Un timp nou pentru titan, făcând un metal mai puternic, mai ieftin, mai durabil

Printre metale, rezistența și ușurința titanului, rezistența la coroziune și capacitatea de a rezista la temperaturi extreme și-au distins mult timp valoarea, în special pentru aplicațiile sensibile la greutate și în 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 ars doar strălucirea Titaniului. „Sunt un om de știință de materiale și, așadar, oamenii mă întreabă uneori:„ Care este elementul tău preferat? ”, Spune Andrew Minor, profesor de știință și inginerie a materialelor. Pentru clădiri, avioane, rachete, nave spațiale și multe altele, spune el: „Dacă doriți cel mai puternic material pentru cea mai mică cantitate de greutate, este titan. Dacă am putea, am face totul din titan”.

Într-adevăr, pentru designerii industriali, perspectiva mașinilor, camioanelor și avioanelor puternice, ușoare, extrem de eficiente în materie de combustibil, sau nave de marfă rezistente la coroziune, Titanul trebuie să fie lucrurile viselor.

Problema? „Este prea scump”, spune Minor despre aliaje de titan sau titan de calitate industrială, care altfel ar putea înlocui oțelul atunci când vor fi suficiente doar cele mai puternice materiale. 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 articole aerospațiale, de înaltă calitate, precum bijuterii sau alte aplicații de nișă.

Mai mult, pură titan are doar o putere moderată, explică Minor. Poate fi întărit cu elemente precum oxigenul, aluminiul, molibdenul, vanadiul și zirconiul; Cu toate acestea, aceasta este adesea în detrimentul ductilității - capacitatea unui metal de a fi desenată sau deformată fără fracturare.

Acum, după un deceniu de cercetare, s -ar putea apropia o nouă eră pentru titan, inclusiv aplicații de inginerie extinse foarte extinse, datorită colegilor săi Minor și Berkeley, inclusiv Mark Asta, Daryl Chrzan și JW Morris Jr. de știință și inginerie a materialelor. Au sondat și au obținut titan în orice mod în speranța de a -și extinde utilizarea practică pentru o varietate de aplicații structurale sau de inginerie.

Într-o serie de studii, cercetătorii au dezvoltat noi perspective critice despre titan, inclusiv rețete pentru îmbunătățirea aliajelor de titan mai bune, precum și o tehnică crio-forjată pentru a face titan de calitate industrială-avansuri care ar putea duce în cele din urmă la mai eficient și mai durabil fabricație.

Un desen schematic al procesului crio-mecanic care are ca rezultat titan nanotwinned.

(Ilustrație de Andrew Minor)

Conundrul de oxigen

Este important să înțelegem că costul titanului nu se datorează rarității sale. Titanul nu este un metal prețios; Mai degrabă, se găsește aproape peste tot în întreaga lume, în roci igrene de lângă suprafață. Este cel de -al nouălea element cel mai abundent al Pământului și al patrulea cel mai abundent metal și poate fi folosit pentru a face lucrurile atât în ​​forma sa pură, cât și ca aliaj.

În schimb, ceea ce determină costul excesiv al titanului de calitate comercială, explică Minor, este procesul complex Kroll cel mai des utilizat 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 precum gazul argon și este intensiv în energie, necesitând topituri multiple la temperaturi extrem de ridicate, în special pentru a controla impuritățile de oxigen.

Într -adevăr, titanul și oxigenul au o relație nedumerită, una pe care minoră, Asta, Chrzan, Morris și colegii au dorit să o înțeleagă mai bine. Echipa știa că o impuritate de oxigen este adesea folosită pentru ca aliajele de titan pentru a valorifica un efect puternic de întărire. Titanul realizat cu o creștere minusculă a cantității de oxigen atomic poate duce la un metal cu o creștere de mai multe ori a rezistenței.

Din păcate, oxigenul poate produce, de asemenea, o scădere și mai mare a ductilității metalului. Devine fragil și se va fractura și se va rupe.

Dar „oxigenul este peste tot”, spune Minor despre dificultatea de a manevra sensibilitatea ridicată a titanului la oxigen. „Nu este o anumită impuritate care provin din materialul sursă pe care îl puteți evita.”

El caracterizează sensibilitatea Titanului la oxigen ca fiind extremă. „Este cu adevărat ciudat cât de puternic este”, spune Minor. Exercitează efecte asupra metalului, atât bun, cât și rău, în timp ce prezența unor cantități similare de oxigen este nesemnificativă pentru metale precum aluminiu și oțel, deoarece poate fi tratată în procesarea mult mai ușor.

