Giới thiệu hợp kim hóa nghiền cơ học - An introduction to mechanical alloying

Category: Materials Science and Engineering Published: 12 July 2014
Hits: 18338

Hợp kim hóa nghiền cơ học

Hợp kim hóa nghiền cơ học là một quá trình nghiền bi trong đó hỗn hợp bột trộn cùng viên bi nghiền trong tang nghiền được trải qua quá trình va chạm năng lượng lớn từ bi nghiền. Quá trình này thường được thực hiện trong điều kiện môi trường khí trơ. Đây là một quá trình thay thế cho sản xuất bột kim loại và gốm ở trạng thái rắn. Hai sự kiện quan trọng nhất trong hợp kim hóa nghiền cơ học là quá trình lặp lại liên tục của hàn nguội và phân mảnh hỗn hợp bột kim loại. Quá trình hợp kim hóa có thể chỉ được tiếp tục nếu tỉ lệ hàn nguội cân bằng với tỉ lệ phân mảnh và kích thước trung bình hạt của bột vẫn còn tương đối thô. Hợp kim được tạo thành với các nguyên tố khác nhau được tổng hợp thành công bởi sự độc nhất của quá trình này là có thể sản xuất vật liệu mới từ đáy của giản đồ pha. Do hợp kim hóa nghiền cơ học là một quá trình trạng thái rắn, phương pháp này đem đến một phương tiện để vượt qua những hạn chế của việc tạo thành hợp kim mới sử dụng hỗn hợp nguyên tố hợp kim ban đầu ở cả nhiệt độ nóng chảy thấp và cao. Nhìn chung, mặc dù nguyên liệu ban đầu được dùng trong hợp kim hóa cơ học phải có bao gồm ít nhất 1 kim lại 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.

Lịch sử và sự phát triển

Quá trình hợp kim hóa cơ học được phát minh ở phòng nghiên cứu Paul D.merica của INCO năm 1966. Thí nghiệm đầu tiên được tiến hành là để phát triển một vật liệu bằng cách kết hợp ô-xýt hóa bền phân tán với tiết pha gamma trong siêu hợp kim cơ sở nikel sử dụng cho các ứng dụng tua bin khí và các hợp kim chịu nhiệt. Do ô-xýt không thể phân tán vào phalỏng, vì vậy cần phát triển kỹ thuật xử lý ở trạng thái rắn. Vào đầu những năm 1960, phòng nghiên cứu Paul D. Merica tại INCO đã thành công phủ nikel lên trên bề mặt graphit bằng việc sự dụng kỹ thuật này. Hạt graphit đã được phủ được phun vào hợp kim nhôm lỏng thông qua xục khí argon. Ở giai đoạn xử lý này, quá trình này được biết như là “nghiền/trộn”. Thuật ngữ “hợp kim hóa cơ học” sau này được giới thiệu bởi E.C Macqueen vào cuối những năm 1960.

Sau khi khám phá ra kỹ thuật này, những ứng dụng ở giai đoạn đầu của nghiên cứu là để duy trì ô-xýt hóa phân tán bền của hợp kim. Một ví dụ điển hình của việc sử dụng hợp kim hóa nghiền cơ học của siêu hợp kim và hợp kim nhôm. Quá trình lặp lại liên tục của hàn nguội và phân mảnh hỗn hợp bột kim loại dần dần dẫn đến sự tạo thành lớp màng oxide trên bề mặt của hạt cũng như cấu trúc lớp. Với việc kéo dài thời gian hợp kim hóa nghiền cơ học, ngay cả lớp màng ô-xýt có thể tiếp tục bị phá hủy để tạo thành hạt min phân bố đồng đều. Bằng việc sử dụng thông số quá trình thích hợp, có thể chế tạo các vật liệu chứa các hạt hóa bền có kích thước nano. Một số lượng lớn tiền nghiên cứu được dành cho việc phát triển cái kỹ thuật mới này. Phần lớn công trình được thực hiện trong các phòng nghiên cứu từ năm 1965 đến năm 1973 được thực hiện ở quy mô nhỏ và sự phát triển hợp kim là để đáp ứng nhu cầu các chi tiết/bộ phận động cơ nhiệt độ cao.

