En ny tid til titanium, der gør en stærkere, billigere og mere bæredygtig metal

Blandt metaller har Titaniums styrke og lethed, korrosionsbestandighed og evne til at modstå ekstreme temperaturer længe skelne mellem værdien, især for vægt- og miljølensitive anvendelser. Da det først blev beskrevet i slutningen af ​​det 18. århundrede, kaldte en co -disciverer metallet til titanerne - guder født af jord og himmel i den gamle græske mytologi.

Tiden har kun brændt Titaniums glans. "Jeg er materialeforsker, og derfor spørger folk mig nogle gange, 'Hvad er dit yndlingselement?'" Siger Andrew Minor, professor i materialevidenskab og teknik. For bygninger, fly, missiler, rumskibe og mere, siger han, "Hvis du vil have det stærkeste materiale til mindst mulig vægt, er det titanium. Hvis vi kunne, ville vi gøre alt ud af titanium."

Faktisk for industrielle designere, udsigten til stærke, lette, meget brændstofeffektive biler, lastbiler og fly, for eksempel eller superkorrosionsbestandige fragtskibe, skal titanium være ting af drømme.

Problemet? "Det er for dyrt," siger mindreårige om titanium- eller titaniumlegeringer i industriel kvalitet, der ellers kan erstatte stål, når kun de stærkeste, mest holdbare materialer vil være tilstrækkelige. Omkostningerne ved at fremstille titanium er ca. seks gange større end for rustfrit stål. Som et resultat har brugen forblevet begrænset til specialdele til rumfart, avancerede genstande som smykker eller andre niche-applikationer.

Derudover har rent titanium kun moderat styrke, forklarer mindreårige. Det kan styrkes med elementer som ilt, aluminium, molybdæn, vanadium og zirconium; Det er dog ofte på bekostning af duktilitet - en metals evne til at blive trukket eller deformeret uden brud.

Nu, efter et årti med forskning, kan en ny æra for titanium, inklusive meget udvidede tekniske applikationer, nærme sig, takket være mindreårige og hans Berkeley -kolleger, herunder Mark Asta, Daryl Chrzan og JW Morris Jr. af materialevidenskab og teknik. De har undersøgt og stødt titanium på forskellige måder i håb om at udvide sin praktiske anvendelse til en række strukturelle eller tekniske applikationer.

I en række undersøgelser har forskerne udviklet kritisk ny indsigt om titanium, herunder opskrifter til at gøre bedre titanlegeringer såvel som en kryo-tvungen teknik til at fremstille industriel titanium-fremskridt, der i sidste ende kan føre til mere omkostningseffektiv og bæredygtig Fremstilling.

En skematisk tegning af den kryo-mekaniske proces, der resulterer i nanotwinned titanium.

(Illustration af Andrew Minor)

Oxygen conundrum

Det er vigtigt at forstå, at omkostningerne ved titanium ikke skyldes dets sjældenhed. Titanium er ikke et ædle metal; Det findes snarere næsten overalt i hele verden i stødende klipper nær overfladen. Det er Jordens niende mest rigelige element og det fjerde mest rigelige metal, og det kan bruges til at fremstille ting både i sin rene form og som en legering.

I stedet for, hvad der driver de overdrevne omkostninger ved titanium i kommerciel kvalitet, er mindre forklarer, er den komplekse Kroll-proces, der oftest bruges til at fremstille titaniumstænger, ingots og andre former for metal, der kan fremstilles i brugbare dele og andre produkter. Processen inkluderer brugen af ​​dyre materialer som Argon Gas, og den er energikrævende, hvilket kræver flere smelter ved ekstremt høje temperaturer, især for at kontrollere iltforureninger.

Faktisk har titanium og ilt et forundrende forhold, en, som mindre, Asta, Chrzan, Morris og kolleger har ønsket at forstå bedre. Holdet vidste, at en ilt urenhed ofte bruges til titanlegeringer for at udnytte en potent styrkende virkning. Titanium fremstillet med kun en lille stigning i mængden af ​​atomisk ilt kan resultere i et metal med en flere gange stigning i styrke.

