Nghiên cứu chế tạo vật liệu composites Al/aln chịu nhiệt

- BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN QUỐC TUẤN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITES Al/AlN CHỊU NHIỆT Chuyên ngành: Kỹ thuật vật liệu Mã số: 62520309 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VẬT LIỆU Hà Nội – 2017 Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Hồng Hải Phản biện 1: GS.TS Đỗ Minh Nghiệp Phản biện 2: TS Nguyễn Văn Thuần Phản biện 3: PGS.TS Tô Duy Phương Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi 14 giờ, ngày 24 tháng 10 năm 2017 Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1.
- So với các vật liệu composit trên cơ sở nhôm truyền thống được sử dụng trên thị trường, tỷ phần của composit Al/AlN còn chiếm tỷ lệ nhỏ.
- Tuy nhiên chúng có những tính chất nổi trội hơn so với các loại vật liệu nhôm thông thường như: độ bền và độ cứng cao, độ dẫn nhiệt tốt (80-260 W m-1 K-1), hệ số dãn nở nhiệt thấp (4,5X10-6 K-1) nên AlN là lựa chọn hạt tăng bền rất tốt cho hợp kim nhôm, đặc biệt là cho làm việc ở nhiệt độ cao.
- Vật liệu composit nền nhôm chế tạo bằng các phương pháp ex-situ tương đối đắt do phải chế tạo pha tăng bền từ trước, đặc biệt là nếu các pha tăng bền này có kích thước nhỏ (cỡ một vài µm hoặc vài trăm nano.
- điều kiện cần thiết để cải thiện cơ tính của vật liệu.
- Giải pháp cho vấn đề này là thay thế các phương pháp ex-situ bằng các phương pháp in-situ.
- So với các phương pháp in-situ khác thì phương pháp lỏng/khí được coi là có tiềm năng hơn cả vì chúng có những ưu điểm rõ rệt như: chi phí không đáng kể, không bị nhiễm bẩn, không hình thành pha tạp và rất đồng nhất.
- Composit Al/AlN được tổng hợp dựa trên nguyên lý phản ứng lỏng/khí có quy trình như sau: khí nitơ sau khi được làm khô thông qua bộ phận hút ẩm được đẩy vào cốc nấu chứa nhôm lỏng ở nhiệt độ cao bằng ống gốm chịu nhiệt với lưu lượng khí hợp lý.
- Trong luận án của mình, tác giả đã nghiên cứu sự hình thành AlN bằng việc sục khí N2 vào hợp kim AlMg15 và sử dụng phương pháp 2 sục khí ở gần đường lỏng để cải thiện tổ chức nền cho hợp kim A380, tạo tổ chức dạng hạt cầu với mục đích cải thiện cơ tính của hợp kim này.
- Trên cơ sở của phương pháp sục khí tạo tổ chức nền dạng hạt cũng như chế tạo tạo hợp kim composit Al/AlN, tác giả cũng đã khảo sát ảnh hưởng của các hạt tăng bền AlN trong hợp kim A380 đến cơ tính khi khi làm việc ở nhiệt độ cao.
- Mục tiêu của luận án Từ những phân tích ở trên mục tiêu chính của luận án là: Nghiên cứu chế tạo hợp kim có tổ chức phi nhánh cây bằng phương pháp thổi khí.
- Kiểm soát phản ứng lỏng – khí giữa nitơ và nhôm lỏng để chế tạo các hạt tăng bền AlN in-situ có kích thước nano.
- Làm chủ quy trình chế tạo vật liệu composit nền nhôm cốt hạt AlN in-situ và đánh giá tổ chức và cơ tính của vật liệu này ở nhiệt độ thường và cao.
- Phương pháp nghiên cứu của luận án 3.1.
- Lý thyết Nghiên cứu cơ chế tạo hạt tăng bền in-situ qua phản ứng lỏng – khí.
- Thí nghiệm Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ trong quá trình tổng hợp AlN bằng phản ứng lỏng/khí in-situ.
- Nghiên cứu sự hình thành tổ chức nền α-Al phi nhánh cây bằng cách thổi khí ở trạng thái bán lỏng.
