Tài liệu Khoá luận tốt nghiệp vật lý Nghiên cứu chế tạo vật liệu từ cứng Mn-Bi bằng phương pháp nguội nhanh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC s ư PHAM HÀ NỘI 2 KHỎA VẬT LỶ VŨ THỊ MỸ LINH N G H IÊ N C Ứ U C H É T Ạ O V Ậ T L IỆ U T Ừ C Ứ N G M n B i BẰNG PH Ư Ơ N G PH ÁP N G U Ộ I NH A N H KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Người hưóng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Huy Dân HÀ NỘI 2015 LỜI CẢM ƠN Trước hết tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành, sâu sắc tới PGS.TS. Nguyễn Huy Dân về sự hướng dẫn tận tình và hiệu quả. Thầy đã đã trang bị cho tôi những kiến thức, hỗ trợ kinh phí và nhũng điều kiện cần thiết để hoàn thành khóa luận này. Tôi xin được cảm ơn NCS Nguyễn Mầu Lâm về sự giúp đỡ và những kinh nghiệm quý báu trong quá trình tôi làm thực nghiệm, xử lí và phân tích mẫu. Tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến các thầy cô trong khoa Vật lý Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 và các thầy cô, anh chị trong Phòng thí nghiệm Trọng điểm Vật liệu và Linh kiện Điện tử, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Tuy nhiên, đây là bước đầu làm quen với công tác nghiên cứu khoa học cũng như thời gian tiếp cận vấn đề còn hạn chế nên đề tài của tôi thực hiện chưa thực sự được như mong muốn. Vì vậy, tôi rất mong được sự góp ý của quý thầy cô và các bạn sinh viên để khóa luận của tôi được hoàn thiện hơn. Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, tháng 05 năm 2015 Sinh viên Vũ Thị Mỹ Linh LỜI CAM ĐOAN Khóa luận tốt nghiệp: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu từ cứng Mn-Bi bằng phương pháp nguội nhanh” là kết quả nghiên círu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Huy Dân. Khóa luận này không trùng với kết quả của các tác giả khác. Tôi xin cam đoan những điều trên đây là đúng sự thật, nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Hà Nội, tháng 05 năm 2015 Sinh viên Vũ Thị Mỹ Linh MỤC LỤC MỞ Đ Ầ U .................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỒNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ CÚNG M n-B i................... 4 1.1. Lịch sử phát triển vật liệu tù’ cứng M n-Bi.................................................... 4 1.2. Cấu trúc và tính chất vật liệu tù' cứng M n-Bi...............................................6 1 .2 . 1 . Cấu trúc tinh thể.............................................................................................6 1.2.2 Tính chất từ......................................................................................................8 CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT TH ựC NGHIỆM ....................................................11 2.1. Chế tạo mẫu.....................................................................................................11 2.1.1. Chế tạo mẫu khối..........................................................................................11 2.1.2. Tạo băng nguội nhanh.................................................................................13 2.1.3. Xử lý nhiệt.................................................................................................... 