Nghiên cứu ảnh hưởng của lượng ti bổ sung đến tính chất vật liệu composite hệ alti3 cốt al2o3 in situ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------

TRẦN THỊ THÚY

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LƯỢNG Ti BỔ SUNG
ĐẾN TÍNH CHẤT VẬT LIỆU COMPOSITE
HỆ AlTi3 CỐT Al2O3 IN-SITU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

Hà Nội - Năm 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------

TRẦN THỊ THÚY

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA LƯỢNG Ti BỔ SUNG
ĐẾN TÍNH CHẤT VẬT LIỆU COMPOSITE
HỆ AlTi3 CỐT Al2O3 IN-SITU

Chuyên ngành: KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS. TRẦN ĐỨC HUY
2. TS. TRẦN VIẾT THƯỜNG

Hà Nội - Năm 2017


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................4
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................5
DANH MỤC CÁC BẢNG..........................................................................................6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .....................................................................7
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................9
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN .....................................................................................10
1.1.

Vật liệu composite ........................................................................................10

1.2.

Vật liệu composite trên cơ sở Ti-Al .............................................................15

1.2.1. Hợp kim nhôm titan. ....................................................................................15
1.2.2. Ứng dụng hợp kim nhôm titan. ....................................................................20
1.3.

Tình hình nghiên cứu hệ vật liệu Al-Ti ........................................................21

1.3.1. Nghiên cứu ngoài nƣớc về hệ vật liệu Al-Ti ................................................21
1.3.2. Các nghiên cứu trong nƣớc ..........................................................................27

1.4.

Công nghệ luyện kim bột .............................................................................28

1.4.1. Cơ chế của quá trình nghiền cơ học .............................................................29
1.4.2. Thiết bị nghiền .............................................................................................34
1.4.3. Phƣơng pháp tạo hình vật liệu bột ...............................................................40
1.4.4. Các quá trình xảy ra khi thiêu kết tạo hình ..................................................42
1.5.

Vật liệu composite nền AlTi3 cốt hạt Al2O3 in-situ. ....................................48

1.5.1. Phƣơng pháp chế tạo vật liệu composite nền AlTi3 cốt hạt Al2O3 in-situ ...48
1.5.2. Các tính chất của vật liệu composite nền AlTi3 cốt hạt Al2O3 in-situ .........49
1.5.3. Một số ứng dụng của vật liệu composite nền AlTi3 cốt hạt Al2O3 in-situ ...49
CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM ................................................................................50
2.1.

Cơ sở lựa chọn phƣơng pháp công nghệ ......................................................50

1


2.2.

Quy trình công nghệ chế tạo vật liệu composite nền AlTi cốt hạt Al2O3 in-

situ.

......................................................................................................................50

2.3.

Thực nghiệm chế tạo vật liệu composite nền AlTi cốt hạt Al2O3 in-situ.....51

2.3.1. Công đoạn nghiền trộn cơ học .....................................................................52
2.3.2. Công đoạn ép tạo hình..................................................................................55
2.3.3. Công đoạn thiêu kết .....................................................................................56
2.3.4. Nguyên vật liệu ............................................................................................58
2.3.5. Tính toán phối liệu .......................................................................................59
2.4.

Phƣơng pháp phân tích .................................................................................60

2.4.1. Phƣơng pháp phân tích nhiễu xạ XRD.........................................................60
2.4.2. Hiển vi điện tử quét SEM .............................................................................62
2.4.3. Phân tích độ cứng HV ..................................................................................64
2.4.4. Phƣơng pháp hiển vi quang học ...................................................................65
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................66
3.1.

Ảnh hƣởng của nhiệt độ thiêu kết ................................................................66

3.1.1. Kết quả XRD ................................................................................................66
3.1.2. Kết quả Hiển vi quang học và SEM tổ chức tế vi sau nghiền – ép và thiêu
kết khi bổ sung Titan theo phản ứng (2.3) ................................................................70
3.2.

Ảnh hƣởng của thời gian bổ sung titan. .......................................................73

3.2.1. Kết quả XRD ................................................................................................74
3.2.2. Kết quả tổ chức tế vi sau nghiền – ép và thiêu kết khi thay đổi thời gian bổ
sung Titan theo các phản ứng....................................................................................75
3.3.

Ảnh hƣởng của hàm lƣợng Titan bổ sung. ...................................................75

3.3.1. Kết quả XRD ................................................................................................76
3.3.2. Kết quả tổ chức tế vi sau nghiền – ép và thiêu kết ở 750oC, thời gian bổ
sung Ti 15 phút, khi thay đổi lƣợng bổ sung Titan. ..................................................77

2


3.4.

Độ cứng tế vi Hv ..........................................................................................78

3.4.1. Ảnh hƣởng của lƣợng titan bổ sung .............................................................78
3.4.2. Ảnh hƣởng của nhiệt độ thiêu kết ................................................................79
3.4.3. Ảnh hƣởng của thời gian bổ sung titan. .......................................................80
CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................82
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................84

3


LỜI CẢM ƠN
Luận văn này đƣợc thực hiện và hoàn thành tại bộ môn Vật liệu & Công
nghệ đúc, Viện Khoa học và Kỹ thuật vật liệu, Đại học Bách khoa Hà Nội và

