Một thời gian mới cho titan, làm cho kim loại mạnh hơn, rẻ hơn, bền vững hơn

Trong số các kim loại, sức mạnh và độ nhẹ của Titanium, khả năng chống ăn mòn và khả năng chịu được nhiệt độ cực đoan đã phân biệt giá trị của nó từ lâu, đặc biệt là 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 hành chính tên là Metal For the Titans - các vị thần sinh ra từ Trái đất và bầu trời trong thần thoại Hy Lạp cổ đại.

Thời gian chỉ đốt cháy ánh sáng của Titan. "Tôi là một nhà khoa học vật liệu, và vì vậy mọi người đôi khi hỏi tôi," Yếu tố yêu thích của bạn là gì? ", Andrew Minor, giáo sư khoa học vật liệu và kỹ thuật nói. Đối với các tòa nhà, máy bay, tên lửa, tàu vũ trụ, v.v.

Thật vậy, đối với các nhà thiết kế công nghiệp, triển vọng của những chiếc xe, xe tải và máy bay mạnh mẽ, nhẹ, tiết kiệm nhiên liệu cao, chẳng hạn, hoặc tàu chở hàng siêu ăn mòn, Titanium phải là thứ của những giấc mơ.

Vấn đề? "Nó quá đắt", Minor nói về các hợp kim titan hoặc titan cấp công nghiệp có thể thay thế thép khi chỉ các vật liệu mạnh nhất, bền nhất sẽ đủ. Chi phí sản xuất titan lớn hơn khoảng sáu lần so với thép không gỉ. Do đó, việc sử dụng của nó vẫn giới hạn ở các bộ phận đặc sản cho hàng không vũ trụ, các mặt hàng cao cấp như trang sức hoặc các ứng dụng thích hợp khác.

Hơn nữa, Titanium thuần túy chỉ có sức mạnh vừa phải, nhỏ giải thích. Nó có thể được tăng cường với các yếu tố như oxy, nhôm, molybden, vanadi và zirconium; Tuy nhiên, điều đó thường phải trả giá cho độ dẻo - khả năng rút hoặc biến dạng của kim loại mà không bị gãy.

Bây giờ, 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 tiếp cận, nhờ Minor và các đồng nghiệp Berkeley của ông, bao gồm Mark Asta, Daryl Chrzan và JW Morris Jr. của Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu. Họ đã thăm dò và prodding titan theo bất kỳ cách nào với hy vọng mở rộng sử dụng thực tế cho nhiều ứng dụng kết cấu hoặc kỹ thuật.

Trong một loạt các nghiên cứu, các nhà nghiên cứu đã phát triển những hiểu biết mới quan trọng về titan, bao gồm các công thức nấu hợp kim titan tốt hơn cũng như một kỹ thuật được cho là để tạo ra titan cấp công nghiệp-cuối cùng có thể dẫn đến tiết kiệm chi phí và bền vững hơn chế tạo.

Một bản vẽ sơ đồ của quá trình cơ học cryo dẫn đến titan nano.

(Minh họa của Andrew Minor)

Câu hỏi hóc búa oxy

Điều quan trọng là phải hiểu rằng chi phí của titan không phải do sự hiếm có của nó. Titanium không phải là một kim loại quý; Thay vào đó, nó được tìm thấy ở hầu hết mọi nơi trên khắp thế giới, trong những tảng đá lửa gần bề mặt. Đó là yếu tố thứ chín thứ chín của Trái đất và kim loại phong phú thứ tư, và nó có thể được sử dụng để làm cho mọi thứ ở cả dạng tinh khiết và hợp kim.

Thay vào đó, những gì thúc đẩy chi phí quá mức của titan cấp thương mại, Minor giải thích, là quy trình Kroll phức tạp thường được sử dụng để tạo ra các thanh titan, thỏi và các dạng kim loại khác có thể được chế tạo thành các bộ phận có thể sử dụng và các sản phẩm khác. Quá trình này bao gồm việc sử dụng các vật liệu đắt tiền như khí argon, và nó tốn nhiều năng lượng, đòi hỏi nhiều sự tan chảy ở nhiệt độ cực cao, đặc biệt là để kiểm soát các tạp chất oxy.

