Ново време за титан, което прави по -силен, по -евтин, по -устойчив метал

Сред металите, силата и лекотата на титана, устойчивостта на корозия и способността да издържат на екстремни температури отдавна разграничават нейната стойност, особено за приложения, чувствителни към тегло и околна среда. Когато е описан за първи път в края на 18 век, съ -разкрител на име метала за титаните - богове, родени от Земята и небето в древногръцката митология.

Времето е изгоряло само блясък на титан. „Аз съм учен с материали и затова хората понякога ме питат:„ Кой е любимият ти елемент? “, Казва Андрю Мило, професор по материали и инженерство. За сгради, самолети, ракети, космически кораби и други, той казва: „Ако искате най -силният материал за най -малко тегло, това е титан. Ако можехме, бихме направили всичко от титан“.

Всъщност за индустриалните дизайнери перспективата за силни, леки, силно ефективни с гориво автомобили, камиони и самолети, например, или супер устойчиви на корозия товарни кораби, титанът трябва да бъде нещата от мечтите.

Проблемът? "Твърде е скъпо", казва Минлета за титан или титанови сплави от индустриален клас, които иначе биха могли да заменят стоманата, когато само най-силните, най-трайните материали ще са достатъчни. Цената за приготвяне на титан е около шест пъти по -голяма от тази на неръждаемата стомана. В резултат на това употребите му остават ограничени до специални части за аерокосмическото пространство, предмети от висок клас като бижута или други нишови приложения.

Нещо повече, чистият титан има само умерена сила, обяснява Минор. Той може да бъде засилен с елементи като кислород, алуминий, молибден, ванадий и цирконий; Това обаче често е за сметка на пластичността - способността на метала да се нарисува или деформира без счупване.

Сега, след десетилетие на изследвания, може да се приближи нова ера за титан, включително значително разширени инженерни приложения, благодарение на Минор и неговите колеги от Беркли, включително Марк Аста, Дарил Крзан и JW Morris Jr., също преподаватели в катедрата на материалознание и инженерство. Те сондират и подлагат титан по всякакъв брой начини с надеждата да разширят практическото си използване за различни структурни или инженерни приложения.

В поредица от проучвания изследователите са разработили критични нови прозрения за титан, включително рецепти за по-добри титанови сплави, както и крио-корен техника за изработка на титан от индустриален клас-аванси, които в крайна сметка биха могли да доведат до по-ефективни и устойчиви и устойчиви производство.

Схематично рисуване на криомеханичния процес, който води до нанотвардиран титан.

(Илюстрация от Андрю Минор)

Огрома за кислород

Важно е да се разбере, че цената на титан не се дължи на нейната рядкост. Титанът не е скъпоценен метал; По -скоро се среща почти навсякъде по света, в магматични скали близо до повърхността. Това е деветият най -изобилен елемент на Земята и четвъртият най -изобилен метал и може да се използва за създаване на неща както в чистата му форма, така и като сплав.

Вместо това, това, което движи прекомерната цена на титан от търговски клас, обяснява Минор, е сложният процес на Kroll, който най-често се използва за изработка на титанови барове, блокове и други форми на метал, които могат да бъдат изработени в използваеми части и други продукти. Процесът включва използването на скъпи материали като аргонов газ и той е енергиен, изисква множество стопилки при изключително високи температури, особено за контрол на кислородните примеси.

Всъщност титанът и кислородът имат озадачаваща връзка, която е незначителна, Аста, Крзан, Морис и колегите са искали да разберат по -добре. Екипът знаеше, че примесността на кислород често се използва за титанови сплави, за да се използва мощен укрепващ ефект. Титанът, направен само с малко увеличение на количеството на атомния кислород, може да доведе до метал с няколкократно увеличаване на здравината.

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

Но „кислородът е навсякъде“, Минор казва за трудността при маневриране около високата отзивчивост на Титан към кислорода. "Не е някакво примеси, които идва от изходния материал, който просто можете да избегнете."

