Μια νέα ώρα για το τιτάνιο, κάνοντας ένα ισχυρότερο, φθηνότερο, πιο βιώσιμο μέταλλο

Μεταξύ των μετάλλων, η δύναμη και η ελαφρότητα του τιτανίου, η αντίσταση στη διάβρωση και η ικανότητα να αντέχουν σε ακραίες θερμοκρασίες έχουν διακρίνει μακρά την αξία του, ιδιαίτερα για εφαρμογές ευαίσθητων στο βάρος και το περιβάλλον. Όταν περιγράφηκε για πρώτη φορά στα τέλη του 18ου αιώνα, ένας συν -ανακαλύπτης ονόμασε το μέταλλο για τους Τιτάνες - οι θεοί που γεννήθηκαν από τη γη και τον ουρανό στην αρχαία ελληνική μυθολογία.

Ο χρόνος έχει λυγίσει μόνο τη λάμψη του τιτανίου. "Είμαι επιστήμονας υλικών, και έτσι οι άνθρωποι με ρωτούν μερικές φορές," Ποιο είναι το αγαπημένο σας στοιχείο; ", λέει ο Andrew Minor, καθηγητής της επιστήμης των υλικών και της μηχανικής. Για τα κτίρια, τα αεροπλάνα, τους πυραύλους, τα διαστημόπλοια και πολλά άλλα, λέει: "Αν θέλετε το ισχυρότερο υλικό για το μικρότερο βάρος, είναι τιτάνιο, αν μπορούσαμε, θα κάναμε τα πάντα από το τιτάνιο".

Πράγματι, για τους βιομηχανικούς σχεδιαστές, η προοπτική των ισχυρών, ελαφρών, εξαιρετικά αποδοτικών αυτοκινήτων, φορτηγών και αεροπλάνων, για παράδειγμα, ή ανθεκτικά σε σούπερ διάβρωσης φορτίων, το τιτάνιο πρέπει να είναι τα πράγματα των ονείρων.

Το πρόβλημα; "Είναι υπερβολικά ακριβό", λέει ο Minor για τα κράματα τιτανίου ή από τιτάνιο που θα μπορούσε να αντικαταστήσει διαφορετικά το χάλυβα όταν μόνο τα ισχυρότερα, πιο ανθεκτικά υλικά θα αρκούν. Το κόστος κατασκευής τιτανίου είναι περίπου έξι φορές μεγαλύτερο από αυτό του ανοξείδωτου χάλυβα. Ως αποτέλεσμα, οι χρήσεις της παρέμειναν περιορισμένες σε ειδικά μέρη για αεροδιαστημική, αντικείμενα υψηλής ποιότητας όπως κοσμήματα ή άλλες εξειδικευμένες εφαρμογές.

Επιπλέον, το Pure Titanium έχει μόνο μέτρια δύναμη, εξηγεί ο Minor. Μπορεί να ενισχυθεί με στοιχεία όπως οξυγόνο, αλουμίνιο, μολυβδαινικό, βαναδικό και ζιρκόνιο. Ωστόσο, αυτό είναι συχνά εις βάρος της ολκιμότητας - η ικανότητα ενός μετάλλου να τραβηχτεί ή να παραμορφωθεί χωρίς θραύση.

Τώρα, μετά από μια δεκαετία έρευνας, μπορεί να πλησιάσει μια νέα εποχή για το τιτάνιο, συμπεριλαμβανομένων των πολύ διευρυμένων μηχανικών εφαρμογών, χάρη στους συναδέλφους του Berkeley, συμπεριλαμβανομένων των Mark Asta, Daryl Chrzan και JW Morris Jr. της επιστήμης των υλικών και της μηχανικής. Έχουν διερευνήσει και προωθεί το τιτάνιο με οποιονδήποτε αριθμό τρόπων με την ελπίδα να επεκταθεί η πρακτική του χρήση για μια ποικιλία δομικών ή μηχανικών εφαρμογών.

Σε μια σειρά μελετών, οι ερευνητές έχουν αναπτύξει κρίσιμες νέες ιδέες για το τιτάνιο, συμπεριλαμβανομένων των συνταγών για την πραγματοποίηση καλύτερων κραμάτων τιτανίου καθώς και μια κρυοεπιστημονική τεχνική για την κατασκευή βιομηχανικού τιτανίου-πρόοδοι που θα μπορούσαν τελικά να οδηγήσουν σε πιο οικονομικά αποδοτικές και βιώσιμες βιομηχανοποίηση.

