Trong những năm gần đây, vật liệu cấu trúc phi tinh thể cơ sở Al như vô định hình (VĐH) và giả tinh thể (QC) có độ bền cao vượt trội so với vật liệu cấu trúc tinh thể. Đặc biệt vật liệu VĐH có độ bền riêng cao trong khi QC có độ bền và bền mỏi cao ở nhiệt độ cao. Độ bền của hợp kim VĐH cơ sở Al có thể từ 670 MPa đến 1140 MPa cao gấp 2 đến 3 lần so với các hợp kim Al thông thường. Nhờ các tính ưu việt này, hợp kim VĐH cơ sở Al sử dụng làm vật liệu kết cấu, chi tiết máy hiệu năng cao và sản phẩm thể thao như bánh răng vi cơ siêu bền, vỏ trang trí trên điện thoại...

Máy nghiền hành tinh cùng hệ thống tang nghiền và làm mát bằng nước

Hợp kim VĐH cơ sở Al được chế tạo bằng phương pháp làm nguội nhanh có dạng băng mỏng có kích thước lớn nhất < 100 mm. Vì vậy, ứng dụng của vật liệu VĐH cơ sở Al bị hạn chế do kích thước của sản phẩm. Hợp kim VĐH dạng bột chế tạo bằng phương pháp luyện kim bột trong đó hợp kim hóa cơ học (HKHCH) là phương pháp dễ thực hiện và có hiệu quả để chế tạo vật liệu bột hợp kim VĐH từ phản ứng trạng thái rắn. Quá trình kết khối của các bột hợp kim VĐH đòi hỏi thời gian thiêu kết nhanh và nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ chuyển pha thủy tinh để ngăn quá trình tinh thể hóa. Kỹ thuật thiêu kết xung điện plasma (SPS) hiệu quả tạo khối từ bột hợp kim VĐH do sử dụng đồng thời điện áp thấp dòng xung điện lớn và lực ép đơn trục giữa các hạt bột làm xuất hiện nhiệt plasma hoạt hóa tại vùng tiếp xúc biên hạt ngăn quá trình tinh thể hóa.

Giả tinh thể có cấu trúc trật tự xa và không có đối xứng tịnh tiến. QC là các hợp chất liên kim có thành phần hóa học cụ thể và có các đối xứng trục bậc 5, 8, 10 và bậc 12 mà vật rắn tinh thể không có các đối xứng này. Do có trật tự giả chu kỳ và có cấu trúc khối đều 20 mặt (icosahedron) nên vật liệu giả tinh thể có các đặc tính như độ cứng cao, năng lượng bề mặt thấp, chống mài mòn tốt, hệ số ma sát nhỏ và độ dẫn điện thấp. Các giả tinh thể Al-CuFe-Cr ổn định dễ dàng ứng dụng do chi phí thấp và không độc hại. Với độ cứng cao, ma sát thấp và lớp phủ cản nhiệt, vật liệu Al-Cu-Fe-Cr QC sử dụng làm lớp như lớp phủ chống mài mòn hoặc làm pha gia cường trong vật liệu tổ hợp.

Vật liệu giả tinh thể có thể được tổng hợp bằng phương pháp HKHCH với một số ưu điểm như thực hiện ở nhiệt độ phòng, mở rộng phạm vi thành phần của các pha. Cho đến nay, vật liệu QC đặt ra thách thức mới về nghiên cứu chế tạo và sản xuất thương mại đối với các nhà khoa học vật liệu và kỹ sư sản xuất. Việc xử lý các vật liệu này dưới dạng màng mỏng, lớp phủ dày, chất gia cường cho vật liệu compozit, vv cùng với chi phí thấp, tuổi thọ cao là vấn đề cần quan tâm đối với một số doanh nghiệp.

Xuất phát từ thực tiễn trên, Chủ nhiệm đề tài PGS. TS. Nguyễn Hoàng Việt cùng nhóm nghiên cứu tại Viện khoa học và kỹ thuật vật liệu, trường Đại học Bách khoa Hà Nội thực hiện “Nghiên cứu chế tạo vật liệu cấu trúc phi tinh thể cơ sở Al bằng phương pháp hợp kim hóa cơ học và thiêu kết xung điện plasma” với mục tiêu:

- Tổng hợp thành công bột hợp kim vô định hình và/hoặc giả tinh thể hệ Al-TM/RE bằng công nghệ luyện kim bột sử dụng phương pháp hợp kim hóa nghiền cơ học và kết khối bằng công nghệ thiêu kết xung điện plasma.

- Tham gia, đóng góp vào sự phát triển của ngành công nghiệp hỗ trợ cho công nghệ cao trong lĩnh vực công nghệ vật liệu mới

Sau thời gian nghiên cứu, đề tài đã thu được những kết quả như sau:

• Tổng hợp thành công bột hợp kim VĐH hệ Al-TM/RE có các thành phần Al84Fe14Ni4, Al84Fe14Ni2Y2 và Al84Fe14Ti2Y2 bằng phương pháp HKHCH. Các mẫu hợp kim hệ Al84Fe14Ni4 và Al84Fe14Ni2Y2 có cấu trúc VĐH sau khi nghiền 60 h, mẫu hợp kim Al84Fe14Ni2Y2 đạt cấu trúc VĐH sau 100 h.

• Chế tạo thành công vật liệu VĐH dạng khối bằng phương pháp SPS các hệ hợp kim Al84Fe14Ni4, Al84Fe14Ni2Y2 và Al84Fe14Ti2Y2. Kết quả độ bền nén của mẫu (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) (i) 200 μm 50 μm 10 μm 200 μm 50 μm 10 μm 200 μm 100 μm 10 μm 16 khối hợp kim Al84Fe14Ni4, Al84Fe14Ni2Y2 và Al84Fe14Ti2Y2 lần lượt tương ứng là 710, 774 và 1129 Mpa

• Chế tạo hợp kim giả tinh thể các hệ Al65Cu20Fe15-xCrx (với x = 0.5; 2,5; 5 và 10 at%) bằng HKHCH và xử lý nhiệt (ủ nhiệt). Các kết quả phân tích cho thấy hàm lượng pha giả tinh thể (khối đều 20 mặt i-pha cao nhất đối với các hợp kim Al65Cu20Fe12.5Cr2.5 là 63,1% khi ủ mẫu ở 700 °C trong 4 h, Al65Cu20Fe10Cr5 là 70,6% khi ủ mẫu ở 700 °C trong 6h và Al65Cu20Fe10Cr5 là 47,4% khi ủ nhiệt ở 700 °C trong 4 h. Các hạt giả tinh thể có kích thước khá nhỏ mịn.

• Các kết quả nghiên cứu vật liệu mới này đóng góp vào sự phát triển của ngành công nghiệp hỗ trợ cho công nghệ cao trong lĩnh vực công nghệ vật liệu mới.

Có thể tìm đọc toàn văn báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 21648/2022) tại Cục Thông tin, Thống kê.

Đ.T.V (NASTIS)