زمان جدیدی برای تیتانیوم ، ساخت یک فلز قوی تر ، ارزان تر و پایدارتر

در بین فلزات ، قدرت و سبکی تیتانیوم ، مقاومت در برابر خوردگی و توانایی مقاومت در برابر دمای شدید ، مدت طولانی ارزش آن را متمایز کرده است ، به ویژه برای کاربردهای حساس به وزن و محیط. هنگامی که برای اولین بار در اواخر قرن 18 توصیف شد ، یک کشف کننده به نام این فلز برای تایتان ها - خدایان متولد زمین و آسمان در اساطیر یونان باستان.

زمان فقط درخشش تیتانیوم را سوزانده است. اندرو صغیر ، استاد علوم و مهندسی مواد می گوید: "من یک دانشمند مواد هستم ، و بنابراین مردم گاهی از من می پرسند ،" عنصر مورد علاقه شما چیست؟ " برای ساختمانها ، هواپیما ، موشک ، سفینه فضایی و موارد دیگر ، او می گوید: "اگر می خواهید قوی ترین ماده را برای کمترین وزن بخواهید ، این تیتانیوم است. اگر می توانستیم ، همه چیز را از تیتانیوم درست می کردیم."

در واقع ، برای طراحان صنعتی ، چشم انداز اتومبیل های قوی ، سبک ، بسیار سوخت ، کامیون ها و هواپیماها ، به عنوان مثال ، یا کشتی های باری مقاوم در برابر خوردگی ، تیتانیوم باید چیزهای رویاها باشد.

مشکل؟ صغیر در مورد آلیاژهای تیتانیوم درجه صنعتی یا تیتانیوم می گوید: "این بسیار گران است." هزینه ساخت تیتانیوم حدود شش برابر بیشتر از هزینه فولاد ضد زنگ است. در نتیجه ، کاربردهای آن محدود به قطعات ویژه برای هوافضا ، وسایل سطح بالا مانند جواهرات یا سایر برنامه های طاقچه است.

علاوه بر این ، تیتانیوم خالص فقط از قدرت متوسط ​​برخوردار است. می توان آن را با عناصری مانند اکسیژن ، آلومینیوم ، مولیبدن ، وانادیوم و زیرکونیوم تقویت کرد. با این حال ، این اغلب به هزینه انعطاف پذیری است - توانایی یک فلز برای ترسیم یا تغییر شکل بدون شکستگی.

اکنون ، پس از یک دهه تحقیق ، دوره جدیدی برای تیتانیوم ، از جمله برنامه های بسیار گسترده مهندسی ، ممکن است به لطف صغیر و همکارانش برکلی ، از جمله مارک آستا ، داریل کریسن و JW موریس جونیور ، نزدیک شود. علوم و مهندسی مواد. آنها به امید گسترش کاربردهای عملی آن برای انواع برنامه های ساختاری یا مهندسی ، به هر تعداد روش در حال تحقیق و تولید تیتانیوم بوده اند.

در یک سری مطالعات ، محققان بینش های جدیدی را در مورد تیتانیوم ایجاد کرده اند ، از جمله دستور العمل های ساخت آلیاژهای تیتانیوم بهتر و همچنین یک تکنیک فرسوده برای ساخت تیتانیوم درجه صنعتی-پیشرفت هایی که در نهایت می تواند منجر به مقرون به صرفه تر و پایدار شود تولید

ترسیم شماتیک فرآیند کریو مکانیکی که منجر به تیتانیوم نانولوله می شود.

(تصویر توسط اندرو صغیر)

معضل اکسیژن

درک این نکته مهم است که هزینه تیتانیوم به دلیل نادر بودن آن نیست. تیتانیوم یک فلز گرانبها نیست. در عوض ، تقریباً در همه جای جهان ، در سنگهای آذرین در نزدیکی سطح یافت می شود. این نهمین عنصر فراوان ترین زمین و چهارمین فلز فراوان است و می توان از آن برای ساخت چیزهایی هم به شکل خالص و هم به عنوان یک آلیاژ استفاده کرد.