Được phát triển bởi Jangg, nghiền phản ứng được dùng để sản xuất nhôm hóa bền bằng Al4C3 và Al2O3. Quá trình này được thực hiện bằng việc sử dụng một phản ứng hóa học giữa chất trợ nghiền và các hạt bột được nghiền. Trong sự hiện diện của carbon hoặc graphite và trong điều kiện kiểm soát môi trường khí Ô-xy, cả graphite và Ô-xy có thể đóng vai trò như là tác nhân kiểm soát quá trình PCA trong khi nghiền. Sự xuất hiện của carbon hay Ô-xy do kết quả của Al4C3 và Al2O3. Cấu trúc vi mô hạt mịn và composite đồng nhất có thể được sản xuất theo phản ứng hóa học giữa hỗn hợp bột của các nguyên tố ban đầu. Phản ứng hóa học trong quá trình hợp kim hóa nghiền cơ học xuất hiện bởi khuyết tán chất tan. Khuếch tán chất tan này, mặc dù được gia tốc bởi sự xuất hiện của biến dạng dẻo bao gồm lệch điểm và lệch mạng và cũng bởi sự tăng nhiệt độ cục bộ, thông thường cần nghiền theo thời gian cấp độ hàng giờ. Kỹ thuật này được dùng để sản xuất hợp kim Al-C-O có tên thương mại là DISPAL, bằng cách này hợp kim được hóa bền phân tán. Một trong những ưu điểm chính của hợp kim hóa bền phân tán nằm ở sự giữ lại độ cứng có ích nhờ tỷ phần của Ô-xýt có nhiệt độ nóng chảy tương đối cao (khoảng 90%). Tuy nhiên, nếu hóa bền được tạo thành bởi sự tiết pha hoặc dung dịch rắn, độ bền sẽ nhanh chóng mất hiệu quả khi vật liệu được sử dụng ở điều kiện nhiệt độ tương đối cao.