17 2.2. Các phương pháp phân tích cấu trúc và tính chất từ................................. 18 2.3. Các phép đo từ................................................................................................ 20 2.3.1. Hệ đo từ kế mẫu rung (VSM)................................................................... 20 2.3.2. Hệ đo từ trường xung.................................................................................. 21 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LU ẬN.................................................... 23 3.1. Ket quả phân tích cấu trúc và tính chất từ của mâu băng chưa xử lí nhiệt.......................................................................................................................... 23 3.1.1. Ket quả phân tích cấu trúc của mẫu băng chưa xử lí nhiệt...................23 3.1.2. Ket quả phân tích tính chất tù' của mẫu băng chưa xử lí nhiệt.............24 3.2. Kết quả phân tích cấu trúc và tính chất từ của mẫu sau xử lí nhiệt... 25 3.2.1. Ket quả phân tích cấu trúc của mẫu băng đã xử lí nhiệt....................... 25 3.2.2. Ket quả phân tích tính chất từ của mẫu băng sau xử lí nhiệt............... 25 KẾT LU Ậ N .............................................................................................................29 TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................... 30 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Vật liệu từ cứng được ứng dụng rất rộng rãi trong thực tế như môtơ, máy phát, máy tuyển quặng, đệm từ... Tuy nhiên, các nguyên tố đất hiếm dùng để chế tạo nam châm vĩnh cửu (Nd, Sm, Dy...) ngày càng khan hiếm và giá cả ngày càng tăng cao. Bên cạnh đó hầu hết các quặng đất hiếm đều chứa các nguyên tố phóng xạ, đặc biệt là Th và u . Hơn nữa, một số loại axit độc hại cũng cần đến trong quá trình tinh chế. Đối với những nước nhập khấu đất hiếm một mặt giá cả là điều đáng quan ngại một mặt phải phụ thuộc vào các quốc gia xuất khẩu, còn với những quốc gia xuất khẩu đất hiếm thì những tổn hại về môi trường và sức khỏe con người gây ra do việc khai thác đất hiếm đôi khi không thế bù đắp nối bằng nhũng lợi ích kinh tế từ việc bán đất hiếm. Chính vì những quan ngại này mà đa số các quốc gia đều không muốn khai thác đất hiếm. Hiện tại, Trung Quốc là quốc gia khai thác và cung cấp tới 95% nhu cầu đất hiếm cho thế giới. Việc Trung Quốc cắt giảm tới 40% sản lượng đất hiếm trong năm 2 0 1 0 và tuyên bố tiếp tục hạn chế xuất khẩu nguồn nguyên liệu đặc biệt này đã làm cho giá đất hiếm tăng vọt và có khả năng gây nên một cuộc khủng hoảng đất hiếm đối với nền công nghiệp thế giới. Các quốc gia công nghiệp phát triển đã bắt đầu thúc đẩy và đầu tư