Nghiên cứu chế tạo vật liệu siêu đàn hồi hệ NiTi

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu chế tạo vật liệu siêu đàn hồi hệ NiTi

1. 1 A. Hiện nay trên thế giới iệ i h i NiTi (cò ược gọi phổ biến với tên Nitinol) với các tính chấ i h i và hiệu ứng nhớ h h h h ược hi nghiên cứu trong các ĩ h c ứng dụng khác nhau. iệ i h i NiTi xốp ược quan tâm chủ yế ro g ĩ h c v t liệ y i h ể chế tạo xươ g h ạo, miế g ệ ốt số g h ạo các cấy gh h y hế ro g cơ hể co gười. V t liệu i h i NiTi xốp c các tính chấ ặc biệt quý báu: 1- Khả ă g hục h i lại hình dạ g ố ; 2- Tí h ươ g hích i h học c o ối với cơ hể so với các loại v t liệu cấy ghép khác; 3- ộ b ộ d i c o; 4- dạng xốp, các mô xươ g cơ ro g cơ hể gười có thể phát triển vào các lỗ xốp và tạo nên các liên kết chặ ; hơ ữa, ộ xốp với ệ ộ xốp hở c o ảm bảo cho chất dịch củ cơ hể dễ dàng truy n qua khi cấy ghép. Việt Nam, v t liệu y sinh phải nh p khẩu từ ước go i rấ ắt, trong khi nhu cầu thay thế rất lớn. Do v y việc chủ ộng tiếp c n công nghệ sản xuấ iệ y i h ộ hướ g ghi cứ h hợ òi hỏi cần thiết. chính là một trong nhữ g do chọ tài Nghiên cứu chế tạo vật liệu siêu đàn hồi hệ NiTi. - Nghi cứ chế ạo iệ i h i NiTi xốp g hươ g há hả ứ g hiệ ộ c o r y ( ế hợ ới hoạ h cơ học (MA). - Nghiên cứu á h giá ả h hưởng của hiệ ộ g ơ ộ hoạ h cơ học ến hả ă g hả ứ g, ộ xốp của v t liệu i h i NiTi xốp chế ạo b g hươ g há – MA. - Nghiên cứ á h giá ả h hưởng của xử lý nhiệ ến cơ tính v t liệu i h i NiTi xốp chế ạo b g hươ g há SHS – MA. V t liệ i h i NiTi xốp với mục ích ứng dụng làm v t liệu y sinh (miế g ệ ốt số g h ạo : c g ghệ chế ạo các tính chấ cơ học. - Nghiên cứu cơ ở lý thuyết các v t liệ i h i và các hươ g há chế ạo v t liệu i h i NiTi xốp. - Kết hợp nghiên cứ h yế ới nghiên cứu th c nghiệm trên các thiết bị c g ghệ, hiế ị phân tích, kiểm tra hiệ ại và hươ g há ối chứng
2. 2 - g hươ g há ghi cứ h yế ế hợ ới h c ghiệ r ả h hưở g củ các h g ố hiệ ộ g học ế á r h hả ứ g hiệ ộ c o r y ( giữ Ni Ti giải ược cơ chế iế dạ g i h i củ iệ NiTi xố h g các ườ g co g ứ g ấ – iế dạ g ế ả h ích h h hầ h h ích hiệ i i - iệc ứ g dụ g hươ g há – ầ ầ i ở iệ N chế ạo ược iệ i h i NiTi xố ừ ộ Ni ộ Ti ( ộ i h hiế 99 9 r ả h hưở g củ í h hoạ h ặ ộ g y iệ ế hả ă g xảy r hả ứ g r y chấ ượ g ả hẩ iệ h ược Từ xác ị h ược các h g ố c g ghệ chí h h hợ ới các hiế ị ghi cứ hiệ c - á x ấ ược c g ghệ chế ạo iệ i h i NiTi xố c ệ ỗ xố hở c o g hươ g há – ừ ộ Ni ộ Ti ( ộ i h hiế 99 9 ể ử dụ g chế ạo các iế g ệ ố ố g h ạo i cho các ghi cứ há riể iế heo ở iệ N ĩ h c iệ y i h i ch g - Ứng dụng và tiếp c ược công nghệ chế ạo v t liệu tiên tiến trên thế giới. - iệ i h i NiTi xố ộ oại iệ ới ới các í h chấ ặc iệ ầ ầ i ược ghi cứ chế ạo ở iệ N - ầ ầ i hươ g há ết hợp giữ hoạ h cơ học ( hả ứ g hiệ ộ c o r y ( ược ứ g dụ g ể chế ạo iệ i h i NiTi xố Th h y h ới chư ừ g ược c g ố r hế giới ác ế ả ghi cứ ả h hưở g củ hoạ h cơ học ế hả ứ g chấ ượ g ả hẩ iệ NiTi xố ược N c g ố ại ội ghị ốc ế T ầ hứ 2 ổ chức ở ă g cốc Thái ă 2012 - á xác ị h ược các h g ố c g ghệ chí h i hảo á ể chế ạo iệ i h i NiTi xố g hươ g há – r ả h hưở g củ các h g ố c g ghệ ế á r h – các í h chấ cơ ả củ iệ i h i NiTi xố ừ ư r chế ộ c g ghệ chế ạo h hợ - Ứ g dụ g các ế ả ghi cứ chế ạo hử h h c g h i dạ g ả hẩ iế g ệ ố ố g h ạo ( hiệ 002-0911 PLB004-0911).
