Новий час для титану, що робить сильніший, дешевший, більш стійкий метал
Серед металів міцність і легкість титану, резистентність до корозії та здатність протистояти екстремальній температурі давно відрізняють його значення, особливо для застосувань, що чутливі до ваги та навколишнього середовища. Коли він був вперше описаний наприкінці 18 століття, співавтор назвав метал для титанів - богів, народжених із землі та неба в давньогрецькій міфології.
Час спалив лише блиск титану. "Я вчений матеріалів, і тому люди іноді запитують мене:" Який твій улюблений елемент? ", - каже Ендрю Мінор, професор матеріалознавства та інженерії. Для будівель, літаків, ракет, космічних кораблів тощо, він каже: "Якщо ви хочете найсильніший матеріал за найменшу вагу, це титан. Якби ми могли, ми б зробили все з титану".
Дійсно, для промислових дизайнерів перспектива сильних, легких, високоефективних автомобілів, вантажних автомобілів та літаків, наприклад, або супер-корозійних вантажних кораблів, титан повинен бути матеріалами мрії.
Проблема? "Це занадто дорого",-говорить мінор про титанові або титанові сплави промислового класу, які в іншому випадку можуть замінити сталь, коли буде достатньо лише найсильніших, найбільш довговічних матеріалів. Вартість виготовлення титану приблизно в шість разів більша, ніж у нержавіючої сталі. Як результат, його використання залишається обмеженим спеціалізованими деталями для аерокосмічного, високого класу, таких як ювелірні вироби чи інші ніші.
Більше того, чистий титан має лише помірну силу, пояснює незначний. Його можна посилити за допомогою таких елементів, як кисень, алюміній, молібден, ванадій та цирконій; Однак це часто за рахунок пластичності - здатність металу витягувати або деформовані без розриву.
Тепер, після десятиліття досліджень, нова епоха для титану, включаючи значно розширені інженерні програми, може наближатися, завдяки неповнолітньому та його колегам з Берклі, включаючи Марка Аста, Даріл Крзан та JW Morris Jr., також професори департаменту департаменту матеріалознавства та інженерії. Вони зондували та пропонують титан будь -якою кількістю способів, сподіваючись розширити його практичне використання для різноманітних конструкційних або інженерних застосувань.
У серії досліджень дослідники розробили критичні нові розуміння титану, включаючи рецепти створення кращих титанових сплавів, а також кріо-підроблену техніку для досягнення титану промислового класу, які можуть в кінцевому рахунку призвести до більш економічного та стійкого виробництво.
Схематичний креслення кріомеханічного процесу, що призводить до нанотінованого титану.
(Ілюстрація Ендрю Мінор)
Киснева головоломка
Важливо розуміти, що вартість титану не пов'язана з його рідкістю. Титан - це не дорогоцінний метал; Скоріше, його зустрічають майже скрізь у всьому світі, в магматичних скелях біля поверхні. Це дев'ятий найпоширеніший елемент Землі та четвертий найпоширеніший метал, і його можна використовувати для виготовлення речей як у чистому вигляді, так і як сплав.
Натомість, що сприяє надмірній вартості титану комерційного класу, незначний,-це складний процес Kroll, який найчастіше використовується для виготовлення титанових барів, злитків та інших форм металу, які можна виготовити в корисні деталі та інші продукти. Процес включає використання дорогих матеріалів, таких як аргоновий газ, і він є енергоємним, що вимагає декількох розплавів при надзвичайно високих температурах, особливо для контролю домішок кисню.
Дійсно, титан і кисень мають спантелитний зв’язок, який неповнолітній, Аста, Хризан, Морріс та колеги хотіли зрозуміти краще. Команда знала, що киснева домішка часто використовується для титанових сплавів для використання потужного зміцнення ефекту. Титан, здійснений лише з невеликим збільшенням кількості атомного кисню, може призвести до металу з збільшенням міцності на кілька разів.
На жаль, кисень також може призвести до ще більшого зниження пластичності металу. Це стає крихким і буде руйнувати і зламати.
Але "кисень є скрізь", - говорить Мінор про труднощі в маневруванні навколо високої чутливості Титанію до кисню. "Це не якась домішка з вихідного матеріалу, якого ви можете просто уникнути".