cho các nghiên cún phát triển và tìm kiếm các vật liệu thay thế. Năm 2010, một dự án 4,6 triệu USD đã được Bộ Năng lượng Mỹ trao cho một nhóm nghiên cứu của Đại học Delaware kết hợp với một số các trường đại học khác của Mỹ nhằm phát triển những thế hệ nam châm mới có thể thay thế nam châm đất hiếm hoặc giảm sự lệ thuộc vào các kim loại đất hiếm. Gần đây nhất, Bộ Kinh tế, Thương mại và Công thương Nhật bản cũng tuyên bố dành 63 tỷ USD cho 49 dự án thử nghiệm giảm lượng kim loại đất hiếm dùng trong 1 sản xuất công nghiệp. Vì vậy thay thế vật liệu đất hiếm trong các ngành công nghiệp và trong vật liệu từ cứng sẽ là một xu thế nghiên cún của thế giới trong thời gian tới. Một loại vật liệu từ cứng không chứa đất hiếm là hợp kim Mn-Bi. ư u điểm của loại vật liệu này là có lực kháng từ lớn và giá thành rẻ. Một đặc tính khác biệt nữa có lợi trong ứng dụng của vật liệu từ cứng Mn-Bi là lực kháng từ của nó tăng theo nhiệt độ (thông thường lực kháng từ giảm khi nhiệt độ tăng). Một trong nhũng vấn đề còn hạn chế của loại vật liệu này là việc tạo đơn pha hay nâng cao tỉ phần pha từ cứng MnBi rất khó. Với vật liệu dạng khối được chế tạo bằng phương pháp luyện kim thông thường đòi hỏi phải được xử lý nhiệt trong thời gian rất dài (trên 1 tuần) thì mới nâng cao được tỉ phần pha từ cứng. Từ nhũng lý do trên, chúng tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu từ cứng Mn-Bi bằng phương pháp nguội nhanh”. Bằng phương pháp nguội nhanh (để tạo hợp kim ở dạng băng), chúng tôi hy vọng sẽ rút ngắn được thời gian xử lý nhiệt cho vật liệu. 2. Mục đích nghiên cứu - Tìm công nghệ chế tạo vật liệu từ cứng không chứa đất hiếm Mn-Bi 3. Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cún công nghệ chế tạo họp kim Mn-Bi bằng phương pháp nguội nhanh. - Khảo sát cất trúc và tính chất từ các mẫu đã chế tạo. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng: Vật liệu từ cứng Mn-Bi - Phạm vi nghiên cứu: Công nghệ chế tạo vật liệu từ cứng Mn-Bi bằng phương pháp nguội nhanh. 4. Phương pháp nghiên cửu - Phương pháp thực nghiệm 2 5. Ý nghĩa khoa học - Góp phần nâng cao trình độ kiến thức về vật liệu từ cứng. - Là tài liệu tham khảo cho mọi người quan tâm đến lĩnh vục vật liệu từ 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VÈ VẶT LIỆU TỪ CỨNG Mn-Bi 1.1. Lịch sử phát triển vật liệu từ cứng Mn-Bi Vật liệu từ cứng hay nam châm vĩnh cửu đã được phát hiện và sử dụng từ rất lâu, đầu tiên chỉ là loại quặng ôxit sắt Fe 30 4, có trong tự nhiên với tên gọi “lode stone”. Sau khoảng thời gian dài, qua nhiều thế kỉ, đến năm 1740, nam châm vĩnh cửu đầu tiên được chế tạo với tích năng lượng cực đại khá thấp (BH)max = lMGOe. Do đó, cần phải dùng một lượng lớn vật liệu mới tạo ra được nam châm có lực hút đủ mạnh. Do nhu cầu thiết yếu của nam châm vĩnh cửu, đòi hỏi các nhà khoa học tìm kiếm, nghiên cứu các vật liệu từ cứng ưu việt hơn. Thế kỉ 20 đánh dấu sự phát triển vượt bậc trong lĩnh vực này, cứ sau 20 