - Kỹ thuật hiển vi điện tử quét trường phát xạ (FESEM, S4800 - Hitachi) được sử đụng để phân tích thành phần hóa học và hình thái bề mặt của mẫu HEC.
- Để xác định cơ tính của mẫu HEC, phép đo độ cứng Vickers được thực hiện trên các máy đo độ cứng Vicker AVK-Co/Mitutoyo dưới tác dụng của tải trọng 30 kGf (HV10) voi thoi gian duy trì lực 10 giây. Thực hiện 5 phép đo trên bề mặt mẫu và lẫy giá trị trung bình. - Khối lượng riêng của các mẫu HEC được xác định bằng phương pháp Archimedes sử dụng nước cất làm môi trường đo. Để tính toán tỉ trọng tương đối của các mẫu HEC, khối lượng riêng theo lý thuyết được xác định là 9,3 g/cm’.
Ý nghĩa khoa học của luận văn Đây là hướng nghiên cứu mới, có tiềm năng ứng dụng cao trong thực tế. Sự thành công của đề tài sẽ là tiền đề để thay thế các các loại hợp cứng (WC) bằng các loại vật liệu HEC ứng dụng trong ngành gia công cơ khí chính xác. Bố cục của luận văn Nội dung chính của luận văn được trình bày trong 3 chương. Chương l1: Tổng quan về vật liệu cacbit entropy cao 5 Giới thiệu về vật liệu cacbit entropy cao, lịch sử, cấu trúc, tính chất, các phương pháp chế tạo, tình hình nghiên cứu của vật liệu trong nước và một số ứng dụng của vật liệu HEC.
Chương 2: Thực nghiệm Trình bày các phương pháp thực nghiệm chế tạo mẫu và các phương pháp xác định tính chất đặc trưng của vật liệu. Chương 3: Kết quả và thảo luận Trình bày các kết quả nghiên cứu đã thu được, nghiên cứu về ảnh hưởng của chế độ thiêu kết SPS đến cấu trúc và cơ tính của vật liệu HEC. Kết quả chính của luận văn - Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian nghiền đến thành phần và cấu trúc hỗn hop bét cacbit entropy cao (HfTiTaZrNb)C. - Nghiên cứu kết khối hỗn hợp bột HEC bằng phương pháp SPS một bước thông qua khảo sát thay đổi nhiệt độ thiêu kết.
- Nghiên cứu kết khối hỗn hợp bột HEC bằng phương pháp SPS hai bước và so sánh các tính chất với phương pháp SPS một bước. TONG QUAN VE VAT LIEU CACBIT ENTROPY CAO 1. Khái niệm về vật liệu cacbit entropy cao (HEC) Thuật ngir Entropy là một tham số nhiệt động học đại diện cho mức độ bat trật tự hoặc nhiễu loạn của một vật liệu. Entropy bị ảnh hưởng bởi các tham số như momen từ, dao động nguyên tử và sự sắp xếp nguyên tử.
Trước đây, các nghiên cứu về hợp kim và kim loại thường tập trung vào tham số entanpy vì những thay đổi đáng kể của nó. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, tham số entropy được các nhà khoa học chú ý đến kế từ khi khái niệm về hệ hợp kim đa thành phần (MPEA) hay hệ hợp kim entropy cao (HEA) được ra đời vào năm 2004 bởi Yeh [1] va Cantor [2]. Đây là hợp kim với cấu hình enfropy cao được hình thành từ ít nhất năm nguyên tố chính chiếm hàm lượng từ 5-35 % theo khối lượng nguyên tử và có kích thước nguyên tử bằng nhau hoặc xấp xỉ nhau [3]. Tương tự như vật liệu HEA, vật liệu gốm entropy cao được định nghĩa là dung dịch rắn của năm hoặc nhiều hơn các phân tử ion kim loại mang điện tích dương (cation) hoặc ion âm (anion) có entropy cấu hình cao.