Quá trình nghiền hợp kim hóa không bị giới hạn để sản xuất hợp kim hóa bền phân tán Ô-xýt phức. Nó cũng là phương tiện để sản xuất vật liệu bột kim loại composite kiểm soát được cấu trúc vi mô hạt siêu mịn. Cấu trúc composite nhận được khi nghiền gốm và kim loại. Phương pháp này cũng được nhận thấy là một trong những kỹ thuật mới để tổng hợp hợp kim mới. Nhờ sự phát hiện ra sự tạo thành của vật liệu vô định hình bởi Koch và cộng sự, lần đầu tiên hợp kim vô định hình được sản xuất khi nghiền hợp kim hóa hỗn hợp bột nguyên tố kim loại trong môi trường khí trơ. Koch et al đã tổng hợp được vật liệu vô định hình Ni60Nb40 bằng việc nghiền các bột nguyên tố trong máy nghiền Spex 8000. Người ta thấy rằng kích thước hiệu tinh thể dụng được dựa trên mẫu nhiễu xạ tia X giảm nhanh chóng.  Phép đo nhiễu xạ tia X của hỗn hợp bột hợp kim hóa nghiền cơ học Ni-Nb cho thấy giống với mẫu của chúng được nguội nhanh từ kim loại lỏng. Quá trình vô định hình hóa của chúng nhờ phản ứng khuếch tán trong đó các vị trí tinh thể ổn định hơn bị giàng buộc về động học do hình thành, hoặc do phân hủy cảm khuyết tật của trạng thái tinh thể giống với sự vô định hình hóa bằng chiếu xạ. Vô định hình hóa bởi phản ứng trạng thái rắn được quan sát thấy trong các hệ đa lớp hai nguyên khác nữa. Pha vô định hình có thể được tạo thành từ lớp lưỡng kim khi ái lực hóa học giữa hai chất có giá trị âm lớn của nhiệt trộn entapi,  , và khi có một sự bất đối xứng đáng kể độ linh động nguyên tử. Trong suốt quá trình hợp kim hóa nghiền cơ học, sự tăng năng lượng được tạo ta bởi sự sinh ra của sự mất trật tự hóa học, khuyết tật điểm (lỗ trống và xen kẽ) và lệch mạng (lệch biên và lêch xoắn). Động lực gây ra cho phản ứng này là sự mất ổn định cảm thành phần của pha tinh thể trong hệ. Ermakov quan sát thấy rằng pha trung gian là pha cân bằng cũng có thể được vô định hình hóa. Yeh tìm thấy rằng vô định hình hóa có thể xảy ra bởi phản ứng giữa hidro và hợp chất liên kim loại khi khí hydro phản ứng với ZrRh ở nhiệt độ dưới 498k. Sản phẩm là pha hydride kim loại vô định hình với thành phần là Zr3RhH5.5. Nhiều dạng vô định hình hóa đã được thực hiện đối với các hệ Ni-Ti, Ni-Zr, Ni-Nb, Ti-Cu, Co-Zr, Au-La, Au-Y, Fe-Se-Fe và các vật liệu khác. Bài tổng quan chi tiết hơn được đưa ra bởi Weeber and Bakker. Các phương pháp theo đó hợp kim vô định hình được hình thành đã được chia thành hai loại chính: (a) Hợp kim hóa nghiền cơ học của bột nguyên tố mà ở đó entapy của vật liệu hợp kim trong suốt quá trình vô định hình hóa giảm thông qua khuếch tán. (b) nghiền cơ học của bột hợp kim mà ở đó vật liệu nghiền là không ổn định về nhiệt động học bởi sự tăng entapy của nó. Entaphy tạo hỗn hợp âm và không ổn định nhiệt động học gây ra sự hình thành hợp kim vô định hình.

Tùy thuộc vào hệ vật liệu, không phải tất cả hợp kim đều có thể được tổng hợp bằng cách sử dụng kỹ thuật hợp kim hóa nghiền cơ học. Ví dụ, Nd và Fe vẫn duy trì là hỗn hợp của hai nguyên tố kim loại sau quá trình nghiền hợp kim cơ học. Nghiền Al và Fe được cho thấy là không có sự hình thành rõ rệt của hợp chất liên kim mới nếu hàm lượng Fe là thấp. Sau quá trình hợp kim hóa nghiền cơ học, Fe dường như được nhúng đồng nhất trong nền Al như trạng thái ban đầu. Để xử lý liên kim loại Al-Fe, xử lý nhiệt hoặc quá trình nhiệt của hợp kim hóa nghiền cơ học phải được thực hiện sau đó.

Nhờ khả năng sử dụng của liên kim loại làm vật liệu nhiệt độ cao, quan tâm nghiên cứu mới về vấn đề hợp kim hóa nghiền cơ học của hệ liên kim loại đã được nghiên cứu.Ví dụ, sự tạo thành của liên kim loại Ni-Al bằng kỹ thuật hợp kim hóa nghiền cơ học đã được nghiên cứu rộng rãi. Koch et al.quan sát sự hình thành của hợp chất Ni3Al sau khi nghiền bột Ni và Al cùng nhau trong 300 phút. Ivanov nghiên cứu quá trình tổng hợp của Ni2Al3 bằng hợp kim hóa nghiền cơ học của hỗn hợp của Ni và Al bột tại một thành phần của Ni40Al60. Người ta đã tìm thấy rằng quá trình hợp kim hóa này dẫn đến sự tạo thành của pha β’ NiAl giả bền bị chuyển trở về pha Ni2Al3 mặt thoisau khi ủ. Số lượng lớn các công trình nghiên cứu trên TiAl, Ti3Al và Al3Ti đã được tiến hành như một hệ quả nhờ tiềm năng to lớn trong việc phát triển các hợp kim Ti hợp kim hóa cơ học để nâng cao hiệu năng. Một quy trình tiên tiến của Suryanarayana và Froes đã sử dụng hợp kim hóa cơ học và quá trình nhiệt hóa để tổng hợp TiAl từ hai hợp chất giòn của Al3Ti và TiH2.