Desværre kan ilt også give et endnu større fald i metalens duktilitet. Det bliver sprødt og vil brud og bryde.

Men "ilt er overalt," siger Minor om vanskeligheden ved at manøvrere omkring Titaniums høje lydhørhed over for ilt. "Det er ikke nogen urenhed, der kommer fra kildematerialet, som du bare kan undgå."

Han karakteriserer Titaniums følsomhed over for ilt som ekstrem. ”Det er virkelig underligt, hvor magtfuldt det er,” siger Mindre. Det udøver effekter på metallet, både godt og dårligt, mens tilstedeværelsen af ​​lignende mængder ilt er ubetydeligt for metaller som aluminium og stål, fordi det kan håndteres ved behandlingen meget lettere.

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

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

"Oxygen fremmer en strukturel svaghed," siger Minor. Når mekaniske kræfter deformerer metallet, kan de fordrevne iltatomer snarere end at blokere spredningen af ​​strukturelle defekter lette en såkaldt plane slip.

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

For at forstå, hvordan en forskydning kan dannes og sprede sig i titanium, foreslår Chrzan at visualisere forsøg på at bevæge et stort, tungt tæppe.

"Et meget stort tæppe kan hentes i den ene ende og trækkes 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 dine fødder over toppen af ​​tæppet kan du "gå" krusningen til den anden ende. Forudsat at intet blokerer for sin bevægelse, vil hele tæppet være blevet fordrevet af en afstand lig med bredden af ​​krusningen.

Sådanne "krusninger" i titan kan ses med elektronmikroskopi. "Du kan se, at alle dislokationer er oprettet, i rækker," siger Minor. "Og det er dårligt for duktilitet, for hvis de stiller op og kun følger hinanden, bliver de ikke sammenfiltrede [og stoppede således], således at metallet ikke fungerer. Du får en stresskoncentration, og det er her du får en revne. "

Oprettelse af bedre legeringer

Designstrategier, der afbryder oxygenatomet blandingsproces eller fremmer nanostrukturer for at forhindre plane-glider i at samle op, kan føre til bedre legeringer. Disse legeringer ville have applikationer, især inden for bilindustrien og rumfartsindustrien, siger Mindre.

Professor Andrew Minor hælder flydende nitrogen på en titaniumprøve, hvilket demonstrerer den kryo-følgingsproces, der blev brugt til at skabe nanotwinned titanium i hans laboratorium. (Foto af Adam Lau / Berkeley Engineering)

For at tackle disse og andre problemer er teamet afhængig af en blanding af computermodellering, transmissionselektronmikroskopi (TEM) og andre billeddannelsesmetoder og eksperimenter.

"En af de ting, der har været rart med dette projekt, er, at computerorienterede og teoretikere undertiden er ude lidt foran, og andre gange er det eksperimentalisterne," siger Asta. "Vi mødes ofte og taler om vores fund og vores nye ideer."

Holdets undersøgelse af Titaniums iltfølsomhed førte for eksempel til en undersøgelse af titanium legeret med aluminium og ilt. De fandt, at iltudvikling kunne fjernes ved at tilføje små mængder aluminium, især ved kryogene temperaturer, som er under -150 grader celsius.

Med lige de rigtige mængder aluminium og ilt, siger teamet, forhindrede en ny rækkefølge af titaniumkrystallstrukturen en blanding af iltatomer, der ville føre til en ødelæggende pileup af dislokationer og i sidste ende frakturer. Derudover, fordi introduktionen af ​​aluminium reducerede iltfølsomheden af ​​titanium samlet, ville behandlingsomkostninger for at skabe et anvendeligt metal også blive reduceret.

I endnu en anden undersøgelse kiggede teamet på forskning, der gik tilbage til 1960'erne, der viste, at mange metaller og legeringer viser dramatiske stigninger i duktilitet, når de udsættes for periodiske elektriske impulser under deformation af metallet. Men de underliggende mekanismer for, hvorfor denne såkaldte elektroplasticitet kan være sand, er ikke klar.