درعوض ، آنچه باعث می شود هزینه بیش از حد تیتانیوم درجه تجاری باشد ، فرایند پیچیده کرول است که اغلب برای ساخت میله های تیتانیوم ، شمش ها و سایر اشکال فلز استفاده می شود که می تواند در قطعات قابل استفاده و سایر محصولات ساخته شود. این فرآیند شامل استفاده از مواد گران قیمت مانند گاز آرگون است ، و انرژی زیادی دارد و نیاز به ذوب های متعدد در دماهای بسیار بالا ، به ویژه برای کنترل ناخالصی های اکسیژن دارد.

در واقع ، تیتانیوم و اکسیژن رابطه گیج کننده ای دارند ، یکی از آن که جزئی ، ASTA ، Chrzan ، Morris و همکاران می خواستند بهتر درک کنند. این تیم می دانست که از ناخالصی اکسیژن اغلب برای آلیاژهای تیتانیوم استفاده می شود تا اثر تقویت کننده قدرتمند را مهار کند. تیتانیوم با افزایش اندک در میزان اکسیژن اتمی ساخته شده می تواند منجر به یک فلز با افزایش چند برابر قدرت شود.

متأسفانه ، اکسیژن همچنین می تواند کاهش بیشتری در انعطاف پذیری فلز داشته باشد. شکننده می شود و شکستگی و شکستن خواهد شد.

صغیر در مورد دشواری در مانور در اطراف پاسخگویی زیاد تیتانیوم به اکسیژن می گوید: "اکسیژن در همه جا وجود دارد." "این ناخالصی نیست که از منبع منبع تهیه شود که فقط می توانید از آن جلوگیری کنید."

او حساسیت تیتانیوم به اکسیژن را شدید توصیف می کند. صغیر می گوید: "این واقعاً عجیب است که چقدر قدرتمند است." این اثر بر روی فلز چه خوب و چه بد است ، در حالی که وجود مقادیر مشابه اکسیژن برای فلزات مانند آلومینیوم و فولاد ناچیز است زیرا می توان در پردازش بسیار راحت تر به آن رسیدگی کرد.

برای کسب اطلاعات بیشتر ، این تیم به محاسبات با کارایی بالا روی آورد تا روند تغییر شکل در تیتانیوم را تحت استرس و با مقادیر مختلف اکسیژن مدل کند. آستا می گوید ، مدل های رایانه ای "مجموعه ای از ابزارهای قدرتمند است که به ما اجازه می دهد این چالش برجسته در متالورژی تیتانیوم را بررسی کنیم."

از بین اکتشافات مهم این تیم ، جابجایی اتم های اکسیژن در ساختار کریستالی تیتانیوم هنگامی که این فلز تحت استرس است برای درک از دست دادن انعطاف پذیری مهم شد. در حالت غیر استرس ، مولکول های اکسیژن بدون حادثه در شکاف های طبیعی بین اتم های تیتانیوم ساکن هستند. اما تحت نیروهای مکانیکی ، اتم های اکسیژن می توانند به فضاهای مجاور تغییر مکان دهند که در آن مقاومت کمتری در برابر جابجایی هایی ایجاد می کنند که در صورت پخش ، فلز را تضعیف می کنند.

جزئی می گوید: "اکسیژن ضعف ساختاری را تقویت می کند." از آنجا که نیروهای مکانیکی فلز را تغییر شکل می دهند ، اتمهای اکسیژن جابجایی به جای مسدود کردن گسترش نقص ساختاری ، می توانند یک لغزش به اصطلاح مسطح را تسهیل کنند.

آستا می گوید ، یک لغزش مسطح مانند یک نقص در ساختار کریستالی فلز است که یکی را از طرف دیگر می سازد و در نهایت منجر به شکستگی ، ترک و یک قطعه فلز شکننده می شود.

برای درک چگونگی جابجایی و گسترش در تیتانیوم ، Chrzan پیشنهاد می کند که سعی در جابجایی یک فرش بزرگ و سنگین داشته باشد.

او می گوید: "یک فرش بسیار بزرگ را می توان در یک انتها برداشت و از روی زمین به موقعیت جدید کشید." اما راه دیگر برای جابجایی فرش ، ایجاد موج دار در یک انتها است و سپس با زدن پاهای خود در بالای فرش ، می توانید موج را به سمت دیگر "پیاده روی" کنید. به شرط اینکه هیچ چیز مانع حرکت آن نشود ، کل فرش با مسافتی برابر با عرض موج موج جابجا شده است.