3. 3 NiTi 1.1. Si h i, hay còn gọi là giả h i, là biến dạ g h i dưới tác dụng của ứng suất gây nên quá trình chuyển biến pha Austenit  Mactenxit của mạng tinh thể ở nhiệ ộ xác ịnh hư g không có hiệu ứng khuếch tán. Sau khi dỡ ải t liệu i h i có thể hục h i hình dạ g rước , h chí ở ức ộ biến dạ g ươ g ối lớn. iệ i h i NiTi (Niken – Titan) là iệ ại chủ yế pha NiTi cân b ng nguyên tử (50%Ni – 50%Ti) g : NiTi ặc NiTi xố ro g iệ xố hườ g ược ứ g dụ g ro g ĩ h c y i h 1.2. v NiTi 1.2.1 nh h nh n hiên ứu hế ạ và ứn dụn ậ iệu NiTi ên hế i i Các ị h hướ g nghiên cứu r hế giới hiệ r g o: - Nghi cứ các hươ g há chế ạo iệ NiTi xố ứ g dụ g trong ĩ h c iệ y sinh. - Nghi cứ ứ g dụ g iệ NiTi xố ( o g cả ro g hí ghiệ cơ hể gười) hử ộc di r y học i cấy ế o gh ại củ xươ g há riể các khi cấy ghép. - Nghi cứ í h ươ g hích i h học củ iệ NiTi xố - Nghi cứ xử ặ iệ NiTi xố h hạ chế hoá Ni ả ảo o cho cơ hể gười. nh h nh n hiên ứu hế ạ ậ iệu i i iệ ến nay, ới ch có một c g r h nghiên cứ chế ạo t liệu siêu h i NiTi xố ược c g ố, tuy nhiên v cò ộ ố hạ chế. 1.3. Y NiTi - - > 100 cao (> 50%) . - . 1.4.1. hế ạ ậ iệu i i n h n h hiêu ế h n h n à hiêu ế n h n h n
4. 4 ác hươ g há y hườ g ược sử dụ g ể chế ạo iệ NiTi c ộ xốp lớ ( ế 85 r cơ ở hả ứ g h ếch tán ở trạng thái rắn của các nguyên tố trong quá trình thiêu kế Nhược iể cơ ả củ các hươ g há y hời gi hi ế d i hiệ ộ hi ế c o hế ạ ậ iệu i i n h n h hợ i hó họ Nhờ ă g ượng va chạ c o hi hợ i h cơ học hản ứng khuếch tán ở trạng thái rắn xảy ra hình thành nên pha mới giữ Ni Ti ể h ược t liệu ở dạng khối xố hải ết hợp với quá trình g á h – thiêu kết. hế ạ ậ iệu i i n h n h h n ứn nhiệ đ ự n uyền ả hẩ h ược hả ứ g hườ g ở hể rắ do c ộ xố c o ệ ỗ xố hở ớ Phươ g há y h g òi hỏi hiế ị hí ghiệ ắ i c hể h c hiệ ro g ộ hời gi gắ 1.4.4. Chế ạ ậ iệu i i n h n h hiêu ế un s Nhược iể cơ ả củ hươ g há y hiế ị hức tạ ắt ti n, h h c hiệ ược ro g i iệ iệ N hế ạ ậ iệu i i n h n h nón đ n nh Phươ g há g ẳ g ĩ h ( - ổi hơ ở ộ ố iể : các ỗ xố chủ yế ở dạ g h h cầ ph ố ỗ xố ươ g ối g ơ ữ hươ g há y dễ d g ế hợ ới chấ ạo xố ể ă g ộ xố củ ả hẩ Nhược iể cơ ả hiế ị hức tạ ắ i h h c hiệ ược ro g i iệ iệ N ề u uy nh n n hệ hế ạ ậ iệu NiTi h hợ i điều iện h n hiệ iệ Hình 1.9. công ngh p bằ SHS – .
