Design nových hořčíkových materiálů s vysokou teplotní odolností a jejich komplexní charakterizace

• Thesis title in Czech: Design nových hořčíkových materiálů s vysokou teplotní odolností a jejich komplexní charakterizace
• Thesis title in English: Design of novel non-flammable magnesium materials and their complex characterisation
• Academic year of topic announcement: 2021/2022
• Thesis type: dissertation
• Department: Department of Physics of Materials (32-KFM)
• Supervisor: RNDr. Jitka Stráská, Ph.D.
• Author: hidden - assigned and confirmed by the Study Dept.
• Date of registration: 06.10.2021
• Date of assignment: 06.10.2021
• Confirmed by Study dept. on: 10.11.2021

Guidelines

1. Vypracování rešerše dostupné literatury se zaměřením na hořčíkové materiály s vysokou teplotní odolností.
2. Popsání strategie vývoje vhodných slitin a navržení složení slitin pro výrobu laboratorních vzorků.
3. Příprava navržených slitin a jejich podrobná charakterizace (zkoumání mikrostruktury daných materiálů pomocí skenovací a transmisní elektronové mikroskopie a měření difrakce zpětně odražených elektronů (EBSD), měření mechanických a dalších vlastností materiálů).
4. Vyhodnocení naměřených dat, příp. navržení dalších slitin, diskuse s literaturou.
5. Zpracování výsledků výzkumu do disertační práce.

References

1. Gottstein G.: Physical foundations of materials science, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2004.
2. M. Gupta, N. M. L. Sharon: Magnesium, magnesium alloys and magnesium composites, John Wiley & Sons, 2011.
3. R. Z. Valiev, T. G. Langdon: Principles of equal-channel angular pressing as a processing tool for grain refinement, Progress in Materials Science 51 (2006) 881–981.
4. S. Tekumalla, M. Gupta, An insight into ignition factors and mechanisms of magnesium based materials: A review, Mater. Des. 113 (2017)
5. F. Czerwinski, Controlling the ignition and flammability of magnesium for aerospace applications, Corros. Sci. 86 (2014) 1–16.
6. Y.M. Kim, C.D. Yim, H.S. Kim, B.S. You, Key factor influencing the ignition resistance of magnesium alloys at elevated temperatures, Scr. Mater. 65 (2011) 958–961.
7. Další literatura dle doporučení vedoucího práce

Preliminary scope of work

Hořčíkové slitiny jsou nejlehčím konstrukčním kovovým materiálem. Použití slitin hořčíku v leteckém průmyslu (konkrétně např. konstrukce sedaček v dopravních letadlech) bylo plošně zakázáno z důvodu jejich hořlavosti. Od roku 2015 je plošný zákaz zrušen a užití těchto slitin je povolené, za podmínky že splní náročné podmínky definovaného testu hořlavosti.
Tato změna obnovila výzkumnou činnost v této oblasti včetně základního výzkumu – vztahů mezi chemickým složením slitiny, její přípravou, mikrostrukturou a hořlavostí – konkrétně zápalnou teplotou.
Rozhodujícím faktorem pro zvýšení odolnosti vůči vzplanutí je tvorba povrchových oxidických vrstev, které musejí vykazovat dostatečnou tepelnou a mechanickou stabilitu. Oxid hořečnatý MgO neposkytuje dostatečnou ochranu, a tudíž je nezbytné využít příměsové prvky. Jako nejvýhodnější se jeví použití kovů vzácných zemin (Y, Gd, Nd), jejichž oxidy se na porvchu snadno tvoří a jsou extrémně teplotně stabilní (zejm. Y2O3). Dalším, méně prozkoumaným kandidátem je použití Ca, jehož výhodou je, obzvláště ve srovnání s kovy vzácných zemin, nízká cena.
Cílem disertační práce navrhnout, vyrobit a charakterizovat slitiny Mg s vyšší zápalnou teplotou a současně vhodnými mechanickými vlastnostmi.
Pro maximalizaci odolnosti proti vzplanutí je nutné podrobně porozumět procesům oxidace a inter-difuze v hořčíkových slitinách s různým složením a mikrostrukturou. Mikrostruktura je také klíčovým faktorem pro dosažení optimálních mechanických vlastností. Součástí disertační práce bude také návrh a realizace vhodného termomechanického zpracování pro dosažení optimální mikrostruktury materiálu – velikosti zrn a obsahu částic sekundárních fází.
Pro výrobu slitin budou využity tradiční techniky odlévání a extruze a pokročilá technika pro přípravu jemnozrnných materiálů ECAP (equal channel angular pressing). Alternativní metodou výroby slitin bude využití práškové metalurgie – konkrétně sintrování elektrickým proudem (Spark Plasma Sintering – SPS). Tato metoda práškové metalurgie již byla testována pro výrobu hořčíkových slitin, avšak dosud takto nebyly připraveny slitiny navržené pro zvýšenou odolnost vůči vzplanutí. Dochází zde k synergickému efektu – pokud je slitina navržena jako odolná vůči vzplanutí, tak je práce s práškem této slitiny jednodušší a bezpečnější než v případě např. čistého hořčíku. Mícháním prášků různých (před)slitin lze dosáhnout efektivní výroby řady různých slitin pro optimalizaci jejich vlastností.
Disertační práce má výrazně experimentální charakter. Doktorand bude rozvíjet své kompetence pro využití řady výrobních a charakterizačních technik a bude se podílet na rozšiřování možností těchto technologií a metod.

Disertační práce bude řešena ve spolupráci s Ústavem kovových materiálů a korozního inženýrství, VŠCHT (prof. D. Vojtěch, dr. J. Kubásek), které disponuje odlévací pecí pro výrobu slitin hořčíku a metodou SPS. Metodu SPS lze také využít v rámci spolupráce s Ústavem fyziky plazmatu AV ČR (dr. T. Chráska). Školicí pracoviště disponuje veškerými pořebnými charakterizačními metodami. Zadání disertační práce je součástí výzkumu na školicím pracovišti.