Pentru a afla mai multe, echipa a apelat la un calcul performant pentru a modela procesul de deformare în titan sub stres și cu cantități diferite de oxigen. Modelele de calculator, spune ASTA, sunt un „set puternic de instrumente care ne permit să investigăm această provocare excepțională în metalurgia titanului”.

Dintre descoperirile majore ale echipei, o explozie a atomilor de oxigen în structura cristalină a Titanului atunci când metalul este sub stres a devenit esențial pentru înțelegerea pierderii ductilității. Într-o stare non-stresată, moleculele de oxigen rezidă fără incidente în goluri naturale dintre atomii de titan. Dar sub forțe mecanice, atomii de oxigen se pot amesteca până la spațiile adiacente, unde oferă o rezistență mai mică la luxații 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 o așa-numită alunecare plană.

O alunecare plană, spune Asta, este ca o ondulare de defecte în structura de cristal a metalului care construiește una pe cealaltă, ceea ce duce la fracturi, fisuri și o bucată de metal fragilă.

Pentru a înțelege cum se poate forma și răspândi o dislocare în titan, Chrzan sugerează vizualizarea încercării de a muta un covor mare și greu.

„Un covor foarte mare poate fi ridicat la un capăt și târât pe podea până la o nouă poziție”, spune el. Dar un alt mod de a mișca covorul este de a crea o ondulare la un capăt și apoi, prin a -ți arunca picioarele pe partea de sus a covorului, poți „plimba” ondularea spre celălalt capăt. Cu condiția ca nimic să -și blocheze mișcarea, întregul covor va fi deplasat cu o distanță egală cu lățimea ondulării.

Astfel de „ondulări” în titan pot fi văzute cu microscopie electronică. „Puteți vedea că toate luxațiile sunt aliniate, în rânduri”, spune Minor. „Și asta este rău pentru ductilitate, deoarece dacă se aliniază și se urmează doar reciproc, nu se încurcă [și astfel s -au oprit] astfel încât metalul să nu lucreze. o fisură. "

Creând aliaje mai bune

Strategiile de proiectare care întrerupe procesul de amestecare a atomului de oxigen sau promovează nanostructurile pentru a opri alunecările plane să se acumuleze ar putea duce la aliaje mai bune. Aceste aliaje ar avea aplicații, în special în industria auto și aerospațială, spune Minor.

Profesorul Andrew Minor toarnă azot lichid pe un eșantion de titan, demonstrând procesul de crio-forjare utilizat pentru a crea titan nanotwinned în laboratorul său. (Foto de Adam Lau / Berkeley Engineering)

Pentru a aborda aceste probleme și alte probleme, echipa se bazează pe un amestec de modelare computerizată, microscopie electronică de transmisie (TEM) și alte modalități imagistice și experimente.

„Unul dintre lucrurile care au fost drăguțe în acest proiect este că, uneori, calcularii și teoreticienii sunt puțin înainte, iar alteori sunt experimentaliștii”, spune Asta. „Ne întâlnim frecvent și vorbim despre concluziile noastre și despre noile noastre idei”.

Studiul echipei privind sensibilitatea la oxigen a titanului, de exemplu, a dus la un studiu al titanului aliat cu aluminiu și oxigen. Ei au descoperit că îmbrățișarea de oxigen ar putea fi eliminată prin adăugarea unor cantități mici de aluminiu, în special la temperaturi criogene, care sunt sub -150 grade Celsius.

Cu doar cantitățile potrivite de aluminiu și oxigen, spune echipa, o nouă comandă a structurii de cristal de titan a împiedicat o amestecare a atomilor de oxigen care ar duce la o acumulare dăunătoare de dislocări și, în final, la fracturi. Mai mult, deoarece introducerea aluminiului a redus sensibilitatea la oxigen a titanului în general, costurile de procesare pentru crearea unui metal utilizabil ar fi, de asemenea, reduse.

Într -un alt studiu, echipa a analizat cercetările care se întorc în anii 1960, arătând că multe metale și aliaje afișează creșteri dramatice ale ductilității atunci când sunt supuse impulsurilor electrice periodice în timpul deformării metalului. Dar mecanismele de bază de ce această așa-numită electroplasticitate ar putea fi adevărate nu sunt clare.

