Masa baru untuk Titanium, menjadikan logam yang lebih kuat, lebih murah, lebih mampan

Antara logam, kekuatan dan ringan titanium, rintangan kakisan, dan keupayaan untuk menahan suhu yang melampau telah lama membezakan nilainya, terutamanya untuk aplikasi berat dan sensitif alam sekitar. Apabila ia mula -mula diterangkan pada akhir abad ke -18, seorang peniaga bersama menamakan logam untuk Titans - tuhan -tuhan yang lahir dari bumi dan langit dalam mitologi Yunani kuno.

Masa hanya membakar kilauan Titanium. "Saya seorang saintis bahan, dan kadang -kadang orang bertanya kepada saya, 'Apa elemen kegemaran anda?'" Kata Andrew Minor, profesor sains bahan dan kejuruteraan. Bagi bangunan, kapal terbang, peluru berpandu, kapal angkasa, dan banyak lagi, dia berkata, "Jika anda mahu bahan terkuat untuk jumlah berat badan paling sedikit, ia adalah titanium. Jika kita boleh, kita akan membuat segala -galanya daripada titanium."

Sesungguhnya, bagi pereka perindustrian, prospek kereta, trak, dan kapal terbang yang kuat, ringan, sangat cekap bahan api, misalnya, atau kapal kargo yang tahan karat, titanium mestilah mimpi.

Masalahnya? "Ia terlalu mahal," kata Minor mengenai titanium gred perindustrian atau aloi titanium yang mungkin menggantikan keluli apabila hanya bahan yang paling kuat dan paling tahan lama. Kos membuat titanium adalah kira -kira enam kali lebih besar daripada keluli tahan karat. Akibatnya, kegunaannya kekal terhad kepada bahagian khusus untuk barangan aeroangkasa, mewah seperti perhiasan, atau aplikasi khusus lain.

Lebih -lebih lagi, titanium tulen hanya mempunyai kekuatan sederhana, jelas Minor. Ia boleh diperkuat dengan unsur -unsur seperti oksigen, aluminium, molibdenum, vanadium, dan zirkonium; Walau bagaimanapun, yang sering mengorbankan kemuluran - keupayaan logam untuk ditarik atau cacat tanpa patah.

Sekarang, selepas satu dekad penyelidikan, era baru untuk Titanium, termasuk aplikasi kejuruteraan yang sangat berkembang, mungkin menghampiri, terima kasih kepada Minor dan rakan -rakannya Berkeley, termasuk Mark Asta, Daryl Chrzan, dan JW Morris Jr., juga profesor di Jabatan Sains dan Kejuruteraan Bahan. Mereka telah meneliti dan menonjolkan titanium dalam beberapa cara dengan harapan memperluaskan penggunaan praktikalnya untuk pelbagai aplikasi struktur atau kejuruteraan.

Dalam satu siri kajian, para penyelidik telah membangunkan pandangan baru yang kritikal mengenai titanium, termasuk resipi untuk membuat aloi titanium yang lebih baik serta teknik cryo-forged untuk membuat titanium gred industri-kemajuan yang akhirnya dapat membawa kepada lebih banyak kos dan lestari pembuatan.

Lukisan skematik proses krio-mekanikal yang mengakibatkan titanium nanotwinned.

(Ilustrasi oleh Andrew Minor)

Teka -teki oksigen

Adalah penting untuk memahami bahawa kos titanium tidak disebabkan oleh jarangnya. Titanium bukan logam berharga; Sebaliknya, ia didapati hampir di mana -mana di seluruh dunia, di batu -batu igneus berhampiran permukaan. Ia adalah elemen kesembilan yang paling banyak dan logam keempat yang paling banyak, dan ia boleh digunakan untuk membuat perkara -perkara dalam bentuk murni dan sebagai aloi.

Sebaliknya, apa yang mendorong kos titanium gred komersial yang berlebihan, Minor menjelaskan, adalah proses Kroll yang kompleks yang paling sering digunakan untuk membuat bar titanium, jongkong, dan bentuk logam lain yang boleh direka ke dalam bahagian yang boleh digunakan dan produk lain. Proses ini termasuk penggunaan bahan mahal seperti gas argon, dan ia adalah intensif tenaga, yang memerlukan pelbagai cair pada suhu yang sangat tinggi, terutama untuk mengawal kekotoran oksigen.

Malah, titanium dan oksigen mempunyai hubungan yang membingungkan, yang kecil, Asta, Chrzan, Morris, dan rakan sekerja ingin memahami dengan lebih baik. Pasukan tahu bahawa kekotoran oksigen sering digunakan untuk aloi titanium untuk memanfaatkan kesan pengukuhan yang kuat. Titanium yang dibuat dengan hanya peningkatan kecil dalam jumlah oksigen atom boleh mengakibatkan logam dengan peningkatan kekuatan beberapa kali ganda.

Malangnya, oksigen juga boleh menghasilkan penurunan yang lebih besar dalam kemuluran logam. Ia menjadi rapuh dan akan patah dan pecah.

Tetapi "oksigen ada di mana -mana," kata Minor mengenai kesukaran untuk bergerak di sekitar respons tinggi Titanium terhadap oksigen. "Ia bukan kekotoran yang datang dari bahan sumber yang anda boleh mengelakkan."

Dia mencirikan kepekaan Titanium terhadap oksigen sebagai melampau. "Ia benar -benar pelik betapa kuatnya," kata Minor. Ia memberi kesan pada logam, baik baik dan buruk, sedangkan kehadiran jumlah oksigen yang sama tidak penting untuk logam seperti aluminium dan keluli kerana ia dapat ditangani dalam memproses lebih mudah.

Untuk mengetahui lebih lanjut, pasukan beralih kepada pengkomputeran berprestasi tinggi untuk memodelkan proses ubah bentuk dalam titanium di bawah tekanan dan dengan jumlah oksigen yang berbeza. Model komputer, Asta berkata, adalah "set alat yang kuat yang membolehkan kita menyiasat cabaran cemerlang ini dalam metalurgi titanium."

Daripada penemuan utama pasukan, penggambaran atom oksigen dalam struktur kristal Titanium apabila logam berada di bawah tekanan menjadi kunci untuk memahami kehilangan kemuluran. Dalam keadaan yang tidak ditekankan, molekul oksigen tinggal tanpa insiden dalam jurang semula jadi antara atom titanium. Tetapi di bawah daya mekanikal, atom oksigen boleh mengosongkan ke ruang bersebelahan di mana mereka memberikan ketahanan kurang kepada dislokasi yang, jika mereka menyebar, melemahkan logam.

"Oksigen menggalakkan kelemahan struktur," kata Minor. Sebagai daya mekanikal ubah bentuk logam, atom oksigen yang dipindahkan, dan bukannya menyekat penyebaran kecacatan struktur, dapat memudahkan slip planar yang dipanggil.

Slip planar, kata Asta, seperti riak kecacatan dalam struktur kristal logam yang membina satu di sisi lain, akhirnya menyebabkan patah tulang, retak dan sekeping logam rapuh.

Untuk memahami bagaimana kehelan boleh membentuk dan tersebar di Titanium, Chrzan mencadangkan menggambarkan cuba memindahkan permaidani yang besar dan berat.

"Permaidani yang sangat besar boleh diambil pada satu hujung dan diseret ke lantai ke kedudukan baru," katanya. Tetapi cara lain untuk menggerakkan permaidani adalah untuk membuat riak di satu hujung dan kemudian, dengan mengalir kaki anda melintasi bahagian atas permaidani, anda boleh "berjalan" riak ke hujung yang lain. Tidak ada yang menghalang pergerakannya, seluruh permaidani akan dipindahkan dengan jarak yang sama dengan lebar riak.

"Riak" seperti titanium dapat dilihat dengan mikroskopi elektron. "Anda dapat melihat semua dislokasi berbaris, dalam baris," kata Minor. "Dan itu tidak baik untuk kemuluran kerana jika mereka bersatu dan hanya mengikuti satu sama lain, mereka tidak dapat kusut [dan dengan itu berhenti] supaya logam itu tidak berfungsi mengeras. Anda mendapat kepekatan tekanan, dan di situlah anda mendapat retak. "

Mewujudkan aloi yang lebih baik

Strategi Reka Bentuk yang mengganggu proses pengaliran oksigen-atom atau mempromosikan struktur nanos untuk menghentikan slip planar dari menumpuk boleh membawa kepada aloi yang lebih baik. Aloi ini akan mempunyai aplikasi, terutamanya dalam industri automotif dan aeroangkasa, kata Minor.

Profesor Andrew Minor mencurahkan nitrogen cecair pada sampel titanium, menunjukkan proses cryo-forging yang digunakan untuk membuat titanium nanotwinned di makmalnya. (Foto oleh Adam Lau / Berkeley Engineering)

Untuk menangani isu -isu ini dan lain -lain, pasukan bergantung pada campuran pemodelan komputer, mikroskopi elektron penghantaran (TEM), dan modaliti pengimejan lain, dan eksperimen.

"Salah satu perkara yang baik tentang projek ini ialah kadang -kadang para pengkomputeran dan ahli teori keluar sedikit ke hadapan, dan masa lain ia adalah para eksperimen," kata Asta. "Kami sering bertemu dan bercakap tentang penemuan dan idea baru kami."

Kajian pasukan tentang kepekaan oksigen Titanium, sebagai contoh, membawa kepada kajian titanium yang dipadamkan dengan aluminium dan oksigen. Mereka mendapati bahawa pelengkap oksigen boleh dihapuskan dengan menambahkan sejumlah kecil aluminium, terutama pada suhu kriogenik, yang berada di bawah -150 darjah Celsius.

Dengan hanya jumlah yang tepat aluminium dan oksigen, pasukan itu berkata, pesanan baru struktur kristal Titanium menghalang pengalihan atom oksigen yang akan membawa kepada pileup yang merosakkan dislokasi dan akhirnya patah. Lebih -lebih lagi, kerana pengenalan aluminium mengurangkan kepekaan oksigen keseluruhan titanium, kos pemprosesan untuk membuat logam yang boleh digunakan juga akan dikurangkan.

Dalam satu lagi kajian, pasukan itu melihat penyelidikan kembali ke tahun 1960 -an menunjukkan bahawa banyak logam dan aloi memaparkan peningkatan dramatik dalam kemuluran apabila tertakluk kepada denyutan elektrik berkala semasa ubah bentuk logam. Tetapi mekanisme yang mendasari mengapa elektroplasticity yang dipanggil ini benar tidak jelas.

"Elektroplasticity boleh menyebabkan kos yang dikurangkan untuk pemprosesan metalurgi kerana ia memerlukan tenaga yang kurang untuk membentuk logam dengan denyutan elektrik daripada memanaskan keseluruhan logam ke suhu yang tinggi untuk mencapai kebolehpercayaan yang sama," kata Minor. "Menariknya, kesan elektroplastik ini adalah universal kerana ia telah ditunjukkan untuk berfungsi pada dasarnya setiap logam, bukan hanya Titanium."

Pasukan ini melakukan ujian tegangan logam di bawah tiga keadaan yang berbeza: suhu bilik tanpa arus elektrik, dengan denyutan elektrik berkala 100 milisaat, dan dengan arus tetap. Kerana memohon arus elektrik memanaskan logam, pasukan itu bimbang tentang membezakan kesan yang disebabkan oleh elektrik dari yang disebabkan oleh haba.

Keputusan mereka menunjukkan bahawa, walaupun menggunakan nadi berkala yang lebih kecil daripada kajian terdahulu, kaedah semasa berdenyut meningkatkan pemanjangan tegangan aloi titanium serta kekuatan maksimumnya. Mereka perhatikan bahawa kesan ini hanya khusus untuk eksperimen semasa berdenyut.

