Un nou moment per al titani, fent un metall més fort, més barat i sostenible
Entre els metalls, la força i la lleugeresa del titani, la resistència a la corrosió i la capacitat de suportar les temperatures extremes han distingit el seu valor, particularment per a aplicacions sensibles al pes i al medi ambient. Quan es va descriure per primera vegada a finals del segle XVIII, un co -descobert anomenat The Metal for the Titans - Gods nascuts de la Terra i el cel en la mitologia grega antiga.
El temps només ha cremat la brillantor de Titani. "Sóc un científic de materials i, de vegades, la gent em pregunta:" Quin és el teu element preferit? ", Diu Andrew Minor, professor de ciències de materials i enginyeria. Per a edificis, avions, míssils, naus espacials i molt més, diu: "Si voleu el material més fort per a la menor quantitat de pes, és el titani. Si poguéssim, ho faríem tot del titani".
De fet, per als dissenyadors industrials, la perspectiva de cotxes, camions i avions forts, lleugers, altament eficients en combustible, per exemple, o bé vaixells de càrrega resistents a la corrosió, el titani ha de ser coses dels somnis.
El problema? "És massa car", diu Minor sobre aliatges de titani o titani de qualitat industrial que, d'una altra manera, podrien substituir l'acer quan només els materials més forts i duradors seran suficients. El cost de fer titani és aproximadament sis vegades més gran que el de l’acer inoxidable. Com a resultat, els seus usos s’han mantingut limitats a parts especialitzades per a aeroespacials, articles de gamma alta com joies o altres aplicacions de nínxol.
A més, el titani pur només té força moderada, explica Menor. Es pot reforçar amb elements com oxigen, alumini, molibdè, vanadi i zirconi; Tanmateix, sovint es troba a costa de la ductilitat: la capacitat del metall de ser dibuixada o deformada sense fracturar.
Ara, després d’una dècada d’investigació, es pot apropar una nova era per al titani, incloent -hi aplicacions d’enginyeria molt ampliada, gràcies a Menor i als seus col·legues de Berkeley, inclosos Mark Asta, Daryl Chrzan i JW Morris Jr. de ciències de materials i enginyeria. Han estat provant i produint titani de qualsevol manera amb l'esperança d'ampliar el seu ús pràctic per a diverses aplicacions estructurals o d'enginyeria.
En una sèrie d’estudis, els investigadors han desenvolupat noves visions crítiques sobre el titani, incloent-hi receptes per fer millors aliatges de titani, així com una tècnica de cryo-forged per fer titani de grau industrial, avenços que finalment podrien comportar més rendiments i sostenibles i sostenibles Fabricació.
Un dibuix esquemàtic del procés crio-mecànic que es tradueix en un titani nanotwinned.
(Il·lustració d'Andrew Minor)
El conundrum d’oxigen
És important comprendre que el cost del titani no es deu a la seva raresa. El titani no és un metall preciós; Més aviat es troba gairebé a tot arreu del món, en roques ígnies a prop de la superfície. És el novè element més abundant de la Terra i el quart metall més abundant, i es pot utilitzar per fer les coses tant en la seva forma pura com com a aliatge.
En lloc d'això, el que impulsa el cost excessiu del titani de grau comercial, explica Minor, és el complex procés de Kroll que s'utilitza més sovint per fer barres de titani, lingots i altres formes de metall que es poden fabricar en parts utilitzables i altres productes. El procés inclou l’ús de materials cars com el gas d’argó i és intens energètic, que requereix múltiples fosa a temperatures extremadament altes, especialment per controlar les impureses d’oxigen.
De fet, el titani i l’oxigen tenen una relació desconcertant, que menor, Asta, Chrzan, Morris i els seus col·legues han volgut entendre millor. L’equip sabia que una impuresa d’oxigen s’utilitza sovint per als aliatges de titani per aprofitar un efecte d’enfortiment potent. El titani realitzat amb només un petit augment de la quantitat d’oxigen atòmic pot donar lloc a un metall amb un augment de la força de diverses vegades.
Malauradament, l’oxigen també pot produir una disminució encara més gran de la ductilitat del metall. Es torna trencadís i es fracturarà i es trencarà.
Però "l'oxigen és a tot arreu", diu Menor de la dificultat de maniobrar al voltant de l'elevada resposta de titani a l'oxigen. "No és cap impuresa provinent del material d'origen que només podeu evitar".
Caracteritza la sensibilitat del titani a l’oxigen com a extrem. "És realment estrany el poderós que és", diu Minor. Exerceix efectes sobre el metall, tant bo com dolent, mentre que la presència de quantitats similars d’oxigen és insignificant per a metalls com l’alumini i l’acer perquè es pot tractar en processar molt més fàcilment.
Per obtenir més informació, l’equip va recórrer a la informàtica d’alt rendiment per modelar el procés de deformació en titani sota estrès i amb diferents quantitats d’oxigen. Els models informàtics, segons Asta, són un "potent conjunt d'eines que ens permeten investigar aquest repte destacat en la metal·lúrgia de titani".
Dels principals descobriments de l’equip, una remena d’àtoms d’oxigen en l’estructura de cristalls de titani quan el metall està sota estrès es va fer clau per comprendre la pèrdua de la ductilitat. En un estat no estressat, les molècules d’oxigen resideixen sense incidents en les llacunes naturals entre àtoms de titani. Però, sota les forces mecàniques, els àtoms d’oxigen poden barrejar -se a espais adjacents on proporcionen menys resistència a les dislocacions que, si s’estenen, debiliten el metall.
"L'oxigen promou una debilitat estructural", afirma Menor. Com que les forces mecàniques deformen el metall, els àtoms d’oxigen desplaçats, en lloc de bloquejar la propagació de defectes estructurals, poden facilitar un anomenat lliscament pla.
Un lliscament pla, diu Asta, és com una onada de defectes en l'estructura de cristalls del metall que es construeixen l'un sobre l'altre, conduint finalment a fractures, esquerdes i una peça de metall trencadissa.
Per entendre com es pot formar i difondre una luxació en titani, Chrzan suggereix visualitzar intentant moure una gran i pesada catifa.
"Es pot recollir una catifa molt gran en un extrem i arrossegar pel terra fins a una nova posició", afirma. Però una altra manera de moure la catifa és crear una ondulació en un extrem i, després, barrejant els peus a la part superior de la catifa, podeu "caminar" la ondulació fins a l'altre extrem. Si res no bloqueja el seu moviment, tota la catifa haurà estat desplaçada per una distància igual a l’amplada de l’obra.
Aquestes "ondulacions" en titani es poden veure amb microscòpia electrònica. "Podeu veure que totes les dislocacions estan alineades, a les files", diu Minor. "I això és dolent per a la ductilitat, perquè si s'alineen i només es segueixen, no s'enreden [i així s'aturen] de manera que el metall no funciona. un crack ".
Creació de millors aliatges
Les estratègies de disseny que interrompin el procés de remolc de l’oxigen-àtom o promouen nanoestructures per evitar que els relliscos planes s’acumulin podrien conduir a millors aliatges. Aquests aliatges tindrien aplicacions, sobretot a les indústries de l’automoció i aeroespacial, segons Minor.
El professor Andrew Minor aboca nitrogen líquid en una mostra de titani, demostrant el procés de crio-forging utilitzat per crear titani nanotwinned al seu laboratori. (Foto d'Adam Lau / Berkeley Engineering)
Per solucionar aquests i altres problemes, l’equip es basa en una combinació de modelatge informàtic, microscòpia electrònica de transmissió (TEM) i altres modalitats d’imatge i experiments.
"Una de les coses que ha estat agradable en aquest projecte és que de vegades els computacionalistes i els teòrics estan una mica per davant, i altres vegades són els experimentalistes", afirma Asta. "Ens trobem amb freqüència i parlem de les nostres troballes i de les nostres noves idees."
L’estudi de l’equip sobre la sensibilitat a l’oxigen del titani, per exemple, va provocar un estudi de titani aliat amb alumini i oxigen. Van trobar que l’embrittlement d’oxigen es podria eliminar afegint petites quantitats d’alumini, especialment a temperatures criogèniques, que es troben per sota de {{0} graus centígrads.
Amb les quantitats adequades d’alumini i oxigen, segons l’equip, una nova ordenació de l’estructura de cristalls de titani va impedir una remena d’àtoms d’oxigen que comportaria una incompliment de les dislocacions i, en definitiva, fractures. A més, perquè la introducció d’alumini va reduir la sensibilitat a l’oxigen del titani en general, també es reduirien els costos de processament per crear un metall útil.
