En ny tid for titan (2)

Designstrategier som avbryter oksygenatom-stokkingsprosessen eller fremmer nanostrukturer for å stoppe plane slips fra å hope seg opp, kan føre til bedre legeringer. Disse legeringene vil ha bruksområder, spesielt i bil- og romfartsindustrien, sier Minor.

Kryosmiing av nanovinnet titan

Professor Andrew Minor heller flytende nitrogen på en titanprøve, og demonstrerer kryo-smiingsprosessen som ble brukt til å lage nanovinnet titan i laboratoriet hans. (Foto: Adam Lau / Berkeley Engineering)

For å løse disse og andre problemer, er teamet avhengig av en blanding av datamodellering, transmisjonselektronmikroskopi (TEM) og andre avbildningsmodaliteter og eksperimenter.

"Noe av det som har vært fint med dette prosjektet er at noen ganger er beregningsforskerne og teoretikere litt foran, og andre ganger er det eksperimentalistene," sier Asta. "Vi møtes ofte og snakker om funnene våre og våre nye ideer."

Teamets studie av titans oksygenfølsomhet førte for eksempel til en studie av titan legert med aluminium og oksygen. De fant at oksygensprøhet kunne elimineres ved å tilsette små mengder aluminium, spesielt ved kryogene temperaturer, som er under -150 grader Celsius.

Med akkurat de riktige mengder aluminium og oksygen, sier teamet, forhindret en ny bestilling av titankrystallstrukturen en stokking av oksygenatomer som ville føre til en skadelig opphoping av dislokasjoner og til slutt brudd. Dessuten, fordi introduksjonen av aluminium reduserte oksygenfølsomheten til titan totalt sett, vil prosesseringskostnadene for å lage et brukbart metall også reduseres.

I nok en studie så teamet på forskning som går tilbake til 1960-tallet som viser at mange metaller og legeringer viser dramatiske økninger i duktilitet når de blir utsatt for periodiske elektriske pulser under deformasjon av metallet. Imidlertid er de underliggende mekanismene for hvorfor denne såkalte elektroplastisiteten kan være sann, ikke klare.

"Elektroplastisitet kan føre til reduserte kostnader for metallurgisk prosessering siden det tar mindre energi å danne metall med elektriske pulser enn å varme opp hele metallet til høy temperatur for å oppnå samme formbarhet," sier Minor. "Interessant nok er denne effekten av elektroplastisitet universell ved at den har vist seg å fungere for praktisk talt alle metaller, ikke bare titan."

Teamet utførte strekktester av metallet under tre forskjellige forhold: romtemperatur uten elektrisk strøm, med en periodisk elektrisk puls på 100 millisekunders varighet, og med konstant strøm. Fordi bruk av elektrisk strøm varmer opp metallet, var teamet bekymret for å skille effektene forårsaket utelukkende av elektrisitet fra de som forårsakes av varme.

Resultatene deres viste at, til tross for at de brukte en mindre periodisk puls enn tidligere studier, forbedret pulsstrømmetoden strekkforlengelsen til titanlegeringen så vel som dens maksimale styrke. De bemerker at denne effekten bare var spesifikk for eksperimentet med pulserende strøm.

Ved hjelp av TEM for å se endringer i metallets krystallstruktur, antyder resultatene deres at behandlingen med pulserende strøm undertrykker plane glidningsdislokasjoner. Forskerne fant at den elektriske pulsen herder materialet og hindrer utviklingen av plan glidning ved å opprettholde et diffust, 3D-dislokasjonsmønster som til slutt gir høy styrke og duktilitet.

(Fortsettelse)