Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit nền al ti cốt hạt al2o3 in situ

TỔNG QUAN VỀ COMPOZIT NỀN KIM LOẠI

COMPOZIT NỀN KIM LOẠI

Vật liệu compozit là loại vật liệu tổ hợp được hình thành từ hai hoặc nhiều thành phần khác nhau, có tổ chức và tính chất riêng biệt, và thường không tạo ra hoặc chỉ tạo ra rất ít pha trung gian giữa chúng.

Tính chất của vật liệu compozit chủ yếu phụ thuộc vào các thành phần cấu thành và độ bền liên kết giữa chúng Vật liệu compozit nổi bật ở chỗ tận dụng những ưu điểm của các thành phần, đồng thời mang lại những tính chất mới mà các vật liệu thành phần không có khi tồn tại riêng lẻ.

Compozit được cấu tạo bởi hai phần chính là nền và cốt trong đó:

Nền là thành phần quan trọng trong khối compozit, thường được làm từ vật liệu dẻo, nhẹ, và có chức năng liên kết các pha cốt Nó không chỉ tiếp nhận và truyền tải tác động từ bên ngoài mà còn bảo vệ pha cốt khỏi môi trường, đồng thời tạo hình cho sản phẩm Nền có thể được chế tạo từ kim loại, hợp kim, vật liệu hữu cơ, vô cơ, gốm, và các vật liệu carbon khác Tính chất của vật liệu nền ảnh hưởng trực tiếp đến các tham số công nghệ trong quá trình sản xuất compozit, cũng như các đặc tính sử dụng như khối lượng riêng, độ bền riêng, nhiệt độ làm việc, độ bền mỏi, và khả năng chống ăn mòn.

Vật liệu cốt là pha gián đoạn trong nền, có vai trò quan trọng trong việc tăng cường cơ, lý tính của vật liệu Thường là các hợp chất có độ bền, độ cứng và nhiệt độ nóng chảy cao, vật liệu cốt có thể tồn tại dưới dạng hai hoặc ba pha Tùy thuộc vào loại compozit, cốt có thể là pha có độ bền lớn, quyết định độ bền của compozit, hoặc có vai trò chức năng, như trong compozit chịu mài mòn, nơi cốt là các hạt cứng phân bố trên nền mềm Hình dạng, kích thước, hàm lượng và sự phân bố của cốt ảnh hưởng mạnh mẽ đến tính chất của compozit.

Trong quá trình chế tạo compozit, giữa nền và cốt thường không xảy ra sự khuếch tán hòa tan lẫn nhau dưới điều kiện làm việc bình thường Tuy nhiên, do các điều kiện nhiệt độ và áp suất cao trong quá trình sản xuất, có thể xảy ra sự tương tác giữa nền và cốt Các dạng tương tác này giữa nền và cốt là rất đa dạng và quan trọng trong việc xác định tính chất của vật liệu compozit.

− Nền - cốt không hoà tan lẫn nhau và không tạo hợp chất hoá học, Al-B, Al-Si

Nền cốt tương tác tạo ra dung dịch rắn với độ hòa tan rất thấp và không hình thành hợp chất hóa học Hầu hết các compozit nền kim loại có cốt kim loại đều thuộc loại này, chẳng hạn như Nb-B, Ni-W và Ni-Al.

− Nền và cốt tạo phản ứng hoá học với nhau: Al-SiO 2 , Ti-Al 2 O 3 , Ti-SiC …

Mối liên kết giữa nền và cốt đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành tính chất của compozit Độ bền của vật liệu compozit chịu ảnh hưởng mạnh mẽ từ sự tương tác giữa hai thành phần này.

Liên kết giữa nền và cốt có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất của vật liệu compozit.

Sự truyền tải lực giữa nền và cốt chỉ hiệu quả khi chúng được liên kết chặt chẽ Bề mặt tiếp xúc tốt giữa nền và cốt tạo ra môi trường truyền tải lực hiệu quả, cho phép pha cốt phát huy vai trò tăng cường độ cho vật liệu Do đó, liên kết tốt giữa nền và cốt là yếu tố quan trọng nhất để kết hợp các đặc tính ưu việt của hai pha này Có nhiều loại liên kết giữa nền và cốt, có thể phân loại thành các loại chính.

Liên kết cơ học là dạng liên kết giữa nền và cốt được hình thành qua độ mấp mô bề mặt hoặc nhờ lực ma sát Tuy nhiên, loại liên kết này thường có độ bền kém.

Liên kết nhờ thấm ướt được hình thành nhờ năng lượng sức căng bề mặt, khi pha nền được nung chảy và dính ướt vào cốt Hiện tượng khuếch tán hòa tan giữa nền và cốt diễn ra, và sức căng bề mặt tại ranh giới nền cốt khi nền đông đặc đóng vai trò quyết định độ bền của liên kết này.

Liên kết phản ứng hình thành khi có sự phản ứng hóa học giữa nền và cốt tại ranh giới của chúng Độ bền của liên kết này phụ thuộc vào đặc tính của hợp chất hóa học được tạo ra trong quá trình phản ứng.

− Liên kết phản ứng phân đoạn: Phản ứng hóa học giữa nền và cốt xảy ra theo nhiều giai đoạn.