Той характеризира чувствителността на титан към кислорода като екстремен. "Наистина е странно колко е мощен", казва Минор. Той упражнява ефекти върху метала, както добър, така и лош, докато наличието на подобни количества кислород е незначително за метали като алуминий и стомана, тъй като може да се справи с обработката много по -лесно.

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

От основните открития на екипа, разбъркването на кислородни атоми в кристалната структура на титана, когато металът е под стрес, стана ключово за разбирането на загубата на пластичност. В непрецено състояние кислородните молекули пребивават без инциденти при естествени пропуски между атомите на титан. Но при механични сили кислородните атоми могат да се разбъркат до съседни пространства, където осигуряват по -малка устойчивост 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 равниново подхлъзване.

Една равнинна фиш, казва Аста, е като пулсация от дефекти в кристалната структура на метала, които изграждат една върху друга, в крайна сметка води до фрактури, пукнатини и чупливо парче метал.

За да разбере как дислокацията може да се образува и разпространява в титан, Chrzan предлага да се опита да се опита да премести голям, тежък килим.

"Много голям килим може да се вземе в единия край и да се влачи през пода до нова позиция", казва той. Но друг начин да преместите килимчето е да създадете пулсация в единия край и след това, като разбъркате краката си по горната част на килима, можете да „ходите“ на пулсацията до другия край. При условие, че нищо не блокира неговото движение, целият килим ще бъде изместен с разстояние, равно на ширината на пулсацията.

Такива "пулсации" в титан може да се видят с електронна микроскопия. "Можете да видите, че всички дислокации са подредени, в редове", казва Минор. "И това е лошо за пластичността, защото ако се подреждат и следват само един друг, те не се заплитат [и по този начин спряха], че металът не работи втвърдяване. Получавате концентрация на стрес и там получавате пукнатина. "

Създаване на по -добри сплави

Дизайнерските стратегии, които прекъсват процеса на разбъркване на кислорода-атом или насърчават наноструктурите за спиране на равнинните фишове от натрупване, могат да доведат до по-добри сплави. Тези сплави биха имали приложения, особено в автомобилната и аерокосмическата индустрия, казва Минор.

Професор Андрю Минор изсипва течен азот върху проба от титан, демонстрирайки процеса на криодиране, използван за създаване на нанотвиниран титан в неговата лаборатория. (Снимка от Адам Лау / Беркли Инженеринг)

За да се справи с тези и други проблеми, екипът разчита на комбинация от компютърно моделиране, електронна микроскопия за предаване (TEM) и други модалности за изображения и експерименти.

„Едно от нещата, които са били хубаво в този проект, е, че понякога изчислителите и теоретиците са малко напред, а друг път това са експерименталистите“, казва Аста. "Ние се срещаме често и говорим за нашите открития и новите си идеи."

Проучването на екипа за кислородна чувствителност на титан, например, доведе до проучване на титан, легиран с алуминий и кислород. Те откриха, че кислородното премахване може да бъде елиминирано чрез добавяне на малки количества алуминий, особено при криогенни температури, които са под -150 градуса по Целзий.

С точно правилните количества алуминий и кислород, казва екипът, ново подреждане на структурата на титан кристала предотвратява разбъркване на кислородни атоми, което би довело до вредно натрупване на дислокации и в крайна сметка счупвания. Нещо повече, тъй като въвеждането на алуминий намалява чувствителността към кислород на титана като цяло, разходите за обработка за създаване на използваем метал също ще бъдат намалени.

В още едно проучване екипът разгледа изследванията, които се връщат към 60 -те години на миналия век, показващи, че много метали и сплави показват драматични увеличения на пластичността, когато са подложени на периодични електрически импулси по време на деформация на метала. Но основните механизми защо тази така наречена електропластичност може да е вярна, не са ясни.