Trƣờng cao đẳng Cơ khí - Luyện kim.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Trần Đức Huy, TS Trần Viết
Thƣờng, những ngƣời Thầy đã định hƣớng khoa học và tận tình hƣớng dẫn em
trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn bộ môn Vật liệu & Công nghệ đúc và Phòng thí
nghiệm công nghệ vật liệu kim loại, Viện Khoa học và Kỹ thuật vật liệu, Đại học
Bách khoa Hà Nội; Trƣờng cao đẳng Cơ khí - Luyện kim; các thầy cô giáo, cán bộ
tại cácPhòng thí nghiệm Đại học Bách khoa Hà Nội và Trƣờng cao đẳng Cơ khí Luyện kim; anh chị em đồng nghiệp đã giúp đỡ và tạo điều kiện nghiên cứu thuận
lợi cho em trong thời gian thực hiện luận văn.
Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của các bạn sinh viên trong
nhóm nghiên cứu tại Đại học Bách khoa Hà Nội đã cùng tác giả tiến hành những thí
nghiệm và thảo luận, đóng góp ý kiến cho luận văn.
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, ngƣời thân, bạn bè đã động
viên, cổ vũ để em hoàn thành bản luận văn này.

Học viên

Trần Thị Thúy

4


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả phân tích sử dụng trong luận văn là trung thực chƣa từng đƣợc công bố trong
bất kỳ công trình nào khác.

Học viên

Trần Thị Thúy

5


DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1. Tính chất vật lý hệ Ti-Al .........................................................................15
Bảng 1.2. Tính chất của hợp kim biến dạng alpha-2 ................................................17
Bảng 1.3. Tính chất của hợp kim đúc gamma...........................................................18
Bảng 1.4.Tính chất của hợp kim biến dạng “орто” ..................................................19

6


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Giản đồ pha hệ Ti-Al.................................................................................16
Hình 1.2. Cấu trúc tinh thể: (a) TiAl3, (b) Ti3Al, (c) TiAl .......................................16
Hình 1.3. Ứng dụng hợp kim alpha-2. ......................................................................18
Hình 1.4. Ứng dụng hợp kim gamma .......................................................................19
Hình 1.5. Ứng dụng hợp kim “opmo” .......................................................................20
Hình 1.6. Các loại vật liệu chế tạo động cơ tuabin khí (đến năm 2015) ...................22
Hình 1.7. Các loại vật liệu chế tạo động cơ tuabin khí (dự đoán đến năm 2025) .....23
Hình 1.8. Các loại vật liệu chế tạo thân máy bay A350XWB ..................................23
Hình 1.9. Sự va chạm của bi nghiền - hỗn hợp bột - bi nghiềntrong quá trình nghiền
trộn cơ học .................................................................................................................31
Hình 1.10. Mối quan hệ giữa độ bền liên kết và sức căng biến dạng .......................32
Hình 1.11. Các giai đoạn quá trình nghiền trộn cơ học vật liệu dẻo - dẻo ...............33
Hình 1.12. Các giai đoạn quá trình nghiền trộn cơ học vật liệu dẻo - dòn ..............34
Hình 1.13. Máy nghiền hành tinh..............................................................................34

Hình 1.14 . Sơ đồ ép tạo hình trong lòng khuôn .......................................................40
Hình 1.15. Các đƣờng cong sấy ................................................................................42
Hình 1.16. Quá trình kết khối các hạt tròn khi thiêu kết ...........................................45
Hình 1.17. Mô tả quá trình khuếch tán vật chất khi nung theo Frenkel ....................45
Hình 2.1. Sơ đồ công nghệ chế tạo vật liệu composite nền AlTi3 cốt hạt Al2O3 in
situ .............................................................................................................................51
Hình 2.2. Máy nghiền hành tinh NQM – 4. ..............................................................54
Hình 2.3. Tang và bi nghiền ......................................................................................54
Hình 2.4. Khuôn ép mẫu ...........................................................................................55
Hình 2.5. Máy ép thủy lực ........................................................................................56
Hình 2.6. Giản đồ thiêu kết mẫu vật liệu composite nền AlTi3 cốt hạt Al2O3 in-situ
...................................................................................................................................57
Hình 2.7. Lò nung Lenton .........................................................................................57
Hình 2.8. Bột nhôm ...................................................................................................58
Hình 2.9. Bột TiO2 ....................................................................................................58
Hình 2.10. Bột Titan..................................................................................................58
Hình 2.11. Thiết bị phối liệu .....................................................................................60
Hình 2.12. Sơ đồ nguyên lý phƣơng pháp XRD .......................................................61

7


Hình 2.13. Máy hiển vi điện tử quét SEM ................................................................63
Hình 2.14. Máy đo độ cứng HV ................................................................................64
Hình 2.15. Vết đo độ cứng Vickers...........................................................................64
Hình 2.16. Kính hiển vi quang học ...........................................................................65
Hình 3.1. Kết quả XRD mẫu nghiền theo phản ứng 2.1 và thiêu kết ở nhiệt độ khác
nhau ...........................................................................................................................66
Hình 3.2. Kết quả XRD mẫu nghiền theo phản ứng 2.2 và thiêu kết ở nhiệt độ khác
nhau ...........................................................................................................................68

