Nowy czas na tytan, tworząc silniejszy, tańszy, bardziej zrównoważony metal

Wśród metali siła i lekkość tytanu, odporność na korozję i zdolność do wytrzymania ekstremalnych temperatur od dawna rozróżniają jego wartość, szczególnie w przypadku zastosowań wrażliwych na ciężar i środowisko. Kiedy po raz pierwszy opisano pod koniec XVIII wieku, współzależności nazwał Metal dla Tytanów - bogów zrodzonych z Ziemi i Nieba w starożytnej mitologii greckiej.

Czas tylko wypalił połysk tytanu. „Jestem naukowcem Materiałowym, więc ludzie czasami pytają mnie:„ Jaki jest twój ulubiony element? ” - mówi Andrew Minor, profesor materiałów i inżynierii. W przypadku budynków, samolotów, pocisków, statków kosmicznych i innych mówi: „Jeśli chcesz najsilniejszego materiału na najmniejszą wagę, to tytan. Gdybyśmy mogli, zrobilibyśmy wszystko z tytanu”.

Rzeczywiście, dla projektantów przemysłowych, perspektywa silnych, lekkich, wysoce oszczędnych samochodów, ciężarówek i samolotów, na przykład lub super korozji statków towarowych, tytan musi być snami.

Problem? „To zbyt drogie”-mówi Minor o stopach tytanu klasy przemysłowej lub tytanu, które w przeciwnym razie mogłyby zastąpić stal, gdy wystarczy najsilniejsze, najtrwalsze materiały. Koszt wykonania tytanu jest około sześć razy większy niż koszt stali nierdzewnej. W rezultacie jego zastosowania pozostały ograniczone do części specjalistycznych dla lotnisk, wysokiej klasy przedmiotów, takich jak biżuteria lub inne niszowe zastosowania.

Co więcej, czysty tytan ma jedynie umiarkowaną siłę, wyjaśnia Minor. Można go wzmocnić pierwiastkami takimi jak tlen, aluminium, molibden, wanad i cyrkon; Jest to jednak często kosztem plastyczności - zdolność metalu do rysowania lub deformacji bez szczelinowania.

Teraz, po dekadzie badań, może zbliżać się nowa era tytanu, w tym znacznie rozszerzone aplikacje inżynieryjne, dzięki Minor i jego kolegom z Berkeley, w tym Mark Asta, Daryl Chrzan i JW Morris Jr., a także profesorów wydziału Nauk o materiałach i inżynierii. Sondowali i produkowali tytan na dowolne sposoby w nadziei na rozszerzenie jego praktycznego zastosowania w różnych zastosowaniach konstrukcyjnych lub inżynierskich.

W szeregu badań naukowcy opracowali nowe krytyczne spostrzeżenia na temat tytanu, w tym przepisy na tworzenie lepszych stopów tytanu, a także technikę prognozowania kriogeratów w tworzeniu tytanu klasy przemysłowej-postępy, które mogą ostatecznie prowadzić do bardziej opłacalnych i zrównoważonych i zrównoważonych produkcja.

Schematyczny rysunek procesu krio-mechanicznego, który powoduje nanotwinowy tytan.

(Ilustracja Andrew Minor)

Zagadka tlenu

Ważne jest, aby zrozumieć, że koszt tytanu nie wynika z jego rzadkości. Tytan nie jest metalem szlachetnym; Raczej znajduje się prawie wszędzie na całym świecie, w skałach magmowych w pobliżu powierzchni. To dziewiąty najliczszy element Ziemi i czwarty najliczniejszy metal i można go używać do tworzenia rzeczy zarówno w czystej formie, jak i jako stopu.

Zamiast tego, co napędza nadmierne koszty tytanu komercyjnego, wyjaśnia Minor, to złożony proces krolli najczęściej stosowany do wytwarzania tytanu, wlewków i innych form metalu, które można wytworzyć w użytecznych częściach i innych produktach. Proces obejmuje stosowanie drogich materiałów, takich jak gaz argonowy, i jest energooszczędny, wymagający wielu stopów w wyjątkowo wysokich temperaturach, szczególnie w celu kontrolowania zanieczyszczeń tlenu.

Rzeczywiście, tytan i tlen mają zagadkowy związek, taki, który niewielki, Asta, Chrzan, Morris i współpracownicy chcieli lepiej zrozumieć. Zespół wiedział, że zanieczyszczenie tlenu jest często stosowane w stopach tytanu w celu wykorzystania silnego efektu wzmacniającego. Tytan wykonany z niewielkim wzrostem ilości tlenu atomowego może powodować metal o kilkoma wzrostem wytrzymałości.

Niestety tlen może również przynieść jeszcze większy spadek plastyczności metalu. Staje się krucha i pęknie i pęknie.

Ale „tlen jest wszędzie”, Minor mówi o trudności w manewrowaniu wokół wysokiej reakcji tytanu na tlen. „To nie jest pewne zanieczyszczenie pochodzące z materiału źródłowego, którego można po prostu uniknąć”.

