Mg-Li alloys

1

Mg-Li alloys

Super light Mg alloy

MMC

308637461קובי קריימר

שמואל שמוחה 040458143

2

MMC

חומרים מרוכבים מסווגים למספר קבוצות עיקריות:

חומרים מרוכבים על בסיס פולימרי )אפוקסי(.1.

חומרים מרוכבים עם מטריצה מתכתית 2.(MMC.)

חומרים מרוכבים עם מטריצה קראמית 3.(C.M.C.)

:MMCשיטות ייצור תהליכים בפאזה נוזלית.1.תהליכים בפאזה מוצקה.2.

סוגי חומר משריין:.1MMC.משוריין בסיבים .2MMC.משוריין בוויסקרים .3MMC.משוריין בחלקיקים

:MMCרקע .1MMC.מהמצוי לרצוי -.MMCרכיבי 2..3MMC.יתרונות-.4MMC.חסרונות-

3

MMCמהמצוי לרצוי- פיתוח טכנולוגי מואץ הוביל למיצוי גבול היכולת של חומר המונוליתי

בתחומים רבים. הצורך בשימוש בחומר בעל תכונות של יחס חוזק/צפיפות גבוה בשילוב עם עמידות משופרת בטמפרטורה גבוהה והתנגדות לזחילה

. הרעיון היה למזג את תכונותיהם הטובות של MMCהוביל לפיתוח ומחקר בולט בעיקר MMCסוגי החומרים השונים לקבלת חומר משופר. השימוש ב-

בתעשיות הנמצאות בחזית הטכנולוגית כגון תעשייה אווירית,חלל.

מורכב משני מרכיבים עיקריים:MMCה-

,חלקיקים – תפקידה לשאת את whiskersפאזה משריינת- בצורת סיבים,1.העומס.

חומר אם/מטריצה - מהווה את כלל מרבית הנפח, תפקידו להעביר 2.ולחלק את העומס בין חלקי הפאזה המשריינת.

4

:MMCיתרונות חומרים יחס חוזק/צפיפות גבוה מזה של נתך האם.1.יחס קשיחות/צפיפות גבוהה יותר.2.שיפור תכונות בעבודה בטמפרטורה גבוהה )זחילה(.3.מקדם התפשטות תרמי נמוך.4.

:MMCחסרונות חומרים טכנולוגיית ייצור ייחודית )תהליכים בפאזה נוזלית/מוצקה(.1.עלות ייצור גבוהה )בעיקר בשימוש בפאזה משריינת בצורת סיבים רציפים(.2. לחלקים שונים במכלול.MMCקיים קושי ומגבלות בחיבור 3.משיכות יורדת בהוספת חומר משריין.4.

5

- FREJA הייתה AZ91/SiCאפליקציה ראשונה בתעשיית החלל בה השתמשו ב- מבנה לווין. מהווה מכשול בגבולות גרעין,SiC. ה-3% בעל התארכות של עד AZ91בד"כ נתך

מונע החלקה וכמו"כ עמיד בטמפרטורה גבוהה.

ניתן לראות כי בטמפרטורת חדר- ככל שנוסיף משריין נקבל עלייה

וכמו"כ נקבל ירידה UTS,YS,Eב-במשיכות.

100ניתן לראות כי בטמפרטורה UTS,YS,Eמע"צ נקבל עלייה ב-

וכמו"כ נקבל ירידה במשיכות.

6

ניתן לראות כי באחוז משריין גבוה ובטמפרטורה גבוהה, עוצמת הירידה גדולה.YP,E,UTSב-

ניתן לומר כי אחוז משריין גבוה מונע משיכות אפילו אם הדגם מצוי בטמפרטורה גבוהה.

7

:MMCשיטות ייצור

8

Liquid State Processing- Squeeze Infiltrationמרווחים דקים המצויים בין חלקי הסיבים /חומר האם המתכתי בפאזת נוזל מוחדר דרך חללים

הקצרים או חלקיקים. איחוד המתכת עם חלקי השריון הינו באמצעות לחץ התלוי בצמיגות ההיתך. הלחץ באמצעות פעולה מכאנית.

שיטה זו מיועדת לייצור חלקים בעלי ממדים קטנים וגיאומטריה פשוטה.

חסרונות שיטה זו: נזק לחלקיקי השריון.1.מיקרו-מבנה לא אחיד. 2.גרעינים גדולים.3.מגע בין הסיבים. 4.ריאקציות באזור 5.