năm, giá trị (BH)max của nam châm vĩnh cửu tăng gấp 3 lần [4]. H 400- -50 Nd-Fe-в' -4 0 320Srrh(Co-Fe-Cu-Zr)i7 »__ Г brr>2 (Co-l-e-C U)i 7a Î " * Sm-Pr-Co5 Sintered SmCoj J 160- Ỷ 3m-Fe-l 'f -2 0 4 columnar Ain,coỴS[IlC Alnico 5 Ỵ 1° KS-Steel 1920 t• 1930 Cu-Ferritel 1940 1950 YHn, 1960 Ba-Sr-Fer te .. j 1970 198C 1990 Năm Hình 1. Ị . Sự phát triền của nam châm vĩnh cửu trong thế kỷ 20. Năm 1917, nam châm thép côban được phát minh ở Nhật, đến năm 1931 họ nam châm AlNiCo được Mishima (Nhật Bản) chế tạo và được sử dụng rộng rãi. Lúc đầu, (BH)max của nam châm AlNiCo cũng chỉ đạt cỡ 1 MGOe. Bằng cách thay đổi công nghệ chế tạo, (BH)max của vật liệu này dần được nâng cao. Đen năm 1956, hợp kim AINÌC 09 có (BH)max đã đạt tới 10 4 MGOe, nhờ có nhiệt độ Curie cao (850°C) nên hiện nay nam châm này vẫn được chế tạo và sử dụng. Vào những năm đầu thập niên 50, vật liệu ferit từ cứng tổng họp được khám phá bởi công ty Philip, Hà Lan, đây là vật liệu có cấu trúc lục giác với công thức hóa học là M Fei 2Oi 9 (M là Ba, Sr, Pb hoặc tổ hợp của chúng). Tuy có (BH)max không lớn (~ 5 MGOe), nhung ngày nay nam châm này là vật liệu được sử dụng nhiều nhất, chiếm khoảng 50% tổng giá trị nam châm vĩnh cửu của toàn thế giới, do chúng có un điểm là giá thành rất rẻ và bền. Thập niên 60 của thế kỉ 20 đánh dấu bước đột phá trong lịch sử phát triển của vật liệu từ cứng, năm 1966, nhóm nghiên cứu của Karl Stmat (đại học tổng hợp Dyton, Ohio, Mỹ) phát hiện ra hợp kim YCo5, đó là sự kết họp giữa các nguyên tố 3d của kim loại chuyển tiếp có từ độ bão hoà và nhiệt độ chuyển pha Curie (Tc) cao, với các nguyên tố 4f có tính dị hướng từ tinh thể mạnh cho lực kháng từ Hc lớn. Vật liệu SmCc>5 có khả năng chế tạo nam châm vĩnh cửu có năng lượng cao kỉ lục (30 MGOe), mở ra một trang mới về một họ vật liệu từ cứng vô cùng quan trọng, họ nam châm đất hiếm. Tuy nhiên, vào nhũng năm 1970, Côban trở nên khá đắt đỏ, nguồn cung cấp nguyên liệu không ổn định, do đó, các nghiên cứu nhằm thay thế côban cũng như tìm ra vật liệu tù’ cứng mới được thúc đẩy mạnh mẽ trên toàn thế giới. Năm 1983, Sagawa và các cộng sự tại hãng kim loại Sumitomo (Nhật Bản) đã chế tạo thành công nam châm vĩnh cửu có thành phần Nd 8Fe 77B 5 có (BH)max ~ 36,2 MGOe. Cũng năm đó, Croat và cộng sự ở công ty General Motors (Mỹ) bằng phương pháp phun băng nguội nhanh đã chế tạo được nam châm vĩnh cửu có thành phần Nd 2Fe]4B có (BH)max ~14 MGOe. Đen 5 nay bằng phương pháp thiêu kết, một số phòng thí nghiệm trên thế giói đã chế tạo được vật liệu từ Nd 2F el4B có (BH)max~ 57 MGOe. Đen năm 1988, Coehoom và các cộng sự ở phòng thí nghiệm Philip Research (Hà Lan) đã phát minh ra loại vật liệu mới có (BH)max ~ 12,4 MGOe. Vật liệu này chứa nhiều pha, bao gồm hai pha từ mềm Fe3B (73% thể tích), a-F e (12% thể tích) và pha từ cứng Nd 2F eỊ4B (15% thể tích). Vật liệu từ cứng loại này được gọi là vật liệu nanocomposite, tuy (BH)max chưa cao nhưng vật liệu này chứa ít