Ένα σχηματικό σχέδιο της κρυο-μηχανικής διαδικασίας που έχει ως αποτέλεσμα το τιτάνιο νανοσωματιδίων.

(Εικονογράφηση από τον Andrew Minor)

Το αίνιγμα οξυγόνου

Είναι σημαντικό να καταλάβουμε ότι το κόστος του τιτανίου δεν οφείλεται στη σπανιότητά του. Το τιτάνιο δεν είναι ένα πολύτιμο μέταλλο. Αντίθετα, βρίσκεται σχεδόν παντού σε όλο τον κόσμο, σε πυριγενούς βράχους κοντά στην επιφάνεια. Είναι το ένατο πιο άφθονο στοιχείο της Γης και το τέταρτο πιο άφθονο μέταλλο και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να κάνει τα πράγματα τόσο στην καθαρή της μορφή όσο και ως κράμα.

Αντ 'αυτού, αυτό που οδηγεί το υπερβολικό κόστος του τιτανίου εμπορικής ποιότητας, το Minor εξηγεί, είναι η πολύπλοκη διαδικασία Kroll που χρησιμοποιείται συχνότερα για να κατασκευαστεί ράβδους τιτανίου, πλινθώσεις και άλλες μορφές μετάλλου που μπορούν να κατασκευαστούν σε χρήσιμα μέρη και άλλα προϊόντα. Η διαδικασία περιλαμβάνει τη χρήση δαπανηρών υλικών όπως το αέριο αργού και είναι ενεργειακή ένταση, που απαιτεί πολλαπλά τήξη σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες, ειδικά για τον έλεγχο των ακαθαρσιών οξυγόνου.

Πράγματι, το τιτάνιο και το οξυγόνο έχουν μια αινιγματική σχέση, μία που το μικρό, ο Asta, ο Chrzan, ο Morris και οι συνεργάτες της ήθελαν να καταλάβουν καλύτερα. Η ομάδα γνώριζε ότι μια ακαθαρσία οξυγόνου χρησιμοποιείται συχνά για κράματα τιτανίου για να αξιοποιήσει ένα ισχυρό αποτέλεσμα ενίσχυσης. Το τιτάνιο που παρασκευάζεται με μόνο μια μικρή αύξηση της ποσότητας ατομικού οξυγόνου μπορεί να οδηγήσει σε μέταλλο με αρκετή φορές αύξηση της αντοχής.

Δυστυχώς, το οξυγόνο μπορεί επίσης να αποφέρει ακόμη μεγαλύτερη μείωση της ολκιμότητας του μετάλλου. Γίνεται εύθραυστο και θα σπάσει και θα σπάσει.

Όμως, το "οξυγόνο είναι παντού", λέει ο Minor για τη δυσκολία στους ελιγμούς γύρω από την υψηλή ανταπόκριση του τιτανίου στο οξυγόνο. "Δεν είναι κάποια ακαθαρσία που προέρχεται από το αρχικό υλικό που μπορείτε απλά να αποφύγετε."

Χαρακτηρίζει την ευαισθησία του τιτανίου στο οξυγόνο ως ακραία. "Είναι πραγματικά περίεργο πόσο ισχυρό είναι," λέει ο Minor. Ασκεί επιδράσεις στο μέταλλο, τόσο καλό όσο και κακό, ενώ η παρουσία παρόμοιων ποσοτήτων οξυγόνου είναι ασήμαντη για μέταλλα όπως το αλουμίνιο και το χάλυβα, επειδή μπορεί να αντιμετωπιστεί κατά την επεξεργασία πολύ πιο εύκολα.

Για να μάθετε περισσότερα, η ομάδα μετατράπηκε σε υπολογιστική υψηλής απόδοσης για να μοντελοποιήσει τη διαδικασία παραμόρφωσης στο τιτάνιο υπό στρες και με διαφορετικές ποσότητες οξυγόνου. Τα μοντέλα υπολογιστών, όπως λέει η Asta, είναι ένα "ισχυρό σύνολο εργαλείων που μας επιτρέπουν να διερευνήσουμε αυτή την εξαιρετική πρόκληση στη μεταλλουργία του τιτανίου".

