Een nieuwe tijd voor titanium (2)
Ontwerpstrategieën die het schuifproces van zuurstofatomen onderbreken of nanostructuren bevorderen om te voorkomen dat vlakke slips zich opstapelen, zouden tot betere legeringen kunnen leiden. Deze legeringen zouden toepassingen hebben, vooral in de auto- en ruimtevaartindustrie, zegt Minor.
Cryo-smeden van nanoverbonden titanium
Professor Andrew Minor giet vloeibare stikstof op een titaniummonster en demonstreert het cryosmeedproces dat wordt gebruikt om nanoverbonden titanium in zijn laboratorium te maken. (Foto door Adam Lau / Berkeley Engineering)
Om deze en andere problemen aan te pakken, vertrouwt het team op een mix van computermodellering, transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) en andere beeldvormingsmodaliteiten, en experimenten.
"Een van de leuke dingen aan dit project is dat soms de computationalisten en theoretici een beetje voorop lopen, en andere keren zijn het de experimentelen", zegt Asta. "We ontmoeten elkaar regelmatig en praten over onze bevindingen en onze nieuwe ideeën."
De studie van het team naar de zuurstofgevoeligheid van titanium leidde bijvoorbeeld tot een onderzoek naar titanium gelegeerd met aluminium en zuurstof. Ze ontdekten dat zuurstofverbrossing kon worden geëlimineerd door kleine hoeveelheden aluminium toe te voegen, vooral bij cryogene temperaturen, die lager zijn dan -150 graden Celsius.
Met precies de juiste hoeveelheden aluminium en zuurstof, zegt het team, voorkwam een nieuwe ordening van de titaniumkristalstructuur het schudden van zuurstofatomen, wat zou leiden tot een schadelijke opeenstapeling van dislocaties en uiteindelijk breuken. Bovendien zouden, omdat de introductie van aluminium de zuurstofgevoeligheid van titanium in het algemeen verminderde, de verwerkingskosten om een bruikbaar metaal te creëren ook dalen.
In nog een ander onderzoek keek het team naar onderzoek dat teruggaat tot de jaren zestig en waaruit bleek dat veel metalen en legeringen een dramatische toename in taaiheid vertonen wanneer ze worden blootgesteld aan periodieke elektrische pulsen tijdens vervorming van het metaal. De onderliggende mechanismen waarom deze zogenaamde elektroplasticiteit waar zou kunnen zijn, zijn echter niet duidelijk.
"Elektroplasticiteit kan leiden tot lagere kosten voor metallurgische verwerking, omdat het minder energie kost om metaal te vormen met elektrische pulsen dan het verwarmen van het hele metaal tot een hoge temperatuur om dezelfde vervormbaarheid te bereiken", zegt Minor. "Interessant is dat dit effect van elektroplasticiteit universeel is, omdat is aangetoond dat het voor vrijwel elk metaal werkt, niet alleen voor titanium."
Het team voerde trekproeven uit op het metaal onder drie verschillende omstandigheden: kamertemperatuur zonder elektrische stroom, met een periodieke elektrische puls van 100 milliseconden en met een constante stroom. Omdat het toepassen van elektrische stroom het metaal verwarmt, maakte het team zich zorgen over het onderscheid tussen de effecten die uitsluitend door elektriciteit worden veroorzaakt en de effecten die door hitte worden veroorzaakt.
Hun resultaten toonden aan dat, ondanks het gebruik van een kleinere periodieke puls dan eerdere studies, de gepulseerde stroommethode de trekrek van de titaniumlegering verbeterde, evenals de maximale sterkte ervan. Ze merken op dat dit effect alleen specifiek was voor het gepulseerde stroomexperiment.
Met behulp van TEM om veranderingen in de kristalstructuur van het metaal waar te nemen, suggereren hun resultaten dat de behandeling met gepulseerde stroom planaire slipdislocaties onderdrukt. De onderzoekers ontdekten dat de elektrische puls het materiaal verhardt en de ontwikkeling van planaire slip frustreert door een diffuus 3D-dislocatiepatroon in stand te houden dat uiteindelijk een hoge sterkte en ductiliteit oplevert.
(Wordt vervolgd)