Do biến dạng dẻo lớn được tạo ra trên các hạt bột trong quá trình hợp kim hóa nghiền cơ học, tinh thể bị biến dạng mạnh và biến dạng dẻo xuất hiện không được dồng đều. Với khoảng thời gian dài hơn của quá trình hợp kim hóa nghiền cơ học, dải trượt có độ dày khoảng 1 µm tại quá trình nghiền ban đầu đã phát triển trên khu vực lớn hơn và cuối cùng tất cả các hạt bột phân rã thành các hạt nhỏ hơn với kích cỡ cuối cùng khoảng vài nanomet. Các bột nano tinh thể được tạo thành từ các quá trình thông thường, khi các hạt bột được kết khối bởi quá trình thiêu kết, các viên nén nhận được bao gồm các hạt có kích thước nano tinh thể gần như là không có lệch mạng. Các hạt được phân tách bằng các biên hạt có chiều dày khoảng từ 1 đến 2 kích thước nguyên tử. Mặt khác, các vùng tinh thể nano trong bột tổng hợp bằng hợp kim hóa nghiền cơ học được phân tách bằng vách dày có mật độ lệch mạng lớn. Do đó, bột nano tinh thể tạo ra từ hợp kim hóa nghiền cơ học sẽ có những đặc tính khác với các kĩ thuật thông thường. Do có khoảng 50% các nguyên tử nằm ở biên hạt, trạng thái rắn mới này thể hiện sự thay đổi đáng kể trong tính chất vật lý và cơ học. Fecht và Eckert đã tổng hợp thành công cấu trúc nano tinh thể từ các vật liệu bcc của nguyên tố Fe,Cr, Nb và W, vật liệu hcp của Co, Zr, Hf và Ru, vật liệu fcc của Al, Cu, Ni, Pd, Rh và Ir, và từ kim loại tinh thể CsCl của NiTi, CuEr, Siru và AlRu. Gaffet báo cáo quá trình tổng hợp của pha nano MoSi2 bởi một quá trình ủ hoạt hóa cơ học kết hợp khoảng thời gian ngắn của hợp kim hóa nghiền cơ học và ủ đẳng nhiệt ở nhiệt độ thấp. Hệ hai nguyên khác bao gồm Al-Fe, Ag-Fe, Ni-Al, Ti-Mg, Al-Ti, W-Fe và các hệ khác đã được xử lý thành công để tạo ra cấu trúc nano tinh thể. Kỹ thuật hợp kim hóa nghiền cơ học là một cách dễ dàng và rẻ tiền để sản xuất số lượng lớn vật liệu nano tinh thể hoặc bột vô định hình, tạo nên nhiều hứng thú và quan tâm nghiên cứu.

