Jauns laiks titānam, veidojot stiprāku, lētāku, ilgtspējīgāku metālu

Metālu vidū Titāna izturība un vieglums, izturība pret koroziju un spēju izturēt ekstrēmas temperatūras jau sen ir atšķirīga tā vērtība, jo īpaši attiecībā uz svara un vides jutīgām lietojumiem. Kad tas pirmo reizi tika aprakstīts 18. gadsimta beigās, līdzdalībnieks, kas nosaukts par metālu titāniem - dieviem, kas dzimuši no zemes un debesīm senās grieķu mitoloģijā.

Laiks ir tikai sadedzinājis Titāna spīdumu. "Es esmu materiālu zinātnieks, un tāpēc cilvēki dažreiz man jautā:" Kāds ir tavs mīļākais elements? "" Saka Endrjū Minor, materiālu zinātnes un inženierzinātņu profesors. Ēkām, lidmašīnām, raķetēm, kosmosa kuģiem un citam viņš saka: "Ja vēlaties spēcīgāko materiālu vismazāk svara, tas ir titāns. Ja mēs varētu, mēs visu padarītu no titāna."

Rūpnieciskiem dizaineriem patiešām ir spēcīgu, vieglu, ļoti degvielu tauku, kravas automašīnu un lidmašīnu, piemēram, vai super korozijas izturīgu kravas kuģu izredzes, titānam jābūt sapņu lietām.

Problēma? "Tas ir pārāk dārgi," Minor saka par rūpnieciskās kvalitātes titānu vai titāna sakausējumiem, kas citādi varētu aizstāt tēraudu, ja pietiks tikai ar spēcīgākajiem, izturīgākajiem materiāliem. Titāna izgatavošanas izmaksas ir apmēram sešas reizes lielākas nekā nerūsējošā tērauda izmaksas. Tā rezultātā tā izmantošana ir ierobežota ar speciālām aviācijas un augstākās klases priekšmetu, piemēram, rotaslietu vai citu nišas lietojumprogrammām.

Turklāt Pure Titanium ir tikai mērens spēks, skaidro Minor. To var stiprināt ar tādiem elementiem kā skābeklis, alumīnijs, molibdēns, vanādijs un cirkonijs; Tomēr tas bieži notiek uz elastības rēķina - metāla spēja uzzīmēt vai deformēties bez saburšanas.

Tagad, pēc desmit gadu ilgas pētniecības, titāna laikmets, ieskaitot ievērojami paplašinātus inženiertehniskos lietojumprogrammas, var tuvoties, pateicoties nepilngadīgajam un viņa Berkeley kolēģiem, tostarp Markam Asta, Daryl Chrzan un JW Morris Jr. materiālu zinātnes un inženierzinātnes. Viņi ir zondējuši un izvirzījuši titānu visos veidos, cerot paplašināt tā praktisko izmantošanu dažādiem strukturāliem vai inženiertehniskiem pielietojumiem.

Pētījumu sērijā pētnieki ir izstrādājuši kritisku jaunu ieskatu par titānu, ieskaitot receptes labāku titāna sakausējumu izgatavošanai, kā arī par krio apkarotu paņēmienu rūpnieciskas kvalitātes titāna izgatavošanai-avansa, kas galu galā varētu izraisīt rentablāku un ilgtspējīgāku un ilgtspējīgāku ražošana.

Krio-mehāniskā procesa shematisks zīmējums, kura rezultātā rodas nanotvizēts titāns.

(Endrjū Minor ilustrācija)

Skābekļa mīkla

Ir svarīgi saprast, ka titāna izmaksas nav saistītas ar tā retumu. Titāns nav dārgais metāls; Drīzāk tas ir atrodams gandrīz visur visā pasaulē, nederīgos iežos netālu no virsmas. Tas ir zemes devītākais visbagātākais elements un ceturtais visbagātākais metāls, un to var izmantot, lai padarītu lietas gan tīrā formā, gan kā sakausējumam.

Tā vietā, kas izraisa komerciālā līmeņa titāna pārmērīgās izmaksas, Minor skaidro, ir sarežģītais Krollas process, ko visbiežāk izmanto titāna stieņu, lietņu un citu metāla veidu izgatavošanai, ko var izgatavot izmantojamās daļās un citos produktos. Process ietver tādu dārgu materiālu kā Argon Gas izmantošanu, un tas ir energoietilpīgs, un tas prasa vairākas izkusis ārkārtīgi augstā temperatūrā, īpaši, lai kontrolētu skābekļa piemaisījumus.

Patiešām, titānam un skābeklim ir mulsinošas attiecības, kuras Minor, Asta, Chrzan, Morris un kolēģi ir vēlējušies labāk saprast. Komanda zināja, ka titāna sakausējumiem bieži tiek izmantots skābekļa piemaisījums, lai izmantotu spēcīgu stiprināšanas efektu. Titāns, kas izgatavots tikai ar nelielu atomu skābekļa daudzuma palielināšanos, var izraisīt metālu ar vairākkārtēju stiprību.

Diemžēl skābeklis var arī radīt vēl lielāku metāla elastības samazināšanos. Tas kļūst trausls un lūzs un salūzīs.

Bet "skābeklis ir visur," Minor saka par grūtībām manevrēt ap Titāna augsto reakciju uz skābekli. "Tas nav kāds piemaisījums, kas nāk no avota materiāla, no kura jūs varat vienkārši izvairīties."

Viņš raksturo titāna jutīgumu pret skābekli kā galēju. "Tas ir patiesi dīvaini, cik tas ir spēcīgs," saka Minor. Tas ietekmē metālu, gan labu, gan sliktu, turpretī līdzīga daudzuma skābekļa klātbūtne ir nenozīmīga tādiem metāliem kā alumīnijs un tērauds, jo to var risināt, apstrādājot daudz vieglāk.

Lai uzzinātu vairāk, komanda pievērsās augstas veiktspējas skaitļošanai, lai modelētu deformācijas procesu titānā stresa apstākļos un ar atšķirīgu skābekļa daudzumu. Datoru modeļi, Asta saka, ir "jaudīgs rīku kopums, kas ļauj izpētīt šo izcilo izaicinājumu titāna metalurģijā".

No komandas galvenajiem atklājumiem skābekļa atomu sajaukšana Titāna kristāla struktūrā, kad metāls ir pakļauts stresam, kļuva par galveno, lai izprastu elastības zaudēšanu. Neuztraucētā stāvoklī skābekļa molekulas dzīvo bez starpgadījumiem dabiskās spraugās starp titāna atomiem. Bet zem mehāniskiem spēkiem skābekļa atomi var nodalīt blakus esošajās telpās, kur tie nodrošina mazāku izturību pret dislokācijām, kas, ja tie izplatās, vājina metālu.

"Skābeklis veicina strukturālu vājumu," saka Minor. Tā kā mehāniskie spēki deformē metālu, pārvietotie skābekļa atomi, nevis strukturālo defektu izplatības bloķēšana, var atvieglot tā saukto plakano slīdēšanu.

Asta saka, ka plakana slīdēšana ir kā metāla kristāla struktūras defektu pulsācija, kas būvē vienu uz otra, galu galā izraisot lūzumus, plaisas un trauslu metāla gabalu.

Lai saprastu, kā dislokācija var veidoties un izplatīties titānā, Chrzan ierosina vizualizēt mēģinājumu pārvietot lielu, smagu paklāju.

"Ļoti lielu paklāju var uzņemt vienā galā un vilkt pāri grīdai uz jaunu pozīciju," viņš saka. Bet vēl viens veids, kā pārvietot paklāju, ir izveidot pulsāciju vienā galā, un tad, satricinot kājas pāri paklāja augšdaļai, jūs varat "staigāt" pulsāciju otrā galā. Ja nekas bloķē tā kustību, viss paklājs būs pārvietots ar attālumu, kas vienāds ar pulsācijas platumu.

Šādus "ripples" titānā var redzēt ar elektronu mikroskopiju. "Var redzēt, ka visas dislokācijas ir saliktas rindās," saka Minor. "Un tas ir slikti elastībai, jo, ja viņi rindā un tikai seko viens otram, viņi netiek sapinušies [un tādējādi apstātos], lai metāls nedarbotos. Jūs saņemat stresa koncentrēšanos, un tur jūs saņemat, ja jūs saņemat kreka. "

Labāku sakausējumu radīšana

Projektēšanas stratēģijas, kas pārtrauc skābekļa atomu maiņas procesu vai veicina nanostruktūras, lai apturētu plakano slīdēšanu no sakrautas, varētu izraisīt labākus sakausējumus. Šiem sakausējumiem būtu lietojumprogrammas, it īpaši automobiļu un kosmosa rūpniecībā, saka Minor.

Profesors Endrjū Mazais ielej šķidru slāpekli uz titāna parauga, demonstrējot krio-spēku procesu, ko izmanto, lai viņa laboratorijā izveidotu nanotvizētu titānu. (Adam Lau / Berkeley Engineering foto)

Lai risinātu šos un citus jautājumus, komanda paļaujas uz datora modelēšanas, transmisijas elektronu mikroskopijas (TEM) un citu attēlveidošanas veidu un eksperimentu sajaukumu.

"Viena no lietām, kas šajā projektā ir bijusi jauka, ir tā, ka dažreiz skaitļošanas speciālisti un teorētiķi ir mazliet priekšā, un citreiz tie ir eksperimentālisti," saka Asta. "Mēs bieži satiekamies un runājam par mūsu atklājumiem un jaunajām idejām."

Komandas pētījums par Titāna jutīgumu pret skābekli, piemēram, noveda pie titāna pētījuma, kas tika sakrāts ar alumīniju un skābekli. Viņi atklāja, ka skābekļa empitrentu var novērst, pievienojot nelielu daudzumu alumīnija, it īpaši kriogēnā temperatūrā, kas ir zemāk par -150 grādiem pēc Celsija.

Komanda saka, ka, izmantojot tikai pareizo alumīnija un skābekļa daudzumu, jauna titāna kristāla struktūras pasūtīšana neļāva sajukumu skābekļa atomos, kas izraisītu kaitīgu dislokāciju un galu galā lūzumu kaudzi. Turklāt, jo alumīnija ieviešana samazināja titāna jutīgumu pret skābekli, tiks samazinātas arī apstrādes izmaksas, lai izveidotu izmantojamu metālu.

Vēl vienā pētījumā komanda apskatīja pētījumus, kas atgriezās 60. gados, parādot, ka daudziem metāliem un sakausējumiem ir dramatisks elastības pieaugums, ja metāla deformācijas laikā tiek pakļauti periodiski elektriskiem impulsiem. Bet pamatā esošie mehānismi tam, kāpēc šī tā sauktā galoplastika varētu būt taisnība, nav skaidri.

"ELETLASTIKĀCIJA var samazināt metalurģiskās apstrādes izmaksas, jo metāla veidošana ar elektriskiem impulsiem prasa mazāk enerģijas nekā visa metāla sildīšana līdz augstai temperatūrai, lai sasniegtu tādu pašu formējamību," saka Minor. "Interesanti, ka šī galopātiskuma ietekme ir universāla, jo ir pierādīts, ka tā darbojas būtībā katram metālam, ne tikai titānam."

Komanda veica metāla stiepes testus trīs dažādos apstākļos: istabas temperatūra bez elektriskās strāvas, ar periodisku elektrisko impulsu 100 milisekundes un ar pastāvīgu strāvu. Tā kā elektriskās strāvas pielietošana silda metālu, komanda bija noraizējusies par to, ka no tiem izraisa siltuma izraisīto iedarbību, ko izraisa tikai elektrība.

Viņu rezultāti parādīja, ka, neraugoties uz mazāka periodiska impulsa izmantošanu nekā iepriekšējie pētījumi, impulsa strāvas metode uzlaboja titāna sakausējuma stiepes pagarinājumu, kā arī tā maksimālo stiprību. Viņi atzīmē, ka šis efekts bija specifisks tikai impulsa strāvas eksperimentam.

Ar TEM palīdzību redzēt izmaiņas metāla kristāla struktūrā, to rezultāti liecina, ka impulsa strāvas apstrāde nomāc plakanās slīdēšanas dislokācijas. Pētnieki atklāja, ka elektriskais impulss sacietē materiālu un satrauc plakanas slīdēšanas attīstību, saglabājot izkliedētu, 3D dislokācijas modeli, kas galu galā nodrošina augstu izturību un elastību.

Nanotwinned titāns

Pavisam nesen Materiālu zinātnes un mašīnbūves profesori Minor un Robert Ritchie izstrādāja novatorisku lielapjoma apstrādes metodi, lai padarītu lētāku titānu un iegūst metālu ar lielāku stiepes izturību un elastību.

Materiālu zinātnes un inženierzinātņu profesori (no kreisās) Daryl Chrzan, Mark Asta un Endrjū Minor ar I komandu (transmisijas elektronu aberācijas koriģēts mikroskops) projektā Berkeley Lab Nacionālajā elektronu mikroskopijas centrā. (Adam Lau / Berkeley Engineering foto)

Papildus sakausējumiem vēl viens veids, kā stiprināt strukturālos metālus, ir pielāgot kristālu lielumu - pazīstamu arī kā graudu -, kas veido metālu, izmantojot siltumu un mehānisku apstrādi, piemēram, ritēšanu vai nospiešanu. Samazinot graudu lielumu līdz apakšmikrometriem vai nanometriem, pētnieki var ieviest tā sauktās nanotiskās struktūras vai metāla defektus, ko izraisa izlīdzinātas kristāla struktūras. Nanotwined struktūras uzlabo izturību un samazina lūzuma risku, darbojoties kā barjera plakaniem slīdēšanai. Pielāgojot nanotvizētu struktūru atstarpi un orientāciju, Minor saka, ka mehāniskās īpašības var vēl vairāk optimizēt. Bet tradicionālās to darīšanas metodes nav ne triviālas, ne lētas.

Tā vietā Minor, Ritchie un kolēģi, izmantojot krio-mehānisku procesu, ieviesa vairākas nanotvizētas struktūras tīrā titānā. Viņi izmantoja kuba formas titāna gabalus, kas šķidrā slāpeklī tika nospiesti gar trim pusēm. Maiga saspiešana, Minor saka, kontrolē nanotvizētu konstrukciju blīvumu, kas stiprina metālu, vienlaikus saglabājot tā sākotnējo graudu struktūru. Pats labākais, ka process nepaļaujas uz intensīvu karstumu un varbūt ilgtspējīgāku veidu, kā padarīt titānu daudz plašākam lietojumprogrammu klāstam nekā šodien.

Krio spēkā esošā materiāla, īpaši izturības un elastības, mehāniskās īpašības ir ārkārtīgi augstas, kā arī kriogēnās temperatūrās. Nepilngadīgais saka, ka nanotvizētā titāna veiktspēja padara to par ideālu tādām lietām kā ārkārtīgi karsto strūklu dzinēji, kā arī ļoti aukstas darbības vide, kas liek domāt par lietojumiem, piemēram, gredzenu saglabāšanu supravadošiem magnētiem, sašķidrināto dabasgāzes tvertņu strukturālajām daļām, kā arī materiāliem, kas jābūt materiāliem, kuriem jābūt materiāliem pakļauts dziļai okeāna vai dziļas kosmosa videi.

Vaicāts, vai jaunā komerciālā līmeņa titāna izgatavošanas procesu drīz varētu sasniegt mērogā, Minor saka: Kāpēc gan ne? Grūtāk ir izdarīt tādas lietas kā šodien izmantotais Krolla process, kur materiāls ir jāizolē elektriski un viss process prasa milzīgu enerģijas daudzumu. "Un šo krio spēku mēs vienkārši ieliktu lietas vannā."