Tổng quan nghiên cứu

Vật liệu cacbit entropy cao (HEC) là một lĩnh vực nghiên cứu mới nổi trong ngành vật lý chất rắn, đặc biệt được quan tâm trong ứng dụng chế tạo dụng cụ cắt gọt cho máy CNC. Theo báo cáo của ngành, số lượng công bố về vật liệu gốm entropy cao đã tăng nhanh từ năm 2015, với tổng số khoảng 477 công trình tính đến năm 2021, trong đó vật liệu HEC chiếm vị trí thứ hai về số lượng công bố. Vật liệu HEC (HfZrTaNbTi)C được nghiên cứu trong luận văn này có đặc tính vượt trội về độ cứng, độ bền nhiệt và khả năng chống mài mòn, phù hợp với điều kiện làm việc khắc nghiệt của dụng cụ cắt CNC như nhiệt độ cao, lực cắt lớn và tốc độ mài mòn nhanh.

Mục tiêu nghiên cứu là chế tạo vật liệu HEC hệ (HfZrTaNbTi)C bằng phương pháp thiêu kết dòng xung plasma (SPS) nhằm đạt được cấu trúc đơn pha, độ cứng và mật độ xiết chặt cao. Nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa quá trình nghiền bi năng lượng cao để tạo hỗn hợp bột đồng đều, cũng như khảo sát ảnh hưởng của các chế độ thiêu kết SPS một bước và hai bước đến cấu trúc và tính chất cơ lý của vật liệu. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Viện Khoa học vật liệu, Học viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam trong năm 2022, với sự hỗ trợ kỹ thuật từ Viện Khoa học Công nghệ tiên tiến Hàn Quốc.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện ở việc mở ra hướng chế tạo vật liệu HEC thay thế hợp kim cứng truyền thống trong ngành gia công cơ khí chính xác, góp phần nâng cao hiệu suất và tuổi thọ dụng cụ cắt, đồng thời thúc đẩy phát triển công nghệ vật liệu tiên tiến trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

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

  • Lý thuyết entropy hỗn hợp: Entropy hỗn hợp được tính theo công thức (\Delta S_{mix} = -R \sum_{i=1}^N x_i \ln x_i), trong đó (x_i) là thành phần nguyên tử của nguyên tố thứ i, (N) là số nguyên tố, và (R) là hằng số khí. Khi entropy hỗn hợp tăng, năng lượng tự do Gibbs giảm, làm tăng tính ổn định pha của vật liệu.
  • Mô hình cấu trúc tinh thể FCC (Face Center Cubic): Vật liệu HEC (HfZrTaNbTi)C có cấu trúc tinh thể muối NaCl dạng FCC, trong đó các cation kim loại và anion cacbon được sắp xếp xen kẽ theo mạng lập phương tâm mặt.
  • Hiệu ứng cocktail và hiệu ứng biến dạng mạng tinh thể: Giải thích sự đóng góp của các nguyên tố đa thành phần trong việc cải thiện tính chất cơ lý và nhiệt học của vật liệu HEC.
  • Mô hình thiêu kết dòng xung plasma (SPS): Phương pháp thiêu kết sử dụng dòng điện xung và lực ép đẳng hướng để gia nhiệt và kết khối vật liệu nhanh chóng, giữ cấu trúc hạt nhỏ và tăng mật độ vật liệu.

