TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
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
NGUYỄN MINH DƯƠNG
[email protected]
Ngành Khoa học Vật liệu
Giáo viên hướng dẫn:
PGS. TS. Nguyễn Hoàng Việt
Viện:
Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu
HÀ NỘI, 08/2022
Chữ ký của GVHD
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn : Nguyễn Minh Dương
Đề tài luận văn: 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.
Chuyên ngành: Khoa học Vật liệu
Mã số SV: 20202193M
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn
xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng
ngày / / 2022 với các nội dung sau:
- Điểu chỉnh nội dung phần tổng quan ngắn ngọn và phù hợp hơn;
- Điều chỉnh các lỗi chính tả, trình bày hình ảnh trích dẫn, đánh số trích
dẫn phù hợp hơn;
- Điều chỉnh nội dung liên quan đến cường độ nghiền khách quan, phù
hợp hơn;
- Điều chỉnh nội dung phần kết luận ngắn gọn và phù hợp hơn.
Ngày
Giáo viên hướng dẫn
tháng
năm 2022
Tác giả luận văn
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
SĐH.QT9.BM11
Ban hành lần 1 ngày 11/11/2014
ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
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.
Tác giả luận văn: Nguyễn Minh Dương
Mã học viên: 20202193M
Khóa: 2020B
Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Hoàng Việt
Bộ môn: Kỹ thuật Gang thép
Viện: Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu
Trường: Đại học Bách khoa Hà Nội
Giáo viên hướng dẫn
Ký và ghi rõ họ tên
ii
Lời cảm ơn
Lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn PGS. TS. Nguyễn Hoàng Việt
- Bộ môn Kỹ thuật Gang thép - Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu - Trường
Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ tôi hoàn
thành nghiên cứu và bản luận văn này. Đồng thời, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu
sắc nhất đến Ban lãnh đạo cùng quý thầy cô, cán bộ trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội, Viện Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu trong suốt quá trình học
tập và nghiên cứu vừa qua đã tận tình giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cũng
như truyền thụ lại những kiến thức, kinh nghiệm quý báu về nghành Vật liệu
để tôi hoàn thành chương trình Thạc sĩ Khoa học tại Viện Khoa học và Kỹ
thuật Vật liệu - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Nghiên cứu này được hỗ trợ một phần kinh phí của đề tài cấp Bộ Công
thương ĐT.BO.107/21, đề tài trọng điểm cấp trường T2020-TÐ-007 và đề
tài cấp bộ Quỹ Phát triển Khoa học và công nghệ Quốc gia (NAFOSTED)
mã đề tài 103.02-2017.366.
iii
Lời cam đoan
Tôi, Nguyễn Minh Dương xin cam đoan: “Luận văn này là công trình
nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Hoàng Việt”.
Các kết quả nêu trong báo cáo luận văn là trung thực, không sao chép
ở bất cứ công trình nào khác.
Hà Nội, ngày 25 tháng 08 năm 2022
Học viên
Nguyễn Minh Dương
iv
Tóm tắt nội dung luận văn
Trong những năm gần đây, hợp kim hóa cơ học đã được sử dụng thành
công để sản xuất hợp kim vô định hình, đặc biệt là các hợp kim cơ sở Al-TM
và Al-TM-RE với hàm lượng nguyên tử của Al trên 80%. Vật liệu vô định
hình chế tạo bằng phương pháp nghiền cơ học đang rất được quan tâm và
được đầu tư nghiên cứu phát triển vì có những ưu điểm nổi bật về các tính
chất cơ, lý tính,… ứng dụng trong các ngành công nghiệp quân sự, y tế, công
nghiệp ô tô, công nghệ máy tính, điện tử, năng lượng và môi trường,…
Trong bản luận văn này, hệ hợp kim vô định hình Al82Fe16-xNi2Yx (x =
0, 2, 4) đã được tổng hợp thành công bằng phương pháp hợp kim hóa cơ học;
cùng với việc tìm ra những 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).
