Uusi aika titaanille, mikä tekee vahvemman, halvemman, kestävämmän metallin

Metallien joukossa titaanin lujuus ja keveys, korroosionkestävyys ja kyky kestää äärimmäiset lämpötilat ovat pitkään erottaneet sen arvon, etenkin paino- ja ympäristöherkät sovellukset. Kun sitä kuvailtiin ensimmäisen kerran 1800 -luvun lopulla, totaanit nimittivät metallit - maan ja taivaan syntyneet jumalat muinaiskreikkalaisessa mytologiassa.

Aika on vain kiittänyt titaanin kiiltoa. "Olen materiaalitieteilijä, ja niin ihmiset kysyvät joskus minulta:" Mikä on suosikkisi elementtisi? "" Sanoo ANDREW, Materiaalitieteen ja tekniikan professori Andrew Minor. Rakennuksille, lentokoneille, ohjuksille, avaruusaluksille ja muille hän sanoo: "Jos haluat vahvimman materiaalin vähiten painoa, se on titaani. Jos voisimme, me tekisimme kaiken titaanista."

Todellakin teollisuussuunnittelijoille, esimerkiksi vahvojen, kevyiden, erittäin polttoainetaloudellisten autojen, kuorma-autojen ja lentokoneiden mahdollisuus tai super korroosioiden kestävät rahtilaivot, titaani on oltava unelmien juttu.

Ongelma? "Se on liian kallista", Minor sanoo teollisuusluokan titaanista tai titaaniseoksista, jotka saattavat muuten korvata teräs, kun vain vahvin, kestävimmät materiaalit riittävät. Titaniumin valmistuskustannukset ovat noin kuusi kertaa suurempia kuin ruostumattoman teräksen. Seurauksena on, että sen käyttö on pysynyt rajoittuneena erikoisosiin ilmailu-, huippuluokan esineisiin, kuten koruihin tai muihin markkinarakoihin.

Lisäksi puhtaalla titaanilla on vain kohtalainen lujuus, Minor selittää. Sitä voidaan vahvistaa elementeillä, kuten happea, alumiinia, molybdeeniä, vanadiinia ja zirkoniumia; Se on kuitenkin usein ulottuvuuden kustannuksella - metallin kykyä piirtää tai muodonmuutoksia ilman murtumista.

Nyt vuosikymmenen tutkimuksen jälkeen uusi titaani -aikakausi, mukaan lukien huomattavasti laajennetut tekniikan sovellukset, saattaa lähestyä Minorin ja hänen Berkeley -kollegoidensa, mukaan lukien Mark Asta, Daryl Chrzan ja JW Morris Jr., kiitos myös osastolla. materiaalitieteestä ja tekniikasta. He ovat koettelin ja tuoneet titaania monilla tavoilla toivoen laajentavansa käytännöllistä käyttöä moniin rakenne- tai tekniikan sovelluksiin.

Tutkimuksissa tutkijat ovat kehittäneet kriittisiä uusia näkemyksiä titaanista, mukaan lukien reseptit paremman titaaniseosten valmistamiseksi sekä kryo-fored-tekniikka teollisuusluokan titaanin valmistukseen-edistyksiin, jotka voisivat lopulta johtaa kustannustehokkaampaan ja kestävään valmistus.

Kaavamainen piirustus kryo-mekaanisesta prosessista, joka johtaa nanotwinoituun titaaniin.

(Esimerkki Andrew Minor)

Happea

On tärkeää ymmärtää, että titaanin kustannukset eivät johdu sen harvinaisuudesta. Titanium ei ole jalometalli; Pikemminkin sitä löytyy melkein kaikkialta ympäri maailmaa, pinnan lähellä olevista kivistä. Se on maan yhdeksäs runsain elementti ja neljäs runsain metalli, ja sitä voidaan käyttää asioiden tekemiseen sekä puhtaassa muodossa että seoksena.