Він характеризує чутливість титану до кисню як крайнього. "Це справді дивно, наскільки він потужний", - говорить Мінор. Він надає вплив на метал, як добрий, так і поганий, тоді як наявність подібної кількості кисню незначна для таких металів, як алюміній та сталь, оскільки його можна розібратися в обробці набагато легше.
Щоб дізнатися більше, команда звернулася до високоефективних обчислень для моделювання процесу деформації в титані під напругою та з різною кількістю кисню. Комп'ютерні моделі, каже Аста, - це "потужний набір інструментів, які дозволяють нам досліджувати цей видатний виклик у металургії" Титан ".
З основних відкриттів команди, перетасування атомів кисню в кристалічній структурі титану, коли метал перевищує стрес, став ключовим для розуміння втрати пластичності. У стресі, що не напружилися, молекули кисню проживають без падіння в природних прогалинах між атомами титану. Але під механічними силами атоми кисню можуть переходити до сусідніх просторів, де вони забезпечують меншу стійкість до дислокацій, які, якщо вони поширюються, послаблюють метал.
"Кисень сприяє структурній слабкості", - каже Мінор. Оскільки механічні сили деформують метал, переміщені атоми кисню, а не блокування поширення структурних дефектів, можуть полегшити так звану планарну ковзання.
Планова ковзання, каже Аста, схожа на пульсацію дефектів кристалічної структури металу, які будують одне з іншого, врешті -решт, що призводить до переломів, тріщин та крихкого шматка металу.
Щоб зрозуміти, як дислокація може утворюватися та поширюватися в титані, Chrzan пропонує візуалізувати спробу перемістити великий важкий килим.
"Дуже великий килим можна забрати на одному кінці і перетягнути по підлозі до нового положення", - каже він. Але ще один спосіб перемістити килим - це створити пульсацію на одному кінці, а потім, переміщуючи ноги по верхівці килима, ви можете «ходити» пульсацію на інший кінець. За умови, що нічого не блокує його рух, весь килим буде зміщений на відстань, рівну ширині пульсації.
Такі "брижі" в титані можна побачити за допомогою електронної мікроскопії. "Ви можете побачити, що всі дислокації вишикуються в рядах", - говорить Мінор. "І це погано для пластичності, тому що якщо вони вишикуються і слідують лише один одному, вони не заплутуються [і, таким чином, зупиняються] таким тріщина ".
Створення кращих сплавів
Стратегії проектування, які переривають процес переміщення кисню-атом, або сприяють наноструктурам, щоб зупинити планарні ковзання, можуть призвести до кращих сплавів. Ці сплави мали б додатки, особливо в автомобільній та аерокосмічній галузях, говорить Міні.
Професор Ендрю Мінор наливає рідкий азот на зразок титану, демонструючи процес кріо-форми, що використовується для створення нанотінованого титану у своїй лабораторії. (Фото Адама Лау / Берклі Інженерія)
Для вирішення цих та інших питань команда покладається на поєднання комп'ютерного моделювання, трансмісійної електронної мікроскопії (ТЕМ) та інших способів візуалізації та експериментів.
"Одна з речей, яка була приємною щодо цього проекту, - це те, що іноді обчислювальники та теоретики трохи попереду, а в інший час це експерименталісти", - говорить Аста. "Ми часто зустрічаємось і говоримо про наші висновки та наші нові ідеї".
Наприклад, дослідження команди кисню титану, наприклад, призвело до вивчення титану, сплавленого з алюмінієм та киснем. Вони встановили, що розгортання кисню можна усунути, додавши невелику кількість алюмінію, особливо при кріогенних температурах, які нижче -150 градусів Цельсія.
При правильній кількості алюмінію та кисню, за словами команди, нове впорядкування кристалічної структури титану заважало переміщенням атомів кисню, що призведе до згубного забивання дислокацій і в кінцевому рахунку. Більше того, оскільки введення алюмінію знижувало кисневу чутливість титану в цілому, також зменшиться витрати на обробку для створення корисного металу.
У черговому дослідженні команда розглядала дослідження, що повертаються до 1960 -х років, показуючи, що багато металів та сплавів демонструють різке збільшення пластичності, коли вони піддаються періодичним електричним імпульсам під час деформації металу. Але основні механізми того, чому ця так звана електропластичність може бути правдою, не зрозумілі.