הממשק.

9

liquid State Processing- Gas Pressure Infiltration

מרווחים דקים המצויים בין חלקי /חומר האם המתכתי בפאזת נוזל חודר חללים

הסיבים הקצרים או חלקיקים. איחוד המתכת עם חלקי השריון הינו באמצעות שימוש בלחץ

גז.

שיטה זו מיועדת לייצור חלקים בעלי ממדים גדולים.

יתרון משמעותי בשימוש בלחץ גז ככוח מניע לחדירת ההיתך הוא בכך שהסיבים

.Squeeze Infiltrationלא ניזוקים )בניגוד לשימוש בלחץ מכאני כמו בשיטת

10

Liquid State Processing -שיטות נוספות

החדרת חלקיקי שריון לתוך ההיתך:הזרקת חלקיקים הנישאים ע"י גז אינרטי לתוך ההיתך.–הוספת חלקיקים לזרם ההיתך בזמן מילוי התבנית.–החדרת חלקיקים במהלך התמצקות ההיתך תוך שימוש בלחץ.–פיזור חלקיקים ע"י שימוש במאיץ צנטריפוגלי.–

בשיטת ייצור בפאזה הנוזלית בה נחדיר חלקיקים לחומר האם ניתקל בקשיים של: אי-הומוגניות בריכוז חלקיקי שריון בנפח הדגם.1.התבדלות פאזות בין מתכתיות.2.ריאקציות באזור הממשק. 3.

Spray Depositionאבקה קראמית מרוססת על מצע חומר אם מותך. חסרונות: אי-הומוגניות בפיזור אבקה

בנפח.

Stir Castingערבוב חומר האם המתכתי בפאזת נוזל עם חלקיקים קראמיים.

11

התהליכים בפאזה מוצקה כוללים: וויסקרים./ערבוב של חומר אם )אבקה שיוצרה בהתמצקות מהירה( עם חלקיקים1..75%הפעלת לחץ )קר( לקבלת צפיפות של 2.שאיבת גזים ואטימה.3.( או טירוד )ישיר,הפוך( בחום.Hot Isostatic Pressingסנטור בחום )4. באמצעות טירוד,כבישה וערגול. הקניית הצורה הסופית5.

בתהליך זה מתקבלת תכונות מכאניות: חוזק גבוה, משיכות

שיוצר MMCנמוכה ביחס ל-בתהליך פאזה נוזלית.

חסרונות השימוש בטכנולוגיה זו הן: רגישות לחמצון פני שטח ומכאן קושי להרטבה בין חומר האם לשריון.1.עלות גבוהה )ביחס לשיטת ייצור בפאזה נוזלית(.2.שלבים רבים עד קבלת התוצר הסופי.3.קצב ייצור איטי.4.

Solid State Processing- Powder Blending and Consolidation

12

Solid State Processing- Diffusion Bonding Of Foils

שכבה דקה של חומר אם בצורת רדיד מהווה "סנדוויץ'' למשריין במבנה סיבים ארוכים המסודרים באותו כיוון. חיבור המרכיבים באמצעות וואקום וחימום. מתקבל

מבנה למינרי.מיועד לצורות הנדסיות פשוטות כמו פלטות.

13

MMC- HPDC לפי השלבים:SiC עם חלקיקי Mg של מטריצת MMCתהליך חדשני לייצור

.c700 וכמו"כ חימום חלקיקי השריון 640cחימום מחדש של חומר האם לטמפרטורה 1.

החדרת החלקיקים תוך כדי ערבוב.2.

מע"צ לפרק זמן של שעתיים.640החזקת התערובת בטמפ' 3.

דק'.15ערבוב התערובת לפרק זמן של 4.

.HPDCתהליך 5.

מטרת שיטה זו היא:

מניעת ריאקציות כימיות בין המתכת הנוזלית לחלקיקים. הגנה מפני התחמצנות של 1. וכמו"כ הגנת המשריין באמצעות גז ארגון.החומר האם באמצעות שימוש ב-

יצירת מבנה הומוגני- פיזור חלקיקים הומוגני באמצעות קצב הזנה מדויק. 2.

מזעור פגמים- מניעת נזק לחומר משריין.3.