- Nghiên cứu quá trình chế tạo vật liệu composit Al/AlN và đánh giá vai trò của AlN.
- Ý nghĩa khoa học Đã làm rõ cơ chế của phản ứng tạo AlN in-situ và ảnh hưởng của các thông số công nghệ (kích thước buồng phản ứng, vòi phun, lưu lượng khí, nhiệt độ phản ứng v.v.
- Đã đánh giá vai trò của các hạt tăng bền AlN (kích thước, phân bố) tới một số đặc tính về tổ chức và cơ tính của vật liệu composit A380/AlN ở nhiệt độ thường và nhiệt độ cao.
- Đã làm rõ cơ chế phá hủy của vật liệu composit A380/AlN (theo cơ chế xuyên tinh + lúm đồng tiền hoặc xuyên tinh + gỗ mục).
- Ý nghĩa thực tiễn Xây dựng được qui trình thí nghiệm tạo tổ chức phi nhánh cây thông qua sục khí gần đường lỏng.
- Xác định được các thông số chính ảnh hưởng đến sự hình thành AlN bằng phản ứng lỏng/khí in-situ khi thổi khí nitơ ở nhiệt độ cao.
- Tiếp cận với thiết bị và công nghệ chế tạo vật liệu mới trên thế giới.
- Đưa ra được qui trình chế tạo vật liệu nhôm composit làm việc ở nhiệt độ cao và trên cơ sở này có thể áp dụng cho các nhóm vật liệu khác.
- Kết quả nghiên cứu của luận án có thể làm tài liệu tham khảo để vận dụng vào các loại vật liệu khác nhau.
- Tính mới của luận án Sử dụng công nghệ đúc lưu biến mới (sục khí gần đường lỏng) tạo tổ chức phi nhánh cây của hợp kim.
- Đã đề xuất một phương pháp mới để phân tích động học quá trình hình thành các phần tử AlN dựa trên nhiễu xạ XRD.
- Chương 1: Tổng quan về vật liệu nano composit nền kim loại.
- Cơ sở lý thuyết về vật liệu nano – composit.
- Kết luận và kiến nghị Chương 1 Tổng quan về vật liệu composit nền kim loại 1.1 Đặc điểm và phân loại vật liệu composit Vật liệu composit là vật liệu tổ hợp của hai hay nhiều vật liệu thành phần nhằm tạo ra vật liệu mới có tính chất nổi trội hơn tính chất của từng vật liệu thành phần.
- Thông thường trong vật liệu composit bao gồm: nền và cốt, trong đó: Pha liên tục trong toàn khối vật liệu composit gọi là nền.
- 1.2 Khái quát về vật liệu composit nền kim loại (MMCs) Composit nền kim loại (MMC) là nhóm vật liệu có sự kết hợp giữa nền kim loại và các hạt tăng bền.
- Với những phương pháp chế tạo hợp lý để đạt được các tính chất mong muốn, vật liệu composit nền kim loại có thể đáp ứng được những yêu cầu trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
- Đối với nền kim loại, vật liệu mà được sử dụng nhiều nhất là nhôm và hợp kim nhôm với ưu điểm là nhẹ, nhiệt độ nóng chảy thấp, độ dẻo và độ chịu nhiệt cao.
- 1.4.3 Đặc điểm của AlN AlN là vật liệu nhẹ, liên kết giữa các nguyên tử mạnh, AlN có cấu trúc tinh thể đơn giản và AlN có tính đối xứng cao.
- Độ dẫn điện của AlN tại nhiệt độ phòng là 320 W/m.K [71] và cao hơn nhôm 209 W/m.K.
- bên cạnh đó cũng có thể cải thiện cơ tính tổng hợp thông qua độ bền phá hủy, độ bền dão, chống sốc nhiệt, chịu mài mòn và nâng cao độ ổn định kích thước tại nhiệt độ cao.