Από τις σημαντικότερες ανακαλύψεις της ομάδας, η ανακατεύθυνση των ατόμων οξυγόνου στην κρυσταλλική δομή του τιτανίου όταν το μέταλλο είναι κάτω από το στρες έγινε το κλειδί για την κατανόηση της απώλειας της ολκιμότητας. Σε μια μη υποτιθέμενη κατάσταση, τα μόρια οξυγόνου διαμένουν χωρίς περιστατικό σε φυσικά κενά μεταξύ των ατόμων του τιτανίου. Αλλά κάτω από τις μηχανικές δυνάμεις, τα άτομα οξυγόνου μπορούν να ανακατέψουν σε γειτονικούς χώρους όπου παρέχουν λιγότερη αντίσταση σε εξάρσεις που, αν εξαπλωθούν, αποδυναμώνουν το μέταλλο.

"Το οξυγόνο προάγει μια δομική αδυναμία", λέει ο Minor. Καθώς οι μηχανικές δυνάμεις παραμορφώνουν το μέταλλο, τα εκτοπισμένα άτομα οξυγόνου, αντί να εμποδίσουν την εξάπλωση των δομικών ελαττωμάτων, μπορούν να διευκολύνουν μια λεγόμενη επίπεδη ολίσθηση.

Μια επίπεδη ολίσθηση, όπως λέει ο Asta, είναι σαν μια κυματιστή ελαττωμάτων στην κρυσταλλική δομή του μετάλλου που χτίζεται το ένα από το άλλο, τελικά οδηγώντας σε κατάγματα, ρωγμές και ένα εύθραυστο κομμάτι μετάλλου.

Για να καταλάβουμε πώς μπορεί να διαμορφώσει και να εξαπλωθεί μια εξάρθρωση στο τιτάνιο, ο Chrzan προτείνει την απεικόνιση της προσπάθειας να μετακινήσει ένα μεγάλο, βαρύ χαλί.

"Ένα πολύ μεγάλο χαλί μπορεί να παραληφθεί στο ένα άκρο και να τραβηχτεί στο πάτωμα σε μια νέα θέση", λέει. Αλλά ένας άλλος τρόπος για να μετακινήσετε το χαλί είναι να δημιουργήσετε μια κυματιστή στο ένα άκρο και στη συνέχεια, ανακατεύοντας τα πόδια σας στην κορυφή του χαλιού, μπορείτε να "περπατήσετε" το κυματισμό στο άλλο άκρο. Με την προϋπόθεση ότι δεν εμποδίζει το κίνημά του, ολόκληρο το χαλί θα έχει εκτοπιστεί από απόσταση ίση με το πλάτος της κυματισμού.

Τέτοιες "κυματισμοί" στο τιτάνιο μπορούν να παρατηρηθούν με ηλεκτρονική μικροσκοπία. "Μπορείτε να δείτε όλες τις εξάρσεις που παρατάσσονται, σε σειρές", λέει ο Minor. "Και αυτό είναι κακό για την ολκιμότητα γιατί αν ευθυγραμμίζονται και ακολουθούν ο ένας τον άλλον, δεν παίρνουν μπερδεμένα [και έτσι σταμάτησαν] έτσι ώστε το μέταλλο να μην δουλεύει σκληρά. Παίρνετε μια συγκέντρωση στρες και εκεί παίρνετε μια ρωγμή. "

Δημιουργία καλύτερων κραμάτων

Σχεδιασμένες στρατηγικές που διακόπτουν τη διαδικασία ανακατεύθυνσης οξυγόνου-ατόμου ή προωθούν τις νανοδομές για να σταματήσουν τα επίπεδα ολίσθησης από τη συσσώρευση θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε καλύτερα κράματα. Αυτά τα κράματα θα έχουν εφαρμογές, ειδικά στις βιομηχανίες αυτοκινήτων και αεροδιαστημικής, λέει ο Μίσι.

Ο καθηγητής Andrew Minor ρίχνει υγρό άζωτο σε δείγμα τιτανίου, αποδεικνύοντας τη διαδικασία κρυο-συντροφιάς που χρησιμοποιείται για τη δημιουργία νανοσωματιδίου τιτανίου στο εργαστήριό του. (Φωτογραφία από τον Adam Lau / Berkeley Engineering)

Για την αντιμετώπιση αυτών και άλλων ζητημάτων, η ομάδα βασίζεται σε ένα μείγμα μοντελοποίησης υπολογιστών, ηλεκτρονικής μικροσκοπίας μετάδοσης (TEM) και άλλων τρόπων απεικόνισης και πειραμάτων.

"Ένα από τα πράγματα που ήταν ωραίο για αυτό το έργο είναι ότι μερικές φορές οι υπολογιστικοί και οι θεωρητικοί είναι λίγο μπροστά και άλλες φορές είναι οι πειραματιστές", λέει ο Asta. "Συχνά συναντάμε και μιλάμε για τα ευρήματά μας και τις νέες μας ιδέες."