Hình 3.3.Kết quả XRD mẫu nghiền theo phản ứng 2.3 và thiêu kết ở nhiệt độ khác
nhau ...........................................................................................................................69
Hình 3.4a. Tổ chức tế vi mẫu phản ứng (2.1) ...........................................................70
Hình 3.4b. Tổ chức tế vi mẫu phản ứng (2.2) ...........................................................70
Hình 3.4c. Tổ chức tế vi mẫu nghiền phản ứng 2.3 thiêu kết ở 850oC .....................71
Hình 3.5. Ảnh SEM tổ chức tế vi mẫu nghiền với thời gian bổ sung Ti 15 phút,
thiêu kết ở 850oC .......................................................................................................72
Hình 3.6. Kết quả EDS Mapping data mẫu nghiền phản ứng (2.3)- thời gian bổ sung
Ti 15 phút, thiêu kết ở 850oC ....................................................................................73
Hình 3.7.Kết quả XRD mẫu nghiền theo phản ứng 2.2 và thiêu kết ở 750oC, theo
thời gian bổ sung Titan..............................................................................................74
Hình 3.8. Tổ chức tế vi của mẫu composite mẫu nghiền phản ứng (2.2)- thời gian bổ
sung Ti (a) - 15 phút, (b) - 30 phút, (c) - 60 phút, thiêu kết ở 750oC........................75
Hình 3.9. Kết quả XRD mẫu nghiền theo phản ứng 2.1, 2.2, 2.3, thiêu kết ở 750oC,
thời gian bổ sung Titan 15 phút. ...............................................................................76
Hình 3.10. Tổ chức tế vi của mẫu nghiền theo phản ứng 2.1, 2.2, 2.3, thiêu kết ở
750oC, thời gian bổ sung Titan 15 phút. ...................................................................77
Hình 3.11. Giản đồ độ cứng của vật liệu khi thay đổi lƣợng Ti bổ sung. .................78
Hình 3.12. Giản đồ độ cứng của vật liệu theo phản ứng (2.2) thời gian bổ sung Titan
15 phút khi thay đổi nhiệt độ thiêu. ..........................................................................79
Hình 3.13. Giản đồ độ cứng của vật liệu theo phản ứng (2.1) thiêu kết ở 750oC thời
gian bổ sung Titan thay đổi. ......................................................................................80

8


LỜI NÓI ĐẦU
Sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật luôn đi liền với sự phát triển
của công nghệ vật liệu và sự ra đời của các vật liệu mới với những tính chất cơ, lý,
hóa đặc biệt. Trong những thập niên gần đây, vật liệu composite đƣợc thế giới hết

sức quan tâm và đã dần thay thế các vật liệu truyền thống trong một số lĩnh vực. Sử
dụng vật liệu composite giúp làm tăng độ bền, độ cứng vững, khả năng chịu va đập,
khả năng chịu hóa chất của rất nhiều kết cấu, chi tiết. Đến nay, vật liệu composite
đã có mặt trong hầu hết mọi lĩnh vực nhƣ công nghiệp dân dụng, y tế, thể thao, xây
dựng hay các ngành công nghiệp nặng, hàng không vũ trụ, chế tạo tên lửa, năng
lƣợng hạt nhân.
Trong những năm gần đây, hƣớng nghiên cứu về hệ vật liệu Al-Ti đã đƣợc
các nhà khoa học trong nƣớc quan tâm nghiên cứu. Tại Trƣờng đại học Bách khoa
Hà Nội, đã có nhiều nghiên cứu về hệ vật liệu này và đã chế tạo thành công các
nhóm vật liệu composite: Al3Ti - Al2O3, AlTi - Al2O3, AlTi3 - Al2O3 bằng công
nghệ luyện kim bột, trong đó cốt hạt Al2O3 đƣợc hình thành trong quá trình chế tạo,
do vậy các chỉ tiêu chất lƣợng của composite khá đồng nhất. Với những kết quả
này, mở ra triển vọng phát triển hệ vật liệu mới Al - Ti có những ứng dụng cụ thể
phục vụ phát triển khoa học công nghệ và xây dựng nền công nghiệp Việt Nam.
Một trong những hƣớng ứng dụng hệ vật liệu composite nền AlTi 3 cốt hạt
Al2O3 in-situ là nhằm thay thế vật liệu làm van xả động cơ ô tô hiện nay. Trong
nghiên cứu này, đã chế tạo thành công vật liệu composite nền Al-Ti cốt hạt Al2O3
in-situ bằng phƣơng pháp luyện kim bột, Tuy nhiên, hệ vật liệu này lại tồn tại hạn
chế nhƣ độ cứng quá cao, độ dai va đập thấp... [1, 2, 3, 4]
Nhằm cải thiện cơ tính của vật liệu hệ Al-Ti đã nghiên cứu có thể tiến hành
theo nhiều cách khác nhau, nhƣng trong giới hạn của đề tài này tác giả xin đề xuất
lựa chọn xem xét "Ảnh hưởng của lượng Ti bổ sung đến tính chất vật liệu
composite hệ AlTi3 cốt Al2O3 in-situ" để nghiên cứu.

9


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Vật liệu composite
Vật liệu composite đã xuất hiện cách đây hàng nghìn năm và đƣợc con ngƣời