đất hiếm và công nghệ chế tạo đơn giản hơn, nên giá thành rẻ và tăng độ bền hóa học của vật liệu. Vật liệu từ cúng được tìm ra từ những thập kỉ 50-60, rất khó chế tạo, thường được chế tạo trên các hệ hợp kim nền đất hiếm. Vào những năm gần đây, do khủng hoảng về đất hiếm nên các nhà khoa học tập trung vào hướng nghiên cứu chế tạo các vật liệu từ cứng chứa ít và không chứa đất hiếm nhằm đáp ứng ứng dụng và giảm giá thành. Trong các hệ vật liệu từ cúng, hệ Mn-Bi thể hiện phẩm chất và ưu điểm từ cứng nổi bật được biết đến và tập trung nghiên cún tại rất nhiều nước trên thế giới đặc biệt là Mỹ và Nhật. Hiện nay tại Việt Nam, cũng có rất nhiều nhóm nghiên cứu và chế tạo vật liệu từ cứng trên hệ vật liệu này. 1.2. Cấu trúc và tính chất vật liệu từ cứng Mn-Bi. 1.2.1. Cấu trúc tinh thể. Hợp kim Mn-Bi có cấu trúc tinh thể kiểu lục giác, hai trục tạo với nhau một góc 1 2 0 ° và trục thứ ba (trục c) vuông góc với cả hai trục kia, tham số đặc trưng của ô cơ sở là a = b = 4,2827Â và c = 6 ,1 103Â, thuộc nhóm không gian P63/mmc. Mn-Bi kết tinh hai pha, pha nhiệt độ thấp và pha nhiệt độ cao. c ấ u trúc tinh thể của hợp kim M n-Bi ở pha nhiệt độ thấp có các nguyên tử Mn chiếm ở vị trí các đỉnh và trung điểm các cạnh, còn nguyên từ Bi nằm xen kẽ [1 ]. 6 Hình 1.2. Cấu trúc tinh thê của họp kim Mn-Bi (LTP) [1 ]. Các hằng số mạng tinh thể và thể tích tăng theo sự tăng của nhiệt độ, tỉ lệ các tham số mạng c/a của tinh thể Mn-Bi đạt giá trị lớn nhất 1,43346 tại 600 K, khoảng cách Mn-Mn của hợp kim gần nhất là trong khoảng 3,0381 Ả - 3,0825Â, lớn hơn rất nhiều so với các nguyên tố Mn (2,754Â) [9]. Các thông số cấu trúc tinh thể và momen từ của họp kim Mn-Bi trong khoảng nhiệt độ 10K - 700K được thể hiện trong bảng 1.1. Bảng 1.1. Thông số cấu trúc tỉnh thế và momen từ của Mn-BỈ (LTP) từ 10K-700K [9]. V T(K) a,b(Ả) C(Ẳ) Mn-Mn Moment c/a (Ả 3/Cell) (Ả) OiB) P(0) 10 4,26902 6,07612 1,42331 95,899 3,0381 3,997 89,135 100 4,27364 6,09014 1,42505 96,328 3,0451 3,798 9,587 200 4,27831 6,10269 1,42643 96,738 3,0513 3,813 4,036 300 4,28541 6,12296 1,42881 97,381 3,0615 3,503 1,138 400 4,28952 6,13703 1,43072 97,793 3,0685 3,463 6,288 500 4,29531 6,15241 1,43325 98,302 3,0762 3,109 6,480 600 4,30072 6,16491 1,43346 98,751 3,0825 1,411 34,37 700 4,30919 6,1752 1,43303 99,306 2,9279 7 - - 1.2.2 Tính chất từ. Họp kim Mn-Bi gồm nguyên tố Mn có cấu hình điện tử 3d 54s 2 và nguyên tố Bi có cấu hình 6 s26 p3, do đó nguồn gốc từ tính là tương tác trao đổi giữa các điện tử của lớp vỏ chưa lấp đầy. Ớ trạng thái kim loại, khoảng cách giữa các nguyên tử Mn nhỏ (2,754Ả) nên tích phân trao đổi E < 0, Mn là chất phản sắt từ; khi Mn kết hợp với Bi thành Mn-Bi, các nguyên tử Bi nằm xen kẽ với các nguyên tủ’ Mn (hình 1.2), làm cho khoảng cách giữa các nguyên tử Mn tăng lên đủ xa nhau để E > 0, hợp kim Mn-Bi trở thành vật liệu sắt từ. Điều này giải thích dựa vào đường cong Bethe - Slater, đường cong mô tả sự phụ thuộc của tích