"Електропластичність може призвести до зменшення витрат на металургійну обробку, оскільки для утворення металу потрібно менше енергії, ніж нагрівання всього металу до високої температури для досягнення такої ж формуваності", - говорить Мінор. "Цікаво, що цей ефект електропластичності є універсальним тим, що було показано, що вона працює по суті для кожного металу, а не лише титану".
Команда проводила випробування на розрив металу при трьох різних умовах: кімнатна температура без електричного струму, з періодичним електричним імпульсом тривалістю 100 мілісекунд та з постійним струмом. Оскільки застосування електричного струму нагріває метал, команда хвилювалася за розрізнення ефектів, спричинених виключно електроенергією від тих, що викликають тепло.
Їх результати показали, що, незважаючи на використання меншого періодичного імпульсу, ніж попередні дослідження, метод імпульсного струму покращив подовження на розрив титанового сплаву, а також його максимальну міцність. Вони зазначають, що цей ефект був специфічним лише для експерименту імпульсного струму.
За допомогою ТЕМ побачити зміни в кристалічній структурі металу, їх результати свідчать про те, що лікування імпульсного струму пригнічує площинні спонукання. Дослідники встановили, що електричний імпульс твердне матеріал і засмучує розвиток планарного ковзання, зберігаючи дифузну, 3D -схему дислокації, яка в кінцевому рахунку забезпечує високу міцність та пластичність.
Нанотінований титан
Зовсім недавно неповнолітній та Роберт Річі, професори матеріалознавства та машинобудування, розробили піонерський метод об'ємної обробки, щоб зробити чистий титан, який є менш дорогим і дає метал з більшою міцністю на розтяг та пластичності.
Проект Мікроскопа та Ендрю Мінор з командою I (трансмісійна електронна мікроскоп) у проекті «Мікроскоп з використанням електронної мікроскопії» в Національному центрі електронної мікроскопії Берклі (зліва) Даріл Хризан, Марк Аста та Ендрю Міні. (Фото Адама Лау / Берклі Інженерія)
Окрім сплавів, ще одним способом зміцнення структурних металів є адаптація розміру кристалів - також відомих як зерно - що складає метал, використовуючи тепло та механічну обробку, наприклад, прокат або натискання. Зменшуючи розмір зерна до субмікрометрів або нанометрів, дослідники можуть ввести так звані нанорозвитані структури або дефекти металу, спричиненого вирівняними кристалічними структурами. Нанотворені структури покращують міцність і знижують ризик перелому, виконуючи роль бар'єру для планарних ковзань. Пристосовуючи відстань та орієнтацію нанотворених структур, неповнолітній каже, механічні властивості можуть бути оптимізовані ще більше. Але традиційні методи цього не є ні тривіальними, ні дешевими.
Натомість незначні, Річі та колеги ввели в чистому титані кілька нанотворених структур за допомогою кріомеханічного процесу. Вони використовували кубкоподібні шматки титану, які натискали вздовж трьох боків у рідкому азоті. Нічне стиснення, зазначає мінор, контролює щільність нанотворених структур, які зміцнюють метал, зберігаючи його початкову структуру зерна. Найкраще, що процес не покладається на інтенсивне тепло і, можливо, більш стійкий спосіб зробити титан для набагато більш широкого спектру застосувань, ніж сьогодні.
Механічні властивості кріо-підробленого матеріалу, зокрема міцності та пластичності, утримують надзвичайно високі, а також кріогенні температури. Неповнолітній каже, що продуктивність нанотінованого титану робить його ідеальним для таких речей, як надзвичайно гарячі реактивні двигуни, а також дуже холодне експлуатаційне середовище, які б запропонували використовувати, як утримання кілець для надпровідних магнітів, структурні частини скляних танків природного газу, а також матеріали, а також матеріали, а також матеріали, а також матеріали, а також матеріали, а також матеріали, а також матеріали, а також матеріали, а також матеріали, а також матеріали, а також матеріали піддається глибокому океану або глибокому космічному середовищу.
На запитання, чи може незабаром новий процес виготовлення титану комерційного класу, щоб незабаром розширитись, мінор каже, чому б і ні? Важніше робити такі речі, як процес Кролла, який використовується сьогодні, де матеріал повинен бути ізольований електрично, і весь процес займає величезну кількість сили. "І це кріо-підроблення, ми просто будемо кладити речі у ванні".