Un nou timp pentru titan (1)

Dintre metale, rezistența și ușurința titanului, rezistența la coroziune și capacitatea de a rezista la temperaturi extreme au distins de multă vreme valoarea acestuia, în special pentru aplicațiile sensibile la greutate și la mediu. Când a fost descris pentru prima dată la sfârșitul secolului al XVIII-lea, un co-descoperitor a numit metalul pentru Titani - zei născuți din Pământ și cer în mitologia greacă antică.

Timpul a șlefuit doar luciul titanului. „Sunt un om de știință în materiale și așa că oamenii mă întreabă uneori: „Care este elementul tău preferat?””, spune Andrew Minor, profesor de știința și inginerie a materialelor. Pentru clădiri, avioane, rachete, nave spațiale și multe altele, el spune: „Dacă doriți cel mai puternic material pentru o greutate minimă, acesta este titan. Dacă am putea, am face totul din titan”.

Într-adevăr, pentru designerii industriali, perspectiva unor mașini, camioane și avioane puternice, ușoare și foarte eficiente din punct de vedere al consumului de combustibil, de exemplu, sau a unor nave de marfă super rezistente la coroziune, titanul trebuie să fie obiectul de vis.

Problema? „Este prea scump”, spune Minor despre titanul de calitate industrială sau aliajele de titan care altfel ar putea înlocui oțelul atunci când doar cele mai puternice și mai durabile materiale vor fi suficiente. Costul fabricării titanului este de aproximativ șase ori mai mare decât cel al oțelului inoxidabil. Drept urmare, utilizările sale au rămas limitate la piese de specialitate pentru industria aerospațială, articole de ultimă generație precum bijuterii sau alte aplicații de nișă.

În plus, titanul pur are o rezistență moderată, explică Minor. Poate fi întărit cu elemente precum oxigen, aluminiu, molibden, vanadiu și zirconiu; cu toate acestea, aceasta este adesea în detrimentul ductilității - capacitatea unui metal de a fi tras sau deformat fără a se fractura.

Acum, după un deceniu de cercetări, s-ar putea să se apropie o nouă eră pentru titan, inclusiv aplicații de inginerie foarte extinse, datorită lui Minor și colegilor săi din Berkeley, inclusiv Mark Asta, Daryl Chrzan și JW Morris Jr., de asemenea profesori în cadrul departamentului. de Știința și Ingineria Materialelor. Ei au testat și au încercat titanul în mai multe moduri, în speranța de a-și extinde utilizarea practică pentru o varietate de aplicații structurale sau de inginerie.

În schimb, ceea ce determină costul excesiv al titanului de calitate comercială, explică Minor, este procesul complex Kroll cel mai des folosit pentru a face bare de titan, lingouri și alte forme de metal care pot fi fabricate în piese utilizabile și alte produse. Procesul include utilizarea de materiale scumpe, cum ar fi gazul argon, și este consumator de energie, necesitând mai multe topituri la temperaturi extrem de ridicate, în special pentru a controla impuritățile de oxigen.

Într-adevăr, titanul și oxigenul au o relație uluitoare, una pe care Minor, Asta, Chrzan, Morris și colegii au vrut să o înțeleagă mai bine. Echipa știa că o impuritate de oxigen este adesea folosită pentru aliajele de titan pentru a valorifica un efect puternic de întărire. Titanul făcut doar cu o mică creștere a cantității de oxigen atomic poate duce la un metal cu o creștere de câteva ori a rezistenței.

Din păcate, oxigenul poate produce și o scădere și mai mare a ductilității metalului. Devine casant și se va rupe și se va rupe.

Dar „oxigenul este peste tot”, spune Minor despre dificultatea de a manevra în jurul capacității de răspuns ridicate a titanului la oxigen. „Nu este o impuritate care provine din materialul sursă pe care să o poți evita.”

El caracterizează sensibilitatea titanului la oxigen ca fiind extremă. „Este cu adevărat ciudat cât de puternic este”, spune Minor. Ea exercită efecte asupra metalului, atât bune, cât și rele, în timp ce prezența unor cantități similare de oxigen este nesemnificativă pentru metale precum aluminiul și oțelul, deoarece poate fi tratată în procesare mult mai ușor.

Pentru a afla mai multe, echipa a apelat la calcularea de înaltă performanță pentru a modela procesul de deformare a titanului sub stres și cu cantități diferite de oxigen. Modelele computerizate, spune Asta, sunt „un set puternic de instrumente care ne permit să investigăm această provocare remarcabilă în metalurgia titanului”.

Dintre descoperirile majore ale echipei, o amestecare a atomilor de oxigen în structura cristalină a titanului atunci când metalul este sub stres a devenit cheia pentru înțelegerea pierderii ductilității. Într-o stare nestresată, moleculele de oxigen se află fără incidente în golurile naturale dintre atomii de titan. Dar sub forțele mecanice, atomii de oxigen se pot amesteca în spațiile adiacente unde oferă o rezistență mai mică la dislocații care, dacă se răspândesc, slăbesc metalul.

„Oxigenul promovează o slăbiciune structurală”, spune Minor. Pe măsură ce forțele mecanice deformează metalul, atomii de oxigen deplasați, mai degrabă decât să blocheze răspândirea defectelor structurale, pot facilita așa-numita alunecare plană.

O alunecare plană, spune Asta, este ca un val de defecte în structura de cristal a metalului care se construiesc unul pe celălalt, ducând în cele din urmă la fracturi, fisuri și o bucată de metal fragilă.

Pentru a înțelege cum se poate forma și răspândi o luxație în titan, Chrzan sugerează să vizualizeze încercarea de a muta un covor mare și greu.

„Un covor foarte mare poate fi ridicat de la un capăt și târât pe podea într-o nouă poziție”, spune el. Dar un alt mod de a muta covorul este de a crea o ondulație la un capăt și apoi, amestecând picioarele peste partea superioară a covorului, puteți „plimba” ondulația la celălalt capăt. Cu condiția ca nimic să nu-i blocheze mișcarea, întregul covor va fi deplasat cu o distanță egală cu lățimea ondulației.

Astfel de „unduri” din titan pot fi observate cu microscopia electronică. „Puteți vedea că toate luxațiile sunt aliniate, pe rânduri”, spune Minor. „Și asta este rău pentru ductilitate, deoarece dacă se aliniază și se urmăresc doar unul pe celălalt, nu se încurcă [și astfel se opresc] astfel încât metalul să nu se întărească. Obții o concentrare a stresului și de aici ajungi. o fisură”.

(De continuat)