Nov čas za Titanium, ki naredi močnejšo, cenejšo, bolj trajnostno kovino

Med kovinami so titanovo moč in lahkotnost, korozijska odpornost in sposobnost zdržati ekstremne temperature že dolgo ločevali njegovo vrednost, zlasti za uporabo v teži in okolju. Ko so ga prvič opisali v poznem 18. stoletju, je kovino poimenoval Titane - bogove, rojene z Zemlje in neba v starogrški mitologiji.

Čas je samo zažgal lesk Titaniuma. "Sem znanstvenik za materiale in zato me ljudje včasih vprašajo:" Kateri je vaš najljubši element? "" Pravi Andrew Minor, profesor znanosti o materialih in inženiringu. Za zgradbe, letala, rakete, vesoljske ladje in še več, pravi: "Če želite najmočnejši material za najmanjšo količino teže, je to titan. Če bi lahko, bi vse naredili iz titana."

Dejansko je za industrijske oblikovalce na primer močne, lahke, zelo varčne avtomobile, tovornjake in letala ali letala, ki so odporni na super korozije, na primer, titanij.

Problem? "To je predrago," pravi Minor o industrijsko razredu titanov ali titanovih zlitin, ki bi sicer lahko nadomestile jeklo, ko bodo zadostovali le najmočnejši, najbolj trpežni materiali. Stroški izdelave titana so približno šestkrat večji od stroškov iz nerjavečega jekla. Kot rezultat tega je njegova uporaba ostala omejena na posebne dele za vesoljsko vesoljsko, vrhunsko predmete, kot so nakit ali druge nišne aplikacije.

Še več, čisti titanij ima le zmerno moč, pojasnjuje Minor. Okrepiti ga je mogoče z elementi, kot so kisik, aluminij, molibden, vanadij in cirkonij; Vendar je to pogosto na račun duktilnosti - kovinska sposobnost, da se vleče ali deformira brez zloma.

Zdaj, po desetletju raziskav, se lahko bliža novo obdobje za Titanium, vključno z močno razširjenimi inženirskimi aplikacijami, zahvaljujoč Minorju in njegovim kolegom Berkeley, vključno z Markom Asto, Daryl Chrzanom in JW Morris Jr. znanosti in inženiringa materialov. Titanium so preizkušali in razpravljali na poljubno število načinov v upanju, da bodo razširili njegovo praktično uporabo za različne konstrukcijske ali inženirske aplikacije.

V številnih študijah so raziskovalci razvili kritična nova vpogled v titanij, vključno z recepti za izdelavo boljših titanovih zlitin, pa tudi s krio spremenjenim tehniko za izdelavo industrijskega razreda Titanium-napredek, ki bi na koncu lahko privedel do bolj stroškovno učinkovitega in trajnostnega proizvodnja.

Shematična risba krio-mehanskega procesa, ki ima za posledico nanotwind titanium.

(Ilustracija Andreja Minorja)

Kisikova zagonetka

Pomembno je razumeti, da stroški titana niso posledica njegove redkosti. Titan ni dragocena kovina; Namesto tega ga najdemo skoraj povsod po svetu, v magnetnih kamninah v bližini površine. To je deveti najpogostejši element in četrto najpogostejšo kovino in ga lahko uporabimo za izdelavo stvari tako v čisti obliki kot kot zlitini.

Namesto tega, kar poganja prekomerne stroške komercialnega titana, pojasnjuje Minor, je kompleksen postopek Kroll, ki se najpogosteje uporablja za izdelavo titanijevih palic, ingotov in drugih oblik kovine, ki jih je mogoče izdelati v uporabne dele in druge izdelke. Postopek vključuje uporabo dragih materialov, kot je argon plin, in je energijsko intenziven, kar zahteva več talin pri izjemno visokih temperaturah, zlasti za nadzor nečistočev kisika.

Dejansko imata titanij in kisik zmedeni odnos, ki so ga želeli bolje razumeti. Ekipa je vedela, da se nečistoča kisika pogosto uporablja za titanove zlitine, da izkoristi močan krepitveni učinek. Titan, narejen z le majhnim povečanjem količine atomskega kisika, lahko povzroči kovino z večkratnim povečanjem moči.

Na žalost lahko kisik prinese tudi še večje zmanjšanje duktilnosti kovine. Postane krhka in se bo zlomila in zlomila.

Toda "kisik je povsod," pravi Minor o težavah pri manevriranju okoli visoke odzivnosti Titanija na kisik. "Ne gre za nekatere nečistoče iz izvornega gradiva, ki se mu lahko preprosto izognete."