יתרונות:

המשריין מעדן גרעינים , מהווה אזוריי נוקליאציה כך שגודל גרעין קטן.•

תכונות מכאניות: חוזק כניעה גדל.•

פורוזיביות נמוכה.•

:חסרונות

של סיליקון-קרביד.10%לא ניתן להשתמש באחוז גדול מ- •

תכונות מכאניות: החוזק המקסימאלי והמשיכות ירדה.•

קורוזיה- בהוספת חומר משריין נקבל תופעה גלוונית.•

62 ,SFCO

14

MMC-Mgאפליקציות

פיתחה Magnesium Elektronחברת לאפליקציות של Melram 072את ה-

צינורות. מדובר בנתך מגנזיום מחוזק .SiCבסיבי שימש בכלי Melram 072 ה-1997בשנת

(.frame tubeנסיעה תחרותי )

אפליקציה ראשונה בתעשיית החלל בה השתמשו ב-

AZ91/SiC הייתה FREJA -מבנה לווין.

חברת Paketa Rocket

מייצרת שלדת אופניים מנתך מגנזיום מחוזק

באמצעות סיבים.

15

Mg-Liהפאזות העיקריות במערכת

בתחום טמפ' החדר Mg-Liבמערכת

קיימים שלושה אזורים עיקריים:

, המתקיים עד αפאזה אזור קיום של

5.7%wt Li.

, המתקיים מ - βפאזה אזור קיום של

10.3%wt Li.

, הנמצא בין β+αואזור דו פאזי של פאזות

Li 10.3%wt-5.7%wt.

16

ובעלת מבנה Mg - הינה פאזה, העשירה ב - αפאזה

hcp.

פאזה זו הינה בעלת חוזק גבוה ומשיכות נמוכה, דבר

ומתבטא hcpהנובע ממיעוט מערכות החלקה במבנה

בפורמביליות גרועה.

*לרוב, הדפורמציה מתרחשת במערכת ההחלקה

<(.1120(>0002 התחתונה ))

.bcc ובעלת מבנה Li - הינה פאזה, העשירה ב - βפאזה

פאזה זו הינה בעלת משיכות גבוה וחוזק נמוך יחסית.

פאזות על קצת

17

ויתרונן העיקריMg-Liסגסוגות

אחד היתרונות העיקריים של

היא הצפיפות Mg-Li סגסוגות

הנמוכה שלהן.

Water 1.00

18

דוגמא נוספת

לצפיפות הנמוכה של סגסוגות

Mg-Li ניתן לראות באם נעשה השווה

לצפיפות של פולימרים נפוצים.

LZC2222ניתן לראות, לדוגמא, שסגסוגת

.PVCבעלת צפיפות נמוכה יותר משל

יתרון נוסף של סגסוגותMg-Li

החוזק ומודול יאנג הסגולי הוא

. שלהם

:Mg-Liחסרונות מרכזיים של סגסוגות עמידות נמוכה בפני זחילה וקורוזיה.

ובנוסף, חוזק נמוך.

19

על המיקרומבנהLiהשפעת ריכוז

, דבר c/a גורמת לירידה ביחס Li, הוספת 5.7%wt Liבתחום של עד

המקטין את המרחק הבין אטומי בתא יחידה ההקסגונלי, וגורם

להפחתה באנרגיה הנדרשת לדפורמציה פלסטית.

.)β)hcp(→α)hcp יש מעבר פאזות; Liעם המשך הוספת

( להרכב דו αדבר המתבטא במעבר מהרכב חד פאזי )פאזה

גדול יותר, כך אחוז Li(, כאשר, ככל שריכוז ה - α+βפאזי )

קטן יותר.αפאזה

מתרחשת ההשלמה של המעבר 10.3%wt Liבריכוז של

ומתקבל הרכב חד פאזי. β לפאזה αמפאזה

20

דבר המאפשר אחוז גבוהה של

עיבוד בקור, שהסגסוגת יכולה

עבור סגסוגת 80%לעבור )עד ל

(. Li 22%המכילה

מתבטאתLiעליה בריכוז ה

.במשיכות ועליה ובחוזק בקושי בירידה

תכונות אלו נובעים מעליה בכמות

.Li בסגסוגת עם העלייה בריכוז ה βפאזה

למגנזיום אינה רק מקטינה את הצפיפות של Liהוספת

מגדילה את הפורמביליות הסגסוגת המתקבלת אלא גם

של הסגסוגת.

