زمان جدیدی برای تیتانیوم (2)

استراتژی‌های طراحی که فرآیند مخلوط کردن اتم اکسیژن را مختل می‌کند یا نانوساختارها را برای جلوگیری از انباشته شدن لغزش‌های مسطح ارتقا می‌دهد، می‌تواند منجر به آلیاژهای بهتر شود. مینور می گوید که این آلیاژها کاربردهایی دارند، به ویژه در صنایع خودروسازی و هوافضا.

تیتانیوم نانوتحلیل شده با جعل سرمایشی

پروفسور اندرو مینور نیتروژن مایع را روی یک نمونه تیتانیوم می‌ریزد و فرآیند فرج انجمادی مورد استفاده برای ایجاد تیتانیوم نانو دوقلوی در آزمایشگاه خود را نشان می‌دهد. (عکس از آدام لاو / مهندسی برکلی)

برای پرداختن به این مسائل و مسائل دیگر، تیم بر ترکیبی از مدل‌سازی کامپیوتری، میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) و سایر روش‌های تصویربرداری و آزمایش‌ها تکیه می‌کند.

آستا می‌گوید: «یکی از چیزهایی که در مورد این پروژه خوب بوده این است که گاهی محاسبات‌گرایان و نظریه‌پردازان کمی جلوتر هستند و برخی اوقات تجربی‌گرایان. ما مرتباً ملاقات می کنیم و در مورد یافته ها و ایده های جدیدمان صحبت می کنیم.»

برای مثال، مطالعه تیم در مورد حساسیت تیتانیوم به اکسیژن، منجر به مطالعه تیتانیوم آلیاژ شده با آلومینیوم و اکسیژن شد. آنها دریافتند که تردی اکسیژن را می توان با افزودن مقادیر کمی آلومینیوم، به ویژه در دماهای برودتی، که زیر -150 درجه سانتیگراد است، از بین برد.

این تیم می‌گوید که فقط با مقادیر مناسب آلومینیوم و اکسیژن، نظم جدیدی در ساختار کریستالی تیتانیوم از به هم ریختن اتم‌های اکسیژن که منجر به انباشته نابسامانی و در نهایت شکستگی می‌شود، جلوگیری کرد. علاوه بر این، از آنجا که معرفی آلومینیوم حساسیت تیتانیوم به اکسیژن را به طور کلی کاهش داد، هزینه های پردازش برای ایجاد یک فلز قابل استفاده نیز کاهش می یابد.

در مطالعه دیگری، این تیم تحقیقاتی را به دهه 1960 بررسی کردند که نشان می‌داد بسیاری از فلزات و آلیاژها در هنگام تغییر شکل فلز در معرض پالس‌های الکتریکی دوره‌ای، افزایش قابل توجهی در شکل‌پذیری نشان می‌دهند. با این حال، مکانیسم های زیربنایی چرایی این به اصطلاح الکتروپلاستیسیته ممکن است درست باشد، روشن نیست.

مینور می‌گوید: «الکتروپلاستیسیته می‌تواند منجر به کاهش هزینه‌های پردازش متالورژیکی شود، زیرا برای تشکیل فلز با پالس‌های الکتریکی انرژی کمتری نسبت به گرم کردن کل فلز تا دمای بالا برای رسیدن به همان شکل‌پذیری مصرف می‌شود». جالب اینجاست که این اثر الکتروپلاستیسیته از این جهت جهانی است که نشان داده شده است که اساساً برای هر فلزی کار می کند، نه فقط تیتانیوم.

این تیم آزمایش‌های کششی فلز را در سه شرایط مختلف انجام دادند: دمای اتاق بدون جریان الکتریکی، با یک پالس الکتریکی دوره‌ای با مدت زمان ۱۰۰ میلی‌ثانیه و با جریان ثابت. از آنجایی که اعمال جریان الکتریکی فلز را گرم می‌کند، تیم نگران تشخیص اثرات ناشی از الکتریسیته از اثرات ناشی از گرما بود.

نتایج آنها نشان داد که علیرغم استفاده از یک پالس تناوبی کوچکتر از مطالعات قبلی، روش جریان پالسی باعث بهبود کشیدگی کششی آلیاژ تیتانیوم و همچنین حداکثر استحکام آن شد. آنها خاطرنشان می کنند که این اثر فقط مختص آزمایش جریان پالسی بود.

با کمک TEM برای مشاهده تغییرات در ساختار کریستالی فلز، نتایج آنها نشان می‌دهد که درمان جریان پالسی نابجایی‌های لغزش مسطح را سرکوب می‌کند. محققان دریافتند که پالس الکتریکی مواد را سخت می کند و با حفظ یک الگوی نابجایی پراکنده و سه بعدی که در نهایت استحکام و شکل پذیری بالایی را ارائه می دهد، باعث ایجاد لغزش مسطح می شود.

(ادامه دارد)