Een nieuwe tijd voor titanium (1)

Van de metalen onderscheiden de sterkte en lichtheid van titanium, de corrosieweerstand en het vermogen om extreme temperaturen te weerstaan ​​zich al lang van waarde, vooral voor gewichts- en omgevingsgevoelige toepassingen. Toen het voor het eerst werd beschreven aan het einde van de 18e eeuw, noemde een mede-ontdekker het metaal naar de Titanen - goden geboren uit de aarde en de lucht in de oude Griekse mythologie.

De tijd heeft de glans van titanium alleen maar gepolijst. "Ik ben materiaalwetenschapper en daarom vragen mensen mij soms: 'Wat is je favoriete element?'", zegt Andrew Minor, hoogleraar materiaalkunde en techniek. Voor gebouwen, vliegtuigen, raketten, ruimteschepen en meer zegt hij: "Als je het sterkste materiaal met het minste gewicht wilt, is het titanium. Als we konden, zouden we alles van titanium maken."

Voor industriële ontwerpers, het vooruitzicht van sterke, lichtgewicht, zeer zuinige auto's, vrachtwagens en vliegtuigen bijvoorbeeld, of supercorrosiebestendige vrachtschepen, moet titanium inderdaad het spul van dromen zijn.

Het probleem? "Het is te duur", zegt Minor over titanium of titaniumlegeringen van industriële kwaliteit die anders staal zouden kunnen vervangen terwijl alleen de sterkste en meest duurzame materialen voldoende zijn. De kosten voor het maken van titanium zijn ongeveer zes keer hoger dan die van roestvrij staal. Als gevolg hiervan is het gebruik ervan beperkt gebleven tot speciale onderdelen voor de lucht- en ruimtevaart, hoogwaardige artikelen zoals sieraden en andere nichetoepassingen.

Bovendien heeft puur titanium slechts een matige sterkte, legt Minor uit. Het kan worden versterkt met elementen als zuurstof, aluminium, molybdeen, vanadium en zirkonium; dat gaat echter vaak ten koste van de ductiliteit: het vermogen van een metaal om te worden getrokken of vervormd zonder te breken.

Nu, na tien jaar onderzoek, nadert mogelijk een nieuw tijdperk voor titanium, inclusief sterk uitgebreide technische toepassingen, dankzij Minor en zijn Berkeley-collega's, waaronder Mark Asta, Daryl Chrzan en JW Morris Jr., ook professoren aan de afdeling van materiaalkunde en techniek. Ze hebben titanium op allerlei manieren onderzocht en geprikt in de hoop het praktische gebruik ervan voor een verscheidenheid aan structurele of technische toepassingen uit te breiden.

Wat de buitensporige kosten van titanium van commerciële kwaliteit drijft, legt Minor uit, is het complexe Kroll-proces dat het vaakst wordt gebruikt om titaniumstaven, blokken en andere vormen van metaal te maken die tot bruikbare onderdelen en andere producten kunnen worden vervaardigd. Het proces omvat het gebruik van dure materialen zoals argongas, en het is energie-intensief en vereist meerdere smeltingen bij extreem hoge temperaturen, vooral om zuurstofverontreinigingen onder controle te houden.

Titanium en zuurstof hebben inderdaad een raadselachtige relatie, een relatie die Minor, Asta, Chrzan, Morris en collega's beter wilden begrijpen. Het team wist dat voor titaniumlegeringen vaak een zuurstofonzuiverheid wordt gebruikt om een ​​krachtig versterkend effect te benutten. Titanium gemaakt met slechts een kleine toename van de hoeveelheid atomaire zuurstof kan resulteren in een metaal met een meervoudige toename in sterkte.

Helaas kan de zuurstof ook een nog grotere afname van de ductiliteit van het metaal veroorzaken. Het wordt bros en zal breken en breken.

Maar ‘zuurstof is overal’, zegt Minor over de moeilijkheid om de hoge reactiesnelheid van titanium op zuurstof te omzeilen. "Het is geen onzuiverheid uit het bronmateriaal die je gewoon kunt vermijden."

Hij karakteriseert de gevoeligheid van titanium voor zuurstof als extreem. "Het is echt vreemd hoe krachtig het is", zegt Minor. Het oefent effecten uit op het metaal, zowel goede als slechte, terwijl de aanwezigheid van vergelijkbare hoeveelheden zuurstof onbeduidend is voor metalen als aluminium en staal, omdat het bij de verwerking veel gemakkelijker kan worden verwerkt.

Om meer te weten te komen, wendde het team zich tot high-performance computing om het vervormingsproces in titanium onder spanning en met verschillende hoeveelheden zuurstof te modelleren. Computermodellen, zegt Asta, zijn een "krachtige set hulpmiddelen waarmee we deze uitzonderlijke uitdaging in de titaniummetallurgie kunnen onderzoeken."

Van de belangrijkste ontdekkingen van het team werd het schudden van zuurstofatomen in de kristalstructuur van titanium wanneer het metaal onder spanning staat, de sleutel tot het begrijpen van het verlies aan ductiliteit. In een niet-gestresste toestand bevinden zuurstofmoleculen zich zonder incidenten in natuurlijke openingen tussen titaniumatomen. Maar onder mechanische krachten kunnen de zuurstofatomen naar aangrenzende ruimtes schuifelen waar ze minder weerstand bieden tegen dislocaties die, als ze zich verspreiden, het metaal verzwakken.

"De zuurstof bevordert een structurele zwakte", zegt Minor. Terwijl mechanische krachten het metaal vervormen, kunnen de verplaatste zuurstofatomen, in plaats van de verspreiding van structurele defecten te blokkeren, een zogenaamde planaire slip vergemakkelijken.

Een vlakke slip, zegt Asta, is als een rimpeling van defecten in de kristalstructuur van het metaal die op elkaar voortbouwen en uiteindelijk leiden tot breuken, scheuren en een broos stuk metaal.

Om te begrijpen hoe een dislocatie zich kan vormen en verspreiden in titanium, stelt Chrzan voor om te visualiseren dat je probeert een groot, zwaar tapijt te verplaatsen.

"Een heel groot vloerkleed kan aan de ene kant worden opgepakt en over de vloer naar een nieuwe positie worden gesleept", zegt hij. Maar een andere manier om het vloerkleed te verplaatsen is door aan het ene uiteinde een rimpel te creëren en vervolgens, door met je voeten over de bovenkant van het tapijt te schuifelen, de rimpel naar het andere uiteinde te 'lopen'. Op voorwaarde dat niets de beweging ervan blokkeert, zal het hele tapijt zijn verplaatst over een afstand die gelijk is aan de breedte van de rimpel.

Dergelijke "rimpelingen" in titanium kunnen worden gezien met elektronenmicroscopie. "Je kunt zien dat alle dislocaties in rijen op een rij staan", zegt Minor. "En dat is slecht voor de ductiliteit, want als ze op één lijn staan ​​en elkaar alleen maar volgen, raken ze niet verstrikt [en dus gestopt] zodat het metaal niet uithardt. Je krijgt een stressconcentratie, en dat is waar je terechtkomt een scheur."

(Wordt vervolgd)