Thật vậy, titan và oxy có một mối quan hệ khó hiểu, một mối quan hệ nhỏ, Asta, Chrzan, Morris và các đồng nghiệp đã muốn hiểu rõ hơn. Nhóm nghiên cứu biết rằng một tạp chất oxy thường được sử dụng cho các hợp kim titan để khai thác hiệu ứng tăng cường mạnh mẽ. Titan được sản xuất chỉ với sự gia tăng nhỏ lượng oxy nguyên tử có thể dẫn đến một kim loại với sự tăng cường độ tăng gấp nhiều lần.

Thật không may, oxy cũng có thể mang lại độ dẻo của kim loại. Nó trở nên giòn và sẽ gãy và phá vỡ.

Nhưng "oxy ở khắp mọi nơi", Minor nói về những khó khăn trong việc điều động xung quanh khả năng đáp ứng cao của Titanium với oxy. "Đó không phải là một số tạp chất đến từ tài liệu nguồn mà bạn có thể tránh."

Ông đặc trưng cho độ nhạy của titan với oxy là cực đoan. "Thật kỳ lạ khi nó mạnh mẽ như thế nào", Minor nói. Nó phát huy tác dụng lên kim loại, cả tốt và 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 tính toán hiệu suất cao để mô hình hóa quá trình biến dạng trong titan bị căng thẳng và với lượng oxy khác nhau. Các mô hình máy tính, Asta nói, là một "bộ công cụ mạnh mẽ cho phép chúng tôi điều tra thách thức nổi bật này trong luyện kim Titanium".

Trong những khám phá chính của nhóm, một số nguyên tử oxy xáo trộn trong cấu trúc tinh thể của Titanium khi kim loại đang bị căng thẳng trở thành chìa khóa để hiểu được sự mất độ dẻo. Ở trạng thái không căng thẳng, các phân tử oxy cư trú mà không gặp sự cố trong các khoảng trống tự nhiên giữa các nguyên tử titan. Nhưng dưới các lực cơ học, các nguyên tử oxy có thể xáo trộn vào các không gian liền kề, nơi chúng cung cấp ít khả năng chống trật khớp hơn, nếu chúng lan rộng, làm suy yếu kim loại.

"Các oxy thúc đẩy một điểm 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 lây lan của các khuyết tật cấu trúc, có thể tạo điều kiện cho cái gọi là trượt phẳng.

Một tấm phẳng trượt, Asta nói, giống như một gợn của những khiếm khuyết trong cấu trúc tinh thể của kim loại, xây dựng cái kia, cuối cùng dẫn đến gãy xương, vết nứt và một mảnh kim loại giòn.

Để hiểu làm thế nào một trật khớp có thể hình thành và lan rộng trong titan, Chrzan đề nghị hình dung cố gắng di chuyển một tấm thảm lớn, nặng.

"Một tấm thảm rất lớn có thể được nhặt lên ở một đầu và kéo qua sàn nhà đến một vị trí mới," anh nói. Nhưng một cách khác để di chuyển tấm thảm là tạo ra một gợn sóng ở một đầu và sau đó, bằng cách xáo trộn đôi chân của bạn trên đỉnh thảm, bạn có thể "đi bộ" gợn sóng đến đầu kia. Với điều kiện không có gì chặn chuyển động của nó, toàn bộ tấm thảm sẽ được thay thế bởi một khoảng cách bằng chiều rộng của gợn sóng.