Dengan bantuan TEM untuk melihat perubahan dalam struktur kristal logam, hasilnya menunjukkan bahawa rawatan semasa yang berdenyut menindas dislokasi slip planar. Para penyelidik mendapati bahawa denyutan elektrik mengeras bahan dan mengecewakan perkembangan slip planar dengan mengekalkan corak dislokasi 3D yang akhirnya memberikan kekuatan dan kemuluran yang tinggi.

Titanium Nanotwinned

Baru -baru ini, Minor dan Robert Ritchie, profesor sains bahan dan kejuruteraan mekanikal, membangunkan kaedah pemprosesan pukal perintis untuk membuat titanium tulen yang lebih murah dan menghasilkan logam dengan kekuatan tegangan dan kemuluran yang lebih besar.

Profesor Sains dan Kejuruteraan Bahan (dari kiri) Daryl Chrzan, Mark Asta, dan Andrew Minor dengan Projek Mikroskop Team I (Transmisi Elektron Penyimpangan yang diperbetulkan di Pusat Kebangsaan Berkeley Lab untuk Mikroskopi Elektron. (Foto oleh Adam Lau / Berkeley Engineering)

Selain daripada aloi, cara lain untuk mengukuhkan logam struktur adalah untuk menyesuaikan saiz kristal - juga dikenali sebagai bijirin - yang membentuk logam dengan menggunakan pemprosesan haba dan mekanikal, seperti rolling atau menekan. Dengan mengurangkan saiz bijian kepada sub-mikrometer atau nanometer, penyelidik boleh memperkenalkan struktur nanotwinned yang dipanggil, atau kecacatan dalam logam yang disebabkan oleh struktur kristal yang diselaraskan. Struktur nanotwinned meningkatkan kekuatan dan menurunkan risiko patah dengan bertindak sebagai penghalang kepada slip planar. Dengan menyesuaikan jarak dan orientasi struktur nanotwinned, kata Minor, sifat -sifat mekanikal dapat dioptimumkan lebih jauh lagi. Tetapi kaedah tradisional berbuat demikian tidak remeh atau murah.

Sebaliknya, Minor, Ritchie, dan rakan sekerja memperkenalkan pelbagai struktur nanotwinnned dalam titanium tulen dengan proses kritikal mekanikal. Mereka menggunakan kepingan titanium berbentuk kubus yang ditekan di sepanjang tiga sisi dalam nitrogen cecair. Mampatan lembut, kata Minor, mengawal ketumpatan struktur nanotwinned yang menguatkan logam sambil memelihara struktur bijirin awalnya. Paling penting, proses ini tidak bergantung pada haba yang sengit dan mungkin cara yang lebih mampan untuk menjadikan Titanium untuk pelbagai aplikasi yang lebih luas daripada hari ini.

Ciri-ciri mekanikal bahan cryo-forged, khususnya kekuatan dan kemuluran, memegang pada suhu yang sangat tinggi dan juga suhu kriogenik. Minor mengatakan prestasi titanium nanotwinned menjadikannya sesuai untuk perkara -perkara seperti enjin jet yang sangat panas serta persekitaran operasi yang sangat sejuk yang akan mencadangkan penggunaan seperti mengekalkan cincin untuk magnet superconducting, bahagian struktur tangki gas asli cecair, serta bahan -bahan untuk menjadi terdedah kepada lautan dalam atau persekitaran ruang yang mendalam.

Ditanya sama ada proses fabrikasi titanium gred komersial baru mungkin dibawa ke skala satu hari tidak lama lagi, kata Minor, mengapa tidak? Lebih sukar untuk melakukan perkara -perkara seperti proses Kroll yang digunakan hari ini, di mana bahan itu harus diasingkan secara elektrik dan keseluruhan proses mengambil sejumlah besar kuasa. "Dan cryo-forging ini, kami hanya akan meletakkan perkara dalam mandi."