Nový čas pre titán, ktorý robí silnejší, lacnejší a udržateľnejší kov

Spomedzi kovov, sila a ľahkosť titánu, odolnosť proti korózii a schopnosť odolávať extrémnym teplotám už dlho rozlíšili svoju hodnotu, najmä pre aplikácie citlivé na hmotnosť a prostredie. Keď bol prvýkrát opísaný na konci 18. storočia, spoluobjavca pomenoval kov pre Titanov - bohovia narodení zo Zeme a oblohy v starogréckej mytológii.

Čas len vyhorel lesk titánu. „Som vedec materiálov, a tak sa ma ľudia niekedy pýtajú:„ Aký je váš obľúbený prvok? “Hovorí Andrew Minor, profesorka materiálovej vedy a inžinierstva. V prípade budov, lietadiel, rakiet, kozmických lodí a ďalších hovorí: „Ak chcete najsilnejší materiál pre najmenšiu váhu, je to titán. Keby sme mohli, urobili by sme všetko z titánu.“

Pre priemyselných dizajnérov, vyhliadky na silné, ľahké, vysoko palivovo efektívne autá, nákladné autá a lietadlá, napríklad nákladné lode odolné voči super koróziou, titán, titán.

Problém? „Je to príliš drahé,“ hovorí Minor o priemyselnom titáne alebo zliatinách titánu, ktoré by inak mohli nahradiť oceľ, keď stačí iba najsilnejšie a najodolnejšie materiály. Náklady na výrobu titánu sú asi šesťkrát väčšie ako náklady na nehrdzavejúcu oceľ. Výsledkom je, že jeho použitia zostali obmedzené na špeciálne diely pre letectvo, špičkové predmety, ako sú šperky alebo iné výklenky.

A čo viac, čistý titán má iba miernu silu, vysvetľuje Minor. Môže sa posilniť prvkami ako kyslík, hliník, molybdén, vanadium a zirkónia; To je však často na úkor ťažnosti - schopnosť kovu nakresliť alebo deformovať bez zlomenia.

Teraz, po desiatich rokoch výskumu, sa môže blížiť nová éra titánu vrátane značne rozšírených inžinierskych aplikácií, vďaka Minorovi a jeho kolegom z Berkeley, vrátane Mark Asta, Daryl Chrzan a JW Morris Jr. materiálovej vedy a inžinierstva. Sondovali a prúdili titán ľubovoľnými spôsobmi v nádeji, že rozšíria svoje praktické využitie pre rôzne konštrukčné alebo inžinierske aplikácie.

V sérii štúdií vedci vyvinuli kritické nové poznatky o titáne, vrátane receptov na výrobu lepších zliatin titánu, ako aj kryo-náhodnú techniku ​​na výrobu titánu priemyselného stupňa-pokroky, ktoré by v konečnom dôsledku mohli viesť k nákladovo efektívnejším a udržateľnejším výroba.

Schematické kreslenie kryo-mechanického procesu, ktorý vedie k titánu nanotwinned.

(Ilustrácia Andrewa Minory)

Kyslíkový hlavolam

Je dôležité pochopiť, že náklady na titán nie sú spôsobené jeho vzácnosťou. Titanium nie je drahý kov; Skôr sa nachádza takmer všade na celom svete, v vyvraciach horniny blízko povrchu. Je to deviaty najhojnejší prvok Zeme a štvrtý najhojnejší kov a dá sa použiť na výrobu vecí vo svojej čistej podobe aj ako zliatinu.

Namiesto toho, čo poháňa nadmerné náklady na titán komerčného stupňa, Minor vysvetľuje, je zložitý proces Kroll, ktorý sa najčastejšie používa na výrobu titánových tyčí, ingotov a iných foriem kovu, ktoré je možné vyrobiť do použiteľných častí a iných výrobkov. Tento proces zahŕňa použitie drahých materiálov, ako je argónový plyn, a je náročný na energiu, čo si vyžaduje viacnásobné topánky pri extrémne vysokých teplotách, najmä na kontrolu kyslíkových nečistôt.

Titanium a kyslík majú skutočne záhadný vzťah, ktorý mal menší, Asta, Chrzan, Morris a kolegovia, chceli lepšie porozumieť. Tím vedel, že na zliatiny titánu sa často používa nečistota kyslíka, aby využila účinný efekt posilňovania. Titán vyrobený iba s malým zvýšením množstva atómového kyslíka môže mať za následok kov s niekoľkými nárastom pevnosti.

Bohužiaľ, kyslík môže tiež priniesť ešte väčšie zníženie kovovej ťažnosti. Stáva sa krehkou a zlomí sa a zlomí sa.

Ale „kyslík je všade“, Minor hovorí o ťažkostiach pri manévrovaní okolo vysokej citlivosti titánu na kyslík. „Nie je to nejaká nečistota pochádzajúca zo zdrojového materiálu, ktorému sa môžete len vyhnúť.“

Charakterizuje citlivosť titánu na kyslík ako extrémne. „Je skutočne zvláštne, aké silné je,“ hovorí Minor. Má účinky na kov, dobré aj zlé, zatiaľ čo prítomnosť podobných množstiev kyslíka je zanedbateľná pre kovy, ako je hliník a oceľ, pretože sa dá zaoberať oveľa ľahším spracovaním.