Học viên
Nguyễn Minh Dương
v
MỤC LỤC
Lời cảm ơn ........................................................................................................... iii
Lời cam đoan ....................................................................................................... iv
Tóm tắt nội dung luận văn .................................................................................. v
MỤC LỤC ............................................................................................................ vi
DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................... viii
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................ xi
KÝ HIỆU - VIẾT TẮT ...................................................................................... xii
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ................................................................................ 1
Vật liệu vô định hình .................................................................................. 1
Định nghĩa và phân loại vật liệu vô định hình ............................ 1
Các phương pháp chế tạo vật liệu vô định hình .......................... 2
Tính chất của vô định hình kim loại ........................................... 2
Hợp kim hóa cơ học ................................................................................... 4
Định nghĩa và các giai đoạn của hợp kim hóa cơ học ................ 4
Lịch sử phát triển của phương pháp hợp kim hóa cơ học ........... 6
Ưu điểm và ứng dụng của phương pháp hợp kim hóa cơ học .... 7
Thiết bị hợp kim hóa cơ học ....................................................... 8
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................. 11
Đặc trưng và tính chất của vật liệu vô định hình ..................................... 11
Đặc trưng của vật liệu vô định hình .......................................... 11
Chuyển pha tinh thể - vô định hình ........................................... 14
Cơ chế tạo hợp kim vô định hình bằng phương pháp nghiền cơ học ...... 15
Cơ chế tạo hợp kim bằng máy nghiền bi hành tinh .................. 15
Sự phát triển cấu trúc theo thời gian ......................................... 17
Sự phát triển của hình thái hạt .................................................. 17
Sự thay đổi cấu trúc .................................................................. 21
Lịch sử phát triển của hợp kim vô định hình cơ sở Al ............................. 22
Các yếu tố ảnh hưởng trong việc chế tạo hợp kim vô định hình bằng phương
pháp cơ học .......................................................................................................... 25
Môi trường trong tang nghiền ................................................... 25
Tỷ lệ khối lượng giữa bi nghiền và bột ..................................... 26
Lựa chọn chất trợ nghiền .......................................................... 27
Lựa chọn cường độ nghiền ....................................................... 29
CHƯƠNG 3. QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM ................................................ 33
Nguyên liệu ban đầu................................................................................. 33
Thiết bị hợp kim hóa và phân tích ........................................................... 35
vi
Máy nghiền bi hành tinh ........................................................... 35
Nhiễu xạ tia X ........................................................................... 36
Đặc trưng hình dạng hạt bột ...................................................... 38
Đặc trưng nhiệt lý của mẫu - phân tích nhiệt lượng quét vi sai 38
Phân tích sự phân bố kích thước hạt bằng máy phân tích hạt Laser
40
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ CỦA NGHIÊN CỨU ............................................... 41
Đặc trưng cấu trúc - nhiễu xạ tia X .......................................................... 41
Đặc trưng nhiễu xạ tia X của hợp kim Al82Fe16Ni2 .................. 41
Đặc trưng nhiễu xạ tia X của hợp kim Al82Fe14Ni2Y2 .............. 43
Đặc trưng nhiễu xạ tia X của hợp kim Al82Fe12Ni2Y4 .............. 44
Đặc trưng kích thước hạt .......................................................................... 46
Đặc trưng kích thước của hợp kim vô định hình Al82Fe16Ni2 ... 46
Đặc trưng kích thước hạt của hợp kim vô định hình Al82Fe14Ni2Y2
46
Đặc trưng kích thước hạt của hợp kim vô định hình Al82Fe12Ni2Y4
47
Đặc trưng hình dạng của hạt .................................................................... 50
Hợp kim Al82Fe16Ni2 ................................................................. 50
Hợp kim Al82Fe14Ni2Y2 ............................................................. 55
Hợp kim Al82Fe12Ni2Y4 ............................................................. 59
Tính ổn định nhiệt .................................................................................... 62
Kết luận .................................................................................................... 63
Kết quả của nghiên cứu ............................................................. 63
Kết luận về ảnh hưởng của Y .................................................... 64
Công trình khoa học đã công bố .............................................................. 64
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 65
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ.................................................................... 69
vii
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. 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]. ............... 1
Hình 1.2. Độ bền và các giá trị giới hạn đàn hồi đối với các loại vật liệu khác
nhau [9]. ................................................................................................................. 2
Hình 1.3. Mối quan hệ giữa mô đun Young và độ bền kéo của vô định hình kim
loại khối [10].......................................................................................................... 3
Hình 1.4. Giai đoạn đầu của quá trình hợp kim hóa cơ học. ................................ 5
Hình 1.5. Giai đoạn trung gian của quá trình kợp kim hóa cơ học. ...................... 5
Hình 1.6. Giai đoạn cuối của quá trình hợp kim hóa cơ học. ............................... 5
Hình 1.7. Lộ trình phát triển và áp dụng của phương pháp nghiền [16]. ............. 6
Hình 1.8. Máy nghiền hành tinh Fritsch Puluerisette 5......................................... 8
Hình 1.9. Máy nghiền bi theo phương ngang truyền thống [17]. .......................... 9
Hình 1.10. Máy nghiền bi theo phương ngang điều khiển bởi lực từ [17]. ........... 9
Hình 1.11. Hai loại máy nghiền bi kiểu rung [17]. ............................................. 10
Hình 1.12. Máy nghiền cọ mòn năng lượng cao [17].......................................... 10
Hình 2.1. Sự thay đổi của nhiệt dung riêng (A) và độ nhớt (B) theo nhiệt độ của
tinh thể và thể vô định hình [1]. ........................................................................... 12
Hình 2.2. Sự thay đổi thể tích của thể thủy tinh theo tốc độ làm nguội và nung
nóng lại [19]. ....................................................................................................... 12
Hình 2.3. Đường phân tích nhiệt DSC của mẫu vật liệu polyethylene
terephthalate khoảng 50 đến 300°C [20]. ........................................................... 13
Hình 2.4. Nguyên lý cơ bản tạo thể vô định hình bằng các phản ứng trạng thái
rắn [16]. ............................................................................................................... 14
Hình 2.5. Bi-bột-bi va chạm của hỗn hợp bột trong suốt quá trình nghiền......... 15
Hình 2.6. Cấu trúc phân lớp được hình thành trong quá trình hợp kim hóa cơ
học. ....................................................................................................................... 16
Hình 2.7. Sơ đồ mô tả chuyển động của bi bên trong máy nghiền bi [17]. ......... 16
Hình 2.8. Hình thái của hạt bột sau các khoảng thời gian nghiền khác nhau [17].
