Żmien ġdid għat-titanju, li jagħmel metall aktar b'saħħtu, irħas, aktar sostenibbli
Fost il-metalli, is-saħħa u l-ħeffa tat-titanju, ir-reżistenza għall-korrużjoni, u l-abbiltà li jifilħu għal temperaturi estremi ilhom jiddistingwu l-valur tiegħu, partikolarment għal applikazzjonijiet sensittivi għall-piż u l-ambjent. Meta ġie deskritt l-ewwel darba fl-aħħar tas-seklu 18, ko-skoperta bl-isem tal-metall għat-Titani - allat imwielda mid-dinja u s-sema fil-mitoloġija Griega antika.
Iż-żmien inħaraq biss it-tleqqija tat-Titanium. "Jien xjenzat tal-materjali, u għalhekk in-nies kultant jistaqsu, 'X'inhu l-element favorit tiegħek?'" Jgħid Andrew Minor, professur tax-xjenza u l-inġinerija tal-materjali. Għal bini, ajruplani, missili, vapuri spazjali, u aktar, huwa jgħid, "Jekk trid l-iktar materjal b'saħħtu għall-inqas ammont ta 'piż, huwa titanju. Jekk nistgħu, nagħmlu kollox barra mit-titanju."
Tassew, għal disinjaturi industrijali, il-prospett ta 'karozzi, trakkijiet u ajruplani b'saħħithom, ħfief, effiċjenti ħafna, pereżempju, jew vapuri tal-merkanzija super reżistenti għall-korrużjoni, it-titanju għandhom ikunu l-affarijiet tal-ħolm.
Il-problema? "Huwa għali wisq," Minor jgħid dwar ligi tat-titanju jew titanju ta 'grad industrijali li altrimenti jistgħu jissostitwixxu l-azzar meta l-iktar materjali l-aktar b'saħħithom u durabbli jkunu biżżejjed. L-ispiża biex tagħmel it-titanju hija madwar sitt darbiet akbar minn dik tal-istainless steel. Bħala riżultat, l-użi tagħha baqgħu limitati għal partijiet ta 'speċjalità għall-ajruspazju, oġġetti high-end bħal ġojjelli, jew applikazzjonijiet oħra ta' niċċa.
Barra minn hekk, it-titanju pur għandu biss saħħa moderata, jispjega minuri. Jista 'jissaħħaħ b'elementi bħall-ossiġnu, l-aluminju, il-molibdenu, il-vanadju, u ż-żirkonju; Madankollu, dak ħafna drabi jkun għad-detriment tad-duttilità - il-kapaċità tal-metall li tkun imfassla jew deformata mingħajr ma tinkiser.
Issa, wara għaxar snin ta 'riċerka, era ġdida għat-titanju, inklużi applikazzjonijiet ta' inġinerija estiża ħafna, tista 'tkun qed toqrob, grazzi għal Minor u l-kollegi tiegħu ta' Berkeley, inklużi Mark Asta, Daryl Chrzan, u JW Morris Jr., ukoll professuri fid-dipartiment tax-xjenza u l-inġinerija tal-materjali. Huma ġew sondati u jipproduċu titanju fi kwalunkwe numru ta 'modi bit-tama li jespandu l-użu prattiku tiegħu għal varjetà ta' applikazzjonijiet strutturali jew ta 'inġinerija.
F'serje ta 'studji, ir-riċerkaturi żviluppaw għarfien kritiku ġdid dwar it-titanju, inklużi riċetti biex isiru ligi tat-titanju aħjar kif ukoll teknika ta' krio-falsifikazzjoni biex isiru titanju ta 'grad industrijali - avvanzi li fl-aħħar jistgħu jwasslu għal aktar kosteffiċjenti u sostenibbli Manifattura.
Tpinġija skematika tal-proċess krio-mekkaniku li jirriżulta fit-titanju nanotwinned.
(Illustrazzjoni minn Andrew Minor)
Il-konundru tal-ossiġnu
Huwa importanti li tifhem li l-ispiża tat-titanju mhix dovuta għar-rarità tagħha. It-titanju mhuwiex metall prezzjuż; Anzi, jinstab kważi kullimkien madwar id-dinja, fi blat igneous ħdejn il-wiċċ. Huwa d-disa 'element l-iktar abbundanti tad-Dinja u r-raba' l-iktar metall abbundanti, u jista 'jintuża biex l-affarijiet isiru kemm fil-forma pura tagħha kif ukoll bħala liga.
