Nghiên cứu chế tạo áo trục tàu thủy trên cơ sở hợp kim đồng nhôm có cơ tính tổng hợp cao, khả năng chống ăn mòn tốt và giá thành rẻ thay thế hàng nhập khẩu đắt tiền

Tàu thuỷ là cấu trúc nổi, có hoặc không có động cơ, chuyên dùng để hoạt động trên mặt nước. Tàu thủy được phát triển từ rất sớm trên trái đất, dùng vào các việc chuyên chở người, hàng hóa. Tàu thủy còn được phát triển phục vụ cho quân đội. Trong lĩnh vực vật liệu có rất nhiều phương pháp để tổng hợp và chế tạo lên các vật liệu mới. Tùy thuộc vào đặc điểm của vật liệu mà có thể áp dụng các phương pháp khác nhau. Các phương pháp tổng hợp vật liệu có thể phân chia theo nhóm vật liệu như: Các phương pháp chế tạo vật liệu kim loại bao gồm: phương pháp hỏa luyện, phương pháp thủy luyện; phương pháp điện phân và phương pháp luyện kim bột hợp kim hóa cơ học. Các phương pháp chế tạo vật liệu polymer bao gồm phương pháp trùng hợp và phương pháp trùng ngưng. Các phương pháp chế tạo vật liệu Ceramic được chia thành các nhóm: tổng hợp bột ceramic; gia công bột và thiêu kết và phương pháp chế tạo thủy tinh và gốm thủy tinh.

Nhằm nghiên cứu chế tạo áo trục tàu thủy trên cơ sở hợp kim đồng nhôm có cơ tính tổng hợp cao, khả năng chống ăn mòn tốt và giá thành rẻ thay thế hàng nhập khẩu đắt tiền, nhóm đề tài Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, Bộ Giao thông Vận tải do TS. Nguyễn Dương Nam làm chủ nhiệm đã đề xuất thực hiện đề tài: Nghiên cứu chế tạo áo trục tàu thủy trên cơ sở hợp kim đồng nhôm có cơ tính tổng hợp cao, khả năng chống ăn mòn tốt và giá thành rẻ thay thế hàng nhập khẩu đắt tiền.

Đề tài đã thực hiện đầy đủ các yêu cầu của đề tài khoa học công nghệ cấp bộ và đạt được đầy đủ các tiêu chí về yêu cầu kỹ thuật của hợp kim chế tạo áo trục.

Trong báo cáo đã trình bày các nghiên cứu của nhóm nghiên cứu về tổng quan của áo trục sử dụng trong công nghiệp tàu thủy; đưa ra công thức tính toán độ bền cho áo trục tàu thủy; trình bày về nghiên cứu ảnh hưởng của nguyên tố hợp kim cũng như cơ sở lý thuyết của chuyển biến pha trong hợp kim nghiên cứu, nhóm đề tài đã xây dựng quy trình công nghệ chế tạo và xử lý nhiệt hợp kim nghiên cứu; xây dựng quy trình và chế tạo áo trục; Đưa ra các kết quả thử nghiệm về tổ chức và cơ tính của hợp kim nghiên cứu.

1. Từ những kết quả phân tích và đánh giá của đề tài; đề tài đã đưa ra hai nhóm hợp kim có thể sử dụng cho chế tạo áo trục là hợp kim CuAl9Fe4 và CuAl9Fe4Ni2 với các tiêu chí về cơ tính như sau:

+ Kết quả độ cứng (HRB) của CuAl9Fe4 là 99,5; của CuAl9Fe4Ni2 là 107,5

+ Kết quả độ hụt khối (g) của CuAl9Fe4 là 0.1239; CuAl9Fe4Ni2 là 0.1044

+ Kết quả mức độ ăn mòn (mm/năm) của CuAl9Fe4 là 0.0322; CuAl9Fe4Ni2 là 0.0269

2. Các kết quả phân tích về tổ chức đã chứng minh cho các kết quả nghiên cứu về cơ tính và ăn mòn. Cụ thể:

+ Tổ chức tế vi sau đúc: Trong tổ chức của hợp kim bao gồm pha α và hỗn hợp của (α+γ2) là chủ yếu. Tỷ phần xấp xỉ pha α trong hợp kim nghiên cứu là 80% và pha γ là 17%. Kích thước pha α sau đúc của hợp kim CuAl9Fe4 là 100µm; của hợp kim CuAl9Fe4Ni2 là 90µm. Ngoài ra, trong tổ chức của hợp kim CuAl9Fe4 thấy có xuất hiện các pha liên kim Fe3Al có tỷ phần pha là 2.2%; có kích thước nhỏ mịn khoảng 4µm và phân tán đều trong tổ chức của hợp kim. Hợp kim CuAl9Fe4Ni2 có xuất hiện thêm pha liên kim NiAl xen kẽ trong các vùng pha và có tỷ phần pha là 2.3% có kích thước khoảng 3-4µm.