.............................................................................................................................. 17
Hình 2.9. Sự so sánh giữa ảnh tán xạ ngược tổ chức tế vi của hỗn hợp nghiền cơ
học hợp kim hóa nền Al trên thực tế và mô hình hóa tổ chức tế vi trên lý thuyết
của hỗn hợp nghiền ở giai đoạn bắt đầu [17]. .................................................... 18
Hình 2.10. Sự biến đổi thành phần như một hàm phụ thuộc vào kích thước hạt và
thời gian nghiền với nguyên tố Ni [17]. ............................................................... 19
viii
Hình 2.11. Sự so sánh giữa ảnh tán xạ ngược tổ chức tế vi của hỗn hợp nghiền
cơ học hợp kim hóa nền Al trên thực tế và mô hình hóa tổ chức tế vi trên lý
thuyết của hỗn hợp nghiền ở giai đoạn bắt trung gian [17]................................ 20
Hình 2.12. Sự so sánh giữa ảnh tán xạ ngược tổ chức tế vi của hỗn hợp nghiền
cơ học hợp kim hóa nền Al trên thực tế và mô hình hóa tổ chức tế vi trên lý
thuyết của hỗn hợp nghiền ở giai đoạn cuối [17]. ............................................... 20
Hình 2.13. Mối quan hệ giữa độ dày tới hạn và các phần tử TM hoặc RE được
chọn cho Al-TM-RE (TM = Ni, Co, Fe, RE = Ce, Y, La, Gd) [12]. .................... 25
Hình 2.14. Ảnh hưởng của tỷ số bi-bột đến độ cứng của bột [17]. ..................... 26
Hình 2.15. Sự thay đổi đường kính hạt trung bình theo thời gian nghiền [17]. .. 28
Hình 2.16. Cân bằng động của pha vô định hình trong hệ Ni10Zr7 sử dụng máy
nghiền hành tinh [17]........................................................................................... 30
Hình 2.17. Sự phát triển của pha vô định hình như một hàm phụ thuộc vào thời
gian nghiền tại các mức cường độ nghiền khác nhau [17]. ................................ 31
Hình 2.18. Đồ thị nghiền để nguyên tử hóa hoàn toàn sử dụng máy nghiền rung
[17]. ...................................................................................................................... 31
Hình 2.19. Sự biến đổi độ cứng Vickers và tỉ số cường độ đỉnh của mẫu nén đẳng
tĩnh nóng Ti3Al/TiAl [17]. .................................................................................... 32
Hình 3.1. Sơ đồ quy trình thực nghiệm. ............................................................... 33
Hình 3.2. Cân điện tử số DH-8068 (20g sai số 0.001g). ..................................... 34
Hình 3.3. Máy nghiền hành tinh cùng hệ thống tang nghiền và làm nguội bằng
nước. ..................................................................................................................... 35
Hình 3.4. Thiết bị đo nhiễu xạ tia X Siemens D5000 diffractometer. .................. 36
Hình 3.5. Mô tả quá trình nhiễu xạ - định luật Bragg. ........................................ 37
Hình 3.6. Thiết bị phát xạ trường JSM - 7600F................................................... 38
Hình 3.7. Thiết bị phân tích nhiệt vi sai Setaram Labsys Evo S60/58988. .......... 39
Hình 3.8. Máy phân tích cấp hạt laser LA-960. ................................................... 40
Hình 4.1. Đặc trưng nhiễu xạ của bột kim loại nguyên liệu ban đầu. ................. 41
Hình 4.2. Đặc trưng nhiễu xạ tia X của Al82Fe16Ni2 sau 5h. .............................. 42
Hình 4.3. Đặc trưng nhiễu xạ tia X của hợp kim Al82Fe16Ni2 trong quá trình hợp
kim hóa. ................................................................................................................ 42
Hình 4.4. Đặc trưng nhiễu xạ tia X của Al82Fe14Ni2Y2 sau 5h nghiền ban đầu. . 43
Hình 4.5. Đặc trưng nhiễu xạ tia X của Al82Fe14Ni2Y2 trong 60h nghiền. ........... 44