sử dụng rất hiệu quả trong cuộc sống. Khoảng 3000 năm trƣớc công nguyên, ngƣời
Ai Cập đã làm vỏ thuyền bằng lau sậy đan tẩm bitum với kỹ thuật giống nhƣ cách
làm tàu hiện đại từ chất dẻo cốt thuỷ tinh hiện nay. Ở Việt Nam, thuyền tre đan trát
sơn ta trộn mùn cƣa, hoặc cách làm "nhà tranh, vách đất": lấy bùn trộn với rơm là
những ví dụ về vật liệu composite [5].
Mặc dù đƣợc hình thành từ rất lâu, nhƣng việc chế tạo vật liệu composite
thực sự đƣợc chú ý trong khoảng 80 năm trở lại đây. Những năm 1930, Stayer và
Thomat đƣợc cấp bằng sáng chế cho việc chế tạo sợi thuỷ tinh và đƣợc Ellis và
Foster sử dụng chúng gia cƣờng cho polyeste không no và đƣợc ứng dụng trong
ngành hàng không năm 1938. Năm 1944, hàng nghìn chi tiết của máy bay và tàu
chiến làm bằng chất dẻo composite đã đƣợc sản xuất để phục vụ đại chiến thế giới
thứ II. Năm 1950, chất lƣợng của vật liệu composite đƣợc nâng cao lên nhiều lần
với sự ra đời của nhựa epoxy và hàng loạt sợi gia cƣờng nhƣ sợi thuỷ tinh, sợi
cacbon, sợi polyeste, nylon, aramit (Kevlar), sợi silic...Từ năm 1970 đến nay, các
chi tiết chế tạo từ composite nền chất dẻo và sợi gia cƣờng có độ bền cao đã đƣợc
sử dụng rộng rãi trong công nghiệp đóng tàu, chế tạo ôtô, vật liệu xây dựng và
những ngành kỹ thuật cao nhƣ hàng không, vũ trụ, an ninh quốc phòng [5].
* Đặc điểm của vật liệu composite
Vật liệu composite có những đặc điểm chính nhƣ sau [6, 7, 8]:
- Là vật liệu nhiều pha, các pha tạo nên composite thƣờng rất khác nhau về
bản chất, không hoà tan lẫn vào nhau, phân cách nhau bằng bề mặt phân chia pha.
- Pha liên tục trong toàn khối composite gọi là nền (matrix), pha phân bố
gián đoạn, đƣợc nền bao bọc gọi là cốt.
- Trong composite thì tỷ lệ, hình dáng, kích thƣớc cũng nhƣ sự phân bố của
nền và cốt tuân theo các qui định thiết kế trƣớc.

10


- Tính chất của các pha thành phần đƣợc kết hợp để tạo nên tính chất chung

của composite. Tính chất của composite không bao gồm tất cả tính chất của các pha
thành phần khi chúng đứng riêng rẽ mà mục tiêu chính của chế tạo composite là lựa
chọn ra những tính chất tốt của pha thành phần và phát huy thêm.
* Cấu tạo của vật liệu composite
Vật liệu composite có cấu tạo gồm hai phần chính: nền và cốt [6, 7].
Nền có chức năng chủ yếu là liên kết khối composite và tạo hình dáng cho
sản phẩm. Mặt khác nền cũng có ảnh hƣởng quyết định đến nhiều tính chất của
composite nhƣ độ bền riêng, khả năng chịu tác dụng của môi trƣờng, nhiệt độ làm
việc...Nền có thể là kim loại, hợp kim (vật liệu composite nền kim loại) hoặc các
polyme, cũng có thể là vật liệu cac bon hoặc gốm (vật liệu composite nền phi kim).
Căn cứ vào nhiệt độ sử dụng sản phẩm composite ngƣời ta quyết định chọn nền chế
tạo vật liệu composite. Trong trƣờng hợp vật liệu chịu tải chu kỳ nền đóng vai trò
quan trọng, vì khi phá huỷ mỏi vết nứt thƣờng bắt đầu từ nền. Composite có chứa
hai (hoặc nhiều hơn) vật liệu nền gọi là composite đa nền hoặc composite nền phức
tạp.
Cốt chủ yếu để hoá bền, làm tăng độ cứng vững của composite. Vật liệu cốt
cần có mật độ nhỏ, độ bền riêng cao trong khoảng nhiệt độ làm việc, có tính công
nghệ tốt, ít hoà tan vào nền, mô đun đàn hồi lớn. Ngoài ra cũng yêu cầu vật liệu cốt
có tính ổn định hoá học cao, không có chuyển biến pha trong vùng nhiệt độ làm
việc, không gây độc trong môi trƣờng sử dụng.
Để làm cốt thƣờng hay dùng các loại sợi là kim loại (thép không gỉ, vofram,
molipđen...), các chất vô cơ (cacbon, thuỷ tinh, gốm...) và đôi khi cả chất hữu cơ
nhƣ các poliamit thơm. Composite có chứa hai (hoặc nhiều hơn) vật liệu cốt gọi là
composite đa cốt. Composite đa cốt lại chia ra thành hai loại:
Composite đa cốt đơn giản, trong đó các cấu tử cốt có thành phần khác nhau
nhƣng có cùng hình dạng và kích thƣớc (ví dụ những tấm thuỷ tinh cacbon có nền là
polyme với cốt là sợi cacbon hoặc sợi thuỷ tinh).