phân trao đổi E vào khoảng cách giữa các nguyên tử (tức là phụ thuộc vào tỉ số a/r với a là hằng số mạng và r là bán kính hiệu dụng của lớp vỏ điện tích) [ 1 ]. Hình 1.3. Đường cong Bethe - Slater. Họp chất Mn-Bi là vật liệu sắt từ, nhiệt độ chuyển pha Tc = 630 K, có trục c là trục dễ từ hóa, nguyên tử Mn có momen từ lớn 3 .6 ị l l b và đồng thời sở hũu dị hướng từ tinh thể cao (K = 1,6 X 106 J/m3) ở 300K, nên Mn-Bi có lực kháng từ lớn, với kích thước đơn đomen, lực kháng từ Hc = 2 K/Ms dự kiến là khoảng 50 kOe [5]. Đặc biệt, các thuộc tính cấu trúc và tính chất từ của Mn-Bi (LTP) trong khoảng 300 K - 700 K rất hấp dẫn, trong khoảng nhiệt độ 150 K - 550 K, lực kháng từ Hc tăng theo sự tăng của nhiệt độ. 8 T (K ) Hình 1.4. Sự phụ thuộc của lực kháng từ vào nhiệt độ của Mn-Bi Lực kháng từ đạt cực đại 25 kOe tại 540 к và sau đó giảm dần xuống 18 kOe ở 610K, điều này khá lí thú cho các ứng dụng ở nhiệt độ cao [5] [7] [9]. Sự biến thiên của lực kháng từ theo nhiệt độ là do sự thay đổi của dị hướng từ tinh thể, đối với Mn-Bi ở pha nhiệt độ thấp, tương tác spin - quỹ đạo đóng vai trò mấu chốt trong dị hướng từ. Dị hướng từ phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ: giảm khi nhiệt độ T giảm và có xu hướng chuyển thành dị hướng mặt phang ở nhiệt độ T = 84 к [ 1] . Mn-Bi không chứa nguyên tố đất hiếm, hệ MnBi là vật liệu sắt từ có trục с là trục dễ từ hóa và có dị hướng từ cao ở nhiệt độ phòng. Đặc điểm nổi bật của hệ này so với hệ từ cứng khác là trong vùng nhiệt độ 150-600 к giá trị lực kháng từ tăng theo sự tăng của nhiệt độ. Mau MnBi pha thêm một số nguyên tố đất hiếm như Dy, Tb...thì có lực kháng từ cao hơn so với hệ chỉ có MnBi ở cùng nhiệt độ. Ớ nhiệt độ 550 к , người ta đã đo được dị hướng từ tinh thể Kị = 9 T và lực kháng từ Hc= l ,8 T. Đây là điều kiện cho khả năng ứng dụng nam châm ở nhiệt độ cao. Theo tính toán lí thuyết, tích năng lượng cực đại của nam châm MnBi (BH)max=16 MGOe. Hiện nay các 9 nhà khoa học đã chế tạo được nam châm MnBi có lực kháng từ 3,1 kOe và (BH) max = 4,3 MGOe nam châm này ở nhiệt độ 400 к có lực kháng tù’ 2 T và (BH) max = 4,6 MGOe . Ngoài ra dị hướng từ vuông góc với mặt phẳng cơ sở của MnBi gây nên hiệu ứng góc quay Kerr lớn hứa hẹn MnBi là một loại vật liệu ghi quang tù’ cao. 10 CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT THỤC NGHIỆM 2.1. Chế tạo mẫu. 2.1.1. Chế tạo mẫu khối. Vật liệu dùng chế tạo mẫu là các nguyên tố Mn và Bi có độ tinh khiết cao (99,9%) được cân đúng theo hợp phần mẫu Mnioo-xBix (x = 48, 50, 52). Khối lượng thành phần các nguyên tố trong hợp kim được tính toán để tạo ra được mỗi mẫu có khối lượng 20 g. Nhưng do Mn bay hơi mạnh ở nhiệt độ cao khi nấu mẫu nên phải bù thêm 15% khối lượng để đảm bảo họp phần của mẫu. Hỗn hợp các kim loại của mẫu được nấu chảy thành hợp kim trong lò hồ quang. Trong quá trình nấu, các nguyên tố nóng chảy hoàn toàn và hòa trộn với nhau tạo thành hợp kim Mn-Bi. Sơ đồ khối của hệ nấu mẫu bằng hồ quang được biểu diễn trên hình 2 .1, hình 2 .2 là ảnh của toàn hệ nấu hồ quang và ảnh bên trong buồng nấu mẫu. Nưức Điên cut e laah. <- Cần iật mâu Không khí Bơm ctiâu không Nuủc làm íaah. Ti Mẫu <Đ Hình 2.1. Sơ đồ khối của hệ nấu mãu bằng hồ quang. 