Sen sijaan se, mikä johtaa kaupallisen titaanin liiallisiin kustannuksiin, Minor selittää, on monimutkainen Kroll-prosessi, jota käytetään useimmiten titaanipalkkien, harkkojen ja muiden metallimuotojen valmistukseen, jotka voidaan valmistaa käyttökelpoisiin osiin ja muihin tuotteisiin. Prosessi sisältää kalliiden materiaalien, kuten argon-kaasun, käytön, ja se on energiaintensiivistä, mikä vaatii useita sulaa erittäin korkeissa lämpötiloissa, etenkin hapen epäpuhtauksien hallitsemiseksi.

Titaanilla ja hapella on todellakin hämmentävä suhde, joka alaikäinen Asta, Chrzan, Morris ja kollegat ovat halunneet ymmärtää paremmin. Ryhmä tiesi, että hapen epäpuhtausta käytetään usein titaaniseoksissa voimakkaan vahvistavan vaikutuksen hyödyntämiseksi. Titanium, joka on valmistettu vain pienellä atomishappimäärän kasvulla, voi johtaa metalliin, jonka lujuus on moninkertainen.

Valitettavasti happi voi myös tuottaa vielä suuremman laskun metallin ulottuvuudessa. Siitä tulee hauras ja murtuu ja rikkoo.

Mutta "happea on kaikkialla", Minor kertoo vaikeuksista liikkua titaanin korkean reaktiivisuuden ympärillä happea. "Lähdemateriaalista ei tule epäpuhtautta, jota voit vain välttää."

Hän luonnehtii titaanin herkkyyttä happea äärimmäisenä. "On todella outoa, kuinka voimakas se on", Minor sanoo. Siinä on vaikutuksia metalliin, sekä hyviä että huonoja, kun taas samankaltaisten happimäärien esiintyminen on merkityksetöntä metalleille, kuten alumiini ja teräs, koska sitä voidaan käsitellä prosessoinnissa paljon helpommin.

Lisätietoja joukkue kääntyi korkean suorituskyvyn laskentaan mallintaakseen titaanin muodonmuutosprosessia stressin alla ja erilaisten hapen määrien kanssa. Tietokonemallit, Asta sanoo, ovat "tehokkaita työkaluja, joiden avulla voimme tutkia tätä erinomaista haastetta titaanimetallurgiassa".

Ryhmän tärkeimmistä löytöistä happiatomien sekoittamisesta titaanin kiderakenteessa, kun metalli on stressissä, tuli avain sitkeyden menetyksen ymmärtämiseen. Ei-stressaantuneessa tilassa happimolekyylit sijaitsevat ilman titaaniatomien välisiä luonnollisia aukkoja. Mutta mekaanisten voimien alla happiatomit voivat sekoittaa viereisiin tiloihin, joissa ne tarjoavat vähemmän vastustuskykyä dislokaatioille, jotka leviävät, heikentävät metallia.

"Happi edistää rakenteellista heikkoutta", alaikäinen sanoo. Kun mekaaniset voimat määrittelevät metallin, siirtymättömät happiatomit sen sijaan, että estäisivät rakenteellisten vikojen leviämisen, voivat helpottaa ns. Tasomaisen liukumisen.

Tasomainen liukuminen, Asta sanoo, on kuin metallin kiderakenteen vikojen aaltoilu, joka rakensi toiselle, mikä johtaa lopulta murtumiin, halkeamiin ja hauraaseen metallikappaleeseen.

Ymmärtääkseen, kuinka dislokaatio voi muodostua ja levisi titaaniin, Chrzan ehdottaa visualisointia yrittäessään siirtää suurta, raskasta matota.

"Erittäin suuri matto voidaan noutaa toisesta päästä ja vetää lattian yli uuteen asentoon", hän sanoo. Mutta toinen tapa siirtää matto on luoda aaltoilu toiseen päähän ja sitten sekoittamalla jalat maton yläosaan, voit "kävellä" aaltoilun toiseen päähän. Edellyttäen, että mikään ei estä sen liikettä, koko matto on siirretty etäisyydellä, joka on yhtä suuri kuin aaltoilun leveys.