11

Composite đa cốt liên hợp trong đó các cấu tử cốt khác nhau về thành phần
và hình dạng kích thƣớc (ví dụ composite nền nhôm với cốt là sợi bo và các lớp
mỏng titan).
Vật liệu composite nói chung có độ bền riêng, độ cứng vững riêng, độ bền
nhiệt cao, khả năng chống phá huỷ mỏi và tính chất khác hầu nhƣ cao hơn tất cả các
hợp kim kết cấu phổ biến. Ngày nay ngƣời ta có thể dự kiến trƣớc tính chất để chế
tạo composite theo ý muốn.
Vật liệu composite là loại thƣờng có độ bền riêng (Rm/g), độ cứng vững
riêng (E/g) cao.
Đặc điểm đáng chú ý của composite là sự kết hợp các thành phần luôn tuân
theo quy luật sao cho thể hiện nổi bật những ƣu điểm của từng cấu tử thành phần,
còn nhƣợc điểm bị loại bỏ. Ngoài ra vật liệu composite có tính chất mà từng thành
phần riêng lẻ không thể có.
Tính chất của composite phụ thuộc vào các yếu tố sau:
+ Tính chất cơ lý của các thành phần (cốt, nền) và độ bền liên kết giữa
chúng.
+ Tác dụng tƣơng hỗ giữa các vật liệu thành phần, hình dáng kích thƣớc và
đặc điểm phân bố của chúng, đặc biệt là lực liên kết giữa pha nền và cốt có ý nghĩa
hết sức quan trọng. Để nâng cao chất lƣợng liên kết, cần thiết phải đảm bảo sự tiếp
xúc tốt trên toàn bề mặt biên giới.
Trong vật liệu composite có tồn tại 3 loại liên kết chính sau:
Liên kết cơ học - Mối liên kết thực hiện đơn thuần bởi lực ma sát và nêm cơ
học giữa bề mặt nhấp nhô của nền (m) và cốt (f). Loại composite có liên kết kiểu
này (ví dụ Cu-W) có độ bền kéo nhỏ. Trong trƣờng hợp nhƣ vậy để tăng độ bền
liên kết ngƣời ta thƣờng tạo nên trên bề mặt sợi một lớp phủ đặc biệt để đảm bảo
cho sự tƣơng tác. Cần chú ý là lớp phủ phải rất mỏng. Ví dụ các composite có sợi
cốt là bo, cacbon, ceramic có khả năng dính bám kém với nền, để tăng khả năng
dính bám, ngƣời ta áp dụng biện pháp cấy đơn tinh thể silic cacbua lên bề mặt sợi

12


bo, cacbon và các sợi khác theo phƣơng vuông góc với chiều dài của chúng. Những
sợi bo “xù lông” tạo thành nhƣ vậy có khả năng chống trƣợt, làm tăng độ bền kéo,
trong khi vẫn duy trì tính chất cốt theo chiều dọc trục. Kỹ thuật trên đƣợc gọi là
“cấy râu’. Số liệu thực tế cho thấy bằng kỹ thuật “cấy râu” làm tăng thể tích đơn
tinh thể lên khoảng 4 8% sẽ nâng cao giới hạn bền kéo lên 150  200%, mô đun
đàn hồi khi nén và giới hạn bền nén 40 50%.
Liên kết do thấm ướtvà hoà tan thực hiện nhờ sức căng bề mặt, loại liên kết
do thấm ƣớt này thƣờng kèm theo sự hoà tan nhỏ. Vật liệu composite với liên kết
này đƣợc chế tạo bằng cách tẩm sợi (cốt) bằng chất tạo nền ở dạng nóng chảy. Hiện
tƣợng thấm ƣớt là một trong những đặc trƣng quan trọng của tƣơng tác giữa các pha
trong composite, đặc biệt là khi chế tạo chúng bằng phƣơng pháp tẩm chất lỏng.
Yêu cầu cơ bản là pha lỏng nền phải có khả năng thấm ƣớt bề mặt cốt.
Liên kết phản ứng - thƣờng xảy ra khi có phản ứng hoá học giữa nền và cốt
(ví dụ nhƣ: Al-C, Ti-B, TiC- SiC) với sự tạo nên các hợp chất dạng mfx (Al4C3,
TiB2, Ti5Si3). Trong trƣờng hợp này giới hạn bền của sợi cốt và của chính vật liệu
composite giảm xuống đáng kể. Ví dụ, giới bạn bền của cốt sợi silic cacbua trong
composite nền titan, do tƣơng tác mạnh giữa nền và cốt đã giảm từ 320 xuống
210MPa, điều đó làm giảm khoảng 30% độ bền vật liệu composite. Để hạn chế sự
tƣơng tác này ngƣời ta có thể áp dụng biện pháp phủ bảo vệ sợi cốt, hoặc các
phƣơng pháp chế tạo composite ở nhiệt độ thấp với tốc độ nhanh.
* Phân loại composite theo nền:
1) Polyme composite: Composite nền polyme chiếm 90% trong tổng số các
loại composite, đƣợc sử dụng nhiều do có tỷ trọng thấp, cách điện, cách nhiệt tốt, dễ
gia công. Polyme dùng làm nền có 2 loại: Nhựa nhiệt rắn và nhựa nhiệt dẻo [9].
Nhựa nhiệt dẻo có cấu trúc mạch thẳng hoặc nhánh, chảy mềm ở nhiệt độ cao, có
thể lấy lại trạng thái rắn khi làm lạnh, có thể ở dạng tinh thể hoặc vô định hình.
Thƣờng đƣợc gia cƣờng bằng các loại sợi ngắn. Nhựa nhiệt dẻo phổ biến là

polyetylen (PE), polypropylen (PP)...