Hiện nay, gốm entropy cao bao gồm các loại như: oxit entropy cao (HEO), nitrit entropy cao (HEN), cacbit entropy cao (HEC), borit entropy cao (HEB), hydrit entropy cao (HEH), silicit entropy cao (HESi), sulfit entropy cao (HES) , florit entropy cao (HEF) phét phat entropy cao (HEP), oxy-nitrit entropy cao (HEON), cacbo-nitrit entropy cao (HECN) va boro-carbo-nitrit entropy cao (HEBCN). Lịch sử phát triển của vật liéu gm entropy cao Quá trình phát triển loài người gắn liền với sự phát triển của các loại vật liệu khác nhau từ thời kỳ đồ đá đến thời kỳ đồ đồng, đồ sắt, gang, thép, hợp kim nhôm cho đến siêu hợp kim, hợp kim vô định hình và hiện nay là sự xuất hiện của vật liệu hợp kim entropy cao. Cùng với sự phát triển về số lượng chủng loại, các vật liệu kỹ thuật được sử dụng cũng dẫn trở nên đa dạng về thành phần và số lượng nguyên tố (Hình 1. Nhà khoa học người Đức, Karl Franz Achard là một trong những người đi tiên phong trong việc chế tạo hợp kim nhiều thành phần với 7 nguyên tố chính năm 1788 và được Smith đánh giá cao trong nhiều thập kỷ sau đó [4].
Ngoài ra, theo hướng nghiên cứu khác của Greer đã đưa ra giả thuyết rằng khi tăng số lượng nguyên tố trong hợp kim sẽ dẫn đến tăng entropy hỗn loạn và hình thành nên cấu trúc vô định hình [5]. Giả thuyết này đã được Cantor và cộng sự nghiên cứu sau đó, khi chế tạo một hỗn hợp của 20 nguyên tố (Mn, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Ag, W, Mo, Nb, Al, Cd, Sn, Bi, Pb, Zn, Ge, Si, Sb va Mg) va 16 nguyén t6 (Mn, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Ag, W, Mo, Nb, Al, Cd, Sn, Pb, Zn va Mg) có % nguyên tử bằng nhau bằng phương pháp nấu chảy cảm ứng. Kết quả thu được đã chỉ ra rằng vật liệu chế tạo là vật liệu đa tỉnh thể, không phải cấu trúc vô định hình như trong giả thuyết của Greer, mặc dù số lượng nguyên tố cao [6]. Bên cạnh đó, có một số nghiên cứu cơ bản khác trong lĩnh vực vật liệu có entropy cao từ năm 1970 đến năm 2003, nhưng khái niệm về HEA lần đầu tiên được giới thiệu vào năm 2004 [1,2].
Industrial revolution The advent of high Bronze Age Lron Age around 19th country entropy alloys in 2004 + Y A /- * Y TK ị ị i i i In10 ' Ị ị In8 : : : ị ị ị In6 In4 S,(k, /atom) In2 3000 BC 2500 BC 2000 ‘BC 1900 1950 2000 Year Hình 1. Lịch sử phát triển của vật liệu kỹ thuật [7J. Có thê thấy, số lượng các nguyên tố trong vật liệu gốm thường nhiều hơn trong hợp kim do sự hiện diện của các loại gốm đa thành phần như đất sét trong tự nhiên. Trong thế kỷ trước, đã có nhiều nghiên cứu chế tạo gốm hai nguyên hoặc gốm ba nguyên ít phức tạp hơn từ những vật liệu gốm tự nhiên và sử dụng chúng cho các ứng dụng khác nhau.
Sự ra đời của gốm entropy cao vào năm 2004-2005 là sự mở rộng khái niệm HEA kim loại cho vật liệu gốm entropy cao bao gồm cả nguyên tố kim loại và phi kim loại [8].2 cho thấy số lượng công trình công bố từ năm 2004 đến năm 2021 của các loại vật liệu gốm entropy cao gồm: HEO, HEN, HEC, HEB và HEH. ‹© 50 40 công b sp 30 lượn 20 .e Ss 10 g o = o N Nam cong bo Hình 1. Số lugng xudt ban méi nam vé gom chinh cé ham lugng entropy cao [9].