Thời điểm mới cho Titan (1)
Trong số các kim loại, độ bền và độ nhẹ, khả năng chống ăn mòn và khả năng chịu được nhiệt độ khắc nghiệt của titan từ lâu đã làm nổi bật giá trị của nó, đặc biệt đối với các ứng dụng nhạy cảm với trọng lượng và môi trường. Khi nó được mô tả lần đầu tiên vào cuối thế kỷ 18, một người đồng phát hiện đã đặt tên kim loại theo tên các Titan - những vị thần sinh ra từ Trái đất và bầu trời trong thần thoại Hy Lạp cổ đại.
Thời gian chỉ làm mất đi vẻ sáng bóng của titan. Andrew Minor, giáo sư khoa học và kỹ thuật vật liệu, cho biết: “Tôi là một nhà khoa học vật liệu nên đôi khi mọi người hỏi tôi: 'Nguyên tố yêu thích của bạn là gì?'". Đối với các tòa nhà, máy bay, tên lửa, tàu vũ trụ, v.v., ông nói: "Nếu bạn muốn vật liệu bền nhất với trọng lượng nhẹ nhất thì đó là titan. Nếu có thể, chúng tôi sẽ làm mọi thứ từ titan."
Thật vậy, đối với các nhà thiết kế công nghiệp, chẳng hạn như triển vọng về ô tô, xe tải và máy bay mạnh mẽ, nhẹ, tiết kiệm nhiên liệu hoặc tàu chở hàng siêu chống ăn mòn, titan hẳn là thứ trong mơ.
Vấn đề? “Nó quá đắt,” Minor nói về titan hoặc hợp kim titan cấp công nghiệp có thể thay thế thép khi chỉ những vật liệu bền nhất, bền nhất mới đủ. Chi phí sản xuất titan cao hơn khoảng sáu lần so với thép không gỉ. Do đó, việc sử dụng nó vẫn bị giới hạn ở các bộ phận đặc biệt dành cho hàng không vũ trụ, các mặt hàng cao cấp như đồ trang sức hoặc các ứng dụng thích hợp khác.
Hơn nữa, titan nguyên chất chỉ có độ bền vừa phải, Minor giải thích. Nó có thể được tăng cường bằng các nguyên tố như oxy, nhôm, molypden, vanadi và zirconi; tuy nhiên, điều đó thường làm mất đi tính dẻo - khả năng của kim loại có thể bị kéo dãn hoặc biến dạng mà không bị gãy.
Giờ đây, sau một thập kỷ nghiên cứu, một kỷ nguyên mới cho titan, bao gồm các ứng dụng kỹ thuật được mở rộng đáng kể, có thể đang đến gần nhờ Minor và các đồng nghiệp ở Berkeley, bao gồm Mark Asta, Daryl Chrzan và JW Morris Jr., cũng là các giáo sư trong Khoa. Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu. Họ đã thăm dò và sản xuất titan theo nhiều cách với hy vọng mở rộng ứng dụng thực tế của nó cho nhiều ứng dụng kết cấu hoặc kỹ thuật.
Thay vào đó, điều khiến chi phí titan cấp thương mại quá cao, Minor giải thích, là quy trình Kroll phức tạp thường được sử dụng để chế tạo các thanh, thỏi titan và các dạng kim loại khác có thể chế tạo thành các bộ phận có thể sử dụng được và các sản phẩm khác. Quá trình này bao gồm việc sử dụng các vật liệu đắt tiền như khí argon và tiêu tốn nhiều năng lượng, đòi hỏi phải nấu chảy nhiều lần ở nhiệt độ cực cao, đặc biệt là để kiểm soát tạp chất oxy.
Thật vậy, titan và oxy có một mối quan hệ khó hiểu, mối quan hệ mà Minor, Asta, Chrzan, Morris và các đồng nghiệp muốn hiểu rõ hơn. Nhóm nghiên cứu biết rằng tạp chất oxy thường được sử dụng cho hợp kim titan để khai thác tác dụng tăng cường mạnh mẽ. Titan được tạo ra chỉ với một lượng tăng nhỏ oxy nguyên tử có thể tạo ra kim loại có độ bền tăng gấp nhiều lần.