- 1.5 Phạm vi nghiên cứu của luận án Phạm vi nghiên cứu của luận án gồm những nội dung sau: 1) Tạo tổ chức phi nhánh cây cho hợp kim A380 bằng phương pháp sục khí trơ (khí Ar) ở gần đường lỏng.
- 2) Tổng hợp AlN bằng phản ứng Lỏng – Khí in-situ khi sục khí N2 trong vật liệu Al – Mg ở nhiệt độ cao.
- 3) Khảo sát ảnh hướng của AlN đến cơ tính của vật liệu composit A380/AlN ở nhiệt độ thường và nhiệt độ cao.
- 1.6 Kết luận 1) Vật liệu composit nền nhôm đang dần chiếm tỷ phần khối lượng lớn trong sản xuất công nghiệp: Công nghiệp hàng không, vũ trụ, vận tải mặt đất nhằm giảm khối lượng, giá thành và chi phí sản xuất.
- 2) Kích thước hạt tăng bền trong nền kim loại ảnh hướng đến tính chất của vật liệu composit.
- 3) Phương pháp tổng hợp AlN trên cơ sở phản ứng Lỏng – Khí in-situ xảy ra ở nhiệt độ cao.
- Chương 2 Cơ sở lý thuyết về vật liệu nano- composit 2.1 Khái quát về khả năng thấm ướt của AlN Hình 2.3 cho thấy AlN có góc thấm ướt thấp với nhôm và Si.
- 2.2 Cơ chế phá hủy vật liệu composit Hình 2.3.
- Khả năng thấm ướt của AlN với kim loại theo nhiệt độ trong chân không [109] 6 Vật liệu composit có thể bị phá hủy theo những cách khác nhau như hình 2.7 Hình 2.7.
- Các phương thức phá hủy vật liệu composit (a) và ảnh hiển vi điện tử quét bề mặt gẫy của hợp kim bạc-đồng tăng bền bằng sợi các-bon (b).
- 2.3 Chế tạo nền có tổ chức phi nhánh cây 2.3.2 Cải thiện tổ chức nền bằng phương pháp thổi khí Nguyên lý của phương pháp thổi khí là khi hợp kim đạt đến nhiệt độ chảy lỏng, khí trơ (Argon hoặc Ni tơ) được đưa vào với tốc độ hợp lý để bẻ gãy nhánh cây trong quá trình kết tinh nhằm tạo tinh thể dạng hạt cầu tròn.
- 2.4 Các phương pháp chế tạo nano-composit nền Al * Phương pháp chế tạo ở trạng thái lỏng: Các phương pháp chế tạo ở trạng thái lỏng bao gồm: đúc khuấy, compocasting, đúc ép, đúc phun và phương pháp in-situ (tạo phản ứng), đúc bằng siêu âm.
- Phương pháp chế tạo ở trạng thái rắn: Các phương pháp chế tạo ở trạng thái rắn bao gồm: nghiền bi năng lượng cao, khuấy ma sát, liên kết khuếch tán và các phương pháp kết tụ khí.
- Việc lựa chọn phương pháp nào phụ thuộc vào nhiều yếu tố như loại cũng như mức độ tải trọng tăng bền và tổ chức cần đạt được.
- Hình 2.24.
- Sơ đồ các phương pháp chế tạo cho vật liệu nano- composite [10] a) b) a)bHình 2.23.
- Tổ chức của nền Al: a) dạng nhánh câ;, b) dạng cầu tròn [49] 7 Các phương pháp chế tạo có thể được phân thành hai nhóm chính ex-situ và in-situ.
- 2.4.2.6 Phản ứng lỏng/khí in-situ Bản chất của phương pháp này là tổng hợp các hạt gốm tăng bền kích thước nano hoặc gần nano trong hợp kim bằng cách thổi khí với thành phần đặc trưng vào kim loại lỏng.
- Các hạt tăng bền hình thành từ phản ứng hóa học có kiểm soát giữa khí và kim loại lỏng.
- 2.4.2.7 Đặc điểm chế tạo AlN bằng phương pháp lỏng/khí in-situ Đối với vật liệu composit nền nhôm với các hạt tăng bền AlN việc chế tạo bằng phương pháp in-situ trong đó khí được thổi trực tiếp vào nhôm lỏng ở nhiệt độ K với chất xúc tác Mg.