Charakteryzuje wrażliwość tytanu na tlen jako ekstremalne. „To naprawdę dziwne, jak potężne jest” - mówi Minor. Wywiera wpływ na metal, zarówno dobry, jak i zły, podczas gdy obecność podobnych ilości tlenu jest nieznaczna w przypadku metali takich jak aluminium i stal, ponieważ można go rozwiązać w łatwiejszym przetwarzaniu.

Aby dowiedzieć się więcej, zespół zwrócił się do obliczeń o wysokiej wydajności, aby modelować proces deformacji w tytanu pod stresem i z różnymi ilością tlenu. Asta mówi, że modele komputerowe są „potężnym zestawem narzędzi, które pozwalają nam zbadać to wyjątkowe wyzwanie w metalurgii tytanu”.

Spośród głównych odkryć zespołu, tasowanie atomów tlenu w strukturze krystalicznej tytanu, gdy metal jest pod wpływem stresu, stał się kluczem do zrozumienia utraty plastyczności. W stanie nie stresowanym cząsteczki tlenu znajdują się bez incydentu w naturalnych szczelinach między atomami tytanu. Ale pod siłami mechanicznymi atomy tlenu mogą tasować do sąsiednich przestrzeni, w których zapewniają mniej odporności na zwichnięcia, które, jeśli się rozprzestrzeniają, osłabiają metal.

„Tlen promuje osłabienie strukturalne” - mówi Minor. Gdy siły mechaniczne deformują metal, przemieszczone atomy tlenu, zamiast blokujące rozprzestrzenianie się defektów strukturalnych, mogą ułatwić tak zwany poślizg płaski.

Asta mówi, że płaski poślizg jest jak falowanie defektów w strukturze krystalicznej metalu, które budują jedną na drugiej, ostatecznie prowadząc do złamań, pęknięć i kruchego kawałka metalu.

Aby zrozumieć, w jaki sposób zwichnięcie może tworzyć i rozprzestrzeniać się w tytanu, Chrzan sugeruje wizualizację próby poruszania dużego, ciężkiego dywanu.

„Bardzo duży dywan można odebrać na jednym końcu i przeciągnąć podłogę do nowej pozycji” - mówi. Ale innym sposobem na poruszanie dywanu jest stworzenie falowania na jednym końcu, a następnie, przesuwając stopy na szczycie dywanu, możesz „przejść” tętnienie do drugiego końca. Pod warunkiem, że nic nie blokuje jego ruchu, cały dywan zostanie przesunięty przez odległość równą szerokości tętnienia.

Takie „fale” w tytanu można zobaczyć za pomocą mikroskopii elektronowej. „Widoczne są wszystkie zwichnięcia, w rzędach” - mówi Minor. „I to jest szkodliwe dla plastyczności, ponieważ jeśli ustawiają się i tylko podążają za sobą, nie wpadają w powietrze [i zatem zatrzymają się], aby metal nie pracował. Dostajesz koncentrację naprężeń i tam dostajesz pęknięcie. "

Tworzenie lepszych stopów

Strategie projektowe, które zakłócają proces przetasowania tlenu lub promują nanostruktury w celu powstrzymania płaskich pośladków przed gromadzeniem się, mogą prowadzić do lepszych stopów. Minor twierdzi, że stopy te miałyby zastosowania, szczególnie w branży motoryzacyjnej i lotniczej.

Profesor Andrew Minor wlewa ciekły azot na próbkę tytanu, pokazując proces wyprodukowania krio stosowanego do tworzenia nanotwinowanego tytanu w jego laboratorium. (Zdjęcie Adama Lau / Berkeley Engineering)

Aby rozwiązać te i inne problemy, zespół polega na pomieszaniu modelowania komputerowego, transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM) oraz innych metod obrazowania i eksperymentów.

„Jedną z rzeczy, które były miłe w tym projekcie, jest to, że czasami obliczeniodawcy i teoretycy są nieco przed nami, a innym razem są eksperymentalistami” - mówi Asta. „Często spotykamy się i rozmawiamy o naszych ustaleniach i naszych nowych pomysłach”.

Na przykład badanie wrażliwości tlenu tytanu doprowadziło do badania stopu tytanu z aluminium i tlenem. Odkryli, że kruchość tlenu można wyeliminować, dodając niewielkie ilości aluminium, szczególnie w temperaturach kriogenicznych, które są poniżej -150 celsjusz.

Zespół twierdzi, że przy odpowiednim ilości aluminium i tlenu nowe zamawianie struktury krystalicznej tytanowej zapobiegało tasowi atomów tlenu, które doprowadziłyby do szkodliwego stosu zwichnięć i ostatecznie złamań. Co więcej, ponieważ wprowadzenie aluminium zmniejszyło wrażliwość tlenu tytanu, koszty przetwarzania w celu stworzenia użytecznego metalu zostałyby również obniżone.

W kolejnym badaniu zespół przyjrzał się badaniom sięgającym lat 60. XX wieku, które pokazują, że wiele metali i stopów wykazuje dramatyczny wzrost plastyczności, gdy poddano okresowym impulsom elektrycznym podczas deformacji metalu. Ale podstawowe mechanizmy tego, dlaczego ta tak zwana elastyczność może być prawdziwa, nie są jasne.

