Titanyum için yeni bir zaman, daha güçlü, daha ucuz, daha sürdürülebilir bir metal yapmak
Metaller arasında, titanyumun gücü ve hafifliği, korozyon direnci ve aşırı sıcaklıklara dayanma yeteneği, özellikle ağırlık ve çevreye duyarlı uygulamalar için değerini uzun zaman ayırt etmiştir. İlk olarak 18. yüzyılın sonlarında tarif edildiğinde, antik Yunan mitolojisinde yeryüzünden ve gökyüzünden doğan tanrılar - Titanlar için metal adını veriyor.
Zaman sadece Titanium'un parlaklığını karıştırdı. Materyal Bilimi ve Mühendisliği Profesörü Andrew Minor, “Materyal bilim adamıyım ve bu yüzden insanlar bazen bana 'En sevdiğin unsur nedir?' 'Diye soruyor. Binalar, uçaklar, füzeler, uzay gemileri ve daha fazlası için, "En güçlü materyali en az ağırlık için istiyorsanız, titanyum. Eğer yapabilseydik, her şeyi titanyumdan çıkarırdık."
Gerçekten de, endüstriyel tasarımcılar için, örneğin güçlü, hafif, yüksek yakıt tasarruflu otomobiller, kamyonlar ve uçaklar veya süper korozyona dayanıklı kargo gemileri beklentisi, titanyum hayaller olmalı.
Sorun? "Çok pahalı," diyor küçük, sadece en güçlü, en dayanıklı malzeme yeterli olduğunda çeliğin yerini alabilecek endüstriyel sınıf titanyum veya titanyum alaşımları. Titanyum yapmanın maliyeti paslanmaz çelikten yaklaşık altı kat daha fazladır. Sonuç olarak, kullanımları havacılık ve uzay, mücevher gibi üst düzey öğeler veya diğer niş uygulamalar için özel parçalarla sınırlı kalmıştır.
Dahası, saf titanyumun sadece ılımlı bir güce sahip olduğunu açıklıyor. Oksijen, alüminyum, molibden, vanadyum ve zirkonyum gibi elementlerle güçlendirilebilir; Bununla birlikte, bu genellikle süneklik pahasınadır - bir metalin kırılmadan çekilme veya deforme olma yeteneği.
Şimdi, on yıllık bir araştırmadan sonra, Mark Asta, Daryl Chrzan ve JW Morris Jr. dahil olmak üzere Minor ve Berkeley meslektaşları sayesinde, büyük ölçüde genişletilmiş mühendislik uygulamaları da dahil olmak üzere yeni bir Titanyum Çağına yaklaşıyor olabilir. Malzeme Bilimi ve Mühendisliği. Çeşitli yapısal veya mühendislik uygulamaları için pratik kullanımını genişletme umuduyla titanyumları herhangi bir şekilde araştırıyor ve üretiyorlar.
Bir dizi çalışmada, araştırmacılar, daha iyi titanyum alaşımları yapmak için tarifler ve endüstriyel sınıf titanyum yapmak için kriyo-zorunlu bir teknik-sonuçta daha düşük maliyetli ve sürdürülebilir ilerlemelere yol açabilecek kritik yeni bilgiler geliştirdiler. üretme.
Nanotwined titanyum ile sonuçlanan kriyo-mekanik sürecin şematik bir çizimi.
(Andrew Minor tarafından illüstrasyon)
Oksijen muamma
Titanyum maliyetinin nadirliğinden kaynaklanmadığını anlamak önemlidir. Titanyum değerli bir metal değildir; Aksine, dünyanın hemen her yerinde, yüzeyin yakınındaki magmatik kayalarda bulunur. Dünyanın en bol dokuzuncu elemanı ve dördüncü en bol metal ve hem saf formunda hem de bir alaşım olarak işleri yapmak için kullanılabilir.
Bunun yerine, ticari sınıf titanyumun aşırı maliyetini yönlendiren, Minor açıklıyor, en sık kullanılabilir parçalara ve diğer ürünlere üretilebilen titanyum çubuklar, külçe ve diğer metal formları yapmak için kullanılan karmaşık Kroll sürecidir. İşlem, argon gazı gibi pahalı malzemelerin kullanımını içerir ve enerji yoğundur, özellikle oksijen safsızlıklarını kontrol etmek için aşırı yüksek sıcaklıklarda çoklu eriyik gerektirir.
Gerçekten de, titanyum ve oksijenin şaşırtıcı bir ilişkisi var, küçük, Asta, Chrzan, Morris ve meslektaşlarının daha iyi anlamak istedikleri. Ekip, titanyum alaşımlarının güçlü bir güçlendirme etkisini kullanmak için sıklıkla bir oksijen safsızlığının kullanıldığını biliyordu. Atomik oksijen miktarında sadece küçük bir artışla yapılan titanyum, mukavemette birkaç kat artışa sahip bir metalle sonuçlanabilir.
Ne yazık ki, oksijen metalin sünekliğinde daha da büyük bir azalma sağlayabilir. Kırılgan hale gelir ve kırılır ve kırılır.
Ancak "oksijen her yerde" diyor Minor, Titanyum'un oksijene karşı yüksek yanıt verebilirliği etrafında manevra yapma zorluğunu söylüyor. "Kaçınabileceğiniz kaynak malzemeden gelen bazı safsızlıklar değil."
Titanyumun oksijene karşı hassasiyetini aşırı olarak karakterize eder. "Ne kadar güçlü olduğu gerçekten garip," diyor Minor. Metal üzerinde hem iyi hem de kötü etkiler gösterirken, benzer miktarlarda oksijenin varlığı alüminyum ve çelik gibi metaller için önemsizdir, çünkü çok daha kolay işlemede ele alınabilir.
Daha fazla bilgi edinmek için ekip, stres altında ve farklı miktarlarda oksijen ile titanyumdaki deformasyon sürecini modellemek için yüksek performanslı bilgi işlemine döndü. ASTA, bilgisayar modellerinin "titanyum metalurjideki bu olağanüstü zorluğu araştırmamıza izin veren güçlü bir araç seti" olduğunu söylüyor.
Ekibin başlıca keşiflerinden, metal stres altında olduğunda titanyumun kristal yapısında oksijen atomlarının karıştırılması süneklik kaybını anlamanın anahtarı haline geldi. Stresli olmayan bir durumda, oksijen molekülleri titanyum atomları arasındaki doğal boşluklarda olaysız kalır. Ancak mekanik kuvvetler altında, oksijen atomları bitişik alanlara karışabilir ve burada yayılırlarsa metali zayıflatan çıkıklara daha az direnç sağlarlar.
"Oksijen yapısal bir zayıflığı teşvik eder," diyor Minor. Mekanik kuvvetler metali deforme ettikçe, yapısal kusurların yayılmasını engellemek yerine yerinden edilmiş oksijen atomları, düzlemsel bir kaymayı kolaylaştırabilir.
Asta, düzlemsel bir kayma, metalin kristal yapısında diğerine inşa edilen, sonunda kırıklara, çatlaklara ve kırılgan bir metal parçasına yol açan bir kusur dalgalanması gibi olduğunu söylüyor.
Titanyumda nasıl bir çıkık oluşabileceğini ve yayılabileceğini anlamak için Chrzan, büyük, ağır bir halıyı hareket ettirmeye çalışmayı görselleştirmeyi önerir.
"Çok büyük bir halı bir ucunda alınabilir ve yer boyunca yeni bir pozisyona sürüklenebilir" diyor. Ancak halıyı hareket ettirmenin başka bir yolu, bir ucunda bir dalgalanma oluşturmak ve daha sonra ayaklarınızı halının üstüne karıştırarak, dalgalanmayı diğer ucuna "yürüyebilirsiniz". Hiçbir şeyin hareketini engellememesi koşuluyla, tüm halı dalgalanmanın genişliğine eşit bir mesafe ile yer değiştirmiş olacaktır.
Titanyumdaki bu tür "dalgalanmalar" elektron mikroskopisi ile görülebilir. Minor, "Tüm çıkıkların sıralar halinde sıralandığını görebilirsiniz." Diyor. "Ve bu süneklik için kötü çünkü sıraya girerler ve sadece birbirlerini takip ederlerse, metal sertleşmeyecek şekilde karışmazlar [ve böylece dururlar]. bir çatlak. "
Daha iyi alaşımlar yaratmak
Oksijen-atom karıştırma sürecini kesintiye uğratan veya düzlemsel fişlerin birikmesini durdurmak için nanoyapıları teşvik eden tasarım stratejileri daha iyi alaşımlara yol açabilir. Minor, bu alaşımların özellikle otomotiv ve havacılık endüstrilerinde uygulamaları olacağını söylüyor.
Profesör Andrew Minor, bir titanyum örneğine sıvı azot dökerek laboratuvarında nanotwined titanyum oluşturmak için kullanılan kriyo zorlama işlemini gösteriyor. (Fotoğraf: Adam Lau / Berkeley Engineering)
Bu ve diğer sorunları ele almak için ekip, bilgisayar modellemesi, iletim elektron mikroskopisi (TEM) ve diğer görüntüleme yöntemlerinin ve deneylerin bir karışımına güvenir.
ASTA, "Bu proje hakkında güzel olan şeylerden biri, bazen hesapçıların ve teorisyenlerin biraz ileride olması ve diğer zamanlarda deneyciler olması." Diyor. "Sık sık buluşuyoruz ve bulgularımız ve yeni fikirlerimiz hakkında konuşuyoruz."
Ekibin Titanyum'un oksijen duyarlılığı üzerine yapılan çalışması, örneğin, alüminyum ve oksijen ile alaşımlı titanyum çalışmasına yol açtı. Oksijen kucaklamanın, özellikle -150 santigrat derecelerinin altında olan kriyojenik sıcaklıklarda, az miktarda alüminyum eklenerek ortadan kaldırılabileceğini bulmuşlardır.
Sadece doğru miktarlarda alüminyum ve oksijen ile ekip, titanyum kristal yapısının yeni bir sırasının, zarar gören çıkıkların ve nihayetinde kırıkların yığınına yol açacak oksijen atomlarının karıştırılmasını engellediğini söylüyor. Dahası, alüminyumun tanıtımı genel olarak titanyumun oksijen duyarlılığını azalttığından, kullanılabilir bir metal oluşturmak için maliyet işleme de azaltılacaktır.
Başka bir çalışmada, ekip 1960'lara kadar uzanan araştırmalara baktı, birçok metal ve alaşımın metalin deformasyonu sırasında periyodik elektrik darbelerine tabi tutulduğunda süneklikte dramatik artışlar sergiledi. Ancak, bu elektoplastisitenin neden olarak adlandırılabileceğinin altında yatan mekanizmalar net değildir.
Minor, "Elektroplastisite, metalurjik işleme için maliyetlerin azalmasına yol açabilir, çünkü elektrik darbeleriyle metalin oluşturulması aynı biçimlendirilebilirliği elde etmek için tüm metali yüksek bir sıcaklığa ısıtmaktan daha az enerji gerektirir." "İlginç bir şekilde, elektroplastisitenin bu etkisi evrenseldir, çünkü sadece titanyum değil, esasen her metal için çalıştığı gösterilmiştir."
Ekip, üç farklı koşulda metalin gerilme testlerini gerçekleştirdi: elektrik akımı olmayan oda sıcaklığı, 100 milisaniye süresi ve sabit bir akım ile periyodik elektrik nabzı ile. Elektrik akımının uygulanması metali ısıttığından, ekip sadece elektriğin neden olduğu etkilerin sadece ısıdan kaynaklananlardan ayırt edilmesi konusunda endişeliydi.
Sonuçları, önceki çalışmalardan daha küçük bir periyodik nabız kullanılmasına rağmen, darbeli akım yönteminin titanyum alaşımının gerilme uzamasını ve maksimum mukavemetini geliştirdiğini gösterdi. Bu etkinin sadece darbeli akım deneyine özgü olduğunu not ederler.
TEM'in metalin kristal yapısındaki değişiklikleri görmek için yardımıyla, sonuçları darbeli akım tedavisinin düzlemsel kayma çıkıklarını bastırdığını düşündürmektedir. Araştırmacılar, elektrik darbesinin malzemeyi sertleştirdiğini ve sonuçta yüksek mukavemet ve süneklik sağlayan dağınık, 3D çıkık desenini koruyarak düzlemsel kaymanın gelişimini hayal kırıklığına uğrattığını buldular.
Nanotwined Titanyum
Son zamanlarda, Malzeme Bilimi ve Makine Mühendisliği Profesörleri Minor ve Robert Ritchie, daha ucuz olan ve daha fazla gerilme mukavemeti ve sünekliğe sahip bir metal veren saf titanyum yapmak için öncü bir dökme işleme yöntemi geliştirdiler.
Malzeme Bilimi ve Mühendislik Profesörleri (soldan) Daryl Chrzan, Mark Asta ve Andrew Minor, Berkeley Lab'ın Ulusal Elektron Mikroskopisi Merkezi'ndeki Team I (Transmission Electron Abergated Mikroskop) Projesi ile. (Fotoğraf: Adam Lau / Berkeley Engineering)
Alaşımların yanı sıra, yapısal metalleri güçlendirmenin bir başka yolu da, haddeleme veya presleme gibi ısı ve mekanik işlem kullanarak metali oluşturan tahıl olarak da bilinen kristallerin boyutunu uyarlamaktır. Tahıl boyutunu alt mikrometrelere veya nanometrelere indirgeyerek, araştırmacılar, nanotwined yapıları veya hizalanmış kristal yapıların neden olduğu metalde kusurları tanıtabilirler. Nanotwined yapılar, düzlemsel kaymalara engel olarak hareket ederek gücü artırır ve kırılma riskini azaltır. Nanotwined yapıların aralığını ve yönünü uyarlayarak, Minor, mekanik özelliklerin daha da optimize edilebileceğini söylüyor. Ancak bunu yapmanın geleneksel yöntemleri ne önemsiz ne de ucuzdur.
Bunun yerine, Minor, Ritchie ve meslektaşları, kriyo-mekanik bir süreçle saf titanyumda birden fazla nanotwined yapıyı tanıttılar. Sıvı azotun üç tarafı boyunca bastırılan küp şeklindeki titanyum parçaları kullandılar. Minor, nazik sıkıştırmanın, ilk tane yapısını korurken metali güçlendiren nanotwined yapıların yoğunluğunu kontrol ettiğini söylüyor. En iyisi, süreç yoğun ısıya ve belki de bugünden çok daha geniş bir uygulama yelpazesi için titanyum yapmanın daha sürdürülebilir bir yoluna dayanmaz.
Kriyo oluşturulmuş malzemenin, özellikle mukavemet ve sünekliğin mekanik özellikleri, son derece yüksek ve kriyojenik sıcaklıklarda tutar. Minor, nanotwined titanyumun performansının, aşırı sıcak jet motorlarının yanı sıra süper iletken mıknatıslar için tutma halkaları, sıvılaştırılmış doğal gaz tanklarının yapısal kısımları ve malzemeler gibi kullanımı öneren çok soğuk çalışma ortamları için ideal olduğunu söylüyor. derin okyanus veya derin uzay ortamlarına maruz kaldı.
Yeni ticari sınıf titanyum imalat sürecinin bir gün ölçeklendirilip getirilemeyeceği sorulduğunda, Minor, neden olmasın? Bugün kullanılan, malzemenin elektriksel olarak izole edilmesi gereken Kroll süreci gibi şeyler yapmak daha zordur ve tüm işlem büyük miktarda güç alır. "Ve bu kriyo-zorlanıyor, sadece bir şeyleri banyoya koyarız."