En ny tid for titan, som gjør et sterkere, billigere, mer bærekraftig metall

Blant metaller har titanens styrke og letthet, korrosjonsbestandighet og evne til å motstå ekstreme temperaturer lenge utmerket verdien, spesielt for vekt- og miljømessitive anvendelser. Da det først ble beskrevet på slutten av 1700 -tallet, ble en meddisker ved navn The Metal for Titans - Gods Born of Earth and Sky in Ancient Greek Mythology.

Tiden har bare brent Titaniums glans. "Jeg er materialforsker, og så spør folk meg noen ganger: 'Hva er ditt favorittelement?'" 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 gjort alt ut av titan."

For industridesignere, utsiktene til sterke, lette, svært drivstoffeffektive biler, lastebiler og fly, for eksempel, eller superkorrosjonsbestandige lasteskip, må titan være drømmer.

Problemet? "Det er for dyrt," sier Minor om industriell titan- eller titanlegeringer som ellers kan erstatte stål når bare de sterkeste, mest holdbare materialene vil være tilstrekkelig. Kostnaden for å lage titan er omtrent seks ganger større enn for rustfritt stål. Som et resultat har bruken holdt seg begrenset til spesialdeler for luftfart, avanserte varer som smykker eller andre nisjeapplikasjoner.

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

Nå, etter et tiår med forskning, kan en ny epoke 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 i avdelingen av materialvitenskap og ingeniørfag. De har sondert og støttet titan på mange måter i håp om å utvide den praktiske bruken for en rekke strukturelle eller ingeniørapplikasjoner.

I en serie studier har forskerne utviklet kritisk ny innsikt om titan, inkludert oppskrifter for å lage bedre titanlegeringer, samt en kryo-smidd teknikk for å lage titan i industriell kvalitet-fremskritt som til slutt kan føre til mer kostnadseffektive og bærekraftige Produksjon.

En skjematisk tegning av den kryo-mekaniske prosessen som resulterer i nanotwinned titan.

(Illustrasjon av Andrew Minor)

Oksygen -conundrum

Det er viktig å forstå at kostnadene for titan ikke skyldes dens sjeldenhet. Titan er ikke et edelt metall; Snarere finnes det nesten overalt over hele verden, i stollende bergarter nær overflaten. Det er jordens niende mest tallrike element og fjerde rikelig metall, og det kan brukes til å lage ting både i sin rene form og som en legering.

I stedet er det som driver de overdreven kostnadene for titan i kommersiell klasse, mindre, den komplekse Kroll-prosessen som oftest brukes til å lage titanbarer, ingots og andre former for metall som kan fremstilles i 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.

Titan og oksygen har faktisk et forvirrende forhold, et som mindreårig, Asta, Chrzan, Morris og kolleger har ønsket å forstå bedre. Teamet visste at en oksygen -urenhet ofte brukes til titanlegeringer for å utnytte en kraftig styrkende effekt. Titan laget med bare en liten økning i mengden atomoksygen kan føre til et metall med en flere ganger styrke.

Dessverre kan oksygenet også gi en enda større reduksjon i metallets duktilitet. Det blir sprøtt og vil brudd og bryte.

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

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

For å lære mer, vendte teamet seg til høy ytelse 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 Titanium Metallurgy."

Av teamets viktigste funn, ble en blanding av oksygenatomer i Titaniums krystallstruktur når metallet er under stress nøkkelen til å forstå tapet av duktilitet. I en ikke-stresset tilstand bor oksygenmolekyler uten hendelser i naturlige hull mellom atomer i titan. Men under mekaniske krefter kan oksygenatomene blande seg til tilstøtende rom der de gir mindre motstand mot dislokasjoner som, hvis de sprer seg, svekker metallet.

"Oksygenet fremmer en strukturell svakhet," sier mindreårig. Når mekaniske krefter deformerer metallet, kan de fordrevne oksygenatomer, i stedet for å blokkere spredningen av strukturelle defekter, lette en såkalt plan-glid.

En plan glipp, sier Asta, er som en krusning av feil 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 bevege et stort, tungt teppe.

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

Slike "krusninger" i titan kan sees med elektronmikroskopi. "Du kan se at alle dislokasjonene er stilt opp, i rader," sier Minor. "Og det er ille for duktilitet fordi hvis de stiller opp og bare følger hverandre, blir de ikke sammenfiltret [og dermed stoppet] slik at metallet ikke fungerer. en sprekk. "

Skape bedre legeringer

Designstrategier som avbryter oksygen-atom-blandingsprosessen eller fremmer nanostrukturer for å stoppe plane glipper fra å pile opp, kan føre til bedre legeringer. Disse legeringene ville ha applikasjoner, spesielt i bil- og romfartsindustrien, sier Minor.

