Mg-Li alloys

1. MMC Super light Mg alloy Mg-Li alloys קובי קריימר 308637461 שמואל שמוחה 040458143

2. MMC • רקע MMC: • MMC- מהמצוי לרצוי. • רכיבי MMC. • MMC-יתרונות. • MMC-חסרונות. • חומרים מרוכבים מסווגים למספר קבוצות עיקריות: • חומרים מרוכבים על בסיס פולימרי (אפוקסי). • חומרים מרוכבים עם מטריצה מתכתית (MMC). • חומרים מרוכבים עם מטריצה קראמית (C.M.C). • שיטות ייצור MMC: • תהליכים בפאזה נוזלית. • תהליכים בפאזה מוצקה. • סוגי חומר משריין: • MMC משוריין בסיבים. • MMC משוריין בוויסקרים. • MMC משוריין בחלקיקים.

3. מהמצוי לרצוי- MMC 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 הוביל לפיתוח ומחקר MMC. הרעיון היה למזג את תכונותיהם הטובות של סוגי החומרים השונים לקבלת חומר משופר. השימוש ב-MMC בולט בעיקר בתעשיות הנמצאות בחזית הטכנולוגית כגון תעשייה אווירית,חלל. ה-MMC מורכב משני מרכיבים עיקריים: • פאזה משריינת- בצורת סיבים,whiskers,חלקיקים – תפקידה לשאת את העומס. • חומר אם/מטריצה - מהווה את כלל מרבית הנפח, תפקידו להעביר ולחלק את העומס בין חלקי הפאזה המשריינת.

4. יתרונות חומרים MMC: • יחס חוזק/צפיפות גבוה מזה של נתך האם. • יחס קשיחות/צפיפות גבוהה יותר. • שיפור תכונות בעבודה בטמפרטורה גבוהה (זחילה). • מקדם התפשטות תרמי נמוך. חסרונות חומרים MMC: • טכנולוגיית ייצור ייחודית (תהליכים בפאזה נוזלית/מוצקה). • עלות ייצור גבוהה (בעיקר בשימוש בפאזה משריינת בצורת סיבים רציפים). • קיים קושי ומגבלות בחיבור MMC לחלקים שונים במכלול. • משיכות יורדת בהוספת חומר משריין.

5. אפליקציה ראשונה בתעשיית החלל בה השתמשו ב- AZ91/SiC הייתה FREJA- מבנה לווין. בד"כ נתך AZ91 בעל התארכות של עד 3%. ה-SiC מהווה מכשול בגבולות גרעין,מונע החלקה וכמו"כ עמיד בטמפרטורה גבוהה. ניתן לראות כי בטמפרטורת חדר- ככל שנוסיף משריין נקבל עלייה ב-UTS,YS,E וכמו"כ נקבל ירידה במשיכות. ניתן לראות כי בטמפרטורה 100 מע"צ נקבל עלייה ב-UTS,YS,E וכמו"כ נקבל ירידה במשיכות.

6. ניתן לראות כי באחוז משריין גבוה ובטמפרטורה גבוהה, עוצמת הירידה ב-YP,E,UTS גדולה. ניתן לומר כי אחוז משריין גבוה מונע משיכות אפילו אם הדגם מצוי בטמפרטורה גבוהה.

7. שיטות ייצור MMC:

8. Liquid State Processing- SqueezeInfiltration חומר האם המתכתי בפאזת נוזל מוחדר דרך חללים/מרווחים דקים המצויים בין חלקי הסיבים 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. • מיקרו-מבנה לא אחיד. • גרעינים גדולים. • מגע בין הסיבים. • ריאקציות באזור הממשק.

9. liquid State Processing- Gas Pressure Infiltration חומר האם המתכתי בפאזת נוזל חודר חללים/מרווחים דקים המצויים בין חלקי 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 לא ניזוקים (בניגוד לשימוש בלחץ מכאני כמו בשיטת Squeeze Infiltration.

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. • התבדלות פאזות בין מתכתיות. • ריאקציות באזור הממשק. Spray Deposition אבקה קראמית מרוססת על מצע חומר אם מותך. חסרונות: אי-הומוגניות בפיזור אבקה בנפח. Stir Casting ערבוב חומר האם המתכתי בפאזת נוזל עם חלקיקים קראמיים.