Minflok, dak li jmexxi l-ispiża eċċessiva tat-titanju ta 'grad kummerċjali, jispjega minuri, huwa l-proċess kumpless ta' Kroll li ħafna drabi jintuża biex isiru vireg tat-titanju, ingotti, u forom oħra ta 'metall li jistgħu jiġu fabbrikati f'partijiet li jistgħu jintużaw u prodotti oħra. Il-proċess jinkludi l-użu ta 'materjali għoljin bħall-gass tal-argon, u huwa intensiv fl-enerġija, li jeħtieġ tidwib multiplu f'temperaturi estremament għoljin, speċjalment biex jikkontrollaw l-impuritajiet ta' ossiġnu.
Tassew, it-titanju u l-ossiġnu għandhom relazzjoni ta ’puzzling, waħda li minuri, Asta, Chrzan, Morris, u l-kollegi riedu jifhmu aħjar. It-tim kien jaf li impurità ta 'ossiġnu ħafna drabi tintuża għal-ligi tat-titanju biex tuża effett ta' tisħiħ qawwi. It-titanju magħmul bi ftit żieda ċkejkna fl-ammont ta ’ossiġnu atomiku jista’ jirriżulta f’metall b’żieda f’diversi darbiet fis-saħħa.
Sfortunatament, l-ossiġnu jista 'wkoll jagħti tnaqqis saħansitra akbar fid-duttilità tal-metall. Dan isir fraġli u se jinkiser u jkisser.
Iżda "l-ossiġnu huwa kullimkien," Minor jgħid dwar id-diffikultà biex jimmanuvraw madwar ir-rispons għoli tat-Titanium għall-ossiġnu. "Mhuwiex xi impurità li ġejja mill-materjal mis-sors li tista 'biss tevita."
Huwa jikkaratterizza s-sensittività tat-titanju għall-ossiġnu bħala estrem. "Huwa tassew stramb kemm hu qawwi," tgħid Minor. Jeżerċita effetti fuq il-metall, kemm tajjeb kif ukoll ħażin, filwaqt li l-preżenza ta 'ammonti simili ta' ossiġnu hija insinifikanti għal metalli bħall-aluminju u l-azzar minħabba li tista 'tiġi ttrattata fl-ipproċessar ħafna iktar faċilment.
Biex titgħallem aktar, it-tim irrikorra għal kompjuters ta 'prestazzjoni għolja biex jimmudella l-proċess ta' deformazzjoni fit-titanju taħt tensjoni u b'ammonti differenti ta 'ossiġnu. Mudelli tal-kompjuter, tgħid Asta, huma "sett qawwi ta 'għodod li jħalluna nvestigaw din l-isfida pendenti fil-metallurġija tat-titanju."
Mill-iskoperti ewlenin tat-tim, tħawwad ta 'atomi ta' ossiġnu fl-istruttura tal-kristall tat-titanju meta l-metall ikun taħt tensjoni sar importanti biex tifhem it-telf ta 'duttilità. Fi stat mhux stressat, molekuli ta 'ossiġnu joqogħdu mingħajr inċidenti fi lakuni naturali bejn l-atomi tat-titanju. Iżda taħt forzi mekkaniċi, l-atomi ta 'l-ossiġnu jistgħu jwarrbu l-ispazji li jmissu magħhom fejn jipprovdu inqas reżistenza għal diżlokazzjonijiet li, jekk jinfirxu, idgħajfu l-metall.
"L-ossiġnu jippromwovi dgħjufija strutturali," tgħid Minor. Hekk kif il-forzi mekkaniċi jiddeformaw il-metall, l-atomi tal-ossiġnu spustat, aktar milli jimblokkaw it-tixrid ta 'difetti strutturali, jistgħu jiffaċilitaw l-hekk imsejjaħ slip planar.
Żlieq ċar, Asta tgħid, huwa bħal immewweġ ta 'difetti fl-istruttura tal-kristall tal-metall li jibnu waħda fuq l-oħra, li eventwalment iwassal għal ksur, xquq u biċċa tal-metall fraġli.
Biex tifhem kif dislokazzjoni tista 'tifforma u tinfirex fit-titanju, Chrzan jissuġġerixxi li jipprova jiċċaqlaq tapit kbir u tqil.
"Tapit kbir ħafna jista 'jinqabad f'tarf wieħed u mkaxkra mal-art għal pożizzjoni ġdida," jgħid. Iżda mod ieħor biex tiċċaqlaq it-tapit huwa li toħloq immewweġ f'tarf wieħed u mbagħad, billi tħawwad saqajk mal-parti ta 'fuq tat-tapit, tista' "timxi" l-immewweġ lejn it-tarf l-ieħor. Sabiex ma jimblokka xejn il-moviment tiegħu, it-tapit kollu jkun ġie spostat minn distanza daqs il-wisa 'tar-ripple.
Tali "ripples" fit-titanju jistgħu jidhru bil-mikroskopija elettronika. "Tista 'tara d-diżlokazzjonijiet kollha huma allinjati, f'ringieli," tgħid Minor. "U dak hu ħażin għad-duttilità għaliex jekk jallinjaw u jsegwu biss lil xulxin, ma jinqatgħux [u b'hekk waqfu] b'mod li l-metall ma jaħdimx xquq. "
Ħolqien ta 'ligi aħjar
Strateġiji ta 'disinn li jinterrompu l-proċess ta' tħawwad ta 'l-ossiġenu-atomu jew jippromwovu nanostrutturi biex iwaqqfu s-slips planar milli jiġbru jistgħu jwasslu għal ligi aħjar. Dawn il-ligi jkollhom applikazzjonijiet, speċjalment fl-industriji tal-karozzi u aerospazjali, jgħid Minor.
Il-Professur Andrew Minor iferra n-nitroġenu likwidu fuq kampjun tat-titanju, li juri l-proċess ta 'forging cryo użat biex jinħoloq titanju nanotwinned fil-laboratorju tiegħu. (Ritratt minn Adam Lau / Berkeley Engineering)
Biex tindirizza dawn u kwistjonijiet oħra, it-tim jiddependi fuq taħlita ta 'immudellar tal-kompjuter, mikroskopija elettronika ta' trasmissjoni (TEM), u modalitajiet oħra ta 'immaġini, u esperimenti.
"Waħda mill-affarijiet li kienet sabiħa dwar dan il-proġett hija li xi kultant il-komputazzjonali u t-teoriċi huma xi ftit 'il quddiem, u drabi oħra huma l-esperimentalisti," tgħid Asta. "Aħna niltaqgħu ta 'spiss u nitkellmu dwar is-sejbiet tagħna u l-ideat il-ġodda tagħna."
L-istudju tat-tim dwar is-sensittività għall-ossiġnu tat-titanju, pereżempju, wassal għal studju tat-titanju liga bl-aluminju u l-ossiġnu. Huma sabu li l-embrittlement ta 'ossiġnu jista' jiġi eliminat billi jiżdiedu ammonti żgħar ta 'aluminju, speċjalment f'temperaturi krijoġeniċi, li huma taħt {-150 gradi Celsius.
B'ammonti tajbin ta 'aluminju u ossiġnu, it-tim jgħid, ordni ġdida ta' l-istruttura tal-kristall tat-titanju ma ħallietx tħawwad ta 'atomi ta' ossiġnu li jwassal għal plup ta 'ħsara ta' diżlokazzjonijiet u fl-aħħar mill-aħħar ksur. Barra minn hekk, minħabba li l-introduzzjoni tal-aluminju naqqset is-sensittività tal-ossiġnu tat-titanju ġenerali, l-ispejjeż tal-ipproċessar biex jinħolqu metall li jista 'jintuża wkoll.
Fi studju ieħor, it-tim ħares lejn ir-riċerka li tmur lura għas-snin 1960 li turi li ħafna metalli u ligi juru żidiet drammatiċi fid-duttilità meta soġġetti għal impulsi elettriċi perjodiċi waqt id-deformazzjoni tal-metall. Iżda l-mekkaniżmi sottostanti ta 'għaliex din l-hekk imsejħa elettroplastiċità jistgħu jkunu vera mhumiex ċari.
"L-elettroplastiċità tista 'twassal għal spejjeż imnaqqsa għall-ipproċessar metallurġiku peress li tieħu inqas enerġija biex tifforma metall b'impulsi elettriċi milli ssaħħan il-metall kollu għal temperatura għolja biex tinkiseb l-istess formabilità," tgħid Minor. "Interessanti, dan l-effett ta 'l-elettroplastiċità huwa universali billi ntwera li jaħdem għal essenzjalment kull metall, mhux biss għat-titanju."
It-tim wettaq testijiet tat-tensjoni tal-metall taħt tliet kundizzjonijiet differenti: temperatura tal-kamra mingħajr kurrent elettriku, b'puls elettriku perjodiku ta '100 millisekondi, u b'kurrent kostanti. Minħabba li l-applikazzjoni tal-kurrent elettriku ssaħħan il-metall, it-tim kien inkwetat dwar id-distinzjoni tal-effetti kkawżati biss mill-elettriku minn dawk ikkawżati mis-sħana.
Ir-riżultati tagħhom urew li, minkejja li użaw polz perjodiku iżgħar minn studji preċedenti, il-metodu kurrenti bil-pulsazzjonijiet tejjeb it-titwil tat-tensjoni tal-liga tat-titanju kif ukoll is-saħħa massima tiegħu. Huma jinnutaw li dan l-effett kien speċifiku biss għall-esperiment kurrenti bil-pulsazzjonijiet.