Các khái niệm chính bao gồm: entropy hỗn hợp, cấu trúc FCC, hiệu ứng cocktail, hiệu ứng biến dạng mạng tinh thể, và phương pháp thiêu kết SPS.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu bột cacbit kim loại gồm HfC, ZrC, TaC, NbC, TiC với độ sạch ≥ 99%, kích thước hạt dưới 10 µm, nhập khẩu từ Hàn Quốc.
  • Chuẩn bị hỗn hợp bột: Sử dụng phương pháp nghiền bi năng lượng cao với tốc độ 600 vòng/phút, tỉ lệ bi/bột 10:1, trong môi trường không khí, khảo sát thời gian nghiền 0, 15 và 60 phút nhằm tạo hỗn hợp bột đồng đều về thành phần và kích thước hạt.
  • Phương pháp thiêu kết: Thiêu kết dòng xung plasma (SPS) với áp lực ép 50 MPa, tốc độ nâng nhiệt 100 °C/phút, thời gian giữ nhiệt 10 phút, khảo sát nhiệt độ thiêu kết 1600, 1700 và 1800 °C. So sánh giữa quy trình thiêu kết một bước và hai bước nhằm đánh giá ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất vật liệu.
  • Phân tích cấu trúc: Sử dụng máy đo nhiễu xạ tia X (XRD) PANalytical để xác định pha và tính toán hằng số mạng tinh thể.
  • Quan sát vi cấu trúc: Kính hiển vi điện tử quét trường phát xạ (FE-SEM) kết hợp phổ phân tán năng lượng tia X (EDS) để phân tích thành phần hóa học và kích thước hạt.
  • Đo khối lượng riêng: Phương pháp Archimedes với nước cất làm môi trường đo, khối lượng riêng lý thuyết 9,3 g/cm³.
  • Đánh giá cơ tính: Đo độ cứng Vickers với tải trọng 30 kgf, thời gian duy trì lực 10 giây, thực hiện 5 lần đo và lấy giá trị trung bình; đo độ dai phá hủy (KIC) theo phương pháp Palmqvist dựa trên chiều dài vết nứt quanh vết đâm.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2022, bao gồm các giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu, nghiền bột, thiêu kết SPS, phân tích cấu trúc và đánh giá tính chất cơ lý.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của thời gian nghiền bi năng lượng cao đến cấu trúc hỗn hợp bột:

    • Sau 0 phút nghiền, bột có kích thước lớn, phân bố không đồng đều, chủ yếu là các hạt TiC, HfC, ZrC với kích thước khoảng 10 µm.
    • Ở 15 phút nghiền, kích thước hạt giảm, hình dạng hạt trở nên cầu hóa hơn, tuy nhiên vẫn chưa đồng đều về thành phần.
    • 60 phút nghiền cho hỗn hợp bột đồng đều về thành phần và kích thước hạt nhỏ mịn, phù hợp cho quá trình thiêu kết.
    • Thời gian nghiền quá 60 phút dễ gây phản ứng cháy do năng lượng bề mặt lớn, ảnh hưởng đến an toàn thao tác.

  2. Ảnh hưởng của nhiệt độ thiêu kết SPS một bước đến cấu trúc và tính chất vật liệu:

    • Mẫu thiêu kết ở 1600 °C có cấu trúc đơn pha FCC, mật độ tương đối đạt khoảng 95%.
    • Ở 1700 °C, mật độ tăng lên khoảng 98%, độ cứng Vickers đạt trung bình 28 GPa, độ dai phá hủy KIC khoảng 4 MPa·m(^{1/2}).
    • 1800 °C làm tăng kích thước hạt, mật độ gần đạt 99%, độ cứng tăng nhẹ nhưng độ dai giảm do thô hóa hạt.
    • Biểu đồ phân bố kích thước hạt và ảnh SEM minh họa rõ sự tăng kích thước hạt theo nhiệt độ thiêu kết.

  3. So sánh thiêu kết SPS một bước và hai bước:

    • Thiêu kết hai bước giúp kiểm soát kích thước hạt tốt hơn, hạn chế thô hóa hạt so với một bước.
    • Mẫu thiêu kết hai bước có mật độ tương đối cao hơn 1-2%, độ cứng Vickers tăng khoảng 5%, độ dai phá hủy cải thiện rõ rệt.
    • Quy trình hai bước gồm giai đoạn giữ nhiệt đầu tiên ở nhiệt độ thấp nhằm ổn định cấu trúc vi mô, sau đó tăng nhiệt độ lên mức cao hơn để hoàn thiện kết khối.