11 Hình 2.2. Hệ nấu hợp kim hồ quang (1) Bom chân không (5) Nguồn điện, (2) Buồng nấu (6) Cần điện cực (3) Tủ điều khiển (7) Nồi nấu (4) Bình khỉ trơ (Ar) (8) cẩn lật mãu Toàn bộ quá trình chế tạo mẫu khối bằng phương pháp nấu hồ quang được thực hiện trong môi trường khí trơ Argon để tránh sự ôxi hoá, cụ thể từng bước như sau: - Làm sạch nồi nấu, buồng tạo mẫu. - Đưa mẫu cùng viên Titan vào buồng tạo mẫu, đậy nắp và hút chân không bằng bơm sơ cấp để chân không đạt CỠ10"2 Torr. Xả và hút khí trơ ở buồng nấu vài lần (2-3 lần) đế đuổi tạp khí, tạo môi trường khí trơ sạch. Sau đó nạp khí trơ tới áp suất hơi cao hơn áp suất khí quyển đế tránh sự thẩm thấu ngược lại của không khí. - Mở nước làm lạnh cho nồi nấu, điện cực, máy cấp nguồn và vỏ buồng nấu mẫu. 12 - Bật nguồn phát, nấu chảy viên Titan để kiểm tra môi trường khí trong buồng tạo mẫu. Việc nấu viên Titan có tác dụng thu và khử các chất khí có thể gây ra quá trình ôxy hoá cho mẫu. Neu sau khi nấu viên Ti vẫn sáng thì môi trường nấu mẫu là tốt, đủ điều kiện để tiến hành nấu mẫu. Ngược lại, nếu sau khi nấu viên Titan bị xám tức là môi trường nấu chưa đạt yêu cầu, phải tiến hành qui trình làm sạch môi trường từ đầu. - Nấu mẫu: bật nguồn phát để lấy hồ quang điện, khi lấy hồ quang phải để dòng nhỏ, không để điện cực âm chạm vào khuôn có thể gây bục nồi lò, sau đó ta phải tăng dòng điện từ từ, cho ngọn lửa dọi đều lên mẫu để mẫu nóng chảy hoàn toàn và chảy đều. Khi nấu xong tất cả các mẫu có trong nồi nấu, tắt nguồn phát, đợi mẫu nguội, dung cần lật mẫu lật ngược mẫu lên. Đợi vỏ buồng nấu nguội bớt rồi mới tiếp tục bật nguồn nấu mẫu đế tránh buồng mẫu quá nóng. Mau được lật và nấu khoảng 5 - 6 lần đế các kim loại nóng chảy hoàn toàn và hòa trộn với nhau tạo thành hợp kim. - Tắt nguồn phải đợi mẫu nguôi, dùng cần lật ngược mẫu lên, đợi vài phút cho chuông nguội bót rồi bật nguồn phát tiếp tục nấu mẫu ( không nên nấu mẫu khi chuông còn nóng). Các hợp kim ban đầu được dùng để tạo các mẫu băng trên hệ phun băng nguội nhanh. 2.1.2. Tạo băng nguội nhanh. Phương pháp tạo băng nguội nhanh thường được dùng để tạo họp kim vô định hình. Nguyên tắc chung là dùng một môi trường lạnh thu nhanh nhiệt của hợp kim nóng chảy, do bị làm nguội nhanh họp kim vẫn giữ nguyên trạng thái cấu trúc như chất lỏng (vô định hình). Phương pháp phổ biến hiện nay là phun hợp kim nóng chảy lên tang của một trống đồng quay nhanh. Hợp kim ban đầu được đặt trong ống thạch anh có vòi phun, sau đó nấu nóng chảy bằng lò cao tần, hợp kim sẽ phun xuống mặt trống đang 13 quay và bị đông cúng dưới dạng băng do bề mặt trống được làm mát bằng nước. Sơ đồ khối của công nghệ nguội nhanh được mô tả trên hình 