Hình 4.6. Đặc trưng nhiễu xạ tia X của Al82Fe12Ni2Y4 sau 5h nghiền ban đầu.... 45
Hình 4.7. Đặc trưng nhiễu xạ tia X của Al82Fe12Ni2Y4 sau 100h nghiền. ............ 45
Hình 4.8. Kết quả phân tích cấp hạt của Al82Fe16Ni2 sau 60h. ............................ 46
Hình 4.9. Kết quả phân tích cấp hạt của Al82Fe14Ni2Y2 sau 60h. ........................ 47
ix
Hình 4.10. Kết quả phân tích cấp hạt của Al82Fe12Ni2Y4 sau 60h. ...................... 47
Hình 4.11. Kích thước hạt của Al82Fe12Ni2Y4 sau 100h nghiền, khi đã đạt hình
thái vô định hình. .................................................................................................. 48
Hình 4.12. Ảnh hiển vi điện tử quét của Al82Fe16Ni2 ở độ phóng đại x3000 (a) 5h,
(b) 10h, (c) 20h, (d) 40h, (e) 50h và (f) 60h. ........................................................ 52
Hình 4.13. Ảnh hiển vi điện tử quét của Al82Fe16Ni2 sau 60h nghiền với các độ
phân giải (a) ×4000 và (b) ×5000. ...................................................................... 53
Hình 4.14. Phân tích EDX của Al82Fe16Ni2 sau 60h nghiền. .............................. 54
Hình 4.15. Ảnh hiển vi điện tử quét của Al82Fe14Ni2Y2 ở độ phóng đại x3000 (a)
5h, (b) 10h, (c) 20h, (d) 40h, (e) 50h và (f) 60h. .................................................. 57
Hình 4.16. Ảnh hiển vi điện tử quét của Al82Fe14Ni2Y2 sau 60h nghiền với độ
phóng đại (a) ×5000 và (b) ×10000. ................................................................... 58
Hình 4.17. Ảnh hiển vi điện tử quét của Al82Fe12Ni2Y4 100h nghiền độ phóng đại
(a)×500; (b)×1000; (c)×2000; (d)×3000; (e)×5000 và (f)×10000. ................... 61
Hình 4.18. Đường phân tích nhiệt DSC của hệ hợp kim vô định hình. ............... 62
x
DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Các chất trợ nghiền điển hình [17]. .................................................... 28
Bảng 3.1. Đặc điểm kỹ thuật của các loại bột nguyên tố trong nghiên cứu. ....... 33
Bảng 3.2. Phần trăm khối lượng của các nguyên tố trong hợp kim Al82Fe16Ni2. 34
Bảng 3.3. Phần trăm khối lượng của các nguyên tố trong hợp kim Al82Fe14Ni2Y2.
.............................................................................................................................. 34
Bảng 3.4. Phần trăm khối lượng của các nguyên tố trong hợp kim Al82Fe12Ni2Y4.
.............................................................................................................................. 34
Bảng 4.1. Thành phần nguyên tố trong vùng phân tích EDX của hệ Al82Fe16Ni2
sau 60h nghiền. .................................................................................................... 54
Bảng 4.2. Nhiệt độ tinh thể hóa của các hợp kim vô định hình. .......................... 62
xi
KÝ HIỆU - VIẾT TẮT
Ký hiệu - viết tắt
Giải nghĩa
MA
Hợp kim hóa cơ học
FE-SEM
Hiển vi điện tử quét phát xạ trường
XRD
Nhiễu xạ tia X
DSC
Phân tích nhiệt lượng kế quét vi sai
Al - TM - RE
Al - nhôm, TM - kim loại chuyển
tiếp, RE - kim loại đất hiếm
SPS
Thiêu kết xung điện plasma
RSP
Công nghệ đông đặc nhanh
xii
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 1.1).
Hình 1.1. 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 1.2).
Hình 1.2. 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 1.3.
Hình 1.3. 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 (coldwelding) 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.
Hình 1.4. 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.
Hình 1.5. 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.
Hình 1.6. 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.
Hình 1.7. 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
.PDF 
92 
1 
109 
