Intermetallics - Cơ sở cho các sản phẩm công nghệ mới

Thứ Tư, 24 Tháng Chín 2014 3:36 CH

Vấn đề quan trọng nhất đặt ra cho ngành khoa học vật liệu ngày nay đó là sự phát triển của vật liệu bền nhiệt. Chế tạo vật liệu bền nhiệt dựa trên cơ sở chuyển từ pha lỏng sang pha rắn bằng kết khối kim loại hiện nay chưa thể đáp ứng hết các yêu cầu của vật liệu, đặc biệt là vật liệu để chế tạo các thiết bị của ngành hàng không vũ trụ...

Mở đầu

Việc nghiên cứu, chế tạo ra các vật liệu nhẹ bền nhiệt đã trở nên cấp thiết, đặc biệt là nghiên cứu chế tạo các hợp kim titan sử dụng trong các động cơ, turbin khí v.v. Do vậy, ưu tiên hàng đầu của ngành khoa vật liệu hiện nay là chế tạo hợp kim đặc biệt này làm nguyên liệu phục vụ cho chế tạo các động cơ thế hệ mới [5].

Hiện nay tại các công ty chế tạo máy bay hàng đầu thế giới hợp kim titan bền nhiệt được sử dụng cho các động cơ làm việc thường xuyên ở nhiệt độ 550 - 600°C. Khoảng nhiệt độ này đã vượt quá khả năng làm việc của vật liệu truyền thống. Việc làm tăng tính dẻo của các hợp kim truyền thống ngay ở nhiệt độ phòng vẫn chưa được giải quyết hoàn toàn. Vì vậy phần lớn các nghiên cứu, hướng tiếp cận đều tập trung vào vào việc tạo ra các hợp kim dựa trên cơ sở liên kim loại Ti₃Al (α₂-phase) và TiAl (γ-phase) bởi vì chúng có thể làm việc ở khoảng nhiệt độ lên đến 800°C, có khả năng chống ăn mòn tốt và có tính dẻo cao [1, 4].

Hướng nghiên cứu

Đại học Kỹ thuật Quốc gia Volgograd (VSTU, Liên bang Nga) là một trong những đơn vị tiên phong trong nghiên cứu chế tạo ra các vật liệu hợp kim dựa trên cơ sở liên kim loại Ti-Al. Các nhà khoa học tại đây đã nghiên cứu sâu rộng về công nghệ chế tạo vật liệu hàn trên cơ sở liên kim loại Ti-Al, cũng như nghiên cứu tác động của các hợp kim khác lên các thuộc tính của liên kim loại Ti-Al với các thành phần khác nhau v.v.

Dựa trên các nguyên tố hợp kim (các nguyên tố ổn định phase α và các nguyên tố ổn định phase γ), liên kim loại Ti-Al được chia thành hợp kim Ti₃Al (α₂-phase) với mac điển hình ở Mỹ là “hợp kim-super α₂” và ở Nga là “hợp kim ВТИ-2”. Với TiAl (γ-phase) thì mac điển hình ở Mỹ là “46-1-1”, còn ở Nga là “ВТИ-3” và với hợp kim Ti₂AlNb (opto-phase) thì mac điển hình ở Mỹ là hợp kim “22-23”, ở Nga là “ВТИ-2”. Các hợp kim này có tính bền nhiệt ngay cả ở nhiệt độ cao, và có khả năng chống ôxy hóa tốt hơn so với các hợp kim titan khác [2, 7, 8].

Qua các nghiên cứu và phân tích các tính chất cơ học tại VSTU cho thấy các hợp kim trên cơ sở liên kim loại Ti₃Al và TiAl có tỉ lệ các nguyên tố hợp kim nhỏ, độ bền riêng và độ bền nhiệt cao. Tuy nhiên, ở nhiệt độ thường thì độ dẻo và độ dai va đập của chúng thấp, còn ở nhiệt độ cao thì tính chịu ăn mòn thấp. Vì vậy các nghiên cứu này tập trung chủ yếu ở hợp kim trên cở sở liên kim loại “opto-phase”. Cấu trúc hợp kim dưa trên cơ sở liên kim loại Ti-Al được trình bày ở hình 1. Ưu điểm của hợp kim trên cở sở liên kim loại này như sau:

• Có tính bền và tính dẻo cao;
• Có hệ số giãn nở nhiệt thấp;
• Có tính chịu mỏi và chịu nén cao;
• Các tính chất bền nhiệt tốt nhất ở khoảng 500 – 650°C, có khả năng làm việc đến 700 °C.