"Gợn sóng" như vậy trong titan có thể được nhìn thấy với kính hiển vi điện tử. "Bạn có thể thấy tất cả các trật khớp được xếp hàng, theo hàng," Minor nói. "Và điều đó là xấu cho độ dẻo bởi vì nếu chúng xếp hàng và chỉ theo nhau, chúng không bị rối [và do đó đã dừng lại] để kim loại không hoạt động mạnh. một vết nứt. "

Tạo hợp kim tốt hơn

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 trượt phẳng lên chất đống có thể dẫn đến hợp kim tốt hơn. Các hợp kim này sẽ có các ứng dụng, đặc biệt là trong các ngành công nghiệp ô tô và hàng không vũ trụ, Minor nói.

Giáo sư Andrew Minor đổ nitơ lỏng vào mẫu titan, chứng minh quá trình nâng cryo được sử dụng để tạo ra titan nanotwinned trong phòng thí nghiệm của mình. (Ảnh của Adam Lau / Berkeley Engineering)

Để giải quyết các vấn đề này và các vấn đề khác, nhóm phụ thuộc vào sự pha trộn giữa mô hình máy tính, kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và các phương thức hình ảnh khác và các thí nghiệm.

"Một trong những điều tốt đẹp về dự án này là đôi khi các nhà tính toán và nhà lý thuyết đi trước một chút, và những lần khác đó là những người thử nghiệm," Asta nói. "Chúng tôi gặp nhau thường xuyên và nói về những phát hiện của chúng tôi và những ý tưởng mới của chúng tôi."

Chẳng hạn, nghiên cứu của nhóm về độ nhạy oxy của titan, đã dẫn đến một nghiên cứu về titan hợp kim với nhôm và oxy. Họ phát hiện ra rằng việc xử lý oxy có thể được loại bỏ bằng cách thêm một lượng nhỏ nhôm, đặc biệt là ở nhiệt độ đông lạnh, bên dưới -150 độ C.

Chỉ với một lượng nhôm và oxy phù hợp, nhóm nghiên cứu cho biết, một thứ tự mới của cấu trúc tinh thể titan đã ngăn chặn một sự xáo trộn các nguyên tử oxy sẽ dẫn đến một đống trật khớp và cuối cùng là gãy xương. Hơn nữa, bởi vì việc giới thiệu nhôm làm giảm độ nhạy oxy của Titanium nói chung, chi phí xử lý để tạo ra một kim loại có thể sử dụng cũng sẽ giảm.

Trong một nghiên cứu khác, nhóm nghiên cứu đã xem xét nghiên cứu trở lại những năm 1960 cho thấy nhiều kim loại và hợp kim cho thấy sự gia tăng mạnh mẽ về độ dẻo khi chịu các xung điện định kỳ trong quá trình biến dạng của kim loại. Nhưng các cơ chế cơ bản của lý do tại sao cái gọi là dẻo điện này có thể là đúng không rõ ràng.

"Độ dẻo hóa học có thể dẫn đến giảm chi phí xử lý luyện kim vì cần ít năng lượng hơn để hình thành kim loại với các xung điện hơn là làm nóng toàn bộ kim loại đến nhiệt độ cao để đạt được khả năng định dạng tương tự", Minor nói. "Điều thú vị là, hiệu ứng này của độ dẻo hóa là phổ biến ở chỗ nó đã được chứng minh là hoạt động cho mọi kim loại, không chỉ 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 mạch điện định kỳ có thời gian 100 mili giây và với dòng điện không đổi. Bởi vì áp dụng dòng điện làm nóng kim loại, nhóm nghiên cứu đã lo lắng về việc phân biệt các hiệu ứng chỉ gây ra bởi điện với những gây ra do nhiệt.

Kết quả của họ cho thấy, mặc dù sử dụng một xung định kỳ nhỏ hơn so với các nghiên cứu trước đây, phương pháp xung hiện tại đã cải thiện độ giãn dài của hợp kim titan cũng như cường độ tối đa của nó. Họ lưu ý rằng hiệu ứng này chỉ dành riêng cho thí nghiệm xung hiện tại.