Liên kết ôxít là loại liên kết đặc trưng cho vật liệu compozit nền kim loại, trong đó cốt là các ôxít Liên kết này được hình thành thông qua quá trình tạo ra các sản phẩm phản ứng dưới dạng màng ôxít.

Liên kết hỗn hợp là sự kết hợp của nhiều kiểu liên kết khác nhau, thường xuất hiện trong các vật liệu compozit Tính chất của liên kết này phụ thuộc chủ yếu vào công nghệ sản xuất và điều kiện sử dụng của vật liệu.

1.1.2 Khái niệm về compozit nền kim loại.

Vật liệu compozit là sự kết hợp của hai hoặc nhiều vật liệu để tạo ra một loại vật liệu mới với các tính chất vượt trội hơn so với từng thành phần Trong số đó, vật liệu compozit nền kim loại (MMCs) kết hợp giữa nền kim loại và các hạt tăng cường, mang lại các đặc tính nổi bật như độ bền cao, hệ số giãn nở nhiệt thấp, độ dẫn nhiệt tốt và khả năng chịu mài mòn cùng nhiệt độ cao, vượt trội hơn so với các vật liệu thành phần.

Khối lượng Hệ số giãn nở nhiệt Độ cứng Độ bền Độ bền mỏi

Hình 1.1 Tính chất vật lý và cơ học của vật liệu compozit so với 2 hợp kim thường được sử dụng là nhôm và thép [7]

Compozit nền kim loại được phát triển lần đầu tiên bằng cách kết hợp các cốt tăng bền vào nền kim loại, nhằm nâng cao môđun đàn hồi và độ bền vượt trội so với vật liệu polime Các kim loại nhẹ như nhôm, titan và magiê là nền tảng chính, giúp cải thiện tính chất cơ học và độ bền riêng, đặc biệt phù hợp cho ứng dụng trong ngành hàng không vũ trụ.

ỨNG DỤNG CỦA COMPOZIT NỀN Al-Ti

Hợp kim Al-Ti đang ngày càng được ứng dụng trong ngành công nghiệp ô tô, đặc biệt là trong việc phát triển turbo tăng áp tại Nhật Bản Số lượng turbo tăng áp Al-Ti đã tăng từ khoảng 1.000 chiếc vào năm 1998 lên hơn 20.000 chiếc vào năm 2003, nhờ vào sự phát triển của thế hệ thứ hai Turbo tăng áp hiện nay được sản xuất từ hợp kim Ti-46Al-6.5Nb với một lượng nhỏ nguyên tố hợp kim và được nấu chảy bằng lò tường lạnh, sau đó đúc bằng khuôn đối trọng Nhiều công ty hiện đang sản xuất turbo tăng áp Al-Ti, cho thấy rằng ứng dụng thành công của Al-Ti trong các chi tiết không yêu cầu độ dẻo cao có thể mở ra cơ hội mới trong công nghệ đúc.

Chương trình IMPRESS, bắt đầu từ năm 2005, kéo dài trong 5 năm với mục tiêu sản xuất cánh quạt tuabin dài 40cm cho động cơ máy bay Dự án này tập trung vào việc cải thiện công nghệ đúc và làm nhỏ mịn hạt vật đúc để đạt được các tính chất tối ưu với ít phân tán hơn Được thúc đẩy bởi nhu cầu lớn từ người sử dụng, IMPRESS hướng đến việc phát triển cánh tuabin nhẹ Bên cạnh đó, chương trình cũng đang tiến hành sản xuất cánh máy nén bằng công nghệ đúc thay vì công nghệ đùn ép và rèn.

Ngành công nghiệp hàng không hiện đại đang phát triển mạnh mẽ và tiêu thụ vật liệu ngày càng cao, với tổng tiêu thụ đạt 437.000 tấn vào năm 2010 Hợp kim nhôm, nhờ vào khối lượng riêng nhỏ, vẫn chiếm ưu thế với 50% thị phần Hợp kim titan, nổi bật với độ bền cao ở nhiệt độ thường và khả năng chống ăn mòn tốt, được sử dụng chủ yếu trong chế tạo thân và động cơ máy bay, chiếm 10% tổng tiêu thụ vào năm 2010 Dự đoán đến năm 2015, tiêu thụ hợp kim titan sẽ đạt khoảng 70.000 tấn Hợp kim liên kim loại Ti-Al đang được phát triển tại nhiều quốc gia, bao gồm Hoa Kỳ, Trung Quốc, Nhật Bản, Pháp và đặc biệt là Nga.

Compozit nền kim loại (MMCs) là vật liệu thiết yếu trong ngành sản xuất dụng cụ và thiết bị công nghệ cao, với tiềm năng ứng dụng ngày càng tăng trong tương lai Các nhà khoa học luôn chú trọng nghiên cứu và phát triển hướng ứng dụng và sản xuất MMCs.

Compozit nền kim loại có thể được chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau Nghiên cứu này lựa chọn phương pháp in-situ để sản xuất compozit nền Al-Ti với cốt hạt Al2O3.

3 Nghiên cứu của luận án là mới Ứng dụng của compozit trên cơ sở nền Al-Ti là phong phú và đang được quan tâm nghiên cứu, chế tạo Compozit nền Al-Ti cốt hạt Al 2 O 3 in-situ được cho là có tiềm năng đáp ứng yêu cầu chế tạo các chi tiết làm việc ở điều kiện nhiệt độ tương đối cao.