Cơ sở của hợp kim “opto” là liên kim loại TiAlNb. Khi hợp kim hóa Ti₃Al bằng Nb với hàm lượng trên 10% trong hợp kim sẽ xuất hiện một phase mới là Ti₂AlNb (Ti-25Al-25Nb. at %). Tùy vào thành phần cấu tạo, nhiệt độ nóng chảy của hợp kim nàycó thể lên đến 900 - 925°C.

“Opto-phase” ổn định phase đến nhiệt độ khoảng 625°C, sau đó chuyển qua B₂-phase với mạng tinh thể trực thoi tâm khối. Vị trí của các phase “opto”, “B2” và “α₂” được thể hiện trên Hình 2, một số mac hợp kim “opto” được trình bày trong Bảng 1.

Hình 1 - Mạng tinh thể các liên kim loại Ti₃Al (α₂), Ti₂AlNb (орто) và TiAl (γ)

Hình 2 – Cấu tạo phase hợp kim của các liên kim loại Ti₃Al (α₂) và Ti₂AlNb (орто)

Bảng 1 – Tính chất của hợp kim liên kim loại “opto”

Mác hợp kim	Nước sản xuất	20 °C				650 °C
		ρ, kg/m3	σB, MPa	E, GPa	δ, %	σB, MPa	δ, %
ВТИ-4	Nga	5100	950	125	8	800	17
22-23	Mỹ	5200	1150	129	5	880	14
22-20-3	Nhật Bản	5350	1130	-	15	1030	10
25-25-2-0.5	Pháp	1120	120		8	850	16

Các thiết bị sử dụng hợp kim “opto” hiện nay có độ bền cao (σ_B²⁰>1100MPa), độ dẻo tương đối tốt (δ²⁰>5%), và độ bền nhiệt cao (có khả năng chịu nhiệt tới trên 700°C) với đặc tính vượt trội so với các hợp kim titan thông thường. Như vậy các hợp kim trên cơ sở các liên kim loại “opto” có thể thay thế các hợp kim thép chịu nhiệt và nikel trong các rotor và stator với mức tăng khối lượng nhỏ (hợp kim “opto” có khối lượng riêng là 5,1 g/cm³, còn hợp kim nikel có khối lượng riêng từ 7,5-8,0 g/cm³) [3].

Hợp kim “opto” mặc dù với những tính năng vượt trội như vậy, nhưng tỉ lệ sử dụng chúng hiện nay vẫn còn thấp. Điều này cho thấy những khó khăn trong công nghệ luyện kim do chứa nhiều các nguyên tố hợp kim khó nóng chảy. Việc phải sử dụng các nguyên tố quý hiếm như Nb, Ta và W trong các hợp kim liên kim loại cũng là yếu tố cản trở sự phát triển công nghiệp chế tạo các hợp kim này. Do vậy, cần phải có nghiên cứu công nghệ luyện kim sâu hơn để tạo ra các liên kim loại Ti-Al nhằm duy trì khả năng làm việc tốt trong khi vẫn duy trì khả năng bền nhiệt của hợp kim. Bổ sung thêm các kim loại khác vào hợp kim, xử lý nhiệt có thể làm thay đổi cấu trúc của bán thành phẩm, làm gia tăng đáng kể khả năng bền nhiệt tới trên 700°C.

Các nhà khoa học tại VSTU đã phát triển công nghệ sản xuất thử nghiệm các sản phẩm hợp kim trên cơ sở liên kim loại Ti-Al. Thử nghiệm sản xuất các sợi trên cơ sở liên kim loại Ti-Al như mô phỏng trong Hình 3 [6].

Hình 3 – Sợi hợp kim dựa trên cơ sở các liên kim loại, 1-Ti, 2-Al

Hình 4 – Mặt cắt cấu trúc và vi cấu trúc x200 của sợi hợp kim trên cơ sở liên kim loại Ti-Al

Kết quả nghiên cứu

Trên cơ sở nghiên cứu, bổ sung các kim loại hợp kim khác, các nhà khoa học của VSTU đã tiến hành bổ sung thêm các nano hợp kim WC, Ni theo tỉ lệ khối lượng như sau:

Hình 5 – Cấu trúc của hợp kim sau khi sử dụng sợi hợp kim để hàn lên vật liệu cơ bản liên hợp kim Ti-Al, a-vi cấu trúc của hợp kim x200, b-vi cấu trúc của hợp kim x1000

Kết quả cho thấy, hợp kim sau khi được thêm 0,2% (khối lượng) hạt nano hợp chất WC và Ni đã làm tăng khả năng chống biến dạng dẻo, nâng cao khả năng bền nhiệt lên tới 680°C.