  4. Tính chất cơ học và khối lượng riêng:

    • Khối lượng riêng thực nghiệm của mẫu đạt từ 9,1 đến 9,2 g/cm³, tương đương 97-99% khối lượng riêng lý thuyết.
    • Độ cứng Vickers trung bình đạt 28-31 GPa, vượt trội so với các vật liệu cacbit truyền thống (15-18 GPa).
    • Độ dai phá hủy KIC dao động từ 3,5 đến 4,5 MPa·m(^{1/2}), cho thấy vật liệu có khả năng chịu va đập tốt.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy thời gian nghiền bi năng lượng cao là yếu tố quyết định đến sự đồng đều thành phần và kích thước hạt của hỗn hợp bột, từ đó ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình thiêu kết và tính chất cuối cùng của vật liệu. Việc nghiền 60 phút được xác định là tối ưu, cân bằng giữa hiệu quả nghiền mịn và an toàn thao tác.

Nhiệt độ thiêu kết SPS ảnh hưởng mạnh đến mật độ và kích thước hạt. Nhiệt độ cao giúp tăng mật độ và độ cứng nhưng cũng làm tăng kích thước hạt, gây giảm độ dai. Do đó, việc áp dụng quy trình thiêu kết hai bước là cần thiết để kiểm soát sự phát triển hạt, giữ được cấu trúc hạt nhỏ mịn và cải thiện tính chất cơ học.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả độ cứng và độ dai của mẫu HEC (HfZrTaNbTi)C trong nghiên cứu này tương đương hoặc vượt trội hơn, chứng tỏ hiệu quả của quy trình chế tạo và tiềm năng ứng dụng trong ngành gia công cơ khí chính xác. Biểu đồ so sánh độ cứng và độ dai giữa các mẫu thiêu kết một bước và hai bước minh họa rõ sự cải thiện về tính chất vật liệu khi áp dụng quy trình thiêu kết hai bước.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình nghiền bi năng lượng cao

    • Thực hiện nghiền hỗn hợp bột trong khoảng 60 phút để đảm bảo đồng đều thành phần và kích thước hạt nhỏ mịn.
    • Kiểm soát nhiệt độ và môi trường nghiền nhằm tránh phản ứng cháy, đảm bảo an toàn và chất lượng bột.
    • Chủ thể thực hiện: Phòng thí nghiệm vật liệu, thời gian 3-6 tháng.

  2. Áp dụng quy trình thiêu kết dòng xung plasma hai bước

    • Giai đoạn đầu giữ nhiệt ở nhiệt độ thấp để ổn định cấu trúc vi mô, giai đoạn hai tăng nhiệt độ để hoàn thiện kết khối.
    • Giảm tốc độ nâng nhiệt trong giai đoạn thứ hai để hạn chế thô hóa hạt.
    • Chủ thể thực hiện: Viện nghiên cứu vật liệu, thời gian 6-9 tháng.

  3. Nâng cao công suất thiết bị thiêu kết SPS

    • Đầu tư thiết bị SPS có khả năng thiêu kết mẫu lớn hơn để mở rộng quy mô sản xuất.
    • Phát triển công nghệ kiểm soát nhiệt độ và áp lực chính xác hơn nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm.
    • Chủ thể thực hiện: Cơ sở nghiên cứu và doanh nghiệp, thời gian 1-2 năm.

  4. Nghiên cứu ứng dụng vật liệu HEC trong sản xuất dụng cụ cắt CNC

    • Thử nghiệm thực tế vật liệu HEC trong các điều kiện gia công khắc nghiệt để đánh giá hiệu suất và tuổi thọ.
    • So sánh hiệu quả kinh tế và kỹ thuật với các vật liệu hợp kim cứng truyền thống.
    • Chủ thể thực hiện: Doanh nghiệp sản xuất dụng cụ cắt, thời gian 1 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành vật lý chất rắn, vật liệu

    • Học hỏi quy trình chế tạo và phân tích vật liệu HEC, áp dụng cho các nghiên cứu tương tự.
    • Use case: Phát triển đề tài nghiên cứu mới về vật liệu đa thành phần.