- Quá trình phản ứng xảy ra theo trình tự sau: Al(Mg.
- Mg3N2 (2.10) 2Al + Mg3N2 → 2AlN + 3Mg (2.11) Vì vậy, các phương pháp gián tiếp với Mg làm chất xúc phản ứng sẽ thuận lợi hơn cho sự hình thành AlN.
- 2.5 Kết luận Đã có nhiều phương pháp được ứng dụng để chế tạo vật liệu nhôm nano - composit đã trình bày ở trên.
- Tuy nhiên các phương pháp đó đều gặp phải những khó khăn nhất định trong việc áp dụng ở phạm vi công nghiệp để sản xuất các chi tiết dụng cụ và kết cấu.
- 1) Các nhóm phương pháp ex-situ có đặc điểm là dễ thực hiện tuy nhiên sự cải thiện tính chất vật liệu nano-composit gặp nhiều cản trở như: sự nhiễm bẩn của các hạt tăng bền làm năng lượng lên kết giảm, sự không đồng nhất của các hạt tăng bền trên toàn bộ thể thể tích mẫu, sự tương tác liên kết cũng như khả năng thấm ướt giữa hạt và nền còn gặp nhiều khó khăn.
- Sự xâm nhập của ôxy trong quá trình chế tạo cũng là một yếu tố cần lưu ý trong các phương pháp ex-situ.
- Giá thành của các hạt Hình 2.36.
- Giản đồ năng lượng Gibbs của AlN và Mg3N2 [83] 8 tăng bền và thiết bị cho quá trình công nghệ cũng là một yếu tố làm cho giá thành sản phẩm của nhóm các phương pháp ex-situ thường cao hơn so với phương pháp khác.
- Nhóm các phương pháp in-situ có đặc điểm nổi trội hơn so với các phương pháp ex-situ, đó là làm các hạt tăng bền được hình thành tại chỗ trong quá trình phản ứng xảy ra ở nhiệt độ cao.
- 4) Nhóm các phương pháp in-situ thường có chi phí thấp, giá thành chế tạo hạt tăng bền rẻ (đặc biệt là phương pháp in-situ lỏng/khí).
- 6) Cải thiện tổ chức nền tạo tổ chức phi nhánh cây bằng sục khí gần đường lỏng đạt được cấu trúc hạt mịn.
- Do vậy nhóm các phương pháp in-situ, đặc biệt là tạo phản ứng lỏng/khí, cho phép các hạt tăng bền có khả năng tương tác tốt với nền kim loại đáp ứng được các yêu cầu của vật liệu kết cấu và dụng cụ với chi phí thấp.
- Vì vậy nano-coposite được chế tạo trên cơ sở phản ứng lỏng/khí in-situ có khả năng áp dụng trong phạm vi công nghiệp với vốn đầu tư nguyên vật liệu đầu vào và thiết bị thấp.
- Chương 3 Thực nghiệm 3.1 Chế tạo tổ chức nền phi nhánh cây 3.1.1 Đối tượng nghiên cứu: Hợp kim A380 - Thành phần chủ yếu: 8,5 % Si.
- còn lại Al 3.1.2 Quy trình nấu luyện (hình 3.1) 3.2 Tổng hợp AlN bằng phương pháp Lỏng/Khí in-situ 3.2.1 Thành phần hợp kim Hình 3.1.
- Nhiệt độ đường lỏng: 605 0C.
- Nhiệt độ đường rắn: 450 0C 3.2.2 Lò thí nghiệm (hình 3.5) Lò điện trở sợi đốt Carbuarun, công suất 8Kw.
- Sơ đồ cấu tạo lò phản ứng lỏng/khí in-situ Hình 3.6.
- Sơ đồ qui trình tạo Al 10 3.3 Chế tạo vật liệu composit A380/AlN 3.3.1 Qui trình chế tạo • Quy trình chế tạo vật liệu composit Al/AlN (hình 3.8) Hình 3.8.