Professor Andrew Minor øser flytende nitrogen på en titanprøve, og demonstrerer kryokrangeringsprosessen som ble brukt til å lage nanotwinned titan i laboratoriet hans. (Foto av Adam Lau / Berkeley Engineering)

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

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

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

Med akkurat de rette mengdene aluminium og oksygen, sier teamet, forhindret en ny bestilling av titankrystallstrukturen en stokking av oksygenatomer som ville føre til en skadelig pileup av dislokasjoner og til slutt brudd. Dessuten fordi introduksjonen av aluminium reduserte oksygenfølsomheten i titan totalt sett, vil prosesseringskostnader for å skape et brukbart metall også bli redusert.

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

"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 en 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 i det vesentlige hvert metall, ikke bare titan."

Teamet utførte strekkprøver av metallet under tre forskjellige forhold: romtemperatur uten elektrisk strøm, med en periodisk elektrisk puls på 100 millisekunder varighet, og med en konstant strøm. Fordi påføring av elektrisk strøm varmer metallet, var teamet bekymret for å skille effektene forårsaket utelukkende av strøm fra de som er forårsaket av varme.

Resultatene deres viste at til tross for bruk av en mindre periodisk puls enn tidligere studier, forbedret den pulserende strømmetoden strekkforlengelsen av titanlegering så vel som den maksimale styrken. De bemerker at denne effekten bare var spesifikk for det pulserende strømmen.

Ved hjelp av TEM til å se endringer i metallets krystallstruktur, antyder resultatene at den pulserende strømbehandlingen undertrykker plane glidforskyvninger. Forskerne fant at den elektriske pulsen herder materialet og frustrerer utviklingen av plan glidning ved å opprettholde et diffust 3D -dislokasjonsmønster som til slutt leverer høy styrke og duktilitet.

Nanotwinned Titanium

Senest utviklet Minor og Robert Ritchie, professorer i materialvitenskap og maskinteknikk, en banebrytende bulkbehandlingsmetode for å lage rent titan som er rimeligere og gir et metall med større strekkfasthet og duktilitet.

Materials Science and Engineering Professors (fra venstre) Daryl Chrzan, Mark Asta og Andrew Minor med Team I (Transmission Electron Aberration-Corrected Microscope) Project at Berkeley Labs National Center for Electron Microscopy. (Foto av Adam Lau / Berkeley Engineering)

Bortsett fra legeringer, er en annen måte å styrke strukturelle metaller å skreddersy størrelsen på krystaller - også kjent som korn - som utgjør metallet ved å bruke varme og mekanisk prosessering, for eksempel rulling eller pressing. Ved å redusere kornstørrelsen til sub-mikrometre eller nanometer, kan forskere introdusere såkalte nanotvinnede strukturer, eller defekter i metallet forårsaket av justerte krystallstrukturer. De nanotvinnede strukturene forbedrer styrken og senker risikoen for brudd ved å fungere som en barriere for plane glipper. Ved å skreddersy avstanden og orienteringen til de nanotvinnede strukturene, sier Minor, kan de mekaniske egenskapene optimaliseres ytterligere. Men tradisjonelle metoder for å gjøre det er verken trivielle eller billige.

I stedet introduserte mindreårige, Ritchie og kolleger flere nanotvinnede strukturer i rent titan ved hjelp av en kryokanisk prosess. De brukte kubeformede biter av titan som ble presset langs tre sider i flytende nitrogen. Den milde komprimeringen, sier mindreårig, kontrollerer tettheten av nanotvinnede strukturer som styrker metallet mens den bevarer dets første kornstruktur. Det beste av alt er at prosessen ikke er avhengige av intens varme og kanskje en mer bærekraftig måte å lage titan for et mye bredere spekter av applikasjoner enn i dag.

De mekaniske egenskapene til det kryo-smidde materialet, spesielt styrke og duktilitet, holder på ekstremt høye så vel som kryogene temperaturer. Minor sier at ytelsen til det nanotvinnede titanet gjør det ideelt for ting som ekstremt varme jetmotorer, så vel som veldig kalde driftsmiljøer som antyder bruk som å beholde ringer for superledende magneter, strukturelle deler av flytende naturgassbeholdere, så vel som materialer å være utsatt for dypt hav eller dype rommiljøer.

På spørsmål om den nye titanproduksjonsprosessen for kommersiell klasse snart kan bringes til skala en dag snart, sier Minor, hvorfor ikke? Det er vanskeligere å gjøre ting som Kroll -prosessen som brukes i dag, der materialet må isoleres elektrisk og hele prosessen tar enorme mengder kraft. "Og denne kryokremningen, vi ville bare legge ting i et bad."