5. 5 iệc ử dụ g hươ g há chế ạo iệ NiTi xố c hi h ợi hơ cả T y hi hả ứ g giữ Ni Ti ỏ hiệ yế y cầ i ử ích hoạ hả ứ g ở hiệ ộ g ơ ộ ươ g ối c o ới i iệ ro g ước iệc giả hiệ ộ g ơ ộ y cầ cầ hiế o y h y ch rộ g u hóa thành phần, hỗn hợp bộ Ni–Ti ược hoạ h cơ học (MA) rước khi tiế h h á r h g á h (h h 1 12 ể ổ ị h h h hầ h ả hẩ iệ NiTi ược g ội ro g ước hi h c hiệ hả ứ g 1.5. 1. V t liệ i h i NiTi xố iệ i iế c i rò rọ g ro g i h ế củ các ước há riể ặc iệ ro g ĩ h c y sinh. Việt Nam hiệ ới ch c một công trình chí h hức nghiên cứu v ĩ h c y. Vì v y, việc nghiên cứ chế ạo oại v t liệu y với mục tiêu ứng dụ g ro g ĩ h c y sinh là rất cần thiết. 2. h ích các hươ g há chế ạo iệ i h i NiTi xố ứ g dụ g ro g ĩ h c iệ y i h cho hấy hươ g há ế hợ MA c hi ư iể ổi hơ cả ả hẩ h hợ ới các y cầ cầ hiế ối ới iệ y i h. Từ á x ấ ơ c g ghệ chế ạo iệ i h i NiTi xố g hươ g há – MA. SIÊU ường cong ứng suất – biến dạng thể hiện khả ă g i h i (hình 2.1) á r h ch yể iế h ( h ghịch Austenit  c e xi củ iệ i h i NiTi hể hiệ r h h 2.2. nh h n ệ hó họ i à i nh Pha NiTi Austenit nh ng cong ứng su t – bi n B2 và NiTi Mactenxit B19’ d ng c a v t li ê i. trong các v t li ê i. T ệ y hườ g ược l a chọ 50 Ni – 50%Ti ( heo ệ g y ử ạo i iệ h ợi cho iệc ạo h h h NiTi c ng mong
6. 6 muố hi hả ứ g chế ạo ảm bảo nhiệ ộ chuyển biế h h hợ ới hiệ ộ cơ hể nh h n h n h hế ạ hươ g há chế ạo ả h hưở g r c iế ế ộ xố ích hước ỗ xố h h hái ỗ xố , h g ả h hưở g ế cơ í h củ iệ i h i NiTi xố . nh h n đ ộ xố củ iệ i h i NiTi ộ yế ố ả h hưở g ạ h ế các í h chấ cơ học củ iệ ộ xố c g c o h cơ í h ( ộ hả ă g iế dạ g củ iệ c g giả x ố g. 2.2 nh h n nhiệ Nhiệ ộ xử (ủ hoặc h gi c g ộ yế ố ả h hưở g r c iế ế cơ í h hiệ ộ ch yể iế h củ iệ i h i NiTi. i i hiệu hun ề h n h Phươ g há d a vào khả ă g ỏa nhiệt cao của các phản ứ g ể nó t duy trì r y hả ứ g xảy r heo iể hức: n m (2.1)  X i Yj Z Q i 1 j 1 Xi- Ti Zr f N g i rò hư các chấ cháy ược; Yj- B, C, Si Ni g i rò các chất ô xy hóa; Z- ả hẩm hả ứ g ( ori c c i i ixi i i i e i ; Q- nhiệt tỏa ra của phản ứng. Phản ứng tỏa nhiệt bắ ầu tại nhiệ ộ i ử ích hoạt Tig và sinh nhiệt – biểu thị ở nhiệ ộ lớn nhất Tad hoặc nhiệ ộ cháy Tc (hình 2.16). A- s n phẩ ứ ; B- h n h p ch t ph n ứng ban u; T0- ; Tig- ứ ; Tc- Hình 2.16. B – th i gian trong ph n ứng SH. hiệ đ n họ à nh n đ nh h n h hả ứ g c hể xảy r ở h i chế ộ: 1- hế ộ cháy r y hườ g ược gọi ; 2- hế ộ cháy g hời (cò ược gọi ổ
7. 7 hiệ hả ứ g h g hể d y r r y ế Δ (298 / p(298 900C, phản ứng SHS xảy ra ở chế ộ ng thời. ă cứ o các h ích r i iệ h c ghiệ iệ N hiệ ộ g ơ bộ ược chọ hảo á ghi cứ ro g hoảng Tp = 250÷600C. oạ h cơ học ( hỗ hợ ộ Ni-Ti ầ : hoạt hóa các nguyên tử trên b mặt các chất tham gia phản ứ g ạo i iệ hản ứ g h ếch á dễ d g xảy ra. Hoạ h cơ học c g g u thành phần các chất tham gia phản ứ g Thời gi hoạ h cơ học ả h hưở g ớ ế hiệ ộ cháy hiệ Hình 2.31. Ả ng c a th i gian ho ộ i ử ích hoạ hả h c tMA n nhi cháy Tc và nhi ứ g (h h 2 31 ứ ig ứ Quá trình hoạ h cơ học hỗn hợp chất phản ứ g rước khi tiế h h hả ứ g chư ược công bố hi ặc iệ ới hệ iệ NiTi xố . hí h y á r g ghi cứ ả h hưở g củ hời gi hoạ h cơ học ối ới hả ứng SHS.
8. 8 1 ơ chế iế dạ g hục h i iế dạ g iệ i h i c ả chấ á r h ch yể iế h h ghịch c e xi  e i dưới ác dụ g củ ải rọ g cơ học ở ộ hiệ ộ xác ị h 2 Ứ g xử cơ – hiệ củ iệ i h i NiTi chị ả h hưở g củ hi yế ố: ệ h học Ni Ti ( g y ử hươ g há chế ạo ộ xố hiệ ộ ủ 3 hi yế ố ả h hưở g ế hả ứ g giữ Ni Ti. Tro g hạ i á ác giả r g ghi cứ ả h hưở g củ hời gi hoạ h cơ học hiệ ộ g ơ ộ ế h h h h h giữ Ni Ti c g hư h h hái ả hẩ iệ i h i NiTi xố Ph n h đ nh hành h n h ậ iệu hươ g há h ích hiễ xạ ơ -ghe ( hiế ị N 5005 5000 ược sử dụ g ể xác ịnh s h h h h h trong quá trình hoạt h cơ học, sau phả ứ g sau iế dạ g. Ph n h đ nh đ vậ iệu đón nh à đ s n h nhận đ ợ s u h n ứn hươ g há c rọ g ( ử dụ g c iệ ử ới ộ chí h xác 10–4g xác ị h ộ xố ệ ỗ xố hở iệ NiTi xố hi chế ạo. Ph n h đ nh sự h y đ i h nh h i hạ à s u u nh h ạ hó họ , sự h n ỗ à u ú ỗ hươ g há hiể i iện tử quét SEM (kính hiể i iện tử phát xạ rường Hitachi S-4800) á h giá h ích h y ổi hình thái hạt bột trong quá trình hoạ h cơ học; cấu trúc lỗ xốp của v t liệu. Ph n h đ nh nh h họ ậ iệu i i nhận đ ợ s u h n ứn à s u nhiệ hươ g há hử ( r hệ máy MTS 809.10 A/T Materials Testing System) ược ử dụ g ể xác ị h h ích á h giá các í h chấ cơ học cơ ả củ iệ i h i NiTi xố . Ph n h s s nh đ i hứn ác ế ả ạ ược củ i ược o á h ối chiế ới các ế ả c g ố r hế giới Ph n h h n h nhiệ i s i hươ g há h ích hiệ i i ( ược ử dụ g ể xác ị h hiệ ộ ch yể iế pha ừ NiTi cấ r c 19’ (Mactenxit)  NiTi cấ r c B2 (Austenit). Thiế ị ược ử dụ g áy e er To edo.