- Quy trình chế tạo vật liệu composit A380/AlN • Thành phần phối liệu và tỷ lệ AlN được cho trong bảng 3.3 Bảng 3.3.
- Bảng chế độ xử lý nhiệt của composit A380/AlN STT Kí hiệu mẫu Thành phần vật liệu Tỷ lệ AlN (theo khối lượng) trong Al/AlN.
- đây là tổ chức thường gặp của hợp kim.
- Chế độ 2: có sục khí, không rót qua máng nghiêng Quan sát ảnh tổ chức của mẫu SK15 (hình 4.2b) thấy rằng ảnh hưởng của sục khí là chưa rõ ràng: vẫn còn một số nhánh cây chưa được phá vỡ.
- Khi sục ở nhiệt độ quá thấp (610 0C, hình 4.2a) tỷ phần pha rắn đủ lớn, mạng nhánh cây đã hình thành đủ lớn và rất khó để phá vỡ.
- Hình 4.2c cho thấy hiệu quả của sục khí rõ ràng nhất: các hạt tròn, phân bố đồng đều với kích thước hạt ổn định trong khoảng 10 – 30 µm.
- Chế độ 3: có sục khí và rót qua máng nghiêng Hình 4.3 cho thấy rằng hạt tinh thể có kích thước hạt tinh thể thô hơn.
- Tổ chức ban đầu của hợp kim A380: a) Mẫu KK5, x200.
- Tổ chức tế vi của mẫu MN 10 Khí sục ở 610 0C, rót vào khuôn dạng b, nhiệt độ khuôn 200 0C, lưu lượng: 1,5 lít/phút, áp suất 4,2 kg/cm2: a) x200.
- b) x500 b) a) 12 4.2.2 Cơ tính 4.2.2.1 Đánh giá độ chảy loãng (độ nhớt) của hợp kim Từ hình 4.9 thấy độ chảy loãng (độ nhớt) của nhôm lỏng phụ thuộc vào việc, mẫu được sục hay không, nhiệt độ bắt đầu và kết thúc quá trình sục khí và nhiệt độ của khuôn.
- Các thí nghiệm cho thấy nhiệt độ sục khí tối ưu đối với hợp kim A380 là 610 0C (SK10).
- 3) Cơ tính của mẫu đúc bằng phương pháp rheo-casting (sục khí ở trạng thái bán lỏng) cao hơn so với phương pháp thông thường.
- 4) Các thông số công nghệ chính cho kết quả tốt đối với hợp kim A380 là: nhiệt độ bắt đầu sục: 610 0C.
- nhiệt độ kết thúc sục và rót: 590 0C.
- 4.3 Phân tích sự hình thành AlN 4.3.1 Các phân tích về nhiệt động học 4.3.1.1 Vai trò của ô xy - Khi sục khí nếu để ôxy xâm nhập vào trong (buồng lò hở) sẽ gây cản trở quá trình nitrit hóa, từ giản đồ Ellingham (hình 2.37) cho thấy, ô xít nhôm có nhiều khả năng hình thành hơn là nitrit nhôm.
- Vì vậy hợp kim AlMg15 là cần thiết để kích thích phản ứng tạo AlN.
- S S S S Hình 2.37.
- Giản đồ Ellingham của ô xít và nitrtit hóa và MgO, Li2O [10] Hình 4.18.
- Vì vậy khi khi tổng hợp AlN bằng phản ứng in-situ không thể thiếu sự có mặt của Mg.
- 4.3.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng Hình 4.28a biểu diễn ảnh hiển vi quang học của mẫu S9.
- a) Ảnh hiển vi quang học mẫu S9 (T =1100 0C, v = 0,2 lít/phút, t = 3 giờ),b) Phổ EDX vùng của mẫu S10 Hình 4.29.
- Giản đồ XRD của mẫu S12: T = 1150 0C, v = 0,2 lít/phút, t = 2giờ Hình 4.31.
- Phổ EDX vùng của mẫu S29: nhiệt độ phản ứng 1150 0C

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt