Een nieuwe tijd voor titanium, waardoor een sterker, goedkoper, duurzamer metaal wordt gemaakt

Onder metalen hebben de sterkte en lichtheid van Titanium, corrosieweerstand en het vermogen om extreme temperaturen te weerstaan, de waarde ervan al lang onderscheiden, met name voor gewicht- en omgevingsgevoelige toepassingen. Toen het voor het eerst werd beschreven in de late 18e eeuw, noemde een mede -discoverer het metaal voor de Titans - Gods geboren uit aarde en hemel in de oude Griekse mythologie.

De tijd heeft alleen de glans van Titanium gepolijst. "Ik ben een materiaalwetenschapper, en dus vragen mensen me soms:" Wat is je favoriete element? "", Zegt Andrew Minor, professor in materiaalwetenschap en engineering. Voor gebouwen, vliegtuigen, raketten, ruimteschepen en meer, zegt hij: "Als je het sterkste materiaal voor de minste hoeveelheid gewicht wilt, is het titanium. Als we konden, zouden we alles uit titanium maken."

Voor industrieel ontwerpers, bijvoorbeeld het vooruitzicht van sterke, lichtgewicht, zeer zuinige auto's, vrachtwagens en vliegtuigen, bijvoorbeeld, of supercorrosiebestendige vrachtschepen, moet titanium 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 wanneer alleen de sterkste, meest duurzame materialen voldoende zullen zijn. De kosten voor het maken van titanium zijn ongeveer zes keer groter dan die van roestvrij staal. Als gevolg hiervan zijn het gebruik ervan beperkt gebleven tot speciale onderdelen voor ruimtevaart, hoogwaardige items zoals sieraden of andere nichetoepassingen.

Bovendien heeft pure titanium slechts matige kracht, legt Minor uit. Het kan worden versterkt met elementen zoals zuurstof, aluminium, molybdeen, vanadium en zirkonium; Dat is echter vaak ten koste van de ductiliteit - het vermogen van een metaal om te worden getekend of vervormd zonder te breken.

Nu, na een decennium van onderzoek, kan een nieuw tijdperk voor titanium, inclusief sterk uitgebreide technische toepassingen, naderen, dankzij Minor en zijn collega's in Berkeley, waaronder Mark Asta, Daryl Chrzan en JW Morris Jr., ook professoren op de afdeling van materiaalwetenschap en engineering. Ze hebben titanium op een aantal manieren op een aantal manieren geprocoleerd in de hoop het praktische gebruik ervan voor verschillende structurele of technische toepassingen uit te breiden.

In een reeks studies hebben de onderzoekers kritische nieuwe inzichten ontwikkeld over titanium, inclusief recepten voor het maken van betere titaniumlegeringen, evenals een cryo-gesmeed techniek voor het maken van titanium van industriële kwaliteit-vooruitgang die uiteindelijk kan leiden tot een beter en duurzame en duurzame meer productie.

Een schematische tekening van het cryo-mechanische proces dat resulteert in nanotwinned titanium.

(Illustratie door Andrew Minor)

Het zuurstofconundrum

Het is belangrijk om te begrijpen dat de kosten van titanium niet te wijten zijn aan de zeldzaamheid. Titanium is geen edelmetaal; Het wordt eerder bijna overal over de hele wereld gevonden, in stollingsgesteenten nabij het oppervlak. Het is het negende meest voorkomende element van de aarde en het vierde meest voorkomende metaal, en het kan worden gebruikt om dingen zowel in zijn pure vorm als als een legering te maken.

In plaats daarvan drijft het overmatige kosten van titanium voor commerciële kwaliteit, legt Minor uit, het complexe Kroll-proces dat het meest wordt gebruikt om titaniumbars, ingots en andere vormen van metaal te maken die kunnen worden gefabriceerd in bruikbare onderdelen en andere producten. Het proces omvat het gebruik van dure materialen zoals argongas, en het is energie-intensief, waarbij meerdere smelts nodig zijn bij extreem hoge temperaturen, vooral om zuurstofonzuiverheden te regelen.

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

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

Maar "zuurstof is overal", zegt Minor over de moeilijkheid om te manoeuvreren rond het hoge reactievermogen van Titanium op zuurstof. "Het is niet een onzuiverheid van het bronmateriaal dat je gewoon kunt vermijden."

Hij kenmerkt de gevoeligheid van Titanium voor zuurstof als extreem. "Het is echt vreemd hoe krachtig het is", zegt Minor. Het heeft effecten op het metaal, zowel goed als slecht, terwijl de aanwezigheid van vergelijkbare hoeveelheden zuurstof onbeduidend is voor metalen zoals aluminium en staal omdat het kan worden behandeld bij het veel gemakkelijker verwerking.

Voor meer informatie wendde het team zich tot krachtige computing om het vervormingsproces in titanium onder stress en met verschillende hoeveelheden zuurstof te modelleren. Computermodellen, zegt Asta, zijn een "krachtige set tools waarmee we deze uitstekende uitdaging in titaniummetallurgie kunnen onderzoeken."

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

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

Een vlakke slip, zegt Asta, is als een rimpel van defecten in de kristalstructuur van het metaal die de ene op de andere bouwt, wat uiteindelijk leidt tot breuken, scheuren en een bros stuk metaal.

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

"Een zeer groot vloerkleed kan aan één uiteinde worden opgehaald en over de vloer naar een nieuwe positie worden gesleept", zegt hij. Maar een andere manier om het vloerkleed te verplaatsen is door een rimpel aan één uiteinde te maken en dan, door je voeten over de bovenkant van het tapijt te schuifelen, kun je de rimpel naar het andere uiteinde "lopen". Op voorwaarde dat niets zijn beweging blokkeert, zal het hele tapijt zijn verplaatst door een afstand gelijk aan de breedte van de rimpel.

Dergelijke "rimpelingen" in titanium zijn te zien met elektronenmicroscopie. "Je kunt zien dat alle dislocaties in rijen zijn opgesteld," zegt Minor. "En dat is slecht voor ductiliteit, want als ze in de rij staan ​​en elkaar alleen volgen, raken ze niet verstrikt [en dus gestopt] zodat het metaal niet werkt. een scheur. "

Betere legeringen creëren

Ontwerpstrategieën die het schuiflingproces van zuurstof-atoom onderbreken of nanostructuren promoten om te voorkomen dat vlakke slips zich ophopen kunnen leiden tot betere legeringen. Deze legeringen zouden toepassingen hebben, vooral in de auto- en ruimtevaartindustrie, zegt Minor.

Professor Andrew Minor giet vloeibare stikstof op een titaniummonster en demonstreert het cryo-forging-proces dat wordt gebruikt om nanotwinned titanium in zijn laboratorium te creëren. (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 dingen die leuk zijn aan dit project is dat de computationalisten en theoretici soms een beetje vooruit zijn, en andere keren zijn het de experimentalisten," zegt Asta. "We ontmoeten elkaar vaak en praten over onze bevindingen en onze nieuwe ideeën."

De studie van het team van de zuurstofgevoeligheid van Titanium leidde bijvoorbeeld tot een studie van titanium gelegeerd met aluminium en zuurstof. Ze ontdekten dat zuurstofverbreuk 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 bestelling van de titaniumkristalstructuur een schuifelende zuurstofatomen die zou leiden tot een schadelijke opeenstapeling van dislocaties en uiteindelijk breuken. Wat meer is, omdat de introductie van aluminium de zuurstofgevoeligheid van titanium in het algemeen verminderde, zou de verwerkingskosten om een ​​bruikbaar metaal te creëren ook worden verlaagd.

In nog een andere studie keek het team naar onderzoek dat terugging naar de jaren 1960 waaruit blijkt dat veel metalen en legeringen een dramatische toename van de ductiliteit vertonen wanneer ze worden onderworpen aan periodieke elektrische pulsen tijdens vervorming van het metaal. Maar de onderliggende mechanismen van waarom deze zogenaamde elektroplasticiteit waar zou kunnen zijn, zijn niet duidelijk.

"Elektroplasticiteit kan leiden tot lagere kosten voor metallurgische verwerking, omdat er minder energie nodig is om metaal met elektrische pulsen te vormen dan het gehele metaal tot een hoge temperatuur te verwarmen om dezelfde vormbaarheid te bereiken," zegt Minor. "Interessant is dat dit effect van elektroplasticiteit universeel is omdat is aangetoond dat het in wezen elk metaal werkt, niet alleen titanium."

Het team voerde trekstests van het metaal uit onder drie verschillende omstandigheden: kamertemperatuur zonder elektrische stroom, met een periodieke elektrische puls van 100 milliseconden duur en met een constante stroom. Omdat het aanbrengen van elektrische stroom het metaal verwarmt, maakte het team zich zorgen over het onderscheiden van de effecten die uitsluitend door elektriciteit worden veroorzaakt door die veroorzaakt door warmte.

Hun resultaten toonden aan dat, ondanks het gebruik van een kleinere periodieke puls dan eerdere studies, de gepulseerde-stroommethode de trekverlenging van de titaniumlegering en de maximale sterkte verbeterde. Ze merken op dat dit effect alleen specifiek was voor het gepulseerde-stroomonderzoek.

Met behulp van TEM om veranderingen in de kristalstructuur van het metaal te zien, suggereren hun resultaten dat de pulsed-stroombehandeling vlakke dislocaties onderdrukt. De onderzoekers ontdekten dat de elektrische puls het materiaal verhardt en de ontwikkeling van vlakke slip frustreert door een diffuus, 3D -dislocatiepatroon te handhaven dat uiteindelijk hoge sterkte en ductiliteit levert.

Nanotwinned titanium

Onlangs ontwikkelden Minor en Robert Ritchie, hoogleraren van materiaalwetenschappen en werktuigbouwkunde, een baanbrekende bulkverwerkingsmethode om puur titanium te maken dat minder duur is en een metaal met grotere treksterkte en ductiliteit oplevert.

Materials Science and Engineering Professoren (van links) Daryl Chrzan, Mark Asta en Andrew Minor met het team I (transmissie-elektronen aberratie-gecorrigeerde microscoop) project in het National Center for Electron Microscopy van Berkeley Lab. (Foto door Adam Lau / Berkeley Engineering)

Afgezien van legeringen, is een andere manier om structurele metalen te versterken om de grootte van kristallen aan te passen - ook bekend als graan - die het metaal vormen met behulp van warmte en mechanische verwerking, zoals rollen of drukken. Door de korrelgrootte te verminderen tot sub-micrometers of nanometers, kunnen onderzoekers zogenaamde nanotwinned structuren introduceren, of defecten in het metaal veroorzaakt door uitgelijnde kristalstructuren. De nanotwinned structuren verbeteren de sterkte en verlagen het risico op breuk door te fungeren als een barrière voor vlakke slips. Door de afstand en oriëntatie van de nanotwinned structuren aan te passen, zegt Minor, kunnen de mechanische eigenschappen nog verder worden geoptimaliseerd. Maar traditionele methoden om dit te doen zijn noch triviaal noch goedkoop.

In plaats daarvan introduceerden Minor, Ritchie en collega's meerdere nanotwinned structuren in pure titanium door middel van een cryo-mechanisch proces. Ze gebruikten kubusvormige stukken titanium die langs drie zijden werden gedrukt in vloeibare stikstof. De zachte compressie, zegt Minor, regelt de dichtheid van nanotwinned structuren die het metaal versterken en tegelijkertijd de initiële korrelstructuur behouden. Het beste van alles is dat het proces niet afhankelijk is van intense hitte en misschien een duurzamere manier om titanium te maken voor een veel breder scala aan toepassingen dan vandaag.

De mechanische eigenschappen van het cryo-gesneden materiaal, met name sterkte en ductiliteit, houden zowel op extreem hoge als cryogene temperaturen vast. Minor zegt dat de prestaties van het titanium van de nanotwinning het ideaal maken voor dingen als extreem hete straalmotoren, evenals zeer koude bedieningsomgevingen die suggereren dat toepassingen zoals het behouden van ringen voor supergeleidende magneten, structurele delen van vloeibaar aardgastanks, evenals materialen zijn blootgesteld aan diepe oceaan- of diepe ruimteomgevingen.

Gevraagd of het nieuwe titaniumfabricageproces voor commerciële kwaliteit op een dag op schaal kan worden gebracht, zegt Minor, waarom niet? Het is moeilijker om dingen te doen zoals het Kroll -proces dat vandaag wordt gebruikt, waarbij het materiaal elektrisch moet worden geïsoleerd en het hele proces enorme hoeveelheden stroom nodig heeft. "En deze cryo-samentrekken zouden we gewoon dingen in een bad zetten."