Nýr tími fyrir títan, sem gerir sterkari, ódýrari, sjálfbærari málm

Meðal málma hefur styrkur og léttleiki títan, tæringarþol og getu til að standast mikinn hitastig löngum aðgreint gildi þess, sérstaklega fyrir þyngdar- og umhverfisnæmar notkun. Þegar því var lýst fyrst á síðari hluta 18. aldar nefndi meðgöngumaður málminn fyrir Títana - guði fæddir af jörðu og himni í fornri grískri goðafræði.

Tíminn hefur aðeins brennt ljóma títan. „Ég er efnisvísindamaður og því spyr fólk mig stundum:„ Hver er uppáhalds þátturinn þinn? “Segir Andrew Minor, prófessor í efnafræði 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 gera allt úr títan.“

Reyndar, fyrir iðnaðarhönnuðir, horfur á sterkum, léttum, mjög sparneytnum bílum, vörubílum og flugvélum, til dæmis eða ofur tæringarþolnum flutningaskipum, verður Títan að vera draumur.

Vandamálið? „Það er of dýrt,“ segir Minor um títan eða títan málmblöndur í iðnaði sem annars gætu komið í stað stál þegar aðeins sterkustu og varanlegustu efnin duga. Kostnaðurinn við gerð títan er um það bil sex sinnum meiri en ryðfríu stáli. Fyrir vikið 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 hóflegan styrk, útskýrir Minor. Það er hægt að styrkja það með þáttum eins og súrefni, áli, mólýbden, vanadíum og sirkon; Hins vegar er það oft á kostnað sveigjanleika - getu málms til að draga eða afmyndast án brots.

Nú, eftir áratug rannsókna, gæti nýtt tímabil fyrir Títan, þar á meðal mjög stækkað verkfræðisumsóknir, þökk sé Minor og Berkeley samstarfsmönnum hans, þar á meðal Mark Asta, Daryl Chrzan og JW Morris Jr., einnig prófessorar í deildinni í vísindum og verkfræðideild. Þeir hafa verið að rannsaka og prófa títan á hvaða hátt sem er í von um að auka hagnýta notkun þess fyrir margs konar burðarvirki eða verkfræði.

Í röð rannsókna hafa vísindamennirnir þróað gagnrýna nýja innsýn um títan, þar á meðal uppskriftir til að búa til betri títanblöndur sem og kryó-barð tækni til að gera iðnaðarstig títan-framfarir sem að lokum gætu leitt til hagkvæmari og sjálfbærrar framleiðslu.

Teikning af kryó-vélrænni ferli sem hefur í för með sér nanotwinned títan.

(Mynd af Andrew Minor)

Súrefnissamþjöppunin

Það er mikilvægt að skilja að kostnaður við títan stafar ekki af sjaldgæfu hans. Títan er ekki góðmálmur; Frekar, það er að finna nánast alls staðar um allan heim, í stíflu steinum nálægt yfirborðinu. Það er níunda algengasti þátturinn á jörðinni og fjórði algengasti málmurinn og það er hægt að nota það til að búa til hlutina bæði í hreinu formi og sem ál.

Þess í stað, það sem knýr óhóflegan kostnað við títan í atvinnuskyni, útskýrir Minor, er flókið Kroll ferli sem oftast er notað til að búa til títanstöng, ingots og annars konar málm sem hægt er að búa til í nothæfum hlutum og öðrum vörum. Ferlið felur í sér notkun á dýrum efnum eins og argon gasi og það er orkufrekt, sem krefst margra bráðna við mjög hátt hitastig, sérstaklega til að stjórna súrefnisheitum.

Reyndar hafa títan og súrefni furðulegt samband, sem minniháttar, Asta, Chrzan, Morris og samstarfsmenn hafa viljað skilja betur. Liðið vissi að súrefnis óhreinindi er oft notuð við títan málmblöndur til að virkja öflug styrkingaráhrif. Títan, sem er gert með aðeins örlítið aukningu á magni atómsúrefnis, getur leitt til málms með nokkrum sinnum aukningu á styrk.

Því miður getur súrefnið einnig skilað enn meiri lækkun á sveigjanleika málmsins. Það verður brothætt og mun brotna og brjóta.

En „súrefni er alls staðar,“ segir minniháttar um erfiðleikana við að stjórna í kringum mikla svörun Títans við súrefni. „Það er ekki einhver óhreinindi sem kemur frá uppsprettuefninu sem þú getur bara forðast.“

Hann einkennir næmi Títans fyrir súrefni sem öfgafullt. „Það er sannarlega skrýtið hversu öflugt það er,“ segir Minor. Það hefur áhrif á málminn, bæði gott og slæmt, en nærvera svipaðs magns af súrefni er óverulegt fyrir málma eins og áli og stál vegna þess að hægt er að takast á við það í vinnslu mun auðveldara.

Til að læra meira snéri teymið að afkastamiklum tölvunarfræði til að móta aflögunarferlið í títaníum undir álagi og með mismunandi magni af súrefni. Tölvulíkön, segir Asta, eru „öflugt verkfæri sem láta okkur kanna þessa framúrskarandi áskorun í Títan málmvinnslu.“

Af helstu uppgötvunum liðsins, uppstokkun súrefnisatóms í kristalbyggingu Títans þegar málmurinn er undir álagi varð lykillinn að því að skilja tap á sveigjanleika. Í ólaguðu ástandi eru súrefnissameindir búsettir án atviks í náttúrulegum eyður milli atóms títan. En undir vélrænni krafta geta súrefnisatómin stokkið upp í aðliggjandi rými þar sem þau veita minni mótstöðu gegn losun sem, ef þau dreifast, veikja málminn.

„Súrefni stuðlar að burðarvirki,“ segir Minor. Sem vélrænni krafta afmyndar málminn, geta flótta súrefnisatómin, frekar en að hindra útbreiðslu burðargalla, auðveldað svokallaðan planar miði.

Planar miði, segir Asta, er eins og gára af göllum í kristalbyggingu málmsins sem byggir hver á hinum og leiðir að lokum til beinbrota, sprungur og brothætt málmstykki.

Til að skilja hvernig tilfærsla getur myndast og breiðst út í títan, bendir Chrzan til að sjá að reyna að hreyfa stóran, þungan teppi.

„Hægt er að ná mjög stórum teppi í annan endann og draga yfir gólfið í nýja stöðu,“ segir hann. En önnur leið til að hreyfa teppið er að búa til gára í öðrum endanum og síðan, með því að stokka upp fæturna yfir toppinn á teppinu, geturðu „gengið“ gára að hinum endanum. Að því tilskildu að ekkert hindrar hreyfingu sína, mun allt teppið hafa verið flosnað með fjarlægð sem er jöfn breidd gára.

Slík „gára“ í títan er hægt að sjá með rafeindasmásjá. „Þú getur séð að allar tilfærslur eru raðað upp, í línum,“ segir Minor. "Og það er slæmt fyrir sveigjanleika vegna þess að ef þeir koma saman og fylgja aðeins hvort öðru, þá flækjast þeir ekki upp [og þannig stöðvaðir] þannig að málmurinn virkar ekki Harden. Þú færð streituþéttni og það er þar sem þú færð sprungu."

Að búa til betri málmblöndur

Hönnunaráætlanir sem trufla súrefnis-atóm uppstokkunarferlið eða stuðla að nanostructures til að stöðva planar renni frá því að hrannast upp gæti leitt til betri málmblöndur. Þessar málmblöndur myndu hafa forrit, sérstaklega í bifreiðum og geimferðaiðnaði, segir Minor.

Prófessor Andrew Minor hellir fljótandi köfnunarefni á títansýni, sem sýnir fram á cryo-forging ferlið sem notað er til að búa til nanotwinned títan í rannsóknarstofu sinni. (Mynd eftir Adam Lau / Berkeley verkfræði)

Til að takast á við þessi og önnur mál treystir teymið á blöndu af tölvulíkanagerð, smásjárrafeindasmásjá (TEM) og öðrum myndgreiningaraðferðum og tilraunum.

„Eitt af því sem hefur verið gaman við þetta verkefni er að stundum eru reiknifræðingarnir og fræðimennirnir svolítið framundan og í annan tíma eru það tilraunamennirnir,“ segir Asta. „Við hittumst oft og tölum um niðurstöður okkar og nýju hugmyndir okkar.“

Rannsókn teymisins á súrefnisnæmi Títans, til dæmis, leiddi til rannsóknar á títanblönduðu með áli og súrefni. Þeir komust að því að hægt væri að útrýma súrefni með því að bæta við litlu magni af áli, sérstaklega við kryógenhita, sem eru undir -150 gráður á Celsíus.

Með alveg réttu magni af áli og súrefni, segir teymið, kom í veg fyrir nýja röð á títan kristalbyggingu í kom í veg fyrir uppstokkun á súrefnisatómum sem leiddu til skaðlegrar hruns af losun og að lokum beinbrotum. Það sem meira er, vegna þess að innleiðing áls minnkaði súrefnisnæmi títan í heildina, myndi vinnslukostnaður til að búa til nothæfan málm minnkaður.

Í enn einni rannsókninni skoðaði teymið rannsóknir sem snúa aftur til sjöunda áratugarins og sýndu að margir málmar og málmblöndur sýna stórkostlegar aukningar á sveigjanleika þegar þeir voru látnir fara í reglulega rafmagnspúls við aflögun málmsins. En undirliggjandi fyrirkomulag hvers vegna þessi svokallaða rafplasticity gæti verið satt er ekki skýrt.

„Rafvirkni getur leitt til minni kostnaðar við málmvinnslu þar sem það tekur minni orku til að mynda málm með rafmagns púlsum en að hita allan málminn að háum hita til að ná sömu formanleika,“ segir Minor. „Athyglisvert er að þessi áhrif rafgeymslu eru algild að því leyti að það hefur verið sýnt fram á að það virkar í raun fyrir hvern málm, ekki bara títan.“

Liðið framkvæmdi togpróf af málminum við þrjú mismunandi aðstæður: stofuhita án rafstraums, með reglubundna rafpúls sem var 100 millisekúndur lengd og með stöðugum straumi. Vegna þess að það að nota rafstraum hitar málminn hafði teymið áhyggjur af því að greina áhrifin sem eingöngu af völdum rafmagns frá þeim sem orsakast af hita.

Niðurstöður þeirra sýndu að þrátt fyrir að nota minni reglubundna púls en fyrri rannsóknir bætti pulsed-straumaðferðin toglengingu títanblandans sem og hámarksstyrk hennar. Þeir taka fram að þessi áhrif voru aðeins sértæk fyrir Pulsed Current tilraunina.

Með hjálp TEM til að sjá breytingar á kristalbyggingu málmsins benda niðurstöður þeirra til þess að pulsed-straummeðferðin bælir planar miðaslys. Vísindamennirnir komust að því að rafmagnspúlsinn harðnar efnið og pirrar þróun planar miðans með því að viðhalda dreifðu, 3D tilfærslumynstri sem að lokum skilar miklum styrk og sveigjanleika.

Nanotwinned títan

Nú síðast þróuðu minniháttar og Robert Ritchie, prófessorar í efnafræði og vélaverkfræði, brautryðjandi lausnaraðferð til að búa til hreint títan sem er ódýrara og skilar málmi með meiri togstyrk og sveigjanleika.

Efnisvísindi og verkfræðiprófessorar (frá vinstri) Daryl Chrzan, Mark Asta og Andrew Minor með Team I (Transmission Electron Aberration-leiðréttri smásjá) verkefninu í Berkeley Lab's National Center for Electron Microscopy. (Mynd eftir Adam Lau / Berkeley verkfræði)

Fyrir utan málmblöndur er önnur leið til að styrkja byggingarmálma að sníða stærð kristalla - einnig þekkt sem korn - sem samanstendur af málminum með því að nota hita og vélræna vinnslu, svo sem veltingu eða ýta. Með því að draga úr kornastærðinni í undirmíkrómetra eða nanómetra geta vísindamenn kynnt svokölluð nanotwinned mannvirki, eða galla í málmnum af völdum samstilltra kristalbygginga. Nanotwinned mannvirki bæta styrk og lækka hættuna á beinbrotum með því að starfa sem hindrun fyrir planar. Með því að sníða bil og stefnumörkun nanotwinned mannvirkja, segir Minor, er hægt að fínstilla vélrænni eiginleika enn frekar. En hefðbundnar aðferðir til að gera það eru hvorki léttvæg né ódýr.

Í staðinn kynntu Minor, Ritchie og samstarfsmenn mörg nanotwinned mannvirki í hreinu títaníum með kryó-vélrænni ferli. Þeir notuðu teningalaga stykki af títan sem var pressað meðfram þremur hliðum í fljótandi köfnunarefni. Mild þjöppun, segir Minor, stjórnar þéttleika nanotwinned mannvirkja sem styrkja málminn en varðveita upphaflega kornbyggingu hans. Það besta af öllu, að ferlið treystir ekki á mikinn hita og kannski sjálfbærari leið til að búa til títan fyrir miklu fjölbreyttari forrit en í dag.

Vélrænir eiginleikar cryo-barded efnisins, sérstaklega styrkur og sveigjanleiki, halda við mjög hátt og kryógenhita. Minniháttar segir að frammistaða nanotwinned títan geri það tilvalið fyrir hluti eins og mjög heitar þotuvélar sem og mjög kalt rekstrarumhverfi sem myndi benda til notkunar eins og að halda hringi fyrir ofurleiðandi segla, burðarvirki af fljótandi jarðgasgeymum, svo og efni sem verða fyrir djúpu hafinu eða djúpu rými.

Aðspurður hvort nýjan títanframleiðsluferli í atvinnuskyni gæti verið færður í stærðargráðu einn daginn fljótlega, segir Minor, af hverju ekki? Það er erfiðara að gera hluti eins og Kroll ferlið sem er notað í dag, þar sem efnið þarf að einangra rafrænt og allt ferlið tekur gríðarlegt magn af krafti. „Og þetta cryo-foring, við myndum bara setja hlutina í bað.“