Označuje občutljivost Titaniuma na kisik kot skrajno. "Resnično je čudno, kako močna je," pravi Minor. Učinkovito vpliva na kovino, tako dobro kot slabo, medtem ko je prisotnost podobnih količin kisika nepomembna za kovine, kot sta aluminij in jeklo, ker se je pri obdelavi veliko lažje obravnavati.

Če želite izvedeti več, se je ekipa obrnila na visoko zmogljivo računalništvo, da bi modelirala proces deformacije v titanu pod stresom in z različnimi količinami kisika. Računalniški modeli, pravi Asta, so "močan nabor orodij, ki nam omogočajo raziskovanje tega izjemnega izziva v metalurgiji Titanium."

Od glavnih odkritij ekipe je premeščanje kisikovih atomov v kristalni strukturi Titaniuma, ko je kovina pod stresom, postala ključna za razumevanje izgube duktilnosti. V nedrečenem stanju molekule kisika prebivajo brez vpada v naravnih vrzeli med atomi titana. Toda pod mehanskimi silami se atomi kisika lahko premestijo na sosednje prostore, kjer zagotavljajo manjšo odpornost na dislokacije, ki, če se širijo, oslabi kovino.

"Kisik spodbuja strukturno šibkost," pravi Minor. Ko mehanske sile deformirajo kovino, lahko razseljeni kisikovi atomi, namesto da blokirajo širjenje strukturnih napak, olajšajo tako imenovani ravninski zdrs.

Planarski spodrsljaj, pravi Asta, je kot ripk napak v kovinski kristalni strukturi, ki gradijo eno na drugem, kar sčasoma vodi do zlomov, razpok in krhkega kovinskega kosa.

Da bi razumeli, kako se lahko dislokacija tvori in širi v titanu, Chrzan predlaga, da bi vizualizirali, da bi poskusili premakniti veliko, težko preprogo.

"Na enem koncu je mogoče pobrati zelo veliko preprogo in jo povleči po tleh na nov položaj," pravi. Toda še en način premikanja preproge je, da na enem koncu ustvarite valovanje, nato pa s premetavanjem nog po vrhu preproge lahko "sprehodite" valovanje do drugega konca. Pod pogojem, da nič ne blokira svojega gibanja, bo celotna preproga premeščena z razdaljo, ki je enaka širini valovanja.

Takšne "valovanja" v titaniju je mogoče videti z elektronsko mikroskopijo. "Vidite, da so vse dislokacije postavljene v vrsticah," pravi Minor. "In to je slabo za duktilnost, ker če se postavijo in sledijo samo, se ne zapletejo [in se tako ustavijo] tako, da kovina ne deluje. razpoka. "

Ustvarjanje boljših zlitin

Strategije oblikovanja, ki prekinejo proces premešanja kisika-atoma ali spodbujajo nanostrukture, da preprečijo, da bi se ravninske spodrsljale, bi lahko privedle do boljših zlitin. Te zlitine bi imele aplikacije, zlasti v avtomobilski in vesoljski industriji, pravi Minor.

Profesor Andrew Minor nalije tekoči dušik na vzorec titana, ki prikazuje postopek krio koženja, ki se uporablja za ustvarjanje nanotwinted Titanium v ​​svojem laboratoriju. (Fotografija Adama Lau / Berkeley Engineering)

Za reševanje teh in drugih težav se ekipa zanaša na kombinacijo računalniškega modeliranja, prenosne elektronske mikroskopije (TEM) in drugih načinov slikanja in poskusov.

"Ena od stvari, ki je bila pri tem projektu, je, da so včasih računalniški in teoretiki malo pred nami, drugič pa so to eksperimentalisti," pravi Asta. "Pogosto se srečujemo in govorimo o naših ugotovitvah in naših novih idejah."

Na primer, študija ekipe o občutljivosti na kisik titana je privedla do študije titana, zlitine z aluminijem in kisikom. Ugotovili so, da je mogoče embritlement s kisikom odpraviti z dodajanjem majhnih količin aluminija, zlasti pri kriogenih temperaturah, ki so spodaj -150 stopinj Celzija.

S pravim količinam aluminija in kisika, pravi ekipa, je novo urejanje kristalne strukture titana preprečilo premeščanje kisikovih atomov, kar bi privedlo do škodljivega nabiranja dislokacij in na koncu zlomov. Še več, ker je uvedba aluminija zmanjšala občutljivost kisika na splošno titana na splošno, bi se tudi zmanjšali stroški obdelave za ustvarjanje uporabne kovine.

V še eni študiji je ekipa preučila raziskave, ki so segale v šestdeseta leta prejšnjega stoletja, ki kažejo, da številne kovine in zlitine kažejo dramatično povečanje duktilnosti, kadar jih med deformacijo kovine podvržejo periodičnim električnim impulzom. Toda osnovni mehanizmi, zakaj bi bila ta tako imenovana elektroplastičnost resnična, niso jasni.