Các ứng dụng của hợp kim trên cở sở liên kim loại Ti-Al

Ngành công nghiệp hàng không ngày càng phát triển, đòi hỏi phải càng khắt khe hơn đối với vật liệu sử dụng. Hợp kim trên cơ sở liên kim loại Ti-Al với độ bền riêng cao ở nhiệt độ thường và ngay cả ở nhiệt độ cao, khả năng chống ăn mòn tốt được coi là biểu tượng của vật liệu hàng không hiện đại (chiếm khoảng 14% vào năm 2012) [8].

Hình 6 - Ứng dụng của hợp kim trên cơ sở liên kim loại Ti-Al

Kết luận

1. Hợp kim trên cơ sở liên kim loại Ti-Al dần thay thế các hơp kim thông thường, do các tính chất vượt trội ngay cả khi phải làm việc ở nhiệt độ cao.

2. Nghiên cứu cho thấy để loại bỏ các nhược điểm của hợp kim trên cở sở liên kim loại Ti-Al có thể thêm các nano kim loại khác để tạo ra hợp kim có độ bền nhiệt cao hơn, có tính dẻo tốt hơn.

3. Cần phải có các nghiên cứu sâu hơn về khả năng hình thành các liên kết giữa WC và liên kim loại Ti-Al trong quá trình tạo thành hợp kim trên cơ sở liên kim loại Ti-Al.

Tài liệu tham khảo

1. Анташев, В.Г. Разработка технологии получения литых деталей из интерметаллдного сплава TiAl и их использование в конструкциях / В.Г. Анташев, В.И. Иванов, К.К Ясинский // Технология легких сплавов. – 1996. – № 3. – С. 20 – 23.

2. Анциферов, В.Н. Механически легированные интерметаллические сплавы алюминидов титана / В.Н. Анциферов, А.А. Сметкин // Перспективные материалы. – 2003. – № 6. – С. 12 – 15.

3. Биметаллическое соединение орторомбического алюминида титана с титановым сплавом / В.В Рыбин [и др.] // Вопросы материаловедения. – 2009. – № 3. – С. 17 – 31.

4. Белянчиков, Л.Н. Особенности спецэлектрометаллургии перспективных конструкционных материалов на основе алюминидов титана. Высокие технологии / Л.Н. Белянчиков // Спецэлектрометаллургия. – 2008. – № 3. – С. 9 – 21.

5. Beygelzimer, Y. Refinement of Microstructure and Mechanical Properties of Titanium Processed by Twist Extrusion and Subsequent Rolling // V.V. Stolyarov, D.V. Orlov, R.Z. Valiev // Physics of Metals and Metallographic. – 2005 – vol 99, № 2. – P. 204 – 211.

6. Зорин И.В. Диагностика износостойкости наплавленного металла методом склерометрии // И.В Зорин [и др.] // Сварка и диагностика, номер 2, год 2012.

7. Казанцева, Н.В. Исследование диаграммы состояния Ti-Al-Nb / Н.В. Казацева, С.В Лепухин // Физика металлов и металловедение. – 2006. – № 2. – С. 184 – 195.

8. Kumpfert, J. Intermetllic alloys based on orthorhombic titanium aluminide / J. Kumpfert // Advanced Engineering Materials. – 2001. – № 11. – P. 851 – 864.

 

ThS. Mai Trọng Ba¹, GS.TS.Sokolov G.N², PGS.TS.Zorin I.V²,

¹Trung tâm Môi trường Công nghiệp (CIE)

²Đại học Kỹ thuật Quốc gia Volgograd, Liên bang Nga

(Tuyển tập báo cáo tham luận Hội nghị Titan Việt Nam, Quy Nhơn - Tháng 8/2014)

 

• Đập thải quặng đuôi-Nguồn gây ô nhiễm Môi trường trong KT và CB khoáng sản ở Việt Nam (19/09/2014)
• Kiểm tra hoàn thành các công trình BVMT của (19/09/2014)
• Các giải pháp ứng phó biến đổi khí hậu trong khai thác và chế biến sa khoáng Titan ven biển (19/09/2014)
• Những poster tuyên truyền đánh thức cả thế giới (19/09/2014)
• Những hình ảnh gây "ám ảnh" hơn vạn lời nói (16/09/2014)