„Grelokastyczność może prowadzić do zmniejszenia kosztów przetwarzania metalurgicznego, ponieważ wymaga mniej energii do tworzenia metalu z impulsami elektrycznymi niż ogrzewanie całego metalu do wysokiej temperatury, aby osiągnąć tę samą formowalność”, mówi Minor. „Co ciekawe, ten efekt galwastyczności jest uniwersalny, ponieważ wykazano, że działa zasadniczo dla każdego metalu, nie tylko tytanu”.

Zespół przeprowadził testy metalowe w trzech różnych warunkach: temperatura pokojowa bez prądu elektrycznego, z okresowym impulsem elektrycznym wynoszącym 100 milisekund i z stałym prądem. Ponieważ stosowanie prądu elektrycznego ogrzewa metalu, zespół martwił się odróżnieniem efektów spowodowanych wyłącznie energią elektryczną od tych spowodowanych ciepłem.

Ich wyniki wykazały, że pomimo zastosowania mniejszego okresowego impulsu niż poprzednie badania, metoda pulsacyjna poprawiła rozciąganie stopu tytanu, a także jego maksymalną wytrzymałość. Zauważają, że efekt ten był specyficzny tylko dla eksperymentu pulsacyjnego.

Przy pomocy TEM w celu dostrzeżenia zmian w strukturze krystalicznej metalu ich wyniki sugerują, że leczenie pulsacyjne tłumi zwichnięcia poślizgu płaskiego. Naukowcy odkryli, że impuls elektryczny utwardza ​​materiał i frustruje rozwój płaskiego poślizgu, utrzymując rozproszony wzór zwichnięcia 3D, który ostatecznie zapewnia wysoką wytrzymałość i ciągliwość.

Nanotwinowy tytan

Ostatnio Minor i Robert Ritchie, profesorowie nauk o materiałach i inżynierii mechanicznej, opracowali pionierską metodę przetwarzania masowego, aby wytwarzać czysty tytan, który jest tańszy i daje metal o większej wytrzymałości na rozciąganie i plastyczności.

Profesorowie nauk o materiałach i inżynierii (od lewej) Daryl Chrzan, Mark Atta i Andrew Minor z projektem Team I (mikroskop z zakorygą transmisji elektronów) w National Center for Electron Mikroskopii Berkeley Lab. (Zdjęcie Adama Lau / Berkeley Engineering)

Oprócz stopów, innym sposobem na wzmocnienie metali strukturalnych jest dostosowanie wielkości kryształów - znanych również jako ziarno - które tworzą metal za pomocą ciepła i mechanicznego przetwarzania, takiego jak toczenie lub nacisk. Zmniejszając wielkość ziarna do sub-mikrometrów lub nanometrów, naukowcy mogą wprowadzać tak zwane struktury nanorotwowe lub defekty w metalu spowodowanym przez wyrównane struktury krystaliczne. Struktury nanotwin poprawiają siłę i obniżają ryzyko pęknięcia, działając jako bariera dla płaskich poślizgów. Minor twierdzi, że poprzez dostosowanie odstępów i orientacji struktur nanotwinowych, właściwości mechaniczne można jeszcze bardziej zoptymalizować. Ale tradycyjne metody robienia tego nie są ani trywialne, ani tanie.

Zamiast tego Minor, Ritchie i współpracownicy wprowadzili wiele struktur nanotwinowych w czystym tytanie za pomocą procesu krio-mechanicznego. Użyli kawałków tytanu w kształcie kostki, które były prasowane wzdłuż trzech stron w ciekłym azocie. Minor, jak mówi Minor, delikatna kompresja, kontroluje gęstość struktur nanotwinowych, które wzmacniają metal, jednocześnie zachowując jego początkową strukturę ziarna. Co najlepsze, proces ten nie opiera się na intensywnym upale i być może bardziej zrównoważonym sposobom tworzenia tytanu dla znacznie szerszego zakresu zastosowań niż dzisiaj.

Właściwości mechaniczne materiału krio-wyprodukowanego, w szczególności wytrzymałości i plastyczności, utrzymują się w bardzo wysokich, jak i kriogenicznych temperaturach. Minor twierdzi, że wydajność nanotwinowanego tytanu sprawia, że ​​jest idealny do takich rzeczy, jak bardzo gorące silniki odrzutowe, a także bardzo zimne środowiska operacyjne, które sugerowałyby zastosowania takie jak powstrzymanie pierścieni do magnesy nadprzewodnictwa, części strukturalne zbiorników skroplonego gazu ziemnego, a także materiały, do których można znaleźć materiały narażone na głębokie środowiska oceaniczne lub głębokie.

Zapytany, czy nowy proces wytwarzania tytanu klasy komercyjnej może zostać wkrótce wniesiony do skali, Minor mówi: Dlaczego nie? Trudniej jest robić takie rzeczy, jak stosowany dzisiaj proces Krolla, w którym materiał musi być izolowany elektrycznie, a cały proces przyjmuje ogromne ilości mocy. „I to kriokowanie, po prostu wkładalibyśmy rzeczy do kąpieli”.