Sự hình thành các vật liệu cứng của Ni-trit, Các-bít, Bo-rít và Ô-xýt là một lĩnh vực hấp dẫn khác của nghiên cứu. Titan Bo-rít của TiB và TiB2 được tổng hợp trực tiếp từ hợp kim hóa nghiền cơ học của bột nguyên tố của Ti và B. Bên cạnh sự hình thành của Titan Bo-rít, hình thành các Titan Các-bít có cũng đã được báo cáo. Malchere et al. tìm thấy sự hình thành của βSiC bởi việc nghiền hỗn hợp của Si và C dạng bột. Tuy nhiên, không có SiC vẫn có thể được hình thành nếu hệ thống ba nguyên Al-Si-C đã được nghiền từ Si và C và được pha loãng bởi nhôm. Vì kim loại và á kim Ni-trít có độ cứng đáng kể, nhiệt độ cao ổn định, dẫn nhiệt cao và chống ăn mòn cao nên chúng được coi là vật liệu rất quan trọng trong hợp kim hóa nghiền cơ học. Calka et al. đã tạo ra nhóm nitrit TiN, ZrN, VN, BN, Mo2N, Si3N4, Cu3N, Mg3N2 và WN. Các Nitrides trên có thể được tạo thành bằng cách hợp kim hóa nghiền cơ học kim loại thích hợp trong môi trường Nitơ hoặc Amôniac. Vì có sự tỏa nhiệt trong quá trình phản ứng hóa cơ học, nhiệt độ của quá trình có thể đạt tới giá trị rất cao trong thời gian ngắn. Vì vậy cần đặc biệt chú ý để ngăn chặn sự gia tăng áp suất đột ngột bên trong tang nghiền.

Ứng dụng

Hợp kim hóa nghiền cơ học 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 sắt), MA959 (nền nhôm), Inconel MA754 (nền niken), MA6000. Inconel là một trong những nhà sản xuất lớn nhất cung cấp các linh kiện cơ khí 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 việccao. Hợp kim nền sắt này có nhiệt độ nóng chảy 1775K – cao hơn so với các hợp kim cơ sở 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, giá của lò.

Một mảng ứng dụng khác rất thú vị là sự mở rộng của hợp kim hóa nghiền cơ học sang hóa cơ học – ngành có thể tổng hợp không chỉ vật liệu tinh thể nanô mà cả các hạt bột kích thước nanô. Schaffer và McCormick đã đưa ra bằng chứng trong việc ứng dụng thành công sự hoàn nguyên (khử) Ô-xýt từ các Ô-xýt thông qua hóa cơ học đơn giản sử dụng kỹ thuật nghiền bi. Một trong số các nghiên cứu gần đây về sự hoàn nguyên CuO thông qua Ca trong quá trình nghiền đã cho thấy công nghệ hợp kim hóa nghiền cơ học có thể được sử dụng như một phương tiện trong các phản ứng trạng thái rắn.

Kết luận

Hợp kim hóa nghiền cơ học – sáng kiến của Benjamin từ 30 năm về trước, đã làm thay đổi các phương pháp truyền thống trong đó vật liệu được tổng hợp ở nhiệt độ rất cao. Phương pháp này đã thu hút nhiều sự chú ý đồng thời truyền cảm hứng cho các nghiên cứu bởi những kết quả đầy hứa hẹn của nó, độ ứng dụng rộng và các giá trị khoa học tiềm năng. Hợp kim hóa nghiền cơ học được nhận thấy như một phương thức độc nhất vô nhị. Nó được tận dụng trong nhiều mảng của xử lý vật liệu và ứng dụng trong các hệ thống vật liệu khác nhau. Vật liệu hóa bềng phân tán Ô-xýt, Compozit, hợp kim vô định hình và nano tinh thể, hợp chất liên kim loại, vật liệu không cân bằng và ceramic đã được tổng hợp thành công, một thành tựu mà các phương pháp truyền thống không thể có được.

Bài viết được biên dịch từ tài liệu Mechanical Alloying của L. Lü, M. O. Lai.

Bản dịch có sự tham gia của sinh viên CTTT k56, ĐH Bách Khoa Hà Nội.

viet4777
Author: Nguyễn Hoàng Việt
About: Viet Nguyen-Hoang is a lecturer in school of Materials Science and Engineering at HUST (www.hust.edu.vn). He starts coding with Joomla from 2006. His lectures could be found at kythuatvatlieu.ORG. His writing is about IT, Joomla and his teaching topics.

Donate

Donate using PayPal
Amount: