2. Thực nghiệm
Vật liệu ban đầu bao gồm Cu (độ sạch >99,5 %, cỡ hạt trung bình 40 μm), Ti (độ sạch >99,5%, cỡ hạt trung bình 40 μm) và B (dạng vô định hình, độ sạch > 99%, cỡ hạt trung bình 1 μm) được trộn sơ bộ 120 phút trên máy nghiền buồng hình trụ chuyển động lắc với tốc độ động cơ 75 vòng/phút. Tỷ lệ bột Cu, Ti và B được cân đong sao cho tương ứng với hàm lượng 57% về thể tích của TiB2 sau SHS.
Quá trình nghiền trộn hỗn hợp Cu-Ti-B được thực hiện trên máy nghiền hành tinh. Bi nghiền được chế tạo bằng thép không rỉ đã biến cứng, đường kính 5 mm, tỷ lệ bi nghiền/bột theo khối lượng là 200/10. Tốc độ quay của buồng nghiền 1000 vòng/ phút. Quá trình nghiền trộn được chia thành 2 giai đoạn. Trong giai đoạn đầu, quá trình nghiền khô được thực hiện nhằm tạo ra hỗn hợp đồng đều. Giai đoạn 2 là quá trình nghiền với tác nhân ethanol (0.5 ml) nhằm kích thích quá trình phá huỷ bột, tránh bám dính, tăng hiệu suất thu hồi bột. Trước khi nghiền, buồng nghiền được hút chân không, sau đó điền đầy khí Ar với áp suất 0,3 MPa để tránh hỗn hợp bột bị ôxy hóa.
Phản ứng SHS giữa Ti, B và Cu để tạo ra Cu- 57%TiB2 được thực hiện trong buồng thạch anh hình trụ có khí bảo vệ Ar và được kích hoạt bằng sợi đốt W.
Sản phẩm bột sau phản ứng SHS Cu-57% TiB2 được nghiền khô 10 phút trên máy nghiền hành tinh với tốc độ 500 vòng/phút và 5 phút nghiền có tác nhân ethanol (0.5 ml), sau đó sấy khô và trộn với bột Cu nguyên chất theo tỷ lệ đã được tính toán tương ứng với hàm lượng TiB2 là 4,5%.
Để tăng cường khả năng làm giảm kích thước và phân bố đồng đều hạt 4,5%TiB2 trong nền Cu, hỗn hợp Cu-4,5%TiB2 được nghiền khoảng (0 – 180) phút trên máy nghiền hành tinh với tốc độ 300 vòng/phút. Các điều kiện khác của quá trình nghiền làm giảm kích thước hạt hỗn hợp Cu- 4,5%TiB2 như: đường kính buồng nghiền, cỡ bi, khí bảo vệ,… giống như quá trình nghiền trộn Cu-Ti-B.
Hỗn hợp bột Cu-4,5%TiB2 được thiêu kết trong lò thiêu kết bằng xung plasma (SPS-515S, Sumitomo Heavy Industries Lmt.) với nhiệt độ thiêu kết: 650°C, thời gian ủ: 5 phút, tốc độ nâng nhiệt: 100°C/phút, trong môi trường chân không, áp lực ép 50 MPa, áo khuôn và chày ép chế tạo từ graphit. Sau khi thiêu kết hỗn hợp bột nhận được điện cực hàn Cu-4,5%TiB6 có hình dạng mong muốn.
Tỷ trọng của mẫu được đo bằng cân thuỷ tĩnh dựa trên nguyên lý Acximet.
Độ dẫn điện được đo trên nguyên lý dòng điện Fucô (hệ thống centurion NDT digital conductivity meter).
Độ cứng Rockwell được xác định bằng cách sử dụng bi thép với tải trọng là 100 kG.
Thử kéo nén được thực hiện với tốc độ kéo 0,25 mm/phút ở nhiệt độ trong phòng.
Tổ chức tế vi của vật liệu được quan sát và phân tích bằng phương pháp FE-SEM và EDS, trên hiển vi điện tử quét (Field Emission Scanning Electron Microscopy FE-SEM, JEOL JSM 6500F).
3. Kết quả và thảo luận
Tổ chức tế vi của mẫu hỗn hợp Cu với sản phẩm SHS sau khi trộn sơ bộ trên máy nghiền buồng hình trụ và thiêu kết SPS tại nhiệt độ 650°C trong thời gian 5 phút được biểu diễn trên hình 1a. Quan sát thấy có hai pha: pha tối phân tán trên nền pha sáng. Pha tối có kích thước trung bình khoảng (15-30)μm, kích thước này trùng hợp với kích thước của bột sản phẩm SHS sau khi nghiền trên máy nghiền hành tinh. Tổ chức tế vi pha tối được quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét với độ phóng đại 30.000 lần (hình 1c) cho thấy hạt TiB2 với kính thước 150-250 nm phân bố đồng đều trên nền Cu. Tổ chức này giống hệt với cấu trúc sản phẩm SHS đã được GS Kwon và cộng sự công bố [6]. Tổ chức này khẳng định chắc chắn pha tối là sản phẩm SHS. Trong quá trình trộn sơ bộ trên máy nghiền buồng hình trụ bản chất của bột Cu và bột sản phẩm SHS không thay đổi.
Tổ chức tế vi của mẫu sau thiêu kết SPS tại nhiệt độ 650°C trong thời gian 5 phút được trình bày trên hình 1b. Tổ chức này cũng bao gồm 2 pha tối và sáng, pha tối cũng được xác định là sản phẩm SHS có tổ chức như trên hình 1c. Nếu so sánh với hình 1a, tổ chức tế vi ở hình 1b có dạng thớ với những vệt của pha màu tối, đây là bằng chứng của quá trình biến dạng dẻo xảy ra đồng thời giữa bột Cu và bột sản phẩm SHS. Để tìm hiểu sâu hơn về tác động của quá trình nghiền bi đến sản phẩm, ảnh với độ phóng đại 10.000 lần của pha màu sáng đã được chụp bằng kính hiển vi điện tử quét, như trên hình 1d, những điểm màu đen với kích thước (150-250) nm được xác định bằng phương pháp EDS ngay trên hệ máy FE- SEM, theo kết quả phân tích, những chấm đen trên hình 1d chính xác là hạt TiB2.
