En ny tid for titanium (1)

Blandt metaller har titaniums styrke og lethed, korrosionsbestandighed og evne til at modstå ekstreme temperaturer længe udmærket dets værdi, især til vægt- og miljøfølsomme applikationer. Da det første gang blev beskrevet i slutningen af ​​det 18. århundrede, opkaldte en medopdager metallet for titanerne - guder født af jord og himmel i oldgræsk mytologi.

Tiden har kun poleret titaniums glans. "Jeg er materialeforsker, og så spørger folk mig nogle gange: 'Hvad er dit yndlingselement?'" siger Andrew Minor, professor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab. Til bygninger, fly, missiler, rumskibe og mere siger han: "Hvis du vil have det stærkeste materiale til den mindste vægt, er det titanium. Hvis vi kunne, ville vi lave alt af titanium."

Faktisk, for industrielle designere, udsigten til stærke, lette, yderst brændstofeffektive biler, lastbiler og fly, for eksempel, eller superkorrosionsbestandige fragtskibe, må titanium være drømmens ting.

Problemet? "Det er for dyrt," siger Minor om titanium eller titanlegeringer i industriel kvalitet, der ellers kunne erstatte stål, når kun de stærkeste, mest holdbare materialer er tilstrækkelige. Omkostningerne ved fremstilling af titanium er omkring seks gange større end for rustfrit stål. Som et resultat er dets anvendelser forblevet begrænset til specialdele til rumfart, avancerede genstande som smykker eller andre nicheapplikationer.

Desuden har rent titanium kun moderat styrke, forklarer Minor. Det kan forstærkes med elementer som oxygen, aluminium, molybdæn, vanadium og zirconium; det er dog ofte på bekostning af duktilitet - et metals evne til at blive trukket eller deformeret uden at gå i stykker.

Nu, efter et årti med forskning, kan en ny æra for titanium, inklusive stærkt udvidede ingeniørapplikationer, nærme sig, takket være Minor og hans Berkeley-kolleger, herunder Mark Asta, Daryl Chrzan og JW Morris Jr., også professorer i instituttet i materialevidenskab og -teknik. De har sonderet og drevet titanium på en række forskellige måder i håb om at udvide dets praktiske anvendelse til en række forskellige strukturelle eller tekniske applikationer.

Det, der i stedet driver de uforholdsmæssigt store omkostninger ved titanium i kommerciel kvalitet, forklarer Minor, er den komplekse Kroll-proces, der oftest bruges til at fremstille titaniumstænger, barrer og andre former for metal, der kan fremstilles til brugbare dele og andre produkter. Processen omfatter brugen af ​​dyre materialer som argongas, og den er energikrævende og kræver flere smeltninger ved ekstremt høje temperaturer, især for at kontrollere ilturenheder.

Faktisk har titanium og oxygen et forvirrende forhold, et som Minor, Asta, Chrzan, Morris og kolleger har ønsket at forstå bedre. Holdet vidste, at en ilturenhed ofte bruges til titanlegeringer for at udnytte en kraftig styrkende effekt. Titanium fremstillet med blot en lille stigning i mængden af ​​atomær oxygen kan resultere i et metal med en flere gange stigning i styrke.

Ilten kan desværre også give et endnu større fald i metallets duktilitet. Det bliver skørt og vil brække og gå i stykker.

Men "ilt er overalt," siger Minor om vanskeligheden ved at manøvrere omkring titaniums høje reaktionsevne over for ilt. "Det er ikke en eller anden urenhed, der kommer fra kildematerialet, som du bare kan undgå."

Han karakteriserer titaniums følsomhed over for ilt som ekstrem. "Det er virkelig mærkeligt, hvor kraftfuldt det er," siger Minor. Det udøver virkninger på metallet, både godt og dårligt, hvorimod tilstedeværelsen af ​​lignende mængder ilt er ubetydelig for metaller som aluminium og stål, fordi det kan håndteres meget nemmere ved forarbejdning.

For at lære mere, vendte holdet sig til højtydende databehandling for at modellere deformationsprocessen i titanium under stress og med forskellige mængder ilt. Computermodeller, siger Asta, er et "kraftigt sæt værktøjer, der lader os undersøge denne enestående udfordring inden for titaniummetallurgi."

Af holdets største opdagelser blev en blanding af oxygenatomer i titaniums krystalstruktur, når metallet er under stress, nøglen til at forstå tabet af duktilitet. I en ikke-stresset tilstand opholder iltmolekyler sig uden hændelser i naturlige huller mellem titaniumatomer. Men under mekaniske kræfter kan iltatomerne blande sig til tilstødende rum, hvor de giver mindre modstand mod dislokationer, der, hvis de spredes, svækker metallet.

"Oilten fremmer en strukturel svaghed," siger Minor. Da mekaniske kræfter deformerer metallet, kan de fortrængte iltatomer, i stedet for at blokere spredningen af ​​strukturelle defekter, lette en såkaldt plan glidning.

En plan glidning, siger Asta, er som en krusning af defekter i metallets krystalstruktur, der bygger den ene på den anden, hvilket i sidste ende fører til brud, revner og et sprødt stykke metal.

For at forstå, hvordan en dislokation kan dannes og spredes i titanium, foreslår Chrzan at visualisere forsøget på at flytte et stort, tungt tæppe.

"Et meget stort tæppe kan tages op i den ene ende og trækkes hen over gulvet til en ny position," siger han. Men en anden måde at flytte tæppet på er at skabe en krusning i den ene ende og derefter, ved at blande fødderne hen over toppen af ​​tæppet, kan du "gå" krusningen til den anden ende. Forudsat at intet blokerer dets bevægelse, vil hele tæppet være blevet forskudt med en afstand svarende til krusningens bredde.

Sådanne "bølger" i titanium kan ses med elektronmikroskopi. "Du kan se, at alle dislokationer er opstillet i rækker," siger Minor. "Og det er dårligt for duktiliteten, for hvis de står på linje og kun følger efter hinanden, bliver de ikke viklet sammen [og dermed stoppet] sådan, at metallet ikke hærder. Man får en stresskoncentration, og det er der, man får et knæk."

(Fortsættes)