"Elektroplastičnost lahko privede do zmanjšanih stroškov za metalurško obdelavo, saj potrebuje manj energije, da tvori kovino z električnimi impulzi kot ogrevanje celotne kovine na visoko temperaturo, da doseže enako oblikovanje," pravi Minor. "Zanimivo je, da je ta učinek elektroplastičnosti univerzalen po tem, da je dokazano, da deluje v bistvu za vsako kovino, ne le za titana."

Ekipa je opravila natezne teste kovine v treh različnih pogojih: sobna temperatura brez električnega toka, s periodičnim električnim impulzom, ki traja 100 milisekund, in s konstantnim tokom. Ker nanašanje električnega toka ogreva kovino, je bila ekipa zaskrbljena zaradi razlikovanja učinkov, ki jih povzroča izključno elektrika od tistih, ki jih povzroča toplota.

Njihovi rezultati so pokazali, da je kljub uporabi manjšega periodičnega impulza kot prejšnje študije metoda impulznega toka izboljšala natezno raztezanje titanove zlitine in njegovo največjo moč. Ugotavljajo, da je bil ta učinek specifičen le za poskus impulznega toka.

S pomočjo TEM-a, da bi videli spremembe v kristalni strukturi kovine, njihovi rezultati kažejo, da zdravljenje z impulznim tokom zavira ravninske dislokacije. Raziskovalci so ugotovili, da električni impulz strdi material in frustrira razvoj ravninskega zdrsa z vzdrževanjem difuznega, 3D dislokacijskega vzorca, ki na koncu prinaša visoko trdnost in duktilnost.

Nanotwinned Titanium

Pred kratkim sta Minor in Robert Ritchie, profesorja znanosti o materialih in strojništvu, razvila pionirsko metodo obdelave v razsutem stanju, da bi naredili čisti titan, ki je cenejši, in daje kovino z večjo natezno trdnostjo in duktilnostjo.

Profesorji znanosti in inženirstva za materiale (z leve) Daryl Chrzan, Mark Asta in Andrew Minor s projektom ekipe I (mikroskop, ki ga je popravil mikroskop, ki ga je popravil elektron) v Nacionalnem centru za elektronsko mikroskopijo Berkeley Lab. (Fotografija Adama Lau / Berkeley Engineering)

Poleg zlitin je še en način za krepitev strukturnih kovin prilagoditi velikost kristalov - znano tudi kot zrno -, ki sestavljajo kovino z uporabo toplotne in mehanske obdelave, kot sta valjanje ali stiskanje. Z zmanjšanjem velikosti zrn na podmikrometri ali nanometri lahko raziskovalci uvedejo tako imenovane nanotwinned strukture ali napake v kovini, ki jih povzročajo poravnane kristalne strukture. Nanotwinned strukture izboljšujejo moč in zmanjšajo tveganje za zlom, saj delujejo kot ovira za ravninske zdrs. S prilagajanjem razmika in orientacije nanotwinned struktur, pravi Minot, lahko mehanske lastnosti še bolj optimiziramo. Toda tradicionalne metode tega niso trivialne niti poceni.

Namesto tega so Minor, Ritchie in sodelavci s krio-mehaničnim procesom uvedli več nanotwinned struktur v čistem titanu. Uporabili so kocke v obliki kocke iz titana, ki so bili stisnjeni vzdolž treh strani v tekočem dušiku. Nežno stiskanje, pravi Minor, nadzoruje gostoto nanotskih struktur, ki krepijo kovino, hkrati pa ohranijo svojo začetno strukturo zrnja. Najboljše od vsega je, da se postopek ne zanaša na intenzivno vročino in morda na bolj trajnostni način, kako narediti titanov za veliko širši razpon aplikacij kot danes.

Mehanske lastnosti krio spremenjenega materiala, zlasti trdnosti in duktilnosti, držijo izjemno visoke in kriogene temperature. Minor pravi, da je zmogljivost nanotwind Titanium idealna za stvari, kot so izjemno vroči jet motori, pa tudi zelo hladna delovna okolja, ki bi nakazovala na uporabo, kot so zadrževalni obroči za superprevodni magneti, konstrukcijski deli rezervoarjev za utekočinjeni plin, pa tudi materiali, ki morajo biti izpostavljen globokim oceanskim ali globokim vesoljskim okoljem.

Na vprašanje, ali bi lahko nov postopek izdelave titana v komercialnem razredu nekega dne kmalu pripeljal, pravi Minor, zakaj ne? Težje je narediti stvari, kot je postopek Kroll, ki se uporablja danes, kjer je treba material izolirati električno in celoten postopek ima ogromno moči. "In to krio kože, bi samo spravili stvari v kopel."