Thật không may, oxy cũng có thể làm giảm độ dẻo của kim loại thậm chí còn lớn hơn. Nó trở nên giòn và sẽ gãy, vỡ.
Nhưng “oxy có ở khắp mọi nơi”, Minor nói về khó khăn trong việc vận hành xung quanh khả năng phản ứng cao của titan với oxy. "Đó không phải là một số tạp chất đến từ nguyên liệu gốc mà bạn có thể tránh được."
Ông mô tả độ nhạy cảm của titan với oxy là cực kỳ cao. “Thật kỳ lạ là nó mạnh đến thế nào,” Minor nói. Nó tác động lên kim loại, cả tốt lẫn xấu, trong khi sự hiện diện của lượng oxy tương tự là không đáng kể đối với các kim loại như nhôm và thép vì nó có thể được xử lý trong quá trình xử lý dễ dàng hơn nhiều.
Để tìm hiểu thêm, nhóm nghiên cứu đã chuyển sang sử dụng điện toán hiệu năng cao để mô hình hóa quá trình biến dạng của titan dưới áp lực và với lượng oxy khác nhau. Asta nói, các mô hình máy tính là một “bộ công cụ mạnh mẽ cho phép chúng tôi điều tra thách thức nổi bật này trong luyện kim titan”.
Trong số những khám phá quan trọng của nhóm, sự xáo trộn của các nguyên tử oxy trong cấu trúc tinh thể của titan khi kim loại chịu áp lực đã trở thành chìa khóa để tìm hiểu sự mất đi tính dẻo. Ở trạng thái không bị căng thẳng, các phân tử oxy cư trú mà không xảy ra sự cố trong khoảng trống tự nhiên giữa các nguyên tử titan. Nhưng dưới tác dụng của lực cơ học, các nguyên tử oxy có thể di chuyển sang các không gian lân cận, nơi chúng tạo ra ít khả năng chống lại sự sai lệch mà nếu chúng lan rộng sẽ làm suy yếu kim loại.
“Ôxi thúc đẩy sự suy yếu về cấu trúc,” Minor nói. Khi các lực cơ học làm biến dạng kim loại, các nguyên tử oxy bị dịch chuyển, thay vì ngăn chặn sự lan rộng của các khuyết tật cấu trúc, có thể tạo điều kiện cho cái gọi là sự trượt phẳng.
Asta nói, một vết trượt phẳng giống như một gợn sóng khuyết tật trong cấu trúc tinh thể của kim loại, chồng lên nhau, cuối cùng dẫn đến gãy, nứt và khiến một mảnh kim loại trở nên giòn.
Để hiểu làm thế nào sự trật khớp có thể hình thành và lan rộng trong titan, Chrzan gợi ý hãy hình dung việc cố gắng di chuyển một tấm thảm lớn và nặng.
Ông nói: “Một tấm thảm rất lớn có thể được nhấc lên ở một đầu và kéo trên sàn đến vị trí mới”. Nhưng một cách khác để di chuyển tấm thảm là tạo ra gợn sóng ở một đầu và sau đó, bằng cách lê chân qua mặt trên của tấm thảm, bạn có thể "đi" gợn sóng đó sang đầu kia. Nếu không có gì cản trở chuyển động của nó thì toàn bộ tấm thảm sẽ bị dịch chuyển một khoảng bằng chiều rộng của gợn sóng.
Những "gợn sóng" như vậy ở titan có thể được nhìn thấy bằng kính hiển vi điện tử. “Bạn có thể thấy tất cả các vị trí trật khớp được xếp thành hàng,” Minor nói. "Và điều đó không tốt cho tính dẻo vì nếu chúng xếp thành hàng và chỉ nối tiếp nhau, thì chúng sẽ không bị vướng vào nhau [và do đó dừng lại] để kim loại không hoạt động cứng lại. Bạn sẽ có sự tập trung ứng suất và đó là nơi bạn có được một vết nứt."
(Còn tiếp)