Thời điểm mới cho Titan (2)

Các chiến lược thiết kế làm gián đoạn quá trình xáo trộn nguyên tử oxy hoặc thúc đẩy các cấu trúc nano để ngăn chặn các vết trượt phẳng chồng lên nhau có thể dẫn đến các hợp kim tốt hơn. Minor cho biết những hợp kim này sẽ có nhiều ứng dụng, đặc biệt là trong ngành công nghiệp ô tô và hàng không vũ trụ.

Titan kết hợp nano rèn lạnh

Giáo sư Andrew Minor đổ nitơ lỏng lên mẫu titan, trình diễn quy trình rèn lạnh được sử dụng để tạo ra titan kết hợp nano trong phòng thí nghiệm của ông. (Ảnh của Adam Lau / Berkeley Engineering)

Để giải quyết những vấn đề này và các vấn đề khác, nhóm nghiên cứu dựa vào sự kết hợp giữa mô hình máy tính, kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và các phương thức hình ảnh cũng như thí nghiệm khác.

Asta nói: “Một trong những điều thú vị về dự án này là đôi khi các nhà tính toán và lý thuyết đi trước một chút, còn lần khác lại là các nhà thực nghiệm”. “Chúng tôi gặp nhau thường xuyên và nói về những phát hiện cũng như ý tưởng mới của chúng tôi.”

Ví dụ, nghiên cứu của nhóm về độ nhạy oxy của titan đã dẫn đến một nghiên cứu về hợp kim titan với nhôm và oxy. Họ phát hiện ra rằng có thể loại bỏ hiện tượng giòn do oxy bằng cách thêm một lượng nhỏ nhôm, đặc biệt là ở nhiệt độ đông lạnh dưới -150 độ C.

Nhóm nghiên cứu cho biết, chỉ với một lượng nhôm và oxy vừa phải, cấu trúc tinh thể titan mới đã ngăn chặn sự xáo trộn của các nguyên tử oxy dẫn đến sự kết tụ có hại của các trật khớp và cuối cùng là gãy xương. Hơn nữa, vì việc sử dụng nhôm làm giảm độ nhạy oxy của titan nói chung nên chi phí xử lý để tạo ra kim loại có thể sử dụng được cũng sẽ giảm.

Trong một nghiên cứu khác, nhóm nghiên cứu đã xem xét nghiên cứu từ những năm 1960 cho thấy nhiều kim loại và hợp kim có độ dẻo tăng đáng kể khi chịu các xung điện định kỳ trong quá trình biến dạng của kim loại. Tuy nhiên, cơ chế cơ bản giải thích tại sao cái gọi là tính dẻo điện này có thể đúng vẫn chưa rõ ràng.

Minor cho biết: “Tính dẻo điện có thể giúp giảm chi phí cho quá trình luyện kim vì cần ít năng lượng hơn để tạo thành kim loại bằng các xung điện so với việc nung nóng toàn bộ kim loại đến nhiệt độ cao để đạt được khả năng định dạng tương tự”. “Điều thú vị là, hiệu ứng điện dẻo này phổ biến ở chỗ nó đã được chứng minh là có tác dụng với mọi kim loại, không chỉ riêng titan”.

Nhóm nghiên cứu đã thực hiện các thử nghiệm độ bền kéo của kim loại trong ba điều kiện khác nhau: nhiệt độ phòng không có dòng điện, với xung điện định kỳ trong khoảng thời gian 100 mili giây và với dòng điện không đổi. Vì tác dụng dòng điện làm nóng kim loại nên đội nghiên cứu lo lắng về việc phân biệt các hiệu ứng chỉ do điện gây ra với các hiệu ứng do nhiệt gây ra.

Kết quả của họ cho thấy, mặc dù sử dụng xung định kỳ nhỏ hơn so với các nghiên cứu trước đây, phương pháp dòng xung đã cải thiện độ giãn dài khi kéo của hợp kim titan cũng như độ bền tối đa của nó. Họ lưu ý rằng hiệu ứng này chỉ đặc trưng cho thí nghiệm dòng điện xung.

Với sự hỗ trợ của TEM để quan sát những thay đổi trong cấu trúc tinh thể của kim loại, kết quả của họ cho thấy rằng phương pháp xử lý bằng dòng điện xung ngăn chặn sự trật khớp trượt phẳng. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng xung điện làm cứng vật liệu và cản trở sự phát triển của trượt phẳng bằng cách duy trì mô hình lệch vị trí 3D khuếch tán mà cuối cùng mang lại độ bền và độ dẻo cao.

(Còn tiếp)