+ Sự hình thành pha sau hóa già: Đối với mác hợp kim CuAl9Fe4, thay đổi nhiệt độ hóa già ở các khoảng nhiệt độ 350oC; 450oC và 550oC trong khoảng thời gian 2 giờ cho thấy rằng: tỷ phần pha α tăng từ 54% ở chế độ 350oC đến 67% ở chế độ hóa già 550oC. Còn đối với mác hợp kim CuAl9Fe4Ni2 thay đổi nhiệt độ hóa già ở các khoảng nhiệt độ 350oC; 450oC và 550oC trong khoảng thời gian 02 giờ cho thấy rằng: tỷ phần pha α tăng từ 65% ở chế độ 350oC đến 75% ở chế độ hóa già 550oC. Điều này cho thấy khi tăng nhiệt độ hóa già quá trình phân rã mactenxit sau tôi tăng lên.

+ Nhận dạng tổ chức mactenxit và pha liên kim: Phân tích TEM luận án đã chứng minh được sự tồn tại của pha mactenxit β’ cấu trúc hcp với công thức Cu3Al. Đồng thời cũng chứng minh các pha liên kim hình thành trong quá trình chuyển biến pha như Fe3Al.

3. Với mục đích ứng dụng chuyển biến mactenxit để tăng khả năng chống mài mòn cho hai mác nghiên cứu đề tài đã xác định được mối quan hệ của độ cứng phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian hóa già của hai mác hợp kim là:

+ Mác CuAl9Fe4:

HRB94 = -6,6614+0.3945.T+27,3897.t -0.0005.T2 -4,5287.t2 -0,0213.T.t.

Giá trị hụt khối trong điều kiện nghiên cứu mẫu hợp kim, tại các chế độ thử nghiệm độ cứng cho thấy quy luật biến thiên tương tự, Độ hụt khối nhỏ nhất đạt m94 = 0,1239g tại lân cận điểm cực trị của độ cứng.

+ Mác CuAl9Fe4Ni2:

HRB942 = -57,7267+0,7386.T+22,45.t -0.0009.T2 -2,605.t2 -0,0307.T.t.

Giá trị hụt khối trong điều kiện nghiên cứu mẫu hợp kim, tại các chế độ thử nghiệm độ cứng cho thấy quy luật biến thiên tương tự. Độ hụt khối nhỏ nhất đạt m942 = 0,1044g tại lân cận điểm cực trị của độ cứng.

4. Chế độ công nghệ xử lý nhiệt tối ưu cho hai mác nghiên cứu để tăng khả năng chống mài mòn của hợp kim là:

Từ quá trình nguội nhanh tạo ra tổ chức Mactenxit b’ từ pha b. Khi hóa già, pha mactenxit phân rã tiết ra pha γ2 và α. Chế độ xử lý nhiệt tối ưu là khi lượng pha cứng và pha mềm tiết ra từ quá trình phân rã Mactenxit tạo tổ chức phù hợp nhất cho khả năng chịu mài mòn. Hình thái, kích thước, số lượng và sự phân bố của các hạt cứng và nền mềm đạt giá trị tối ưu khi hóa già ở 350oC trong 02 giờ cho hiệu quả chống mài mòn khô - điều kiện mà luận án khảo sát là hiệu quả nhất.

Nhiệt độ hóa già tăng cao; tỷ phần pha α ở cả hai mác nghiên cứu sẽ tăng lên điều này làm giảm khả năng chống mài mòn trong điều kiện nghiên cứu của luận án. Những kết quả về mặt tổ chức là phù hợp với kết quả thực nghiệm về lượng hụt khối cũng như độ cứng của hợp kim nghiên cứu.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 18060/2020) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

P.T.T (NASATI)