Μια νέα εποχή για το τιτάνιο (2)
Οι στρατηγικές σχεδιασμού που διακόπτουν τη διαδικασία ανακάτεψης ατόμου οξυγόνου ή προωθούν νανοδομές για να σταματήσουν τις επίπεδες ολισθήσεις από τη συσσώρευση θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε καλύτερα κράματα. Αυτά τα κράματα θα έχουν εφαρμογές, ειδικά στην αυτοκινητοβιομηχανία και την αεροδιαστημική βιομηχανία, λέει η Minor.
Κρυο-σφυρηλάτηση νανοδικτυωμένο τιτάνιο
Ο καθηγητής Andrew Minor χύνει υγρό άζωτο σε ένα δείγμα τιτανίου, επιδεικνύοντας τη διαδικασία κρυο-σφυρηλάτησης που χρησιμοποιήθηκε για τη δημιουργία νανοδικτυωμένου τιτανίου στο εργαστήριό του. (Φωτογραφία Adam Lau / Berkeley Engineering)
Για να αντιμετωπίσει αυτά και άλλα ζητήματα, η ομάδα βασίζεται σε έναν συνδυασμό μοντελοποίησης υπολογιστή, ηλεκτρονικής μικροσκοπίας μετάδοσης (TEM) και άλλων τρόπων απεικόνισης και πειραμάτων.
"Ένα από τα πράγματα που ήταν ωραίο σε αυτό το έργο είναι ότι μερικές φορές οι υπολογιστές και οι θεωρητικοί είναι λίγο μπροστά, και άλλες φορές είναι οι πειραματιστές", λέει ο Asta. «Συναντιόμαστε συχνά και συζητάμε για τα ευρήματά μας και τις νέες μας ιδέες».
Η μελέτη της ομάδας για την ευαισθησία του τιτανίου στο οξυγόνο, για παράδειγμα, οδήγησε σε μια μελέτη για το κράμα τιτανίου με αλουμίνιο και οξυγόνο. Διαπίστωσαν ότι η ευθραυστότητα του οξυγόνου θα μπορούσε να εξαλειφθεί με την προσθήκη μικρών ποσοτήτων αλουμινίου, ειδικά σε κρυογονικές θερμοκρασίες, οι οποίες είναι κάτω από -150 βαθμούς Κελσίου.
Με ακριβώς τις σωστές ποσότητες αλουμινίου και οξυγόνου, λέει η ομάδα, μια νέα διάταξη της κρυσταλλικής δομής του τιτανίου απέτρεψε μια ανακάτεμα των ατόμων οξυγόνου που θα οδηγούσε σε μια επιζήμια συσσώρευση εξαρθρώσεων και τελικά κατάγματα. Επιπλέον, επειδή η εισαγωγή του αλουμινίου μείωσε συνολικά την ευαισθησία του τιτανίου στο οξυγόνο, το κόστος επεξεργασίας για τη δημιουργία ενός χρησιμοποιήσιμου μετάλλου θα μειωνόταν επίσης.
Σε μια άλλη μελέτη, η ομάδα εξέτασε την έρευνα που χρονολογείται από τη δεκαετία του 1960 και δείχνει ότι πολλά μέταλλα και κράματα εμφανίζουν δραματικές αυξήσεις στην ολκιμότητα όταν υποβάλλονται σε περιοδικούς ηλεκτρικούς παλμούς κατά την παραμόρφωση του μετάλλου. Ωστόσο, οι υποκείμενοι μηχανισμοί του γιατί αυτή η λεγόμενη ηλεκτροπλαστικότητα μπορεί να είναι αληθινή δεν είναι ξεκάθαροι.
«Η ηλεκτροπλαστικότητα μπορεί να οδηγήσει σε μειωμένο κόστος για τη μεταλλουργική επεξεργασία, καθώς χρειάζεται λιγότερη ενέργεια για να σχηματιστεί μέταλλο με ηλεκτρικούς παλμούς από τη θέρμανση ολόκληρου του μετάλλου σε υψηλή θερμοκρασία για την επίτευξη της ίδιας μορφοποίησης», λέει ο Minor. «Είναι ενδιαφέρον ότι αυτή η επίδραση της ηλεκτροπλαστικότητας είναι καθολική καθώς έχει αποδειχθεί ότι λειτουργεί ουσιαστικά για κάθε μέταλλο, όχι μόνο για το τιτάνιο».
Η ομάδα πραγματοποίησε δοκιμές εφελκυσμού του μετάλλου κάτω από τρεις διαφορετικές συνθήκες: θερμοκρασία δωματίου χωρίς ηλεκτρικό ρεύμα, με περιοδικό ηλεκτρικό παλμό διάρκειας 100 χιλιοστών του δευτερολέπτου και με σταθερό ρεύμα. Επειδή η εφαρμογή ηλεκτρικού ρεύματος θερμαίνει το μέταλλο, η ομάδα ανησυχούσε για τη διάκριση των επιπτώσεων που προκαλούνται αποκλειστικά από την ηλεκτρική ενέργεια από εκείνες που προκαλούνται από τη θερμότητα.
Τα αποτελέσματά τους έδειξαν ότι, παρά τη χρήση μικρότερου περιοδικού παλμού από προηγούμενες μελέτες, η μέθοδος παλμικού ρεύματος βελτίωσε την επιμήκυνση εφελκυσμού του κράματος τιτανίου καθώς και τη μέγιστη αντοχή του. Σημειώνουν ότι αυτό το φαινόμενο ήταν συγκεκριμένο μόνο για το πείραμα παλμικού ρεύματος.
Με τη βοήθεια του TEM για να δούμε αλλαγές στην κρυσταλλική δομή του μετάλλου, τα αποτελέσματά τους υποδηλώνουν ότι η επεξεργασία παλμικού ρεύματος καταστέλλει τις επίπεδες εξαρθρώσεις ολίσθησης. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι ο ηλεκτρικός παλμός σκληραίνει το υλικό και εμποδίζει την ανάπτυξη επίπεδης ολίσθησης διατηρώντας ένα διάχυτο, τρισδιάστατο σχέδιο εξάρθρωσης που τελικά προσφέρει υψηλή αντοχή και ολκιμότητα.
(Συνέχεια)