Tällaiset "väreilyt" titaanissa voidaan nähdä elektronimikroskopialla. "Voit nähdä, että kaikki dislokaatiot ovat rivissä riveissä", Minor sanoo. "Ja se on haittaa taipuisuudelle, koska jos ne rivissä ja seuraavat vain toisiaan, he eivät takertu [ja siten pysähtyneet] siten, että metalli ei toimi kovettumassa. Saat stressi keskittymisen, ja siellä saat sen, missä saat halkeama. "

Parempien seosten luominen

Suunnittelustrategiat, jotka keskeyttävät happi-atomin sekoittavan prosessin tai edistävät nanorakenteita tasomaisten liukumisten kasaantumisen estämiseksi, voivat johtaa parempaan seokseen. Näillä seoksilla olisi sovelluksia, etenkin auto- ja ilmailualan teollisuudessa, Minor sanoo.

Professori Andrew Minor kaataa nestemäistä typpeä titaaninäytteelle, joka osoittaa kryo-forging-prosessin, jota käytetään nanotwinned titaanin luomiseen laboratoriossaan. (Kuva: Adam Lau / Berkeley Engineering)

Näiden ja muiden ongelmien ratkaisemiseksi ryhmä luottaa tietokonemallinnuksen, siirtoelektronimikroskopian (TEM) ja muiden kuvantamismuotojen ja kokeiden sekoitukseen.

"Yksi niistä asioista, jotka ovat olleet hienoja tässä projektissa, on se, että joskus laskennalliset ja teoreetikot ovat hiukan edessä, ja toisinaan se on kokeilijoita", Asta sanoo. "Tapaamme usein ja puhumme havainnoistamme ja uusista ideoistamme."

Ryhmän tutkimus esimerkiksi titaanin happiherkkyydestä johti tutkimukseen alumiinilla ja happea varustetuista titaanista. He havaitsivat, että hapenhallinta voitaisiin eliminoida lisäämällä pieniä määriä alumiinia, etenkin kryogeenisissä lämpötiloissa, jotka ovat alapuolella -150 celsiusastetta.

Ryhmä sanoo, että juuri oikealla alumiinilla ja hapella, titaanikiderakenteen uusi tilaaminen esti happiatomien sekoittamista, mikä johtaisi vahingolliseen dislokaatioon ja lopulta murtumaan. Lisäksi, koska alumiinin käyttöönotto vähensi titaanin happiherkkyyttä kokonaisuutena, myös käyttökelpoisen metallin luomisen prosessointikustannukset vähenevät.

Vielä toisessa tutkimuksessa ryhmä tarkasteli 1960 -luvulle suuntautuvaa tutkimusta, joka osoittaa, että monilla metalleilla ja seoksilla on dramaattisia taipuutumisia, kun ne altistetaan jaksollisille sähköpulssille metallin muodonmuutoksen aikana. Mutta taustalla olevat mekanismit, miksi tämä ns. Elektroplastisuus saattavat olla totta, eivät ole selviä.

"Elektroplastisuus voi johtaa vähentyneisiin metallurgisen prosessoinnin kustannuksiin, koska metallin muodostaminen sähköisillä pulsseilla vie vähemmän energiaa kuin koko metallin lämmittäminen korkeaan lämpötilaan saman muodostumisen saavuttamiseksi", Minor sanoo. "Mielenkiintoista on, että tämä elektroplastisuuden vaikutus on universaali siinä mielessä, että sen on osoitettu toimivan olennaisesti jokaisen metallin, ei vain titaanin suhteen."

Ryhmä suoritti metallin vetokokeet kolmessa eri olosuhteessa: huoneenlämpöinen ilman sähkövirtaa, jaksollisen sähköpulssin ollessa 100 millisekuntia kesto ja vakiovirta. Koska sähkövirran levittäminen lämmittää metallia, ryhmä oli huolissaan erottamisesta vain sähköä aiheuttamien sähköjen aiheuttamien vaikutusten erottamisesta.

Niiden tulokset osoittivat, että huolimatta pienemmän jaksollisen pulssin käytöstä kuin aiemmat tutkimukset, pulssirungon menetelmä paransi titaaniseoksen vetolujuutta sekä sen maksimin voimakkuutta. He huomauttavat, että tämä vaikutus oli spesifinen vain pulssivirtakokeeseen.