13


Nhựa nhiệt rắn đƣợc tạo thành từ các polyme có khả năng tạo đƣợc các liên
kết ngang. Quá trình tạo liên kết ngang gọi là quá trình đóng rắn. Các phản ứng tạo
liên kết ngang này liên kết các phân tử polyme lại với nhau tạo thành mạng lƣới
không gian ba chiều có khối lƣợng phân tử lớn. Chính điều này khiến cho nhựa
nhiệt rắn sau khi đóng rắn không có khả năng nóng chảy hoặc hoà tan mà chỉ bị
phân huỷ. Nhựa nhiệt rắn đƣợc tạo ra từ hai phản ứng trùng hợp và trùng ngƣng.
Thƣờng đƣợc gia cƣờng bằng các loại sợi dài. Nhựa nhiệt rắn phổ biến nhất là
epoxy, polyeste không no, phenolic, polyuretan...
2) Composite nền gốm và thuỷ tinh: Gốm có cấu trúc đa pha, đa tinh thể. Hai
pha chính tạo nên cấu trúc của gốm là pha vô định hình phân bố xen lẫn giữa các
vùng pha tinh thể và gắn kết chúng lại với nhau. Gốm là vật liệu có độ bền cao, chịu
oxy hoá cao và duy trì đƣợc độ bền ở nhiệt độ cao (1650oC) nhƣng lại có độ bền
kéo thấp, khả năng chịu va đập kém [5].
3) Composite nền cacbon/graphit: Là vật liệu có khả năng chịu nhiệt rất tốt,
cứng, bền nhiệt đến 2.200oC, điển hình là composite cacbon - cacbon đƣợc sử dụng
nhiều trong ngành hàng không, vũ trụ, hoá chất, dƣợc, y tế [9].
4) Composite nền kim loại: Kim loại có độ bền, cứng, dẻo khá cao và có thể
chịu đƣợc nhiệt độ cao hơn nền polyme trong môi trƣờng có oxy. Composite nền
kim loại có mô đun rất cao (110 GPa) nên đòi hỏi sợi tăng cƣờng phải có mô đun
cao.
* Phân loại composite theo hình học cốt:
1) Composite cốt hạt: Có cấu tạo gồm các phần tử cốt dạng hạt đẳng trục
(khoáng tự nhiên, oxit, cacbit...) phân bố đều trong nền.
2) Composite cốt sợi ngắn: Độ dài cốt nhỏ hơn 5mm, thƣờng đƣợc dùng để
tăng cƣờng cho nhựa nhiệt dẻo.

3) Composite cốt sợi có chiều dài trung bình: Có độ dài từ 10  100 mm,
thƣờng dùng tăng cƣờng cho nhựa nhiệt rắn có thêm bột độn.

14


4) Composite cốt sợi dài: Còn gọi là sợi liên tục thƣờng dùng để tăng cƣờng
cho nhựa nhiệt rắn, chế tạo composite chất lƣợng cao.
1.2. Vật liệu composite trên cơ sở Ti-Al
1.2.1. Hợp kim nhôm titan.
Titan là nguyên tố có hai dạng thù hình: ở dƣới nhiệt độ 8820C có mạng lục
giác xếp chặt ký hiệu là Tiα, cao hơn nhiệt độ đó có mạng lập phƣơng tâm khối ký
hiệu là Tiβ. Xét trên tƣơng quan về kiểu mạng, nhôm có khả năng tạo với titan dung
rắn thay thế, làm hóa bền titan nhƣng không làm giảm độ dẻo và độ dai.
Trên giản đồ pha hệ Ti-Al (hình 1.1) có thể thấy các pha với tỷ lệ phần trăm
nhôm tƣơng ứng: pha TiAl và pha α2 Ti3Al là một vùng rộng. Pha TiAl3 là một
vùng hẹp.
Bảng 1.1. Tính chất vật lý hệ Ti-Al [10]

15


Hình 1.1. Giản đồ pha hệ Ti-Al [21]
Hệ Ti-Al có nhiệt độ nóng chảy tƣơng đối cao, khối lƣợng riêng nhẹ, có
môđum đàn hồi lớn

Hình 1.2. Cấu trúc tinh thể: (a) TiAl3, (b) Ti3Al, (c) TiAl [10]
Pha TiAl, TiAl3 có cấu trúc lập phƣơng tâm mặt A1, pha Ti3Al có cấu trúc
sáu phƣơng xếp chặt A3.

16


Các nhóm hợp kim của nhôm và titan:
+ Nhóm hợp kim Alpha- 2
Hợp kim đầu tiên thuộc nhóm này là hợp kim CT5, đƣợc Kornilov I.I.
cùng các cộng sự nghiên cứu [11]. Cấu trúc pha gồm > 95% pha α2 + < 5% pha β.
Ƣu điểm của hợp kim này là tỷ lệ các nguyên tố hợp kim nhỏ (giảm giá thành sản
phẩm), độ bền riêng và độ bền nhiệt riêng cao. Nhƣng do độ dẻo và độ dai va đập
thấp ở nhiệt độ thƣờng, tính công nghệ thấp đã gây khó khăn trong việc chế tạo các
bán thành phẩm từ thỏi đúc. Cộng với tỷ lệ pha β thấp đã làm giảm khả năng chịu
ăn mòn của vật liệu. Để tăng tỷ lệ pha β trong hợp kim ngƣời ta tiến hành hợp kim
hóa bằng Nb với tỷ lệ trên 10%. Và để tăng độ bền cho pha β này hơp kim hóa bằng
các nguyên tố Mo, V, Zr và Si. Những hợp kim thu đƣợc còn đƣợc gọi là hợp kim
“super-alpha-2”.
Bảng 1.2. Tính chất của hợp kim biến dạng alpha-2
200C
Mác

hợp Nƣớc sản

kim

xuất

ВТИ-2
Ti-24-103-1
ТД-3

6500C

ρ,

σB,

E,

KI

σB ,

σ100,

kg/m3

MPa

GPa

C

MPa

MPa

Nga

4800

1050

120

35

5

830

390

12

Hoa Kỳ

4830

950

125

38

6

700

350

10

TQ

4800

1100

120

20

4,5

860

350

9

δ,%

Ti-24-10-3-1 đƣợc xây dựng trên hệ hợp kim Ti-24Al-10Nb-3V-1Mo (%
nguyên tử). Từ những hợp kim này có thể thu đƣợc nhiều loại bán thành phẩm khác
nhau, từ phôi dẹt cho đến tấm kim loại mỏng, từ đó dùng để chế tạo các cấu trúc
nhiều tầng, nhiều lớp của thân máy bay (hình 1.4). Chế độ nhiệt luyện bao gồm tôi
hợp kim ở vùng (α2+β) sau đó hóa già ở (800-850)0C. Cấu trúc thu đƣợc gồm 20-30
% pha α2 sơ cấp và 50-60 % pha α2 thứ cấp trên nền pha β.