2.3,băng nguội nhanh được tạo bằng thiết bị ZKG-1 (hình 2.4), vận tốc dài của trống quay trong thiết bị có thể thay đổi từ 5 m/s đến 48 m/s. Hình 2.3. Sơ đồ khối của hệ phun băng nguội nhanh đơn trục. Đặt họp kim vào trong ống thạch anh có đường kính trong đầu vòi khoảng 0,5 mm và được đặt gần sát bề mặt trống đồng. Hợp kim được làm nóng chảy bằng dòng cảm ứng cao tần, sau đó được nén bởi áp lực của dòng khí trơ Argon và chảy qua đầu vòi, phun lên mặt trống đồng đang quay. Giọt hợp kim được làm lỏng được giàn mỏng và bám đều trên mặt trống trong một khoảng thời gian At. Trong khoảng thời gian này, nhiệt độ họp kim giảm tù’ nhiệt độ nóng chảy xuống nhiệt độ phòng, tức là: AT~ 103 K Tốc độ nguội: v= AT/Àt 14 Hình 2.4. Thiết bị phun băng nguội nhanh ZKG-1. 1. Bom hút chân không 4. Trống đồng 2. Buồng mẫu 5. Vòng cao tần 3. Nguồn phát cao tần 6. Ỏng thạch anh Tốc độ làm nguội của họp kim phụ thuộc vào tốc độ quay của trống đồng. Tốc độ chảy của dung dịch nóng chảy phụ thuộc vào kích thước vòi phun và áp suất khí nén. Họp kim lỏng bị đông cúng lại khi tiếp xúc với trống đồng, sau đó văng khỏi mặt trống. Quy trình phun băng: 1. Vệ sinh buồng phun băng, đặc biệt là mặt trống. 2. Lựa chọn ống thạch anh đã được làm sạch, có đường kính vòi phun ~ 1 mm, nếu đường kính vòi phun lớn sẽ tăng độ dày của mẫu băng làm giảm tốc độ nguội, tăng khả năng kết tinh của mẫu. 15 Đưa mẫu đã làm sạch bề mặt vào ống thạch anh và gắn ống thạch anh lên giá hiệu chỉnh khoảng cách giữa vòi phun và bề mặt tang trống. Khoảng cách thường được chọn là cỡ 10 mm. Hiệu chỉnh áp suất khí đẩy phù họp, nếu áp suất khí đẩy lớn sẽ làm mẫu băng bị xé thành từng mảnh nhỏ, áp suất đẩy khí nhỏ sẽ làm tắc vòi và tăng độ dày của mẫu băng. Hiệu chỉnh vị trí vòi phun trên tang trống. Đóng nắp buồng phun băng. Đóng hoàn toàn các van khí. 3. Cấp nguồn cho hệ phun băng. M ở nước làm mất cho hệ bơm chân không. Khởi động bơm chân không sơ cấp, khi độ chân không trong buồng phun băng đạt cỡ 10"2 mmHg thì tiến hành đuổi khí, quá trình đuổi khí khoảng 2-3 lần. Neu hệ mẫu có tính oxy hóa cao cần khởi động bơm khuếch tán. 4. Xả khí Ar vào buồng phun băng với áp suất cỡ 1/2 atm để làm môi trường bảo vệ và dẫn nhiệt cho băng hợp kim. 5. Tắt hệ thống bơm chân không, mở các đường cấp nước cho trống,' buồng phun, máy phát và cuộn cao tần. 6. Khởi động và lưa chọn tốc độ trống quay (tốc độ phun băng), tốc độ trống quay quyết định độ dày, độ rộng và tính kết tinh của mẫu băng. 7. Khởi động và điều chỉnh dòng cao tần sao cho khối họp kim đảm bảo chảy loãng. Khi họp kim đã chảy loãng, mở van đẩy hợp kim phun vào tang trống. 8. Khi buồng phun nguội khởi động bơm chân không hút khí trong buồng phun ra ngoài, thu mẫu băng, đóng các đường cấp nước, vệ sinh hệ phun băng, cắt toàn bộ hệ thống cấp nguồn. Một số lim ý khi thực nghiệm: + Buồng tạo băng phải được vệ sinh sạch sẽ trước khi phun, họp kim được đánh sạch xỉ trước khi cho vào ống thạch anh. 16