Với sự trợ giúp của TEM để thấy những thay đổi trong cấu trúc tinh thể của kim loại, kết quả của họ cho thấy rằng điều trị xung quanh xung ức chế các trật khớp trượt phẳng. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng xung điện làm cứng vật liệu và làm nản lòng sự phát triển của trượt phẳng bằng cách duy trì mô hình trật khớp 3D khuếch tán, cuối cùng mang lại độ bền và độ dẻo cao.

Titanium nanotwinned

Gần đây nhất, Minor và Robert Ritchie, giáo sư khoa học vật liệu và kỹ thuật cơ khí, đã phát triển một phương pháp xử lý số lượng lớn để tạo ra titan tinh khiết ít tốn kém hơn và mang lại một kim loại với độ bền kéo và độ dẻo lớn hơn.

Các giáo sư Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu (từ trái sang) Daryl Chrzan, Mark Asta và Andrew Minor với dự án của Đội I (Kính hiển vi điều chỉnh quang điện tử truyền tải) tại Trung tâm Kính hiển vi điện tử quốc gia Berkeley Lab. (Ảnh của Adam Lau / Berkeley Engineering)

Ngoài các hợp kim, một cách khác để tăng cường các kim loại cấu trúc là điều chỉnh kích thước của các tinh thể - còn được gọi là hạt - tạo nên kim loại bằng cách sử dụng xử lý nhiệt và cơ học, chẳng hạn như lăn hoặc nhấn. Bằng cách giảm kích thước hạt thành micrometer phụ hoặc nanomet, các nhà nghiên cứu có thể giới thiệu cái gọi là cấu trúc nano, hoặc khiếm khuyết trong kim loại gây ra bởi các cấu trúc tinh thể phù hợp. Các cấu trúc nanotwinned cải thiện sức mạnh và giảm nguy cơ gãy xương bằng cách hoạt động như một rào cản đối với trượt phẳng. Bằng cách điều chỉnh khoảng cách và định hướng của các cấu trúc nanotwinned, Minor nói, các tính chất cơ học có thể được tối ưu hóa hơn nữa. Nhưng các phương pháp truyền thống làm như vậy không phải là tầm thường cũng không rẻ.

Thay vào đó, Minor, Ritchie và các đồng nghiệp đã giới thiệu nhiều cấu trúc nano trong titan tinh khiết bằng một quy trình cơ cryo. Họ đã sử dụng các mảnh titan hình khối được ép dọc theo ba mặt trong nitơ lỏng. Sự nén nhẹ, nhỏ nói, kiểm soát mật độ của các cấu trúc nanotwinning giúp tăng cường kim loại trong khi bảo tồn cấu trúc hạt ban đầu của nó. Trên hết, quá trình này không dựa vào sức nóng dữ dội và có thể là một cách bền vững hơn để tạo ra titan cho một loạt các ứng dụng rộng hơn nhiều so với ngày nay.

Các tính chất cơ học của vật liệu forged cryo, cụ thể là độ bền và độ dẻo, giữ ở nhiệt độ cực cao cũng như nhiệt độ lạnh. Minor nói rằng hiệu suất của titan nanotwinned làm cho nó trở nên lý tưởng cho những thứ như động cơ phản lực cực kỳ nóng cũng như môi trường hoạt động rất lạnh sẽ đề xuất sử dụng như vòng giữ cho nam châm siêu dẫn, các bộ phận cấu trúc của bình khí tự nhiên hóa lỏng, cũng như vật liệu là vật liệu tiếp xúc với đại dương sâu hoặc môi trường không gian sâu.

Khi được hỏi liệu quy trình chế tạo titan cấp thương mại mới có thể được đưa ra một ngày sớm không, Minor nói, Tại sao không? Việc làm những việc như quy trình Kroll ngày nay khó hơn, nơi vật liệu phải được cô lập bằng điện và toàn bộ quá trình mất một lượng năng lượng lớn. "Và việc ăn chay này, chúng tôi sẽ đặt mọi thứ vào bồn tắm."