Een nieuwe tijd voor titanium (3)
Nanoverweven titanium
(Voortgezet)
Recentelijk hebben Minor en Robert Ritchie, hoogleraren materiaalkunde en werktuigbouwkunde, een baanbrekende bulkverwerkingsmethode ontwikkeld om puur titanium te maken dat minder duur is en een metaal oplevert met een grotere treksterkte en ductiliteit.
professoren Daryl Chrzan, Mark Asta en Andrew Minor staan bij de TEAM I-elektronenmicroscoop
Hoogleraren materiaalkunde en techniek (van links) Daryl Chrzan, Mark Asta en Andrew Minor met het TEAM I-project (Transmission Electron Aberration-corrected Microscope) in het National Center for Electron Microscopy van Berkeley Lab. (Foto door Adam Lau / Berkeley Engineering)
Naast legeringen is een andere manier om structurele metalen te versterken het aanpassen van de grootte van de kristallen (ook wel korrels genoemd) waaruit het metaal bestaat door gebruik te maken van warmte en mechanische bewerkingen, zoals walsen of persen. Door de korrelgrootte terug te brengen tot submicrometers of nanometers kunnen onderzoekers zogenaamde nanotwinned-structuren introduceren, of defecten in het metaal veroorzaakt door uitgelijnde kristalstructuren. De nanoverbonden structuren verbeteren de sterkte en verlagen het risico op breuk door te fungeren als een barrière tegen vlakke slips. Door de afstand en oriëntatie van de nanoverbonden structuren aan te passen, kunnen volgens Minor de mechanische eigenschappen nog verder worden geoptimaliseerd. Maar traditionele methoden om dit te doen zijn niet triviaal en ook niet goedkoop.
In plaats daarvan introduceerden Minor, Ritchie en collega's meerdere nano-verbonden structuren in puur titanium door middel van een cryo-mechanisch proces. Ze gebruikten kubusvormige stukjes titanium die langs drie zijden in vloeibare stikstof werden geperst. De zachte compressie, zegt Minor, regelt de dichtheid van nanoverweven structuren die het metaal versterken terwijl de oorspronkelijke korrelstructuur behouden blijft. Het beste van alles is dat het proces niet afhankelijk is van intense hitte en misschien een duurzamere manier is om titanium te maken voor een veel breder scala aan toepassingen dan vandaag de dag.
De mechanische eigenschappen van het cryo-gesmede materiaal, met name sterkte en ductiliteit, blijven zowel bij extreem hoge als cryogene temperaturen behouden. Minor zegt dat de prestaties van het nano-twinned titanium het ideaal maken voor zaken als extreem hete straalmotoren en zeer koude werkomgevingen die gebruik zouden suggereren als borgringen voor supergeleidende magneten, structurele onderdelen van tanks voor vloeibaar aardgas, maar ook materialen die moeten worden gebruikt. blootgesteld aan diepe oceaan- of ruimteomgevingen.
Op de vraag of het nieuwe commerciële titaniumfabricageproces binnenkort op schaal kan worden gebracht, antwoordt Minor: waarom niet? Het is moeilijker om dingen te doen als het Kroll-proces dat tegenwoordig wordt gebruikt, waarbij het materiaal elektrisch moet worden geïsoleerd en het hele proces enorme hoeveelheden stroom kost. "En met dit cryo-smeden zouden we dingen gewoon in een bad stoppen."