על קושי חוזק והמשיכותLiהשפעת ריכוז

21

לא רק שמקטינה את החוזק והקושי, Liעליה באחוז ה

. מקטינה את העמידות בקורוזיה ובזחילההיא גם

Zn או Alאת העמידות בקורוזיה ניתן לשפר ע"י הוספה של יסודות סגסוג

)צריום(.Ceלנתן( או )Laאו ע"י הוספת עופרות נדירות, כגון

לעומת עופרות נדירות גורם במקביל גם לעליה בחוזק Al/Znסגסוג ע"י

ובקושי, לעומת זאת, סגסוג ע" עופרות נדירות מוריד את החוזק והקושי.

Liהשפעות שליליות של עליה בריכוז ה -

ואמצעים לשיפור ועידון תופעות אלו

באם יש צורך בעיבוד Al/Zn*יש להימנע מלהוסיף ריכוזים גדולים מדי של

בקור של הסגסוגת.

. Mg-Li*שימוש בעופרות נדירות, שהינן יקרות, מייקר את השימוש בסגסות

הוספת ניתן לשפר ע"י Mg-Liאת העמידות בזחילה של סגסוגות

)צריום(.Ce )לנתן( או Laאופרות נדירות, כגון

22

והשפעותיהם נוספים מסגסגים

Ca הוספת - Ca אף היא מעלה

Mg-Liאת החוזק של סגסוגות

ומורידה את המשיכות, אך גם

מקטינה את העמידות של

הסגסוגת בקורוזיה.

Ba הוספת בריום גורמת להיווצרות פאזה בין-מתכתית - Mg17Ba2 אשר ,

ובכך β ופאזה αמשמשת מרכז נוקליאציה בעת התמצקות פאזה

hcpמאפשרת עידון הגרעינים והומוגניזציה. פאזה זו הינה בעלת מבנה

( של בריום יכול אף הוא לגרום לעליה 4.5%wtועל כן ריכוז גבוה )מעל

בחוזק של הסגסוגת.

Mn 0.2% - הוספתwtMn משפרת אף היא את העמידות

בקורוזיה אך מורידה את החוזק.

23

ישנם מספר יצרנים המייצרים

לוחות וצינורות עשויים

Mg-Liמסגסוגת

דוגמא לאחת מהחברות הנ"ל

.Bai Chuang Technologyהיא

24

MMCסיכום המיוצרים כיום אינם בעליי התכונות האידיאליות אותם ביקשו המפתחיםMMCמרבית ה-

.MMCלהשיג ובכך אין שימוש נרחב ב-הירידה בתכונות נגרמת משתי סיבות עיקריות:

היווצרות פאזות פריכות ופגיעה בתכונות המשריין כתוצאה מתגובה כימית בממשק 1.בין המטריצה והמשריין.

קישור חלש בין המשריין לחומר האם כתוצאה מהרטבה לא מספקת בין השריון 2.לחומר האם.

התכונות המכאניות תלויות ישירות בטיב הקישור )ההרטבה( באזור הממשק של חומר האם והמשריין.

ניתן להימנע מריאקציות כימיות ע"י החדרת חלקיקי השריון זמן קצר לפני התמצקות •חומר האם ובכך זמן חשיפה קצר של השריון למטריצה נוזלית. כתוצאה מכך נקטין את

ההסתברות לריאקציה כימית העלולה להתרחש בשטח המגע בין הפאזות. בה יש שילוב של Spray Atomization and Depositionשיטה המתארת אופן עבודה זו היא ה-

שיקוע של תרסיס טיפות נוזליות למחצה, ציפוף הטיפות והתמצקותם על מצע מקורר.ניתן לשפר את ההרטבה של חלקיקי השריון ע"י הוספת ליתיום- כאשר מדובר •

בחלקיקי שריון קראמיים וסיליקון- כאשר מדובר בחלקיקי שריון סיליקון קרביד.

25

יתרונות רבים, כגון צפיפות נמוכה, חוזק סגולי וקושי מוגדר Mg-Liלסגסוגות

(specific stiffnessגבוהים, וזאת בנוסף לשאר התכונות הטובות של )

. וכ"ו antiknock, כגון סיכוך אלקטרומגנטי, Mgה -

מאפשרת גם Li הינן חומר המבנה הקל ביותר בנמצא והוספת Mg-Liסגסוגות

פורמביליות גבוה של הסגסוגות.

אם זאת, העמידות הנמוכה בזחילה ובקורוזיה והחוזק והקושי הנמוכים יחסית

( מגביל את השימוש בסגסוגות ולמעשה Ti/Al )ביחס ל Mg-Liשל סגסוגות

מונע שימוש בהן כחומר מבנה.

:Mg-Liסיכום-סגסוגות