9. 9 Hình 3.10. nguyên lý h th ng thi t b thí nghi m thực hi n ph n ứ ê ứ . Hình 3.12. T ng h p h th ng thi t b thí nghi m thực hi n ph n ứ : ò n tr ng ngang và các thi t b u khi n, hi n th + h th ng c p khí Argon b o v + h th ng m i l a bằng cu n dây W do nhóm nghiên cứ Các hiế ị: áy rộ g rố g ( chế ạo áy ghi cá h h ấy ( chế ạo áy hủy c 100kN áy cắ d y hệ hố g hiế ị h c hiệ hả ứ g ược ử dụ g ể chế ạo iệ NiTi xố 1. hươ g há ghi cứ ược chọ h hợ ác hiế ị ghi cứ chế ạo iệ c ộ chí h xác c o á g i c y, h hợ . 2. hiế ế chế ạo ược các hiế ị rộ /hoạ h cơ học hệ hố g hiế ị h c hiệ hả ứng SHS.
10. 10 U i à i n đ u - Bộ Ti ( ộ sạch 99,9%; cỡ hạt khoảng 50÷100 h g er io Titanium Powder, Mỹ). - Bộ Ni ( ộ sạch 99,9%; cỡ hạt khoảng 5÷10m, Shenyang Jiyongli Refractory Materials Co., Ltd. Trung Quốc). a. b t Ni b. b t Ti Hình 4.1. K t qu phân tích EDX và nh SEM c a b t Ni và Ti nguyên li u. nh n h i iệu - T ệ Ni Ti heo g y ử ược chọ 50 Ni – 50%Ti. - ượng bột cho 01 lần trộn/hoạ h cơ học là ¼mol Ni + ¼mol Ti ( ươ g ươ g 11,739g bột Ni và 9,573g bột Ti). ạ hó họ / n đồn đều hó hành h n - Trộ g : áy rộ g rố g ( h g c i hời gian trộn 30ph, khí Argon bảo vệ, tốc ộ tang 150vg/ph. - oạ h cơ học: hế ộ nghi hoạ h hư ảng 4.1. B ng 4.1. Ch ho c h n h p b - Tỉ l bi : b t T nghi n Thời c, h 10 : 1 720 vg/ph 0,5 1,0 1,5 2,0
11. 11 Hình 4.3. Ph XRD h n h p b - c 2h. Sau quá trình hoạ h cơ học, hỗn hợp bộ c h y ổi ích hước á g ể ác hạ ớ heo hời gi hoạ h Kết quả h ích h h hầ h (h h 4 3 cho hấy không có s xuất hiện củ íc h i kim giữa Ni và Ti xuất hiện. Nế c các h y g i rò hư chất pha loãng làm giảm nhiệ ộ cháy oạn nhiệ do ả h hưởng tr c tiế ến quá trình t duy trì và lan truy n phản ứng. đón nh à nun s Sau hoạ h cơ học (hoặc trộ g u thành phần), hỗn hợp bột Ni- Ti ược thành các m h h rụ c ườ g í h d = 15 19 ; chi d i h = 25÷40mm. Áp l c r g h ược l a chọn trong khoảng 40÷120 ươ g ứ g ới ộ xố h ược 21,9÷29%. Khoảng nhiệ ộ g ơ ộ nghiên cứu là Tp = 250÷600 ược i ử ích hoạ hả ứ g ở hiệ ộ Tig = 2000C. hả ứ g ả hẩ NiTi ược g ội ro g ước ể ổ ị h h h hầ h 4.2.1. n hợ u hỗn hợ h đ ợ n đồn đều/h ạ hó họ i h i i n MA < 1,5h Khi hỗ hợ ộ i oại h g ược hoạ h cơ học, hoặc thời gian hoạ h cơ học ngắn (< 1,5h), không có hiệ ượng phản ứng cháy xảy ra ể cả hi g hiệ ộ g ơ ộ ế 600C. Quan sát b mặt m i lửa kích hoạt phản ứng các m hí ghiệ hấy x ấ hiệ các h i i giữ Ni Ti (h h 4 8 4 9 ệ chư phải 1:1, v n còn xuất hiện các íc h Ti Ni dư i y chứ g ỏ phản ứ g h ếch á giữ Ni Ti xảy r hư g h g ho o hạ
12. 12 i hả ứ g h hiệ ộ ỏ r h g ủ ể hả ứ g d y r r y Hình 4.8. Ph XRD mẫ sau khi m i l a nhi Tp = 550C (b t chỉ c tr n): m t mẫ c m i l a; m t mẫ c m i l a. Hình 4.9. Ph XRD mẫ i l a nhi Tp = 550C (b t ho t hóa 1,0h). m t mẫ c m i l a; m t mẫ c m i l a. Hiệ ượ g y ược lý giải hư : ưới tác dụng củ g ơ ộ và m i lửa kích hoạt phản ứng, vùng tiếp giáp giữa các hạt Ti và Ni s xảy ra phản ứ g rước tiên, các nguyên tử Ni và Ti khuếch tán nhanh chóng vào nhau. Xét ở mức ộ vi mô, phản ứ g hư : + → 3Ti + 140 kJ/mol (4.1) + → 2 + 83 kJ/mol (4.2) Ni + Ti NiTi + 67 kJ/mol (4.3) Khi ở c g i u kiện, do ă g ượng hình thành của pha Ni3Ti nhỏ nhất nên thứ t hình thành pha của hệ hợp kim Ni-Ti hư : Ni3Ti NiTi2 NiTi (hình 4.11). Tuy nhiên, do pha Ni3Ti h h h h í hiệ ỏ h g ớ
13. 13 cho hả ứ g h g hể d y r r y i u này xảy ra do hai nguyên nhân chính: 1- Nhiệ ộ g ơ ộ thấ h g ủ cung cấ ă g ượng cho quá trình khuếch tán; 2- á r h hoạ h cơ học chư cung cấ ủ ă g ượng cho các nguyên tử Ni và Ti trên b mặt các hạt bột hoạt ộng, do v y chúng không có khả ă g khuếch tán sâu vào bên trong hạt của Hình 4.11. hình nhau, vì v y phản ứng xảy r hư g thành pha NiTi bằng ph n ứng không hoàn toàn. khu ch tán tr ng thái rắn. n hợ u hỗn hợ n đ u đ ợ h ạ hó họ n h i i n MA 1,5h Khi i ửa kích hoạt ở nhiệ ộ Tp = 250÷600C, ở hầu hết các m hí ghiệ c hiệ ượng củ hả ứ g cháy, chứng tỏ phản ứ g giữ Ni Ti xảy ra. Vệt sáng duy trì và lan truy n từ ầu ược i ử ích hoạ hả ứ g ến cuối m u. Qua quan sát, hầu hết các m u nh ược sau phản ứng u có vùng bị chảy lỏng ở hí ầu m i lửa kích hoạt phản ứng, chi u dài m u nh ược ă g g ă g hiệ ộ g ơ ộ nhiệt, vùng bị chảy lỏng ở dọc chi u dài các m u càng lớn (hình 4.12). Hình 4.12. Hình d n hình các mẫ nh c sau ph n ứng SHS. Tuy nhiên, khi m i lửa kích hoạt ở nhiệ ộ g ơ ộ Tp < 250C, không có hiệ ượng phản ứng cháy xảy ra. ối với các m g ơ ộ ở nhiệ ộ lớn (Tp = 550÷600C), việc giữ g y ược hình dạng m u sau phản ứ g h hă hản ứ g hường xảy ra rấ h iệ hườ g ị ổ h g. Phổ XRD của các m hí ghiệ cho hấy h NiTi c g h h thành (ở 2 kiểu mạ g hươ g 2 – Austenit iể ạ g r c hoi 19’ – Mactenxit), và không quan sát thấy s xuất hiện píc pha không cân b ng giữa Ni-Ti hoặc íc củ Ni Ti cò dư hản ứ g (h h 4 16 i u chứng tỏ b g hươ g pháp SHS ta có thể chế tạo thành công v t liệu
14. 14 NiTi với chủ yếu pha NiTi c g mong muốn ( iể ạ g hươ g B2). Hình 4.16. Ph XRD ằ – MA nhi Tp = (250÷600)C (h n h p b t c ho c). , h nh h i ỗ s n h ậ iệu i i s u h n ứn 1 ắ ẫ ẩ ằ a. Tp = 250C b. Tp = 300C c. Tp = 350C d. Tp = 400C Hình 4.20. M t cắt d c ẩ ằ SHS – MA các nhi Tp < 550C. ối ới các ới hiệ ộ g ơ ộ ớ (Tp 550 ổ chức xố hườ g rấ ớ Khi giả hiệ ộ g ơ ộ hả ứ g xảy r ổ ị h hơ do ặt cắt ngang và dọc, s phân bố lỗ xố há g (h h 4 20 h h 4 21 i c hể hẳ g ị h hiệ ộ g ơ ộ h g ch ả h hưở g ế hả ă g hả ứ g giữ Ni Ti cò yế
15. 15 ị h ế ích hước ỗ xố h ố xố r cả ặ cắ g g ặ cắ dọc ả hẩ a. Tp = 250C b. Tp = 300C c. Tp = 350C d. Tp = 400C Hình 4.21. M t cắt ngang ẩ p ch ằ SHS – MA các nhi Tp < 550C. Hình 4.22. Ảnh SEM m t gẫy d c ẩ ằ pháp SHS – MA nhi Tp = 250C. Hình 4.23. Ảnh SEM m t gẫy d c ẩ ằ pháp SHS – MA nhi Tp = 300C. Mặt g y v t liệu NiTi xố chế ạo g hươ g há – MA ược thể hiệ hư r h h 4 22 4 23 4 25 4 26 heo cả chi u ngang và chi u
16. 16 dọc m u. Hình dạng các lỗ xốp chủ yếu dạ g cạ h d o ộng trong phạm vi 100÷700m, s liên thông của các lỗ xốp thể hiện rất rõ nét với ệ cao. Hình 4.25. Ảnh SEM m t gẫy ngang ẩ ằng SHS – MA nhi nung s Tp = 250C. Hình 4.26. Ảnh SEM m t gẫy ngang ẩ ằng SHS – MA nhi Tp = 300C. Chúng cho thấy, v t liệ NiTi chế ạo g hươ g há c hể nh ược ộ xố c o ệ lỗ xốp hở lớn. ằ Hình 4.27. ẩ ê p ( ê ± 7%). ộ xố r g h củ iệ NiTi xố hả ứ g hoả g 44÷58% tùy thuộc vào nhiệ ộ g ơ ộ (chênh ệch d o ộ g ro g hoả g ± 7,0%) ệ ỗ xố hở hầ hế ạ r 60 (h h 4 27
17. 17 ộ xốp của sản phẩm phụ thuộc vào nhi u yếu tố: ộ xốp của khối ép ầu, nhiệ ộ g ơ ộ ích hước hạt hỗn hợp bột v t liệu ban ầ hư g ược yế ị h ởi hai yế ố: ộ xố ầu sau khi ép g á h ộ xốp do ả chấ r y củ phản ứng SHS. 1. hả ứ g giữ Ni Ti xảy r ở cả chế ộ cháy r y chế ộ cháy g hời Sản phẩ iệ NiTi xố h ược ại chủ yế h NiTi c g o g ố ro g cấ r c ạ g hươ g 2 (Austenit) chiế ư hế ại y c ghĩ rấ ớ ro g á r h chuyển pha tạo nên hiệu ứ g i h i của v t liệu. 2. T ệ thành phần v t liệ ầu 50%Ni – 50%Ti (theo nguyên tử ược chọ hợ Kích hước ột Ni Ti ầu h hợ ả ảo á r h hả ứ g h ếch á riệ ể. 3 hoả g hiệ ộ g ơ ộ Tp = 250÷400C có các lỗ xốp phân bố ươ g ối g Kích hước lỗ xố d o ộng trong phạm vi 100÷700m. Tổ g ộ xốp trung h của v t liệ NiTi h ược d o ộ g trong khoảng 44÷58% (ch h ệch d o ộ g ro g hoả g 7 ới ệ ỗ xốp hở ạt > 60%. 4. hoả g nhiệ ộ g ơ ộ Tp = 250÷600C, nhiệ ộ i lửa ích hoạ Tig = 2000C, phản ứ g xảy ra ho o ới các ược hoạ h cơ học ới hời gi MA = 1,5÷2,0h. Phản ứng SHS không hể xảy r hi các m hỗ hợ ột Ni-Ti h g ược hoạ h cơ học rước hoặc hoạ h cơ học với thời gian ngắn (tMA < 1,5h). – MA nh h họ ậ iệu i i hế ạ n h n pháp SHS – MA h n nhiệ M u hử ường kính d = 10mm, chi u cao h = 15mm. Tốc ộ biến dạng ược chọ hư h  = 0,12 10–3 s–1 hí ghiệ ược h c hiệ ở nhiệ ộ hò g. Kết quả thử nén cho hấy: ầ hế các m u hử hể hiệ hả ă g mức ộ biến dạng hỏ (dưới 3,0% ức ộ phục h i iế dạng ch ạ ược khoảng 1,2%. Khi ượt qua mức ộ biến dạ g y ố các m u bị há hủy ộ hầ hoặc ho o iới hạn b ro g hoả g bn = 130÷200 h i d o ộ g ro g hoảng E = 6,5÷7,8GPa. i u này có thể giải hích ược hư : 1- Ứ g ấ hiệ ại ro g iệ hi g ội hả ứ g ể giữ h NiTi c g o g
18. 18 ố ; 2- Các lỗ xốp hầu hết ở dạ g cạ h các ơi dễ t p trung ứng suấ dễ ị há hủy. ể cải thiệ các hược iể y hươ g há ủ m giả ứ g ấ hiệ ổ ị h ổ chức ược x ấ h c hiện. Hình 5.1. ng cong ứng su t – bi n Hình 5.2. ng cong ứng su t – d x bi n d x 5.1.2. nh h họ ậ iệu i i hế ạ n h n pháp SHS – MA ó nhiệ ă cứ o các công bố rước y giả rạ g hái hệ Ni–Ti, tác giả l a chọn nhiệ ộ xử lý Tn = 400÷500C, thời gian xử lý tn = 4÷5h, m u ược làm nguội c g ò ến nhiệ ộ i rường. Tốc ộ biến dạng 0,12 10–3 s–1 và ở nhiệ ộ hò g ới tất cả các m u. Hình 5.7. ng cong ứng su t – bi n Hình 5.9. ng cong ứng su t – bi n d x p 55% sau quá d x p 50% sau quá trình x lý nhi t nhi Tn = trình x lý nhi t nhi Tn = 450C, 500C, th i gian x lý tn = 4h. th i gian tn = 4,0h. Kết quả cho thấy cơ í h hả ă g iến dạng củ iệ c h y ổi rõ rệt. Khả ă g iến dạng tố hơ ( ế 4 0 , hầu hết các m u thử không bị há hủy hi , mức ộ phục h i biến dạng khoảng 2,5%.
19. 19 h i E của v t iệu c g c h y ổi tuy nhiên rất nhỏ (trong khoảng 6,1÷7,0GPa). Giới hạn b n của v t liệu NiTi xốp sau khi xử lý nhiệ ạ ược khoảng b 150 ươ g ứng với mức ộ biến dạng khoảng max 4,0%. Hình 5.11. ng cong ứng su t – Hình 5.12. ng cong ứng su t – bi n bi n d ng x p 55% d ng v x p 50% sau quá sau quá trình x lý nhi t nhi trình x lý nhi t nhi Tn = 500C, Tn = 500C, th i gian x lý tn = 4,0h th i gian x lý tn = 4,5h khi nén phá h y khi nén phá h y mẫu. mẫu. Như y á r h xử hiệ ả h hưở g ạ h ế í h d o củ iệ NiTi xố i y c hể giải hích do ứng suấ dư x ất hiện trong quá trình tôi iệ , ược khử bỏ khi ủ ổ chức củ i oại ược ắ xế ại h hợ hơ . – MA Kế u h n h h XRD Hình 5.15. Ph XRD mẫ Hình 5.16. Ph XRD mẫ x p sau khi bi n d ng 3,5%. x p sau khi b bi n d ng phá h y. Kết quả h ích h h hầ h iệ i h i NiTi xố sau biến dạng (hình 5.15 và 5.16 cho hấy: ừ h gốc NiTi cấ r c i h
20. 20 hể B2 e i ầ hi iế dạ g h h h h h NiTi cấ r c i h hể 19’ Mactenxit và chiế ư hế (các píc hể hiệ rấ r hể hẳ g ị h chí h á r h ch yển biế h y g y dạng gấp khúc củ các ường cong ứng suất – biến dạng m u iệ i h i NiTi xố hử Kế u h n h nhiệ i s i Phạm vi nhiệ ộ nghiên cứu từ 20C 100C, tốc ộ nâng nhiệ ược chọ 10 / h Tr ường Heat-Flow (h h 5 17) x ấ hiệ 1 íc nhiệ ( h íc ở hiệ ộ 37,5C) rấ r r g hi g g ch íc hiệ ở hoả g 47 ă cứ cơ ở h yế iệ i h i c hể khẳng ịnh r g ch g các hiệ ộ chuyển biến pha NiTi từ cấ r c ạ g i h hể 19’ Mactenxit cấ r c ạ g i h hể B2 Austenit. Hình 5.17. ẫ ằng – MA ẫ . Từ các ế ả h ích (h h 5 15 5 16 h ích c hể hẳ g ị h các iể gấ h c (ch yể iế r ườ g co g ứ g ấ – iế dạ g củ iệ NiTi xố (các h h ừ 5 1 ế 5 4 các h h ừ 5.7 ế 5 12 chí h các iể ch yể iế h NiTi ừ cấ r c i h hể B2 Austenit h NiTi cấ r c i h hể c e xi 19’ o hiệ ộ iế dạ g chư ạ ế hiệ ộ ch yể iế ho o h NiTi cấ r c i h hể Mactenxit 19’ pha NiTi cấ r c i h hể 2 e i hi dỡ ải iệ NiTi xố ại iế dạ g dư y c g chí h g y h x ấ hiệ các íc h NiTi cấ r c i h hể B19’ c e xi r các ế ả h ích h h hầ h củ iệ i h i NiTi xố h ược iế dạ g ới c g hươ g há các i iệ hả ứ g ươ g g ( hiệ ộ g ơ ộ Tp iệ i h i NiTi xố do i á ghi cứ chế ạo o ới các c g r h c g ố c ộ xố ệ ỗ xố
21. 21 hở cấ r c ỗ xố các í h chấ cơ học h hợ ới các c g r h c g ố o ới các hươ g há hác hươ g há – i á d g chế ạo iệ NiTi xố c ư iể ổi : r gắ hời gi chế ạo hiệ ộ hấ ( iế iệ ă g ượ g ro g hi iệ h ược c các í h chấ ươ g g h chí ố hơ Hình 5.18. ng cong ứng su t–bi n Hình 5.19. ng cong ứng su t – bi n d ng x d ng x Hình 5.20. ng cong ứng su t – Hình 5.21. ng cong ứng su t – bi n bi n d x p 55% d x p 50% (sau quá (sau quá trình x lý nhi t nhi Tn trình x lý nhi t nhi Tn = 450C, = 500C, th i gian x lý tn th i gian tn = 4,0h) sau kh 5.4. iến đệ đ s n nh n ạ à yêu u 5.4.2. Chế h iến đệ đ s n nh n ạ Q y r h c g ghệ chế hử iế g ệ ố ố g h ạo ừ iệ i h i NiTi xố chế ạo g hươ g há ược x ấ hư
22. 22 r h h 5 30. ả hẩ h i iệ NiTi xố h ược hả ứ g c h h dạ g hư h nh 5.231 nh . ê ằ – MA. nh 31. ẩ ằ –MA: MA ; ự = 40MPa; p = 300 ; ig = 2000C. B -0911 B -0911 nh 33. ắ ê ắ
23. 23 ác h i iệ NiTi xố ược gi c g cơ hí ể ạ ược h h dạ g ích hước iế g ệ ố ố g h ạo heo ch ẩ 002-0911 PLB004-0911 (h h 5 29 5 30). Kế ả y ươ g hư các ế ả ược c g ố rước y các ả hẩ y PLB002- PLB004- 0911 ỉ 0911 ỉ nh 34. ỉ 1. ử hiệ ả h hưở g ạ h ế cơ í h củ iệ i h i NiTi xố hi xử hiệ ở 400÷500C trong thời gian 4÷5h: ức ộ biến dạ g ă g ( ạt khoả g 4 0 o ới hoả g 3,0%); khả ă g hục h i biến dạ g ă g (2 5 o ới 1 2 ; giới hạn b n nén b 150MPa; iể ch yể iế r ưở g co g ứ g suất – biến dạng xuất hiện rõ nét Tro g hi h i gầ hư h g ổi ( khi ủ E = 6,1÷7,0GPa o ới rước khi ủ E = 6,5÷7,8GPa). 2. iệ ứ g i h i ược iể r h ích h g h ích : iế dạ g h NiTi cấ r c ạ g i h hể 19’ Mactenxit x ấ hiệ chứ g ỏ c ch yể iế pha NiTi ừ cấ r c i h hể 2 Austenit ạo h h h ích DSC iế dạ g c g cho hấy x ấ hiệ củ íc hiệ hi g g chứ g ỏ c ch yể iế gược củ pha NiTi ừ cấ r c i h hể 19’ Mactenxit pha NiTi cấ r c i h hể 2 e i . 3. o á h ộ xố các í h chấ cơ học cho hấy ươ g g iệ i h i NiTi xố do i chế ạo ới các i iệ c g ố 1- iệ i h i NiTi xố ộ oại iệ ới ới các í h chấ ặc iệ ầ ầ i ược ghi cứ chế ạo ở iệ N 2- ầ ầ i hươ g há ết hợp giữ hoạ h cơ học ( hả ứ g hiệ ộ c o r y ( ược ứ g dụ g ể chế ạo iệ i h i NiTi xố Th h y h ới chư ừ g ược c g ố r hế giới ác ế ả ghi cứ ả h hưở g củ hoạ h cơ học ế hả ứ g chấ ượ g ả hẩ iệ NiTi xố ược
24. 24 N c g ố ại ội ghị ốc ế T ầ hứ 2 ổ chức ở ă g cốc Thái ă 2012 3- á xác ị h ược các h g ố c g ghệ chí h i hảo á ể chế ạo iệ i h i NiTi xố g hươ g há – r ả h hưở g củ các h g ố c g ghệ ế á r h – các í h chấ cơ ả củ iệ i h i NiTi xố ừ ư r chế ộ c g ghệ chế ạo h hợ : - Th h hầ iệ ầ 50 Ni – 50 Ti ( í h heo g y ử ; ích hước hạ ộ Ni ro g hoả g 5 10 hạ ộ Ti ro g hoả g 50÷100m; - Thời gi hoạ h cơ học hích hợ ả ảo hả ứ g giữ Ni Ti xảy r ổ ị h : MA 1,5h; - c g á h hối NiTi ầ : = 40÷120MPa; - Nhiệ ộ g ơ ộ hối NiTi g á h : Tp = 250÷600 ; hiệ ộ i ử ích hoạ hả ứ g Tig 2000C. ới các h g ố c g ghệ r hả ứ g giữ ộ Ni ộ Ti ( ộ i h hiế 99 9 xảy r ho o các ỗ xố h ố g r cả ặ cắ dọc ặ cắ g g c ích hước ro g hoả g 100 700 Tổ g ộ xố r g h iệ i h i NiTi xố h ược ro g hoả g 44 58 (d o ộ g hoả g 7 ệ ỗ xố hở ạ > 60 - g hươ g há hử cơ học h ích hổ h g các ườ g co g ứ g ấ – iế dạ g cho hấy ối ới iệ xử hiệ ở hiệ ộ 400 500 hời gi xử 4 5h c cơ í h h y ổi ạ h o ới chư xử hiệ : ức ộ iế dạ g ă g ( ạ hoả g 4 0 o ới hoả g 3 0 ; hả ă g hục h i iế dạ g c g ă g á g ể ( ạ hoả g 2 5 o ới hoả g 1 2 ; giới hạ ạ b > 150 ; iể ch yể iế h r hị ứ g ấ – iế dạ g r ; h i hầ hư h g h y ổi: = 6 1 7 0 ; - g hươ g há h ích hiệ i i ở hiệ ộ ro g hoả g 25C 100 ới ốc ộ g 10 /1 h xác ị h ược: iế dạ g c ch yể iế h h ( ừ h NiTi cấ r c ạ g i h hể 2 Austenit h NiTi cấ r c ạ g i h hể 19’ c e xi cò hi g g c ch yể iế h gược ại ( ừ h NiTi cấ r c ạ g i h hể 19’ c e xi h NiTi cấ r c ạ g i h hể 2 e i h íc hiệ ở hiệ ộ hoả g 37 5C. 4- Ứ g dụ g các ế ả ghi cứ chế ạo hử h h c g h i dạ g ả hẩ iế g ệ ố ố g h ạo ( hiệ 002-0911 PLB004-0911).