Η μελέτη της ομάδας για την ευαισθησία οξυγόνου του τιτανίου, για παράδειγμα, οδήγησε σε μια μελέτη του τιτανίου που είχε αλουμινένιο με αλουμίνιο και οξυγόνο. Διαπίστωσαν ότι η καταστροφή οξυγόνου θα μπορούσε να εξαλειφθεί με την προσθήκη μικρών ποσοτήτων αλουμινίου, ειδικά σε κρυογονικές θερμοκρασίες, οι οποίες είναι κάτω από -150 βαθμούς Κελσίου.

Με μόνο τις σωστές ποσότητες αλουμινίου και οξυγόνου, η ομάδα λέει ότι μια νέα παραγγελία της κρυσταλλικής δομής τιτανίου εμπόδισε μια ανακατεύθυνση ατόμων οξυγόνου που θα οδηγούσε σε μια καταστροφική παρακολούθηση των διαχωρισμών και τελικά των θραυσμάτων. Επιπλέον, επειδή η εισαγωγή του αλουμινίου μείωσε την ευαισθησία του οξυγόνου του συνολικού τιτανίου, θα μειωθεί το κόστος επεξεργασίας για τη δημιουργία ενός χρησιμοποιήσιμου μετάλλου.

Σε μια ακόμη μελέτη, η ομάδα εξέτασε την έρευνα που επέστρεψε στη δεκαετία του 1960, δείχνοντας ότι πολλά μέταλλα και κράματα εμφανίζουν δραματικές αυξήσεις στην ολκιμότητα όταν υποβλήθηκαν σε περιοδικούς ηλεκτρικούς παλμούς κατά τη διάρκεια της παραμόρφωσης του μετάλλου. Αλλά οι υποκείμενοι μηχανισμοί του γιατί αυτή η λεγόμενη ηλεκτροπλαστικότητα μπορεί να είναι αληθινή δεν είναι σαφής.

"Η ηλεκτροπλωστικότητα μπορεί να οδηγήσει σε μειωμένο κόστος για τη μεταλλουργική επεξεργασία, δεδομένου ότι χρειάζεται λιγότερη ενέργεια για να σχηματίσει μέταλλο με ηλεκτρικούς παλμούς από τη θέρμανση ολόκληρου του μετάλλου σε υψηλή θερμοκρασία για να επιτευχθεί η ίδια ικανότητα διαμόρφωσης", λέει ο Minor. "Είναι ενδιαφέρον ότι αυτή η επίδραση της ηλεκτρομαστικότητας είναι καθολική στο ότι έχει αποδειχθεί ότι λειτουργεί για ουσιαστικά κάθε μέταλλο, όχι μόνο τιτάνιο".

Η ομάδα πραγματοποίησε δοκιμές εφελκυσμού του μετάλλου κάτω από τρεις διαφορετικές συνθήκες: θερμοκρασία δωματίου χωρίς ηλεκτρικό ρεύμα, με περιοδικό ηλεκτρικό παλμό 100 χιλιοστών του δευτερολέπτου και με σταθερό ρεύμα. Επειδή η εφαρμογή ηλεκτρικού ρεύματος θερμαίνει το μέταλλο, η ομάδα ανησυχούσε για τη διάκριση των επιδράσεων που προκλήθηκαν αποκλειστικά από την ηλεκτρική ενέργεια από αυτές που προκαλούνται από τη θερμότητα.

Τα αποτελέσματά τους έδειξαν ότι, παρά τη χρήση ενός μικρότερου περιοδικού παλμού από τις προηγούμενες μελέτες, η μέθοδος του 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 του παλμικού ρεύματος.

Με τη βοήθεια του TEM να δει αλλαγές στην κρυσταλλική δομή του μετάλλου, τα αποτελέσματά τους υποδηλώνουν ότι η θεραπεία με παλμικό ρεύμα καταστέλλει τις επίπεδες εξάρσεις ολίσθησης. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι ο ηλεκτρικός παλμός σκληραίνει το υλικό και απογοητεύει την ανάπτυξη της επίπεδης ολίσθησης διατηρώντας ένα διάχυτο, 3D μοτίβο εξάρθρωσης που τελικά προσφέρει υψηλή αντοχή και ολκιμότητα.

Νανοσωματίδιο τιτανίου

Πιο πρόσφατα, ο Minor και ο Robert Ritchie, καθηγητές της επιστήμης των υλικών και της μηχανολογίας, ανέπτυξαν μια πρωτοποριακή μέθοδο επεξεργασίας χύδην για να κάνουν το καθαρό τιτάνιο που είναι λιγότερο ακριβό και αποδίδει ένα μέταλλο με μεγαλύτερη αντοχή σε εφελκυσμό και ολκιμότητα.