11. Solid State Processing- Powder Blending and Consolidation • התהליכים בפאזה מוצקה כוללים: • ערבוב של חומר אם (אבקה שיוצרה בהתמצקות מהירה) עם חלקיקים/וויסקרים. • הפעלת לחץ (קר) לקבלת צפיפות של 75%. • שאיבת גזים ואטימה. • סנטור בחום (Hot Isostatic Pressing) או טירוד (ישיר,הפוך) בחום. • הקניית הצורה הסופית באמצעות טירוד,כבישה וערגול. • חסרונות השימוש בטכנולוגיה זו הן: • רגישות לחמצון פני שטח ומכאן קושי להרטבה בין חומר האם לשריון. • עלות גבוהה (ביחס לשיטת ייצור בפאזה נוזלית). • שלבים רבים עד קבלת התוצר הסופי. • קצב ייצור איטי. בתהליך זה מתקבלת תכונות מכאניות: חוזק גבוה, משיכות נמוכה ביחס ל-MMC שיוצר בתהליך פאזה נוזלית.

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 תהליך חדשני לייצור MMC של מטריצת Mg עם חלקיקי SiC לפי השלבים: • חימום מחדש של חומר האם לטמפרטורה 640c וכמו"כ חימום חלקיקי השריון c700. • החדרת החלקיקים תוך כדי ערבוב. • החזקת התערובת בטמפ' 640 מע"צ לפרק זמן של שעתיים. • ערבוב התערובת לפרק זמן של 15 דק'. • תהליך HPDC. מטרת שיטה זו היא: • מניעת ריאקציות כימיות בין המתכת הנוזלית לחלקיקים. הגנה מפני התחמצנות של החומר האם באמצעות שימוש ב- וכמו"כ הגנת המשריין באמצעות גז ארגון. • יצירת מבנה הומוגני- פיזור חלקיקים הומוגני באמצעות קצב הזנה מדויק. • מזעור פגמים- מניעת נזק לחומר משריין. יתרונות: • המשריין מעדן גרעינים , מהווה אזוריי נוקליאציה כך שגודל גרעין קטן. • תכונות מכאניות: חוזק כניעה גדל. • פורוזיביות נמוכה. חסרונות: • לא ניתן להשתמש באחוז גדול מ- 10% של סיליקון-קרביד. • תכונות מכאניות: החוזק המקסימאלי והמשיכות ירדה. • קורוזיה- בהוספת חומר משריין נקבל תופעה גלוונית.

14. אפליקציות MMC-Mg חברת Magnesium Elektron פיתחה את ה- Melram 072 לאפליקציות של צינורות. מדובר בנתך מגנזיום מחוזק בסיבי SiC. בשנת 1997 ה-Melram 072 שימש בכלי נסיעה תחרותי (frame tube). 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. הפאזות העיקריות במערכת Mg-Li במערכת Mg-Li בתחום טמפ' החדר קיימים שלושה אזורים עיקריים: אזור קיום של פאזה α, המתקיים עד 5.7%wt Li. אזור קיום של פאזה β, המתקיים מ - 10.3%wt Li. ואזור דו פאזי של פאזות β+α, הנמצא בין Li10.3%wt-5.7%wt.

16. קצת על פאזות פאזה α - הינה פאזה, העשירה ב - Mg ובעלת מבנה hcp. פאזה זו הינה בעלת חוזק גבוה ומשיכות נמוכה, דבר הנובע ממיעוט מערכות החלקה במבנה hcp ומתבטא בפורמביליות גרועה. *לרוב, הדפורמציה מתרחשת במערכת ההחלקה התחתונה ((0002)<1120>). פאזה β - הינה פאזה, העשירה ב - Li ובעלת מבנה bcc. פאזה זו הינה בעלת משיכות גבוה וחוזק נמוך יחסית.

17. Water 1.00 סגסוגות Mg-Li ויתרונן העיקרי • אחד היתרונות העיקריים של • סגסוגות Mg-Li היא הצפיפות • הנמוכה שלהן.

18. דוגמא נוספת לצפיפות הנמוכה של סגסוגות Mg-Li ניתן לראות באם נעשה השווה לצפיפות של פולימרים נפוצים. ניתן לראות, לדוגמא, שסגסוגת LZC2222 בעלת צפיפות נמוכה יותר משל PVC. • יתרון נוסף של סגסוגות Mg-Li • הוא החוזק ומודול יאנג הסגולי • שלהם. חסרונות מרכזיים של סגסוגות Mg-Li: עמידות נמוכה בפני זחילה וקורוזיה. ובנוסף, חוזק נמוך.

19. השפעת ריכוז Li על המיקרומבנה בתחום של עד 5.7%wt Li, הוספת Li גורמת לירידה ביחס c/a, דבר המקטין את המרחק הבין אטומי בתא יחידה ההקסגונלי, וגורם להפחתה באנרגיה הנדרשת לדפורמציה פלסטית. עם המשך הוספת Li יש מעבר פאזות; β(hcp)→α(hcp). דבר המתבטא במעבר מהרכב חד פאזי (פאזה α) להרכב דו פאזי (α+β), כאשר, ככל שריכוז ה - Li גדול יותר, כך אחוז פאזה α קטן יותר. בריכוז של 10.3%wt Li מתרחשת ההשלמה של המעבר מפאזה α לפאזה β ומתקבל הרכב חד פאזי.