Ak sa chcete dozvedieť viac, tím sa obrátil na vysoko výkonné výpočty, aby modeloval deformačný proces v titáne pod stresom a s rôznymi množstvami kyslíka. Počítačové modely, Asta hovorí, sú „výkonným súborom nástrojov, ktoré umožňujú preskúmať túto vynikajúcu výzvu v titánovej metalurgii“.

Z hlavných objavov tímu sa premiešanie atómov kyslíka v kryštálovej štruktúre titánu, keď je kov pod stresom, sa stal kľúčom k pochopeniu straty ťažnosti. V nestresovanom stave sa kyslíkové molekuly zdržiavajú bez dopadu v prírodných medzerách medzi atómami titánu. Ale pod mechanickými silami sa atómy kyslíka môžu zamiešať do susedných priestorov, kde poskytujú menšiu odolnosť proti dislokáciám, ktoré, ak sa šíria, oslabí kov.

„Kyslík podporuje štrukturálnu slabosť,“ hovorí Minor. Keďže mechanické sily deformujú kov, vysídlené atómy kyslíka, namiesto blokovania šírenia štrukturálnych defektov, môžu uľahčiť takzvaný rovinný sklz.

Hovorí planárny sklz, Asta je ako zvlnenie defektov v kovovej kryštálovej štruktúre, ktorá stavia jednu na druhej, čo nakoniec vedie k zlomeninám, trhlinám a krehkému kusu kovu.

Aby sme pochopili, ako sa môže dislokácia vytvárať a šíriť v titáne, Chrzan navrhuje vizualizáciu pokusu o presun veľkého, ťažkého koberca.

„Veľmi veľký koberec je možné vyzdvihnúť na jednom konci a pretiahnuť cez podlahu na novú pozíciu,“ hovorí. Ďalším spôsobom, ako presunúť koberec, je vytvoriť zvlnenie na jednom konci a potom, keď si zamiešajte nohy cez hornú časť koberca, môžete „chodiť“ zvlnenie na druhý koniec. Ak nič nezablokuje jeho pohyb, celý koberec bude presídlený vzdialenosťou rovnajúcou sa šírke zvlnenia.

Takéto „vlnky“ v titáne je možné vidieť pomocou elektrónovej mikroskopie. „Vidíte, že všetky dislokácie sú zoradené v riadkoch,“ hovorí Minor. „A to je zlé pre ťažnosť, pretože ak sa usporiadajú a len sa budú navzájom nasledovať, nezastanú sa [a tak sa zastavili] tak, aby kov nefungoval. prasklina. “

Vytváranie lepších zliatin

Dizajnové stratégie, ktoré prerušujú proces zamiešania kyslíka a komoru alebo podporujú nanoštruktúry na zastavenie planárnych sklzov od hromadenia hore, by mohli viesť k lepším zliatinám. Tieto zliatiny by mali aplikácie, najmä v automobilovom a leteckom priemysle, hovorí Minor.

Profesor Andrew Minor nalieva tekutý dusík na vzorku titánu, ktorý demonštruje proces zamerania na zakrytie, ktorý sa používa na vytváranie nanotwinned titánu vo svojom laboratóriu. (Foto: Adam Lau / Berkeley Engineering)

Na riešenie týchto a ďalších problémov sa tím spolieha na kombináciu počítačového modelovania, prenosovej elektrónovej mikroskopií (TEM) a ďalších zobrazovacích modalitách a experimentov.

„Jednou z vecí, ktoré boli na tomto projekte milé, je to, že počítač a teoretici sú niekedy trochu vpredu a inokedy sú to experimentálni,“ hovorí Asta. „Stretávame sa často a hovoríme o našich zisteniach a našich nových nápadoch.“

Napríklad štúdia tímu o citlivosti kyslíka titánu viedla k štúdii titánu legovaného z hliníka a kyslíka. Zistili, že kyslíkové ohromenie by sa dalo eliminovať pridaním malého množstva hliníka, najmä pri kryogénnych teplotách, ktoré sú pod -150 stupňami Celzia.

S tým správnym množstvom hliníka a kyslíka tím hovorí, že nové usporiadanie štruktúry titánového kryštálu zabránilo zamiešaniu atómov kyslíka, ktoré by viedlo k škodlivému hromadeniu dislokácií a konečne zlomenín. A čo viac, pretože zavedenie hliníka celkovo znížilo citlivosť kyslíka titánu, znížilo by sa aj náklady na spracovanie na vytvorenie použiteľného kovu.

V ďalšej štúdii sa tím zameriaval na výskum siahajúci do 60. rokov, ktorý ukazuje, že veľa kovov a zliatin vykazuje dramatické zvýšenie ťažnosti, keď sa počas deformácie kovu podrobil periodickým elektrickým impulzom. Ale základné mechanizmy toho, prečo by táto tzv. Elektroplasticita mohla byť pravdivá, nie sú jasné.