TEM: n avulla metallin kiderakenteen muutokset viittaavat siihen, että pulssivirtakäsittely estää tasomaisia ​​liukastumisia. Tutkijat havaitsivat, että sähköpulssi kovettaa materiaalia ja turhauttaa tasomaisen liukastumisen kehitystä ylläpitämällä diffuusi, 3D -dislokaatiomallia, joka lopulta tarjoaa suuren lujuuden ja taipuisuuden.

Nanotwinned titaani

Viimeksi Material Science and Conether Engineeringin professorit vähäinen ja Robert Ritchie kehittivät uraauurtavan irtotavarakäsittelymenetelmän puhtaan titaanin valmistamiseksi, joka on halvempaa ja tuottaa metallin, jolla on suurempi vetolujuus ja taipuisuus.

Materiaalitieteen ja tekniikan professorit (vasemmalta) Daryl Chrzan, Mark Asta ja Andrew Minor ryhmän I (Transmission Electron Aberration -korjattu mikroskooppi) -projektin kanssa Berkeley Labin kansallisessa elektronimikroskopian keskuksessa. (Kuva: Adam Lau / Berkeley Engineering)

Seosten lisäksi toinen tapa vahvistaa rakenteellisia metalleja on räätälöidä kiteiden koko - joka tunnetaan myös nimellä vilja -, jotka muodostavat metallin käyttämällä lämpöä ja mekaanista prosessointia, kuten rullausta tai puristamista. Vähentämällä viljakokoa miikrometreiksi tai nanometreiksi, tutkijat voivat ottaa käyttöön ns. Nanotwinned-rakenteet tai metallin puutteet, jotka aiheutuvat kohdistettujen kiderakenteiden aiheuttamista. Nanotwinned -rakenteet parantavat lujuutta ja vähentävät murtumisriskiä toimimalla tasomaisten liukumisten esteenä. Mekaaniset ominaisuudet voidaan optimoida entisestään. Mutta perinteiset menetelmät sen tekemiseen eivät ole triviaalia eikä halpoja.

Sen sijaan Minor, Ritchie ja hänen kollegansa esittelivät useita nanotwinned-rakenteita puhtaassa titaanissa kryo-mekaanisen prosessin avulla. He käyttivät kuutionmuotoisia titaanikappaleita, jotka puristettiin kolmen puolen pitkin nestemäisessä typessä. Lempeä puristus, Minor sanoo, hallitsee nanotwinoitujen rakenteiden tiheyttä, jotka vahvistavat metallia säilyttäen sen alkuperäisen viljarakenteen. Mikä parasta, prosessi ei luota voimakkaaseen lämpöä ja ehkä kestävämpää tapaa tehdä titaani paljon laajemmalle sovellusvalikoimasta kuin nykyään.

Kryo-fored-materiaalin mekaaniset ominaisuudet, erityisesti lujuus ja taipuisuus, pitävät erittäin korkeissa ja kryogeenisissä lämpötiloissa. Minor sanoo, että nanotwinned titaanin suorituskyky tekee siitä ihanteellisen esimerkiksi erittäin kuumia suihkumoottoreita sekä erittäin kylmiä käyttöympäristöjä, jotka viittaavat siihen, että käyttävät käyttäviä renkaita supra -johtavien magneettien, nesteytettyjen maakaasusäiliöiden rakenteellisten osien sekä materiaalien rakenteellisiin osiin sekä materiaaleihin sekä materiaaleihin, joita voidaan olla altistunut syvän valtameren tai syvän avaruuden ympäristöille.

Kysyttyään, voidaanko uusi kaupallinen luokan titaanin valmistusprosessi saada mittakaavalle pian yhden päivän, Minor sanoo, miksi ei? On vaikeampaa tehdä esimerkiksi Kroll -prosessia, jota käytetään nykyään, jossa materiaali on eristettävä sähköisesti ja koko prosessi vie valtavia määriä voimaa. "Ja tämä kryo-torjunta, laitamme asiat vain kylvyssä."