Nýr tími fyrir títan (1)

Meðal málma hefur styrkur og léttleiki títan, tæringarþol og hæfni til að standast mikla hitastig lengi aðgreint gildi þess, sérstaklega fyrir þyngdar- og umhverfisviðkvæm forrit. Þegar því var fyrst lýst seint á 18. öld nefndi meðuppgötvandi málminn fyrir Títana - guði fæddir af jörðu og himni í forngrískri goðafræði.

Tíminn hefur aðeins brennt títanljóma. „Ég er efnisfræðingur og því spyr fólk mig stundum: „Hver ​​er uppáhaldsþátturinn þinn?“,“ segir Andrew Minor, prófessor í efnisfræði og verkfræði. Fyrir byggingar, flugvélar, eldflaugar, geimskip og fleira segir hann: "Ef þú vilt sterkasta efnið fyrir minnsta þyngd þá er það títan. Ef við gætum myndum við búa til allt úr títan."

Reyndar, fyrir iðnhönnuði, möguleika á sterkum, léttum, mjög sparneytnum bílum, vörubílum og flugvélum, til dæmis, eða ofurtæringarþolnum flutningaskipum, hlýtur títan að vera draumaefni.

Vandamálið? „Það er of dýrt,“ segir Minor um títan eða títan málmblöndur í iðnaðarflokki sem gætu annars komið í stað stáls þegar aðeins sterkustu og endingargóðu efnin duga. Kostnaður við að búa til títan er um það bil sex sinnum hærri en ryðfríu stáli. Þess vegna hefur notkun þess haldist takmörkuð við sérhluta fyrir geimferða, hágæða hluti eins og skartgripi eða önnur sess forrit.

Það sem meira er, hreint títan hefur aðeins miðlungs styrk, útskýrir Minor. Það er hægt að styrkja það með frumefnum eins og súrefni, áli, mólýbdeni, vanadíum og sirkon; Hins vegar er það oft á kostnað sveigjanleika - getu málms til að dragast eða afmyndast án þess að brotna.

Nú, eftir áratug af rannsóknum, gæti nýtt tímabil fyrir títan, þar á meðal mjög stækkað verkfræðiforrit, verið að nálgast, þökk sé Minor og Berkeley samstarfsmönnum hans, þar á meðal Mark Asta, Daryl Chrzan og JW Morris Jr., einnig prófessorar í deildinni. í efnisfræði og verkfræði. Þeir hafa verið að rannsaka og knýja títan á ýmsan hátt í von um að auka hagnýt notkun þess fyrir margs konar byggingar- eða verkfræðilega notkun.

Þess í stað, það sem veldur óhóflegum kostnaði við títan í atvinnuskyni, útskýrir Minor, er hið flókna Kroll ferli sem oftast er notað til að búa til títanstangir, hleifar og annars konar málm sem hægt er að búa til nothæfa hluta og aðrar vörur. Ferlið felur í sér notkun á dýrum efnum eins og argongasi og það er orkufrekt, krefst margra bræðslu við mjög háan hita, sérstaklega til að stjórna súrefnisóhreinindum.

Reyndar hafa títan og súrefni furðulegt samband, sem Minor, Asta, Chrzan, Morris og félagar hafa viljað skilja betur. Liðið vissi að súrefnisóhreinindi eru oft notuð fyrir títan málmblöndur til að virkja öflug styrkjandi áhrif. Títan sem er búið til með örlítilli aukningu á magni atómsúrefnis getur leitt til málms með margfalt aukningu á styrk.

Því miður getur súrefnið einnig valdið enn meiri lækkun á sveigjanleika málmsins. Það verður stökkt og brotnar og brotnar.

En „súrefni er alls staðar,“ segir Minor um erfiðleikana við að hreyfa sig í kringum mikla svörun títan fyrir súrefni. „Það er ekki einhver óhreinleiki sem kemur frá frumefninu sem þú getur bara forðast.“

Hann segir að næmni títan fyrir súrefni sé öfgakennd. „Það er sannarlega undarlegt hversu öflugt það er,“ segir Minor. Það hefur áhrif á málminn, bæði góð og slæm, en tilvist svipaðs magns af súrefni er óverulegt fyrir málma eins og ál og stál vegna þess að það er mun auðveldara að takast á við það í vinnslu.

Til að fræðast meira sneri teymið sér að afkastamikilli tölvuvinnslu til að móta aflögunarferlið í títan undir streitu og með mismunandi magni af súrefni. Tölvulíkön, segir Asta, eru "öflugt verkfæri sem gerir okkur kleift að rannsaka þessa framúrskarandi áskorun í títanmálmvinnslu."

Af helstu uppgötvunum liðsins varð uppstokkun súrefnisatóma í kristalbyggingu títan þegar málmurinn er undir álagi lykillinn að því að skilja tap á sveigjanleika. Í streitulausu ástandi búa súrefnissameindir án atvika í náttúrulegum bilum á milli títantóma. En undir vélrænum krafti geta súrefnisatómin stokkast að aðliggjandi rýmum þar sem þau veita minna viðnám gegn liðfæringum sem, ef þau dreifast, veikja málminn.

"Súrefnið stuðlar að veikleika í uppbyggingu," segir Minor. Þar sem vélrænir kraftar afmynda málminn geta tilfærðu súrefnisatómin, frekar en að hindra útbreiðslu burðargalla, auðveldað svokallaðan planar slip.

Planar slip, segir Asta, er eins og gára af göllum í kristalbyggingu málmsins sem byggja hver á annan, sem leiðir að lokum til brota, sprungna og brothætts málms.

Til að skilja hvernig liðskipti geta myndast og breiðst út í títan, leggur Chrzan til að sjá fyrir sér að reyna að færa stórt, þungt gólfmotta.

„Það er hægt að taka mjög stóra gólfmottu upp í annan endann og draga hana yfir gólfið í nýja stöðu,“ segir hann. En önnur leið til að færa teppið til er að búa til gára í annan endann og síðan, með því að stokka fæturna yfir toppinn á teppinu, geturðu "gengið" gáruna í hinn endann. Að því gefnu að ekkert hindri hreyfingu þess mun allt gólfmottan hafa færst til um fjarlægð sem er jafn breidd gárunnar.

Slíkar "gárur" í títan má sjá með rafeindasmásjá. „Þú getur séð að allar tilfærslurnar eru uppraðar, í röðum,“ segir Minor. "Og það er slæmt fyrir sveigjanleikann því ef þeir eru í röð og fylgja bara hver öðrum flækjast þeir ekki [og stoppa þannig] þannig að málmurinn herðist ekki. Maður fær streitueinbeitingu og þar kemst maður upp. sprunga."

(Framhald)