"Elektroplasticitet kan føre til reducerede omkostninger til metallurgisk behandling, da det tager mindre energi at danne metal med elektriske impulser end opvarmning af hele metallet til en høj temperatur for at opnå den samme formbarhed," siger Mindre. "Interessant nok er denne effekt af elektrroplasticitet universel, idet det har vist sig at fungere for i det væsentlige hvert metal, ikke kun titanium."

Holdet udførte trækprøver af metallet under tre forskellige forhold: stuetemperatur uden elektrisk strøm, med en periodisk elektrisk puls på 100 millisekunder varighed og med en konstant strøm. Fordi påføring af elektrisk strøm opvarmer metallet, var teamet bekymret for at skelne virkningen, der udelukkende blev forårsaget af elektricitet fra dem, der er forårsaget af varme.

Deres resultater viste, at til trods for at have anvendt en mindre periodisk puls end tidligere undersøgelser forbedrede den pulserede strømmetode metoden med trækning af titanlegeringen såvel som dens maksimale styrke. De bemærker, at denne effekt kun var specifik for det pulserede strømforsøg.

Ved hjælp af TEM til at se ændringer i metalens krystalstruktur antyder deres resultater, at den pulserede strømbehandling undertrykker plane glidningslokationer. Forskerne fandt, at den elektriske puls hærder materialet og frustrerer udviklingen af ​​plane glid ved at opretholde et diffust 3D -dislokationsmønster, der i sidste ende leverer høj styrke og duktilitet.

Nanotwinned titanium

Senest udviklede mindreårige og Robert Ritchie, professorer i materialevidenskab og maskinteknik, en banebrydende bulkbehandlingsmetode til at fremstille rent titanium, der er billigere og giver et metal med større trækstyrke og duktilitet.

Materials videnskab og ingeniørprofessorer (fra venstre) Daryl Chrzan, Mark Asta og Andrew Minor med team I (transmissionselektronafvikkekorrigeret mikroskop) projekt på Berkeley Lab's National Center for Electron Microscopy. (Foto af Adam Lau / Berkeley Engineering)

Bortset fra legeringer er en anden måde at styrke strukturelle metaller på at skræddersy størrelsen på krystaller - også kendt som korn - der udgør metallet ved at bruge varme og mekanisk behandling, såsom rullende eller presning. Ved at reducere kornstørrelsen til sub-mikrometre eller nanometre kan forskere introducere såkaldte nanotwinned strukturer eller defekter i metallet forårsaget af justerede krystalstrukturer. De nanotwinned strukturer forbedrer styrken og sænker risikoen for brud ved at fungere som en barriere for plane glider. Ved at skræddersy afstand og orientering af de nanotwinned strukturer, siger mindreårige, kan de mekaniske egenskaber optimeres yderligere. Men traditionelle metoder til at gøre det er hverken trivielle eller billige.

I stedet introducerede mindre, Ritchie og kolleger flere nanotwinned strukturer i rent titanium ved hjælp af en kryo-mekanisk proces. De brugte terningformede stykker titanium, der blev presset langs tre sider i flydende nitrogen. Den blide komprimering, siger mindreårig, kontrollerer densiteten af ​​nanotwinned strukturer, der styrker metallet, mens det bevarer dets oprindelige kornstruktur. Bedst af alt er, at processen ikke er afhængig af intens varme og måske en mere bæredygtig måde at fremstille titanium til en meget bredere vifte af applikationer end i dag.

De mekaniske egenskaber af kryo-roleret materiale, specifikt styrke og duktilitet, har ekstremt høje såvel som kryogene temperaturer. Mindre siger, at ydelsen af ​​de nanotwinned titanium gør det ideelt til ting som ekstremt varme jetmotorer såvel som meget kolde driftsmiljøer, der antyder anvendelser som at fastholde ringe til superledende magneter, strukturelle dele af flydende naturgasbeholdere, samt materialer til at være udsat for dybe hav- eller dybe rummiljøer.

På spørgsmålet om den nye kommercielle kvalitet af titaniumfremstilling kan bringes i skala en dag snart, siger Mindre, hvorfor ikke? Det er sværere at gøre ting som Kroll -processen, der bruges i dag, hvor materialet skal isoleres elektrisk, og hele processen tager enorme mængder strøm. "Og denne kryo-forting, vi ville bare lægge ting i et bad."