17

δ,%


Hình 1.3. Ứng dụng hợp kim alpha-2.
+Nhóm hợp kim .
Phụ thuộc vào hàm lƣợng nguyên tố Al hợp kim gamma đƣợc chia thành hợp
kim một pha và hợp kim hai pha. Hợp kim gamma một pha chứa trên 51% Al có độ
bền và độ dẻo không cao. Hợp kim gamma với hàm lƣợng Al nhỏ hơn 51% có cấu
trúc hai pha. Pha thứ hai là Ti3Al, hàm lƣợng của nó phụ thuộc vào hàm lƣợng Al
chứa trong hợp kim (khoảng 5% khi hàm lƣợng Al trong hợp kim chiếm 50% và
25% khi hàm lƣợng Al bằng 47%). Vì vậy cấu trúc cũng nhƣ tính chất của hợp kim
phụ thuộc rất mạnh vào hàm lƣợng Al chứa trong nó.
Thực nghiệm cho thấy, chỉ hợp kim đúc Ti-(47÷ 49)Al (% nguyên tử), cấu
trúc bao gồm 10-15% pha α2 , mới có đƣợc cơ tính tốt nhất (σB=480-520 MPa,
δ=2,5-2,7%).
Bảng 1.3. Tính chất của hợp kim đúc gamma.
200C
Mác

hợp Nƣớc sản

kim

xuất

8000C

ρ,

σB,

E,

kg/m3

MPa

GPa

KIC

δ,%

σB ,

σ100,

MPa

MPa

δ,%

ВТИ-3

Nga

3850

560

170

40

2,5

460

350

6

46-1-1

Hoa Kỳ

3950

520

168

35

2,5

480

380

7

18


Ƣu điểm của hợp kim gamma là khối lƣợng riêng nhỏ từ đó làm giảm khối
lƣợng của chi tiết. Nhƣợc điểm của hợp kim này là độ dẻo thấp, độ bền tại nhiệt độ
thƣờng cũng nhƣ tại nhiệt độ làm việc không cao. Từ hợp kim này có thể chế tạo
các vật đúc nhƣ cánh tuốc bin, vỏ buồng nén khí của đông cơ tuốc bin khí

Hình 1.4. Ứng dụng hợp kim gamma
+Nhóm hợp kim “орто”
Khi hợp kim hóa Ti3Al bằng Nb với hàm lƣợng trên 10% trong hợp kim sẽ
xuất hiện một pha mới – Ti2AlNb. Thực nghiệm cho thấy Ti2AlNb có nhiệt độ nóng
chảy cao, hệ số dãn nở nhiệt thấp, độ bền, độ dẻo cao và tính công nghệ hơn hẳn
pha Ti3Al. Tại nhiệt độ (650-750) 0C modul đàn hồi giảm ít hơn so với pha Ti3Al.
Nhƣợc điểm của hợp kim này là khối lƣợng riêng lớn, công nghệ luyện kim phức
tạp do chứa nhiều các nguyên tố hợp kim khó nóng chảy. [10]
Bảng 1.4.Tính chất của hợp kim biến dạng “орто” [10]
200C
Mác

hợp Nƣớc

kim

xuất

6500C

sản
ρ,

σB,

E,

kg/m3

MPa

GPa

KIC δ,%

σB ,

σ100,

MPa

MPa

δ,%

ВТИ-4

Nga

5100

950

125

40

8

800

280

17

22-23

Hoa Kỳ

5200

1150

129

35

5

880

340

14

19


22-20-3

TQ

5500

1110

14

996

10

22-20-3

Nhật

5350

1130

15

1030

10

Pháp

5600

1120

8

850

22-25-20,5

120

40

350

Hình 1.5. Ứng dụng hợp kim “opmo”
1.2.2. Ứng dụng hợp kim nhôm titan.
Bất chấp những vẫn đề đƣợc đƣa ra trƣớc đó, một số những sản phẩm của
hợp kim cơ sở TiAl hiện nay vẫn đƣợc sử dụng trong những ứng dụng của ngành
công nghiệp ô tô. Thành công lớn nhất của nó là sự phát triển của turbo tăng áp

TiAl tại Nhật Bản, chúng đƣợc sử dụng với số lƣợng khá nhỏ (khoảng 1000) trong
năm 1998 đến đời cao nhất của các xe Lancer, nhƣng những thành công trong
những năm qua đã làm cho hơn 20000 xe ô tô đƣợc trang bị Turbo tăng áp thế hệ
thứ hai trong năm 2003. Những Turbo tăng áp đó hiện nay đƣợc sản xuất bằng Ti46Al-6.5Nb với một lƣợng nhỏ các nguyên tố hợp kim. Điều quan trọng là hợp kim
đƣợc nấu chảy bằng lò tƣờng lạnh và Turbo tăng áp đúc bằng khuôn đối trọng. Một
số công ty hiện nay đang sản xuất Turbo tăng áp TiAl và dƣờng nhƣ ứng dụng
thành công của TiAl tại những chi tiết không đòi hỏi nhiều yêu cầu (độ dẻo thấp
chấp nhận đƣợc để thiết kế) sẽ cho phép kết hợp những kinh nghiệm trong công

