Ново време за титан (1)

Сред металите силата и лекотата на титана, устойчивостта на корозия и способността да издържа на екстремни температури отдавна отличават неговата стойност, особено за приложения, чувствителни към теглото и околната среда. Когато е описан за първи път в края на 18-ти век, съоткривател нарекъл метала за титаните - богове, родени от Земята и небето в древногръцката митология.

Времето само е изгорило блясъка на титана. „Аз съм учен по материали и затова хората понякога ме питат: „Кой е любимият ти елемент?“, казва Андрю Минор, професор по материалознание и инженерство. За сгради, самолети, ракети, космически кораби и други, той казва: „Ако искате най-здравият материал за най-малко тегло, това е титанът. Ако можехме, щяхме да направим всичко от титан.“

Наистина, за промишлените дизайнери, перспективата за здрави, леки, високоефективни автомобили, камиони и самолети, например, или супер устойчиви на корозия товарни кораби, титанът трябва да е нещото на мечтите.

проблемът? „Твърде скъпо е“, казва Минор за титан или титанови сплави от промишлен клас, които иначе биха могли да заменят стоманата, когато само най-здравите и издръжливи материали са достатъчни. Цената на производството на титан е около шест пъти по-висока от тази на неръждаемата стомана. В резултат на това употребата му остава ограничена до специални части за космическото пространство, предмети от висок клас като бижута или други нишови приложения.

Нещо повече, чистият титан има само умерена здравина, обяснява Минор. Може да бъде подсилен с елементи като кислород, алуминий, молибден, ванадий и цирконий; това обаче често е за сметка на пластичността - способността на метала да бъде изтеглен или деформиран без счупване.

Сега, след десетилетие на изследвания, може би наближава нова ера за титан, включително значително разширени инженерни приложения, благодарение на Майнор и неговите колеги от Бъркли, включително Марк Аста, Дарил Крзан и Дж. У. Морис младши, също професори в катедрата по материалознание и инженерство. Те са изследвали и проучвали титан по различни начини с надеждата да разширят практическата му употреба за различни структурни или инженерни приложения.

Вместо това, това, което движи прекомерната цена на титан от търговски клас, обяснява Майнор, е сложният процес на Крол, който най-често се използва за производство на титанови пръти, слитъци и други форми на метал, които могат да бъдат произведени в използваеми части и други продукти. Процесът включва използването на скъпи материали като газ аргон и е енергоемък, изискващ многократно топене при изключително високи температури, особено за контролиране на примесите на кислород.

Наистина титанът и кислородът имат озадачаваща връзка, която Минор, Аста, Крзан, Морис и колегите са искали да разберат по-добре. Екипът знаеше, че примесите на кислород често се използват за титанови сплави, за да се използва мощен укрепващ ефект. Титанът, произведен само с малко увеличение на количеството атомарен кислород, може да доведе до метал с няколкократно увеличение на якостта.

За съжаление, кислородът може също така да доведе до още по-голямо намаляване на пластичността на метала. Той става крехък и ще се счупи и счупи.

Но „кислородът е навсякъде“, казва Майнор за трудността при маневриране около високата чувствителност на титана към кислорода. „Това не е някакъв примес, идващ от изходния материал, който можете просто да избегнете.“

Той характеризира чувствителността на титана към кислорода като изключителна. „Наистина е странно колко е мощен“, казва Майнор. Той оказва въздействие върху метала, както добро, така и лошо, докато наличието на подобни количества кислород е незначително за метали като алуминий и стомана, тъй като с него може да се работи много по-лесно при обработката.

За да научи повече, екипът се обърна към високопроизводителни изчисления, за да моделира процеса на деформация в титан под напрежение и с различни количества кислород. Компютърните модели, казва Аста, са "мощен набор от инструменти, които ни позволяват да изследваме това изключително предизвикателство в металургията на титана".

От основните открития на екипа, разместването на кислородни атоми в кристалната структура на титан, когато металът е под напрежение, стана ключово за разбирането на загубата на пластичност. В ненапрегнато състояние молекулите на кислорода остават без инциденти в естествените пролуки между атомите на титан. Но при механични сили кислородните атоми могат да се разместят в съседни пространства, където осигуряват по-малко съпротивление на дислокации, които, ако се разпространят, отслабват метала.

„Кислородът насърчава структурна слабост“, казва Минор. Тъй като механичните сили деформират метала, изместените кислородни атоми, вместо да блокират разпространението на структурни дефекти, могат да улеснят така нареченото планарно приплъзване.

Планарното приплъзване, казва Аста, е като вълни от дефекти в кристалната структура на метала, които се изграждат един върху друг, което в крайна сметка води до счупвания, пукнатини и крехко парче метал.

За да разбере как дислокацията може да се образува и разпространи в титан, Chrzan предлага визуализиране на опит да се премести голям, тежък килим.

„Много голям килим може да се вдигне от единия край и да се влачи по пода до нова позиция“, казва той. Но друг начин за преместване на килима е да създадете вълни в единия край и след това, като плъзнете краката си по горната част на килима, можете да "разходите" вълните до другия край. При условие, че нищо не блокира движението му, целият килим ще бъде изместен на разстояние, равно на ширината на пулсацията.

Такива "вълнички" в титана могат да се видят с електронна микроскопия. „Можете да видите, че всички дислокации са подредени в редици“, казва Минор. „И това е лошо за пластичността, защото ако се подредят и следват само един друг, те не се заплитат [и по този начин спират], така че металът да не работи за втвърдяване. Получавате концентрация на напрежение и това е мястото, където получавате пукнатина."

(следва продължение)