Οι καθηγητές της επιστήμης και της μηχανικής των υλικών (από αριστερά) Daryl Chrzan, Mark Asta και Andrew Minor με το πρόγραμμα Team I (Microscope Corration Microscope που διορθώνεται με εκτροπή μετάδοσης) στο Εθνικό Κέντρο ηλεκτρονικής μικροσκοπίας του Berkeley Lab. (Φωτογραφία από τον Adam Lau / Berkeley Engineering)

Εκτός από τα κράματα, ένας άλλος τρόπος για την ενίσχυση των δομικών μετάλλων είναι η προσαρμογή του μεγέθους των κρυστάλλων - επίσης γνωστός ως κόκκων - που αποτελούν το μέταλλο χρησιμοποιώντας θερμότητα και μηχανική επεξεργασία, όπως κυλίνδρους ή πίεση. Με τη μείωση του μεγέθους των κόκκων σε υπο-μικρομετρικά ή νανόμετρα, οι ερευνητές μπορούν να εισαγάγουν τις λεγόμενες δομές νανοσωματιδίων ή ελαττώματα στο μέταλλο που προκαλούνται από ευθυγραμμισμένες κρυσταλλικές δομές. Οι δομές νανοσωματιδίων βελτιώνουν τη δύναμη και μειώνουν τον κίνδυνο θραύσης ενεργώντας ως εμπόδιο σε επίπεδη ολίσθηση. Με την προσαρμογή της απόστασης και του προσανατολισμού των δομών νανοσυμπιεστών, λέει ο Μικρά, οι μηχανικές ιδιότητες μπορούν να βελτιστοποιηθούν ακόμη περισσότερο. Αλλά οι παραδοσιακές μέθοδοι δεν είναι ούτε ασήμαντες ούτε φθηνές.

Αντ 'αυτού, ο μικρός, ο Ritchie και οι συνάδελφοί του εισήγαγαν πολλαπλές δομές νανοσωματιδίων σε καθαρό τιτάνιο μέσω μιας κρυο-μηχανικής διαδικασίας. Χρησιμοποίησαν κομμάτια τιτανίου σε σχήμα κύβου που πιέζονταν κατά μήκος τριών πλευρών σε υγρό άζωτο. Η απαλή συμπίεση, λέει ο Μικρά, ελέγχει την πυκνότητα των δομών νανοσυμπιεστών που ενισχύουν το μέταλλο διατηρώντας παράλληλα την αρχική δομή των κόκκων. Το καλύτερο από όλα, η διαδικασία δεν βασίζεται σε έντονη θερμότητα και ίσως έναν πιο βιώσιμο τρόπο για να γίνει τιτάνιο για ένα πολύ ευρύτερο φάσμα εφαρμογών από ό, τι σήμερα.

Οι μηχανικές ιδιότητες του κρυοεγερμένου υλικού, συγκεκριμένα της αντοχής και της ολκιμότητας, κρατούν σε εξαιρετικά υψηλές και κρυογονικές θερμοκρασίες. Η Minor αναφέρει ότι η απόδοση του νανοσωματιδίου τιτανίου καθιστά ιδανική για πράγματα όπως εξαιρετικά ζεστές μηχανές τζετ, καθώς και πολύ κρύα περιβάλλοντα λειτουργίας που θα πρότειναν χρήσεις όπως η διατήρηση δαχτυλιδιών για τους υπεραγωγικούς μαγνήτες, τα δομικά μέρη των δεξαμενών υγροποιημένου φυσικού αερίου, καθώς και των υλικών για να είναι εκτεθειμένες σε περιβάλλοντα βαθιάς ωκεανού ή βαθιού χώρου.

Ερωτηθείς αν η νέα διαδικασία κατασκευής τιτανίου εμπορικής ποιότητας μπορεί να μεταφερθεί σε κλίμακα μια μέρα σύντομα, λέει ο Minor, γιατί όχι; Είναι πιο δύσκολο να κάνουμε πράγματα όπως η διαδικασία Kroll που χρησιμοποιείται σήμερα, όπου το υλικό πρέπει να απομονωθεί ηλεκτρικά και ολόκληρη η διαδικασία παίρνει τεράστιες ποσότητες ισχύος. "Και αυτό το cryo-forging, θα βάζαμε τα πράγματα σε ένα μπάνιο."