„Elektroplasticita môže viesť k zníženiu nákladov na metalurgické spracovanie, pretože na vytvorenie kovu s elektrickými impulzmi vyžaduje menej energie ako zahrievanie celého kovu na vysokú teplotu, aby sa dosiahla rovnaká formovateľnosť,“ hovorí Minor. „Je zaujímavé, že tento účinok elektroplasticity je univerzálny v tom, že sa ukázalo, že pracuje v podstate pre každý kov, nielen titán.“

Tím vykonal ťahové testy kovu za troch rôznych podmienok: teplota miestnosti bez elektrického prúdu, s periodickým elektrickým impulzom 100 milisekúnd trvanie a konštantným prúdom. Pretože nanášanie elektrického prúdu zahrieva kov, tím sa obával rozlíšenia účinkov spôsobených výlučne elektrinou od účinkov spôsobených teplom.

Ich výsledky ukázali, že napriek použitiu menšieho periodického impulzu ako predchádzajúcich štúdií metóda pulzného prúdu zlepšila predĺženie ťahu v zliatine titánu, ako aj jej maximálnu pevnosť. Poznamenávajú, že tento účinok bol špecifický iba pre experiment s pulzným prúdom.

S pomocou TEM vidieť zmeny v kovovej kryštálovej štruktúre, ich výsledky naznačujú, že liečba pulzným prúdom potláča dislokácie rovinných sklzu. Vedci zistili, že elektrický impulz stvrdne materiál a frustruje rozvoj rovinného sklzu udržiavaním difúzneho vzoru 3D dislokácie, ktorý v konečnom dôsledku dodáva vysokú pevnosť a ťažnosť.

Titán

Najnovšie vyvinuli menší a Robert Ritchie, profesori materiálových vied a strojárstva, vyvinuli priekopnícku metódu hromadného spracovania na výrobu čistej titánu, ktorý je lacnejší a poskytuje kov s väčšou pevnosťou v ťahu a ťažnosťou.

Profesori materiálov a inžinierskych profesorov (zľava) Daryl Chrzan, Mark Asta a Andrew Minor s tímom I (mikroskop s prenosovým elektrónom) v Národnom centre Berkeley Lab pre elektrónovú mikroskopiu. (Foto: Adam Lau / Berkeley Engineering)

Okrem zliatin je ďalším spôsobom, ako posilniť štrukturálne kovy, prispôsobiť veľkosť kryštálov - známe tiež ako zrno -, ktoré tvoria kov pomocou tepla a mechanického spracovania, ako je valcovanie alebo lisovanie. Znížením veľkosti zŕn na submikrometre alebo nanometrov môžu vedci zaviesť tzv. Nanotwinned štruktúry alebo defekty v kovu spôsobené zarovnanými kryštalickými štruktúrami. Nanotwinned štruktúry zlepšujú pevnosť a znižujú riziko zlomeniny tým, že pôsobia ako prekážka planárskych sklzov. Prispôsobením rozstupov a orientácie nanotwinnovaných štruktúr, Minor tvrdí, že mechanické vlastnosti možno optimalizovať ešte ďalej. Ale tradičné spôsoby, ako to urobiť, nie sú ani triviálne, ani lacné.

Namiesto toho Minor, Ritchie a jeho kolegovia zaviedli viac nanotwinnovaných štruktúr v čistom titáne pomocou kryo-mechanického procesu. Používali kúsky titánu v tvare kocky, ktoré boli stlačené pozdĺž troch strán v tekutom dusíku. Jemná kompresia, hovorí Minor, riadi hustotu nanotwinnovaných štruktúr, ktoré posilňujú kov a zároveň zachovávajú počiatočnú štruktúru zŕn. Najlepšie zo všetkého je, že tento proces sa nespolieha na intenzívne teplo a možno aj udržateľnejší spôsob, ako vytvoriť titán pre oveľa širšiu škálu aplikácií ako dnes.

Mechanické vlastnosti kryo-náhodného materiálu, konkrétne pevnosti a ťažkosti, držia extrémne vysoké aj kryogénne teploty. Minor tvrdí, že výkon nanotwinned titánu je ideálny pre veci, ako sú extrémne horúce prúdové motory, ako aj pre veľmi chladné prevádzkové prostredie, ktoré by naznačovali použitia, ako je udržanie krúžkov pre supravodivé magnety, konštrukčné časti skvapalneného zemného plynu, ako aj materiály, ktoré majú byť materiály vystavené hlbokému oceánskemu alebo hlbokému vesmírnemu prostrediu.

Na otázku, či by sa nový proces výroby titánu komerčného stupňa mohol dostať do mierky jedného dňa, menší hovorí, prečo nie? Je ťažšie robiť veci, ako je proces Kroll, ktorý sa používa dnes, kde sa musí materiál izolovať elektricky a celý proces vyžaduje obrovské množstvo energie. „A toto kryo-to, čo by sme len vložili do kúpeľa.“