En ny tid for titan (1)

Blant metaller har titans styrke og letthet, korrosjonsbestandighet og evne til å motstå ekstreme temperaturer lenge kjennetegnet dens verdi, spesielt for vekt- og miljøsensitive applikasjoner. Da det først ble beskrevet på slutten av 1700-tallet, kalte en medoppdager metallet for titanene - guder født av jord og himmel i gammel gresk mytologi.

Tiden har bare polert titans glans. «Jeg er en materialforsker, og derfor spør folk meg noen ganger: «Hva er favorittelementet ditt?», sier Andrew Minor, professor i materialvitenskap og ingeniørfag. For bygninger, fly, missiler, romskip og mer, sier han: "Hvis du vil ha det sterkeste materialet for minst mulig vekt, er det titan. Hvis vi kunne, ville vi laget alt av titan."

Faktisk, for industrielle designere, utsiktene til sterke, lette, svært drivstoffeffektive biler, lastebiler og fly, for eksempel, eller superkorrosjonsbestandige lasteskip, må titan være drømmen.

Problemet? "Det er for dyrt," sier Minor om titan eller titanlegeringer av industrikvalitet som ellers kan erstatte stål når bare de sterkeste, mest holdbare materialene vil være tilstrekkelig. Kostnaden for å lage titan er omtrent seks ganger høyere enn for rustfritt stål. Som et resultat har bruken av den forblitt begrenset til spesialdeler for romfart, avanserte gjenstander som smykker eller andre nisjeapplikasjoner.

Dessuten har rent titan bare moderat styrke, forklarer Minor. Det kan styrkes med elementer som oksygen, aluminium, molybden, vanadium og zirkonium; det er imidlertid ofte på bekostning av duktilitet - et metalls evne til å bli trukket eller deformert uten å sprekke.

Nå, etter et tiår med forskning, kan en ny æra for titan, inkludert sterkt utvidede ingeniørapplikasjoner, nærme seg, takket være Minor og hans Berkeley-kolleger, inkludert Mark Asta, Daryl Chrzan og JW Morris Jr., også professorer ved avdelingen for materialvitenskap og ingeniørfag. De har undersøkt og drevet titan på en rekke måter i håp om å utvide den praktiske bruken for en rekke strukturelle eller tekniske applikasjoner.

I stedet, det som driver de overdrevne kostnadene for kommersiell titan, forklarer Minor, er den komplekse Kroll-prosessen som oftest brukes til å lage titanstenger, ingots og andre former for metall som kan fremstilles til brukbare deler og andre produkter. Prosessen inkluderer bruk av dyre materialer som argongass, og den er energikrevende, og krever flere smelter ved ekstremt høye temperaturer, spesielt for å kontrollere oksygenforurensninger.

Faktisk har titan og oksygen et forvirrende forhold, et som Minor, Asta, Chrzan, Morris og kolleger har ønsket å forstå bedre. Teamet visste at en oksygenforurensning ofte brukes til titanlegeringer for å utnytte en kraftig styrkende effekt. Titan laget med bare en liten økning i mengden atomært oksygen kan resultere i et metall med en flere ganger økning i styrke.

Dessverre kan oksygenet også gi en enda større reduksjon i metallets duktilitet. Det blir sprøtt og vil knekke og gå i stykker.

Men "oksygen er overalt," sier Minor om vanskeligheten med å manøvrere rundt titans høye respons på oksygen. "Det er ikke noe urenhet som kommer fra kildematerialet som du bare kan unngå."

Han karakteriserer titans følsomhet for oksygen som ekstrem. "Det er virkelig merkelig hvor kraftig den er," sier Minor. Det utøver effekter på metallet, både gode og dårlige, mens tilstedeværelsen av lignende mengder oksygen er ubetydelig for metaller som aluminium og stål fordi det kan håndteres mye lettere i behandlingen.

For å lære mer, vendte teamet seg til høyytelses databehandling for å modellere deformasjonsprosessen i titan under stress og med forskjellige mengder oksygen. Datamodeller, sier Asta, er et "kraftig sett med verktøy som lar oss undersøke denne enestående utfordringen innen titanmetallurgi."

Av teamets store funn ble en stokking av oksygenatomer i titans krystallstruktur når metallet er under stress nøkkelen til å forstå tapet av duktilitet. I en ikke-stresset tilstand befinner oksygenmolekyler seg uten innfall i naturlige hull mellom titanatomer. Men under mekaniske krefter kan oksygenatomene stokke til tilstøtende rom hvor de gir mindre motstand mot dislokasjoner som, hvis de sprer seg, svekker metallet.

"Oksygenet fremmer en strukturell svakhet," sier Minor. Ettersom mekaniske krefter deformerer metallet, kan de fortrengte oksygenatomene, snarere enn å blokkere spredningen av strukturelle defekter, lette en såkalt plan glidning.

En plan glidning, sier Asta, er som en krusning av defekter i metallets krystallstruktur som bygger den ene på den andre, og til slutt fører til brudd, sprekker og et sprøtt stykke metall.

For å forstå hvordan en dislokasjon kan dannes og spre seg i titan, foreslår Chrzan å visualisere å prøve å flytte et stort, tungt teppe.

"Et veldig stort teppe kan plukkes opp i den ene enden og dras over gulvet til en ny posisjon," sier han. Men en annen måte å flytte teppet på er å lage en krusning i den ene enden og deretter, ved å stokke føttene over toppen av teppet, kan du "gå" krusningen til den andre enden. Forutsatt at ingenting blokkerer bevegelsen, vil hele teppet ha blitt forskjøvet med en avstand lik bredden på krusningen.

Slike "krusninger" i titan kan sees med elektronmikroskopi. "Du kan se alle dislokasjonene er oppstilt, i rader," sier Minor. "Og det er dårlig for duktiliteten, for hvis de står på linje og bare følger hverandre, blir de ikke flokete sammen [og dermed stoppet] slik at metallet ikke herder. Du får en stresskonsentrasjon, og det er der du får en sprekk."

(Fortsettelse)