Bl-għajnuna ta 'TEM biex tara bidliet fl-istruttura tal-kristall tal-metall, ir-riżultati tagħhom jissuġġerixxu li t-trattament bil-pulsazzjonijiet tal-kurrent irażżan id-diżlokazzjonijiet tal-pjan. Ir-riċerkaturi sabu li l-polz elettriku jibbies il-materjal u jiffrustra l-iżvilupp ta 'slip planari billi jżomm mudell ta' diżlokazzjoni mxerred u 3D li fl-aħħar jagħti saħħa u duttilità għolja.
Titanium Nanotwinned
Aktar reċentement, Minuri u Robert Ritchie, professuri tax-xjenza tal-materjali u l-inġinerija mekkanika, żviluppaw metodu ta 'proċessar tal-massa pijunier biex jagħmlu titanju pur li jiswa inqas u jagħti metall b'qawwa u duttilità akbar tat-tensjoni.
Professuri tax-Xjenza u l-Inġinerija tal-Materjali (mix-xellug) Daryl Chrzan, Mark Asta, u Andrew Minor mal-proġett tat-Tim I (Mikroskopju Korrezzjonat bl-Elettroni tal-Elettroni) fiċ-Ċentru Nazzjonali tal-Berkeley Lab għall-Mikroskopija Elettronika. (Ritratt minn Adam Lau / Berkeley Engineering)
Minbarra l-ligi, mod ieħor biex tissaħħaħ il-metalli strutturali huwa li jfasslu d-daqs tal-kristalli - magħruf ukoll bħala qamħ - li jiffurmaw il-metall billi jużaw is-sħana u l-ipproċessar mekkaniku, bħal rolling jew ippressar. Billi jnaqqsu d-daqs tal-qamħ għal sub-mikrometri jew nanometri, ir-riċerkaturi jistgħu jintroduċu l-hekk imsejħa strutturi nanotwini, jew difetti fil-metall ikkawżat minn strutturi tal-kristall allinjati. L-istrutturi nanotwinned itejbu s-saħħa u jbaxxu r-riskju ta 'ksur billi jaġixxu bħala ostaklu għal slips planar. Billi jfasslu l-ispazjar u l-orjentazzjoni tal-istrutturi tan-nanotwinati, minuri jgħid, il-proprjetajiet mekkaniċi jistgħu jiġu ottimizzati aktar. Iżda l-metodi tradizzjonali ta 'kif isir hekk la huma trivjali u lanqas irħas.
Minflok, minuri, Ritchie, u l-kollegi introduċew strutturi nanotwined multipli fit-titanju pur permezz ta 'proċess krio-mekkaniku. Huma użaw biċċiet ta 'titanju b'forma ta' kubu li ġew ippressati tul tliet naħat fin-nitroġenu likwidu. Il-kompressjoni ġentili, minuri tgħid, tikkontrolla d-densità ta 'strutturi nanotwini li jsaħħu l-metall waqt li jippreservaw l-istruttura inizjali tal-qamħ tiegħu. L-aħjar minn kollox, il-proċess ma jiddependix fuq sħana intensa u forsi mod aktar sostenibbli biex tagħmel it-titanju għal firxa ferm usa 'ta' applikazzjonijiet mil-lum.
Il-proprjetajiet mekkaniċi tal-materjal iffalsifikat krio, speċifikament is-saħħa u d-duttilità, iżommu temperaturi estremament għoljin kif ukoll krijoġeniċi. Minor jgħid li l-prestazzjoni tat-titanju nanotwinned tagħmilha ideali għal affarijiet bħal magni bil-ġett estremament sħan kif ukoll ambjenti operattivi kesħin ħafna li jissuġġerixxu li jużaw ċrieki li jżommu għal kalamiti superkonduttivi, partijiet strutturali ta 'tankijiet tal-gass naturali likwifikati, kif ukoll materjali li jkunu espost għal oċean fond jew ambjenti ta 'spazju profond.
Mistoqsi jekk il-proċess il-ġdid ta 'fabbrikazzjoni tat-titanju ta' grad kummerċjali jistax jinġieb għal skala waħda dalwaqt, Minor jgħid, għaliex le? Huwa iktar diffiċli li tagħmel affarijiet bħall-proċess Kroll li jintuża llum, fejn il-materjal irid ikun iżolat elettriku u l-proċess kollu jieħu ammonti massivi ta 'enerġija. "U dan il-krio-forging, inkunu qegħdin inpoġġu l-affarijiet f'banju."