  2. Kỹ sư và chuyên gia trong ngành gia công cơ khí chính xác

    • Tìm hiểu về vật liệu mới có thể thay thế hợp kim cứng truyền thống, nâng cao hiệu quả sản xuất.
    • Use case: Lựa chọn vật liệu dụng cụ cắt phù hợp với điều kiện làm việc khắc nghiệt.

  3. Doanh nghiệp sản xuất dụng cụ cắt và vật liệu công nghiệp

    • Áp dụng công nghệ thiêu kết SPS và quy trình chế tạo vật liệu HEC để nâng cao chất lượng sản phẩm.
    • Use case: Đầu tư phát triển sản phẩm dụng cụ cắt mới với tuổi thọ và hiệu suất cao.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách phát triển công nghệ vật liệu

    • Đánh giá tiềm năng ứng dụng và hỗ trợ phát triển công nghệ vật liệu tiên tiến trong nước.
    • Use case: Xây dựng chương trình hỗ trợ nghiên cứu và ứng dụng vật liệu mới.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu cacbit entropy cao (HEC) là gì?
    HEC là vật liệu gốm đa thành phần với ít nhất năm nguyên tố kim loại cacbit, có entropy hỗn hợp cao giúp tăng tính ổn định pha và cải thiện tính chất cơ lý như độ cứng và độ bền nhiệt.

  2. Tại sao chọn phương pháp thiêu kết dòng xung plasma (SPS)?
    SPS cho phép gia nhiệt nhanh, thời gian thiêu kết ngắn, giữ được cấu trúc hạt nhỏ và mật độ cao, phù hợp với vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao như HEC.

  3. Ảnh hưởng của thời gian nghiền bi năng lượng cao đến vật liệu như thế nào?
    Thời gian nghiền ảnh hưởng đến kích thước hạt và sự đồng đều thành phần bột; nghiền 60 phút được xác định tối ưu để tạo bột mịn, đồng đều, tránh phản ứng cháy.

  4. Quy trình thiêu kết hai bước có ưu điểm gì?
    Giúp kiểm soát kích thước hạt, hạn chế thô hóa hạt, tăng mật độ và cải thiện tính chất cơ học so với thiêu kết một bước.

  5. Ứng dụng thực tế của vật liệu HEC trong ngành cơ khí?
    HEC có thể thay thế hợp kim cứng truyền thống trong chế tạo dụng cụ cắt CNC, khuôn mẫu, và các bộ phận chịu mài mòn, nâng cao tuổi thọ và hiệu suất làm việc.

Kết luận

  • Đã thành công trong việc chế tạo vật liệu cacbit entropy cao (HfZrTaNbTi)C với cấu trúc đơn pha FCC, độ cứng đạt 28-31 GPa và mật độ tương đối trên 97%.
  • Thời gian nghiền bi năng lượng cao 60 phút là tối ưu để tạo hỗn hợp bột đồng đều và kích thước hạt nhỏ mịn.
  • Quy trình thiêu kết dòng xung plasma hai bước cải thiện rõ rệt tính chất cơ học và kiểm soát kích thước hạt so với thiêu kết một bước.
  • Vật liệu HEC có tiềm năng ứng dụng thay thế hợp kim cứng truyền thống trong ngành gia công cơ khí chính xác.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng quy mô thiêu kết và thử nghiệm ứng dụng thực tế trong sản xuất dụng cụ cắt CNC.

Khuyến khích các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp đầu tư phát triển công nghệ chế tạo và ứng dụng vật liệu HEC nhằm nâng cao năng lực công nghiệp vật liệu trong nước.