چنین "موج دار" در تیتانیوم را می توان با میکروسکوپ الکترونی مشاهده کرد. صغیر می گوید: "شما می توانید ببینید که همه جابجایی ها در ردیف ها قرار گرفته اند." "و این برای انعطاف پذیری بد است زیرا اگر آنها خط بکشند و فقط از یکدیگر پیروی کنند ، آنها درهم و برهم نمی شوند [و به این ترتیب متوقف می شوند] به گونه ای که فلز سخت کار نمی کند. ترک. "

ایجاد آلیاژهای بهتر

استراتژی های طراحی که باعث قطع فرآیند جابجایی اکسیژن-اتم یا ترویج نانوساختارها برای جلوگیری از لغزش مسطح می شود ، می تواند منجر به آلیاژهای بهتر شود. صغیر می گوید ، این آلیاژها به ویژه در صنایع خودرو و هوافضا برنامه هایی دارند.

پروفسور اندرو صغیر نیتروژن مایع را روی نمونه تیتانیوم می ریزد و فرایند جیب زدن به کرایو را که برای ایجاد تیتانیوم نانولوله در آزمایشگاه خود استفاده می شود ، نشان می دهد. (عکس توسط آدام لاو / مهندسی برکلی)

برای پرداختن به این موارد و سایر موارد ، تیم به ترکیبی از مدل سازی رایانه ، میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) و سایر روشهای تصویربرداری و آزمایشات متکی است.

آستا می گوید: "یكی از مواردی كه در مورد این پروژه خوب بوده است این است كه بعضی اوقات محاسبات و نظریه پردازان کمی جلوتر هستند و بعضی اوقات آزمایش گرایان هستند." "ما به طور مکرر ملاقات می کنیم و در مورد یافته ها و ایده های جدید خود صحبت می کنیم."

به عنوان مثال ، مطالعه تیم در مورد حساسیت به اکسیژن تیتانیوم منجر به مطالعه تیتانیوم آلیاژ شده با آلومینیوم و اکسیژن شد. آنها دریافتند که با افزودن مقادیر کمی آلومینیوم ، به ویژه در دمای کرایوژنیک ، که در زیر {{0} درجه سانتیگراد قرار دارند ، می توان از بین بردن اکسیژن حذف شد.

این تیم می گوید ، فقط با مقادیر مناسب آلومینیوم و اکسیژن ، یک ترتیب جدید از ساختار کریستالی تیتانیوم مانع از تغییر اتم های اکسیژن می شود که منجر به یک پله مضر از جابجایی ها و در نهایت شکستگی ها می شود. علاوه بر این ، زیرا معرفی آلومینیوم باعث کاهش حساسیت اکسیژن تیتانیوم می شود ، هزینه های پردازش برای ایجاد یک فلز قابل استفاده نیز کاهش می یابد.

در یک مطالعه دیگر ، این تیم به بررسی تحقیقات به دهه 1960 پرداخت که نشان می دهد بسیاری از فلزات و آلیاژها در هنگام تغییر شکل فلز ، افزایش چشمگیر در انعطاف پذیری را نشان می دهند. اما مکانیسم های اساسی که چرا این به اصطلاح الکتروپلاستیک ممکن است درست باشد مشخص نیست.

صغیر می گوید: "الکتروپلاستیک می تواند منجر به کاهش هزینه های پردازش متالورژیکی شود زیرا انرژی کمتری برای تشکیل فلز با پالس های الکتریکی نسبت به گرم کردن کل فلز به دمای بالا برای دستیابی به همان شکل پذیری می گوید." "جالب اینجاست که این اثر الکتروپلاستیک جهانی است از آنجا که نشان داده شده است که اساساً هر فلز و نه فقط تیتانیوم کار می کند."

این تیم آزمایش های کششی از فلز را تحت سه شرایط مختلف انجام داد: دمای اتاق بدون جریان الکتریکی ، با پالس الکتریکی دوره ای به مدت 100 میلی ثانیه و با جریان ثابت. از آنجا که با استفاده از جریان الکتریکی فلز ، این تیم نگران تشخیص اثرات ناشی از برق ناشی از گرما ناشی از گرما بود.

نتایج آنها نشان داد که ، با وجود استفاده از پالس دوره ای کوچکتر از مطالعات قبلی ، روش جریان پالس شده باعث افزایش کششی آلیاژ تیتانیوم و همچنین حداکثر قدرت آن می شود. آنها خاطرنشان می کنند که این اثر فقط برای آزمایش جریان پالس خاص خاص بود.

