Nowy czas dla tytanu (1)
Spośród metali jego wartość, szczególnie w zastosowaniach wrażliwych na wagę i środowisko, od dawna wyróżnia wytrzymałość i lekkość tytanu, odporność na korozję i zdolność wytrzymywania ekstremalnych temperatur. Kiedy po raz pierwszy opisano go pod koniec XVIII wieku, współodkrywca nazwał ten metal imieniem Tytanów – bogów zrodzonych z ziemi i nieba w mitologii starożytnej Grecji.
Czas jedynie wypolerował blask tytanu. „Jestem naukowcem zajmującym się materiałami i dlatego czasami ludzie pytają mnie: «Jaki jest twój ulubiony element?»” – mówi Andrew Minor, profesor nauk o materiałach i inżynierii. W przypadku budynków, samolotów, rakiet, statków kosmicznych i nie tylko, mówi: „Jeśli potrzebujesz najmocniejszego materiału przy jak najmniejszej wadze, wybierz tytan. Gdybyśmy mogli, wszystko zrobilibyśmy z tytanu”.
Rzeczywiście, dla projektantów przemysłowych, perspektywicznych na przykład mocnych, lekkich i wysoce oszczędnych samochodów, ciężarówek i samolotów lub superodpornych na korozję statków towarowych, tytan musi być spełnieniem marzeń.
Problem? „To zbyt drogie” – mówi Minor o tytanie lub stopach tytanu klasy przemysłowej, które w przeciwnym razie mogłyby zastąpić stal, gdy wystarczą tylko najmocniejsze i najtrwalsze materiały. Koszt wytworzenia tytanu jest około sześciokrotnie większy niż koszt stali nierdzewnej. W rezultacie jego zastosowania pozostały ograniczone do specjalistycznych części dla przemysłu lotniczego, przedmiotów z najwyższej półki, takich jak biżuteria, lub innych zastosowań niszowych.
Co więcej, czysty tytan ma jedynie umiarkowaną wytrzymałość, wyjaśnia Minor. Można go wzmocnić pierwiastkami takimi jak tlen, aluminium, molibden, wanad i cyrkon; jednakże często dzieje się to kosztem plastyczności – zdolności metalu do rozciągania lub odkształcania bez pękania.
Teraz, po dziesięciu latach badań, może nadejść nowa era tytanu, obejmująca znacznie rozszerzone zastosowania inżynieryjne, dzięki Minorowi i jego współpracownikom z Berkeley, w tym Markowi Aście, Darylowi Chrzanowi i JW Morrisowi Jr., również profesorom na Wydziale Inżynierii Materiałowej. Badali i szturchali tytan na wiele sposobów, mając nadzieję na poszerzenie jego praktycznego zastosowania w różnych zastosowaniach konstrukcyjnych lub inżynieryjnych.
Zamiast tego tym, co powoduje nadmierny koszt tytanu klasy handlowej, wyjaśnia Minor, jest złożony proces Krolla, najczęściej stosowany do wytwarzania prętów, wlewków i innych form metalu z tytanu, z których można uzyskać użyteczne części i inne produkty. Proces ten obejmuje zastosowanie drogich materiałów, takich jak gazowy argon, i jest energochłonny, wymaga wielokrotnych stopień w ekstremalnie wysokich temperaturach, zwłaszcza w celu kontrolowania zanieczyszczeń tlenowych.
Rzeczywiście, tytan i tlen mają zagadkową relację, którą Minor, Asta, Chrzan, Morris i współpracownicy chcieli lepiej zrozumieć. Zespół wiedział, że w stopach tytanu często stosuje się zanieczyszczenie tlenowe, aby wykorzystać silny efekt wzmacniający. Tytan wytworzony przy niewielkim zwiększeniu ilości tlenu atomowego może dać metal o kilkukrotnym wzroście wytrzymałości.
Niestety tlen może również spowodować jeszcze większe zmniejszenie plastyczności metalu. Staje się kruchy, pęka i pęka.
Jednak „tlen jest wszędzie” – Minor mówi o trudnościach w manewrowaniu wokół wysokiej reakcji tytanu na tlen. „To nie jest zanieczyszczenie pochodzące z materiału źródłowego, którego można po prostu uniknąć”.
Charakteryzuje wrażliwość tytanu na tlen jako ekstremalną. „To naprawdę dziwne, jaką ma moc” – mówi Minor. Wywiera wpływ na metal, zarówno dobry, jak i zły, natomiast obecność podobnych ilości tlenu jest nieistotna w przypadku metali takich jak aluminium i stal, ponieważ można go znacznie łatwiej poddać obróbce.
Aby dowiedzieć się więcej, zespół zajął się obliczeniami o wysokiej wydajności, aby modelować proces odkształcania tytanu pod wpływem naprężeń i przy różnej ilości tlenu. Modele komputerowe, mówi Asta, to „potężny zestaw narzędzi, które pozwalają nam zbadać to wyjątkowe wyzwanie w metalurgii tytanu”.
Do najważniejszych odkryć zespołu należy kluczem do zrozumienia utraty plastyczności jest przemieszanie atomów tlenu w strukturze krystalicznej tytanu, gdy metal jest poddawany naprężeniom. W stanie nienaprężonym cząsteczki tlenu bez przeszkód znajdują się w naturalnych szczelinach pomiędzy atomami tytanu. Jednak pod wpływem sił mechanicznych atomy tlenu mogą przemieszczać się do sąsiednich przestrzeni, gdzie zapewniają mniejszą odporność na dyslokacje, które w przypadku rozprzestrzeniania się osłabiają metal.
„Tlen powoduje osłabienie strukturalne” – mówi Minor. Gdy siły mechaniczne odkształcają metal, przemieszczone atomy tlenu, zamiast blokować rozprzestrzenianie się defektów strukturalnych, mogą ułatwiać tzw. Poślizg płaski.
Płaski poślizg, mówi Asta, przypomina falę defektów w strukturze krystalicznej metalu, które narastają jeden na drugim, ostatecznie prowadząc do pęknięć, pęknięć i kruchego kawałka metalu.
Aby zrozumieć, w jaki sposób w tytanie może powstawać i rozprzestrzeniać się przemieszczenie, Chrzan sugeruje wizualizację próby przesunięcia dużego, ciężkiego dywanu.
„Bardzo duży dywan można chwycić za jeden koniec i przeciągnąć po podłodze w nowe miejsce” – mówi. Innym sposobem przesuwania dywanu jest utworzenie fałdy na jednym końcu, a następnie przesunięcie stóp po górnej krawędzi dywanu pozwala „przejść” falę na drugi koniec. Jeśli nic nie blokuje jego ruchu, cały dywan zostanie przesunięty o odległość równą szerokości fali.
Takie „fale” w tytanie można zobaczyć pod mikroskopem elektronowym. „Widać, że wszystkie dyslokacje są ułożone w rzędach” – mówi Minor. „A to niekorzystnie wpływa na plastyczność, ponieważ jeśli ustawiają się w jednej linii i tylko podążają za sobą, nie splątują się [i w ten sposób nie zatrzymują] tak, że metal nie twardnieje. Występuje koncentracja naprężeń i wtedy właśnie dochodzi do pęknięcie.”
(Ciąg dalszy)