20

16


nghệ đúc, điều quan trọng cuối cùng là chi tiết có thể đƣợc sản xuất bằng công nghệ
này.
Một chƣơng trình lớn trong vòng 5 năm (IMPRESS) bắt đầu từ năm 2005
với mục tiêu sản xuất cánh quạt Tuabin dài 40cm cho động cơ máy bay bằng cách
cải thiện công nghệ đúc và làm nhỏ mịn hạt vật đúc để chúng có những thính chất
thỏa mãn ít phân tán hơn. Đó là dự án đầy tham vọng nhƣng nó đƣợc thúc đẩy bởi
những ngƣời sử dụng, họ nhìn thấy nhu cầu lớn cho những cánh Tuabin có trọng
lƣợng nhẹ. Ngoài công việc đang đƣợc tiến hành để sản xuất cánh máy nén sử dụng
công nghệ đúc thay cho công nghệ đùn ép và rèn.
Ngoài ra một ngành công nghiệp hiện đại và đang phát triển đó là công
nghiệp hàng không cũng sử dụng hợp kim nhôm titan rất nhiều. Ngành công nghiệp
hàng không thế giới ngày càng phát triển đòi hỏi theo nó là mức tiêu thụ vật liệu
ngày càng cao. Năm 2010 tổng tiêu thụ vật liệu trong ngành công nghiệp hàng
không đã đạt mức 437.000 tấn. Với khối lƣợng riêng nhỏ, hợp kim nhôm vẫn là loại
vật liệu chiếm ƣu thế, không thể thay thế, chiếm tới 50%. Hợp kim trên cơ sở Titan
với độ bền riêng cao ở nhiệt độ thƣờng và ngay cả ở nhiệt độ cao, khả năng chống

ăn mòn tốt, đƣợc coi là biểu tƣợng của vật liệu hàng không hiện đại (năm 2010
chiếm 10%), chúng chủ yếu đƣợc dùng để chế tạo thân và động cơ máy bay. Theo
dự đoán tiêu thụ hợp kim trên cơ sở Titan vào năm 2015 sẽ vào khoảng 70.000 tấn.
Hợp kim trên cơ sở liên kim loại Ti-Al (intermetallics) đƣợc phát triển tại một số
nƣớc nhƣ Hoa Kỳ, Trung Quốc, Nhật, Pháp và đặc biệt là tại Nga.
1.3.

Tình hình nghiên cứu hệ vật liệu Al-Ti

1.3.1. Nghiên cứu ngoài nƣớc về hệ vật liệu Al-Ti
Sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, đặc biệt là các ngành hàng
không vũ trụ, chế tạo tên lửa, năng lƣợng nguyên tử luôn đi liền với sự phát triển
của công nghệ vật liệu và sự ra đời của các vật liệu mới với những tính chất cơ, lý,
hóa đặc biệt. Việc chế tạo các sản phẩm mới có tính cạnh tranh cao không thể thiếu
vật liệu và công nghệ thế hệ mới. Hiện nay, trên thế giới đang và sẽ tiếp tục phát

21


triển những nhóm vật liệu sau: vật liệu thông minh; metamaterial; vật liệu liên kim
loại; kim loại nano tinh thể, vô định hình; composite polyme, đa nền; vật liệu kim
loại nhiệt độ cao; hợp kim với hiệu ứng nhớ hình; gốm; vật liệu nhiều lớp… Những
vật liệu này với những tính năng công tác nâng cao rất cần thiết trong chế tạo các
chi tiết phục vụ các ngành công nghệ cao, đặc biệt là công nghệ hàng không thế hệ
tiếp theo. Các cƣờng quốc trên thế giới đều có những chiến lƣợc quốc gia và kế
hoạch dài hạn trong lĩnh vực hàng không (National Aeronautics Research and
Development Plan - Mỹ; National Aerospace Technology Strategy - EU; LB Nga).
Trong đó đều nhắc tới vai trò của nhóm vật liệu liên kim loại, đặc biệt liên kim loại
trên cơ sở Al-Ti.
Tính đến thời điểm năm 2015, đóng vai trò then chốt trong chế tạo động cơ

tuabin khí là các hợp kim trên cơ sở Ti và Ni (tƣơng ứng 32% và 30%) (hình 1.6).
Dự đoán đến năm 2025, vật liệu composite nền polyme và vật liệu liên kim loại sẽ
chiếm tỷ lệ cao hơn rất nhiều so với thời điểm hiện tai (tƣơng ứng 20% và 15%)
(hình 1.7).

Hình 1.6. Các loại vật liệu chế tạo động cơ tuabin khí (đến năm 2015)

22


Hình 1.7. Các loại vật liệu chế tạo động cơ tuabin khí (dự đoán đến năm 2025)
Việc sử dụng các vật liệu mới sẽ cho phép giảm khối lƣợng của động cơ lên
đến 40%, hƣớng tới chế tạo động cơ tuabin khí với tỷ lệ lực kéo/ khối lƣợng đạt
20/1.
Trong công nghệ hàng không nói chung, những vật liệu nhẹ, có độ bền riêng
cao ngày càng chiếm tỷ trọng lớn. Theo số liệu của tập đoàn Airbus, phần thân của
máy bay A350XWB đƣợc chế tạo chủ yếu từ vật liệu mới, với 40% từ vật liệu
composite nền polyme, 20% từ hợp kim Al-Ti (hình 1.8).

Hình 1.8. Các loại vật liệu chế tạo thân máy bay A350XWB

23