En un altre estudi, l'equip va estudiar la investigació fins als anys seixanta que demostra que molts metalls i aliatges mostren augments dramàtics de la ductilitat quan se sotmeten a polsos elèctrics periòdics durant la deformació del metall. Però els mecanismes subjacents de per què aquesta anomenada electroplasticitat pot ser certa no són clars.
"L'electroplàstica pot comportar costos reduïts per al processament metal·lúrgic, ja que es necessita menys energia per formar metall amb polsos elèctrics que escalfar tot el metall a una temperatura alta per aconseguir la mateixa formabilitat", afirma Minor. "Curiosament, aquest efecte de l'electroplàstica és universal, ja que s'ha demostrat que funciona essencialment per a tots els metalls, no només de titani".
L’equip va realitzar proves de tracció del metall en tres condicions diferents: temperatura ambient sense corrent elèctric, amb un pols elèctric periòdic de 100 mil·lisegons de durada i amb un corrent constant. Com que l’aplicació de corrent elèctric escalfa el metall, l’equip estava preocupat per distingir els efectes causats exclusivament per l’electricitat dels causats per la calor.
Els seus resultats van demostrar que, tot i utilitzar un pols periòdic menor que els estudis anteriors, el mètode de corrent polsat va millorar l’elongació a la tracció de l’aliatge de titani, així com la seva màxima resistència. Assenyalen que aquest efecte era específic només per a l’experiment de corrent polsat.
Amb l’ajuda de TEM per veure canvis en l’estructura de cristall del metall, els seus resultats suggereixen que el tractament amb corrent polsat suprimeix les dislocacions de lliscament planes. Els investigadors van trobar que el pols elèctric endureix el material i frustra el desenvolupament del lliscament plaent mantenint un patró de luxació 3D difús que en última instància proporciona una gran resistència i ductilitat.
Titani nanotwinned
Més recentment, Minor i Robert Ritchie, professors de ciències de materials i enginyeria mecànica, van desenvolupar un mètode de processament a granel pioner per fer un titani pur que és menys costós i produeix un metall amb major resistència i ductilitat a la tracció.
Els professors de ciències i enginyeria de materials (de l'esquerra) Daryl Chrzan, Mark Asta i Andrew Minor amb el projecte de l'equip I (microscopi de transmissió d'electrons) al Centre Nacional de Microscòpia d'electrons de Berkeley Lab. (Foto d'Adam Lau / Berkeley Engineering)
A part dels aliatges, una altra manera de reforçar els metalls estructurals és adaptar la mida dels cristalls, també coneguts com a gra, que formen el metall mitjançant la calor i el processament mecànic, com ara el rodatge o la premsat. Reduint la mida del gra a sub-micròmetres o nanòmetres, els investigadors poden introduir les anomenades estructures nanotes o defectes en el metall causats per estructures de cristall alineades. Les estructures nanotades milloren la força i redueixen el risc de fractura actuant com a barrera a les relliscades planes. Menor, segons la mida de l'espai i l'orientació de les estructures nanotwinned, segons les propietats mecàniques es poden optimitzar encara més. Però els mètodes tradicionals per fer -ho no són trivials ni barats.
En lloc d'això, menor, Ritchie i col·legues van introduir múltiples estructures nanotes en titani pur mitjançant un procés crio-mecànic. Utilitzaven peces de titani en forma de cub que es pressionaven per tres costats en nitrogen líquid. La suau compressió, diu Minor, controla la densitat d’estructures nanotes que reforcen el metall mantenint la seva estructura inicial de gra. El millor de tot, el procés no es basa en la calor intensa i potser una manera més sostenible de fer titani per a una gamma d’aplicacions molt més àmplia que avui.
Les propietats mecàniques del material criocorat, concretament la força i la ductilitat, es mantenen a temperatures extremadament altes i criogèniques. Minor diu que el rendiment del titani nanotwinned fa que sigui ideal per a coses com motors de jet extremadament calents, així com entorns operatius molt fred Exposat a entorns d’oceà profund o d’espai profund.
Preguntat sobre si el nou procés de fabricació de titani de qualitat comercial es podria posar a escala un dia aviat, Menor diu, per què no? És més difícil fer coses com el procés de Kroll que s’utilitza avui en dia, on el material s’ha d’aïllar elèctricament i tot el procés pren quantitats massives d’energia. "I aquesta crio-furg, només estaríem posant les coses en un bany".