„Електропластичността може да доведе до намалени разходи за металургична обработка, тъй като е необходима по -малко енергия, за да се образува метал с електрически импулси, отколкото да се нагрява целия метал до висока температура, за да се постигне същата формабилност“, казва Минор. "Интересното е, че този ефект на електропластичността е универсален, тъй като е доказано, че работи по същество за всеки метал, а не само за титан."

Екипът извърши тестове за опън на метала при три различни условия: стайна температура без електрически ток, с периодичен електрически импулс продължителност от 100 милисекунди и с постоянен ток. Тъй като прилагането на електрически ток загрява метала, екипът се притесняваше от разграничаване на ефектите, причинени единствено от електричество от тези, причинени от топлина.

Резултатите от тях показват, че въпреки използването на по-малък периодичен импулс от предишните проучвания, методът на импулсен ток подобри удължаването на опън на титановата сплав, както и неговата максимална якост. Те отбелязват, че този ефект е специфичен само за експеримента с импулсен ток.

С помощта на ТЕМ да се видят промени в кристалната структура на метала, техните резултати предполагат, че лечението с импулс-ток потиска равнинните дислокации на плъзгане. Изследователите откриха, че електрическият импулс втвърдява материала и осуетява развитието на равнинното приплъзване, като поддържа дифузен, 3D модел на дислокация, който в крайна сметка осигурява висока якост и пластичност.

Нанотвиниран титан

Съвсем наскоро Минор и Робърт Ричи, професори по материалознание и машиностроене, разработиха пионерски метод за обработка на насипни обработки, за да направят чист титан, който е по -евтин и дава метал с по -голяма якост на опън и пластичност.

Проектът за материали и инженеринг (отляво) Дарил Крзан, Марк Аста и Андрю Минор с проекта, коригиран от екипа I (Трансмисионна аберация, коригиран от микроскоп) в Националния център за електронна микроскопия на Berkeley Lab. (Снимка от Адам Лау / Беркли Инженеринг)

Освен сплави, друг начин за укрепване на структурните метали е да се приспособи размера на кристалите - известен още като зърно - които съставляват метала чрез използване на топлина и механична обработка, като търкаляне или натискане. Чрез намаляване на размера на зърното до подмикрометри или нанометри, изследователите могат да въведат така наречените нанотвинирани структури или дефекти в метала, причинени от подравнени кристални структури. Структурите на нанотваните подобряват силата и намаляват риска от счупване, като действат като бариера за равнинните фишове. Чрез приспособяване на разстоянието и ориентацията на наноуначените структури, казва Минор, механичните свойства могат да бъдат оптимизирани още повече. Но традиционните методи за това не са нито тривиални, нито евтини.

Вместо това, незначителни, Ричи и колегите му въведоха множество нанотвинирани структури в чист титан с помощта на криомеханичен процес. Те използваха парчета от титан във формата на куб, които бяха пресовани по три страни в течен азот. Нежното компресиране, казва Минор, контролира плътността на нанотчините структури, които укрепват метала, като същевременно запазват първоначалната му структура на зърното. Най -хубавото е, че процесът не разчита на интензивна топлина и може би по -устойчив начин да се направи титан за много по -широк спектър от приложения, отколкото днес.

Механичните свойства на криодрития материал, по-специално здравина и пластичност, се държат при изключително високи, както и криогенни температури. Минор казва, че производителността на титана на Nanotwinned го прави идеален за неща като изключително горещи струйни двигатели, както и много студени работни среди, които биха предположили, че се използват като задържащи пръстени за свръхпроводящи магнити, структурни части от втечнени резервоари за природен газ, както и материали, които трябва да бъдат изложени на дълбоки океански или дълбоки космически среди.

Попитан дали новият процес на производство на титан в търговски клас може да бъде приведен в мащаба един ден скоро, минор казва, защо не? По -трудно е да се правят неща като процеса на Kroll, който се използва днес, където материалът трябва да бъде изолиран електрически и целият процес отнема огромни количества мощност. "И това криво-копнеж, ние просто щяхме да поставим нещата в баня."