„Electroplasticitatea poate duce la costuri reduse pentru procesarea metalurgică, deoarece este nevoie de mai puțină energie pentru a forma metal cu impulsuri electrice decât încălzirea întregului metal la o temperatură ridicată pentru a obține aceeași formabilitate”, spune Minor. "Interesant, acest efect al electroplasticității este universal prin faptul că s -a dovedit că funcționează în esență pentru fiecare metal, nu doar pentru titan."

Echipa a efectuat teste la tracțiune ale metalului în trei condiții diferite: temperatura camerei fără curent electric, cu un impuls electric periodic cu o durată de 100 de milisecunde și cu un curent constant. Deoarece aplicarea curentului electric încălzește metalul, echipa era îngrijorată de distingerea efectelor cauzate exclusiv de electricitate de cele cauzate de căldură.

Rezultatele lor au arătat că, în ciuda utilizării unui puls periodic mai mic decât studiile anterioare, metoda cu curent pulsat a îmbunătățit alungirea la tracțiune a aliajului de titan, precum și rezistența sa maximă. Ei observă că acest efect a fost specific numai pentru experimentul cu curent pulsat.

Cu ajutorul TEM pentru a vedea modificări în structura cristalului metalului, rezultatele lor sugerează că tratamentul cu curent pulsat suprimă luxațiile de alunecare plană. Cercetătorii au descoperit că pulsul electric întărește materialul și frustrează dezvoltarea alunecării plane prin menținerea unui model difuz, 3D, care în cele din urmă oferă o rezistență ridicată și ductilitate.

Titan nanotwinned

Cel mai recent, Minor și Robert Ritchie, profesori de știință a materialelor și inginerie mecanică, au dezvoltat o metodă de procesare în vrac de pionierat pentru a face titan pur, care este mai puțin costisitor și produce un metal cu o rezistență la tracțiune și o ductilitate mai mare.

Profesorii de știință și inginerie a materialelor (de la stânga) Daryl Chrzan, Mark Asta și Andrew Minor cu echipa I (microscopul corectat al echipei I (Transmission Electron Aberaration Corect) la Centrul Național pentru Microscopie electronică Berkeley Lab. (Foto de Adam Lau / Berkeley Engineering)

În afară de aliaje, un alt mod de a consolida metalele structurale este de a adapta dimensiunea cristalelor - cunoscute și sub denumirea de cereale - care alcătuiesc metalul prin utilizarea căldurii și a procesării mecanice, cum ar fi rularea sau presarea. Prin reducerea mărimii cerealelor la sub-micrometre sau nanometri, cercetătorii pot introduce așa-numitele structuri nanotwinned sau defecte ale metalului cauzate de structuri cristaline aliniate. Structurile nanotwinned îmbunătățesc rezistența și scad riscul de fractură, acționând ca o barieră pentru alunecările plane. Prin adaptarea distanțării și orientării structurilor nanotwinned, spune Minor, proprietățile mecanice pot fi optimizate și mai mult. Dar metodele tradiționale de a face acest lucru nu sunt nici banale, nici ieftine.

În schimb, minor, Ritchie și colegii au introdus multiple structuri nanotwinned în titan pur cu ajutorul unui proces crio-mecanic. Au folosit bucăți de titan în formă de cub care au fost presate de-a lungul a trei părți în azot lichid. Compresia blândă, spune Minor, controlează densitatea structurilor nanotwinned care întăresc metalul, păstrându -și în același timp structura inițială a cerealelor. Cel mai bine, procesul nu se bazează pe căldură intensă și poate o modalitate mai durabilă de a face titan pentru o gamă mult mai largă de aplicații decât în ​​prezent.

Proprietățile mecanice ale materialului crio-forjat, în special rezistența și ductilitatea, se mențin la temperaturi extrem de ridicate, precum și la temperaturi criogene. Minor spune că performanța titanului nanotwinned îl face ideal pentru lucruri precum motoarele cu jet extrem de cald, precum și medii de operare foarte reci, care ar sugera utilizări precum reținerea inelelor pentru magneți superconductori, părți structurale ale rezervoarelor de gaze naturale lichefiate, precum și materiale care trebuie să fie care trebuie să fie expus la medii adânci ale spațiului oceanului sau profund.

Întrebat dacă noul proces de fabricare a titanului de calitate comercială ar putea fi adus la scară într-o zi în curând, spune Minor, de ce nu? Este mai greu să faci lucruri precum procesul Kroll folosit astăzi, unde materialul trebuie izolat electric, iar întregul proces necesită o cantitate masivă de putere. „Și această criză, am fi doar să punem lucrurile într-o baie”.