20. השפעת ריכוז Li על קושי חוזק והמשיכות עליה בריכוז ה Li מתבטאת בירידהבקושיובחוזקועליהבמשיכות. תכונות אלו נובעים מעליה בכמות פאזה β בסגסוגת עם העלייה בריכוז ה Li. הוספת Li למגנזיום אינה רק מקטינה את הצפיפות של הסגסוגת המתקבלת אלא גם מגדילה את הפורמביליות של הסגסוגת. דבר המאפשר אחוז גבוהה של עיבוד בקור, שהסגסוגת יכולה לעבור (עד ל 80% עבור סגסוגת המכילה 22% Li).

21. השפעות שליליות של עליה בריכוז ה - Li ואמצעים לשיפור ועידון תופעות אלו עליה באחוז ה Li לא רק שמקטינה את החוזק והקושי, היא גם מקטינה את העמידות בקורוזיה ובזחילה. את העמידות בקורוזיה ניתן לשפר ע"י הוספה של יסודות סגסוג Al או Zn או ע"י הוספת עופרות נדירות, כגון La (לנתן) או Ce (צריום). סגסוג ע"י Al/Zn לעומת עופרות נדירות גורם במקביל גם לעליה בחוזק ובקושי, לעומת זאת, סגסוג ע" עופרות נדירות מוריד את החוזק והקושי. את העמידות בזחילה של סגסוגות Mg-Li ניתן לשפר ע"י הוספת אופרות נדירות, כגון La (לנתן) או Ce (צריום). *יש להימנע מלהוסיף ריכוזים גדולים מדי של Al/Zn באם יש צורך בעיבוד בקור של הסגסוגת. *שימוש בעופרות נדירות, שהינן יקרות, מייקר את השימוש בסגסות Mg-Li.

22. מסגסגים נוספים והשפעותיהם Ca - הוספת Ca אף היא מעלה את החוזק של סגסוגות Mg-Li ומורידה את המשיכות, אך גם מקטינה את העמידות של הסגסוגת בקורוזיה. Mn - הוספת 0.2%wtMn משפרת אף היא את העמידות בקורוזיה אך מורידה את החוזק. Ba - הוספת בריום גורמת להיווצרות פאזה בין-מתכתית Mg17Ba2, אשר משמשת מרכז נוקליאציה בעת התמצקות פאזה α ופאזה β ובכך מאפשרת עידון הגרעינים והומוגניזציה. פאזה זו הינה בעלת מבנה hcp ועל כן ריכוז גבוה (מעל 4.5%wt) של בריום יכול אף הוא לגרום לעליה בחוזק של הסגסוגת.

23. ישנם מספר יצרנים המייצרים לוחות וצינורות עשויים מסגסוגת Mg-Li דוגמא לאחת מהחברות הנ"ל היא Bai Chuang Technology.

24. סיכום MMC מרבית ה- MMC המיוצרים כיום אינם בעליי התכונות האידיאליות אותם ביקשו המפתחים להשיג ובכך אין שימוש נרחב ב-MMC. הירידה בתכונות נגרמת משתי סיבות עיקריות: • היווצרות פאזות פריכות ופגיעה בתכונות המשריין כתוצאה מתגובה כימית בממשק בין המטריצה והמשריין. • קישור חלש בין המשריין לחומר האם כתוצאה מהרטבה לא מספקת בין השריון 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. שיטה המתארת אופן עבודה זו היא ה- Spray Atomization and Deposition בה יש שילוב של 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. סיכום-סגסוגות Mg-Li: לסגסוגות Mg-Li יתרונות רבים, כגון צפיפות נמוכה, חוזק סגולי וקושי מוגדר (specific stiffness) גבוהים, וזאת בנוסף לשאר התכונות הטובות של ה - Mg, כגון סיכוך אלקטרומגנטי, antiknock וכ"ו. סגסוגות Mg-Li הינן חומר המבנה הקל ביותר בנמצא והוספת Li מאפשרת גם פורמביליות גבוה של הסגסוגות. אם זאת, העמידות הנמוכה בזחילה ובקורוזיה והחוזק והקושי הנמוכים יחסית של סגסוגות Mg-Li (ביחס ל Ti/Al) מגביל את השימוש בסגסוגות ולמעשה מונע שימוש בהן כחומר מבנה.