با کمک TEM برای دیدن تغییرات در ساختار کریستال فلز ، نتایج آنها حاکی از آن است که درمان با جریان پالس ، جابجایی های لغزش مسطح را سرکوب می کند. محققان دریافتند که پالس الکتریکی مواد را سخت می کند و با حفظ یک الگوی پراکنده و جابجایی سه بعدی که در نهایت قدرت و انعطاف پذیری بالایی را ارائه می دهد ، توسعه لغزش مسطح را ناامید می کند.

تیتانیوم نانولوله

اخیراً ، صغیر و رابرت ریچی ، اساتید علوم مواد و مهندسی مکانیک ، یک روش پیشگام پردازش فله را برای تهیه تیتانیوم خالص که ارزان تر است ، تهیه کردند و با استحکام و انعطاف پذیری بیشتر ، فلز را به دست می آورند.

اساتید علوم و مهندسی مواد (از سمت چپ) Daryl Chrzan ، Mark Asta و Andrew Minor با پروژه Team I (میکروسکوپ تصحیح شده توسط الکترونی تصحیح شده) در مرکز ملی میکروسکوپ الکترونی آزمایشگاه برکلی. (عکس توسط آدام لاو / مهندسی برکلی)

گذشته از آلیاژها ، روش دیگر برای تقویت فلزات ساختاری ، خیاطی اندازه کریستال ها - همچنین به عنوان دانه - که فلز را با استفاده از گرما و پردازش مکانیکی مانند نورد یا فشار دادن تشکیل می دهند. محققان با کاهش اندازه دانه به زیر میکرومترها یا نانومترها ، می توانند ساختارهای به اصطلاح نانولوژنی یا نقص در فلز ناشی از ساختارهای کریستالی تراز را معرفی کنند. ساختارهای نانولوله با عمل به عنوان سدی برای لغزش مسطح ، قدرت شکستگی را کاهش می دهند و خطر شکستگی را کاهش می دهند. جزئی می گوید ، با خیاطی فاصله و جهت گیری ساختارهای نانولوله ، خواص مکانیکی می توانند حتی بیشتر بهینه شوند. اما روشهای سنتی انجام این کار نه بی اهمیت است و نه ارزان.

درعوض ، جزئی ، ریچی و همکارانش ساختارهای نانولوله ای متعدد را در تیتانیوم خالص با استفاده از یک فرآیند کرایو مکانیکی معرفی کردند. آنها از قطعات تیتانیوم به شکل مکعب استفاده کردند که در امتداد سه طرف در نیتروژن مایع فشرده شدند. صغیر می گوید ، فشرده سازی ملایم ، چگالی سازه های نانولوله را که در ضمن حفظ ساختار دانه اولیه آن ، فلز را تقویت می کنند ، کنترل می کند. از همه مهمتر ، این فرایند به گرمای شدید متکی نیست و شاید یک روش پایدار برای ساخت تیتانیوم برای طیف گسترده ای از برنامه های کاربردی از امروز باشد.

خصوصیات مکانیکی مواد پر از کرای ، به ویژه قدرت و انعطاف پذیری ، در دمای بسیار زیاد و همچنین کرایوژنیک نگه داشته می شود. صغیر می گوید عملکرد تیتانیوم نانولوله ، آن را برای مواردی مانند موتورهای جت بسیار داغ و همچنین محیط های عملیاتی بسیار سرد که نشان می دهد استفاده مانند حلقه های نگهدارنده برای آهنرباهای ابررسانا ، قسمت های ساختاری مخازن گاز طبیعی مایع و همچنین مواد را نشان می دهد ، ایده آل می کند. در معرض محیط های عمیق اقیانوس یا فضای عمیق.

صغیر می گوید ، در پاسخ به این سؤال که آیا روند جدید ساخت تیتانیوم کلاس تجاری جدید ممکن است یک روز به مقیاس وارد شود ، چرا نه؟ انجام کارهایی مانند فرآیند Kroll که امروزه مورد استفاده قرار می گیرد ، سخت تر است ، جایی که مواد باید به صورت الکتریکی جدا شوند و کل فرآیند مقادیر زیادی از قدرت را به خود اختصاص می دهد. "و این کرایو زدن ، ما فقط چیزهایی را در حمام می گذاریم."