Un nuovo momento per il titanio, rendendo un metallo più forte, più economico e sostenibile

Tra i metalli, la forza e la leggerezza del titanio, la resistenza alla corrosione e la capacità di resistere alle temperature estreme ne hanno a lungo distinto il valore, in particolare per le applicazioni sensibili al peso e all'ambiente. Quando fu descritto per la prima volta alla fine del XVIII secolo, un co -discorente di nome The Metal per i Titani - dei nati dalla Terra e dal cielo nell'antica mitologia greca.

Il tempo ha solo brunito la lucentezza del titanio. "Sono uno scienziato dei materiali e quindi le persone a volte mi chiedono:" Qual è il tuo elemento preferito? ", Dice Andrew Minor, professore di scienza dei materiali e ingegneria. Per edifici, aeroplani, missili, astronavi e altro ancora, dice: "Se vuoi il materiale più forte per la minima quantità di peso, è titanio. Se potessimo, faremmo tutto dal titanio".

In effetti, per i progettisti industriali, la prospettiva di auto, camion e aeroplani forti, leggeri, altamente efficienti dal carburante, ad esempio, o navi di carico super resistenti alla corrosione, il titanio deve essere roba di sogni.

Il problema? "È troppo costoso", dice Minore delle leghe di titanio o titanio di livello industriale che potrebbero altrimenti sostituire l'acciaio quando saranno sufficienti solo i materiali più forti e durevoli. Il costo per rendere il titanio è circa sei volte maggiore di quello dell'acciaio inossidabile. Di conseguenza, i suoi usi sono rimasti limitati a parti speciali per aerospazia, articoli di fascia alta come gioielli o altre applicazioni di nicchia.

Inoltre, il titanio puro ha solo una forza moderata, spiega Minor. Può essere rafforzato con elementi come ossigeno, alluminio, molibdeno, vanadio e zirconio; Tuttavia, ciò è spesso a scapito della duttilità: la capacità di un metallo di essere disegnato o deformato senza fratture.

Ora, dopo un decennio di ricerche, una nuova era per il titanio, tra cui applicazioni ingegneristiche notevolmente ampliate, potrebbe avvicinarsi, grazie ai colleghi minori e ai suoi Berkeley, tra cui Mark Asta, Daryl Chrzan e JW Morris Jr., anche professori del dipartimento del dipartimento di scienza dei materiali e ingegneria. Hanno indagato e spingendo il titanio in qualsiasi modo nella speranza di espandere il suo uso pratico per una varietà di applicazioni strutturali o ingegneristiche.

In una serie di studi, i ricercatori hanno sviluppato nuove intuizioni critiche sul titanio, comprese le ricette per rendere migliori leghe di titanio e una tecnica incurata per la realizzazione di titanio di livello industriale, che alla fine potrebbero portare a più efficienti costi e sostenibili produzione.

Un disegno schematico del processo crio-meccanico che si traduce in titanio nanotwinned.

(Illustrazione di Andrew Minor)

L'enigma dell'ossigeno

È importante capire che il costo del titanio non è dovuto alla sua rarità. Il titanio non è un metallo prezioso; Piuttosto, si trova quasi ovunque in tutto il mondo, in rocce ignee vicino alla superficie. È la nona elemento più abbondante della Terra e il quarto metallo più abbondante, e può essere usato per fare le cose sia nella sua forma pura che come lega.

Invece, ciò che guida il costo eccessivo del titanio di livello commerciale, spiega Minor, è il complesso processo di kroll più spesso usato per produrre barre di titanio, lingotti e altre forme di metallo che possono essere fabbricate in parti utilizzabili e altri prodotti. Il processo include l'uso di materiali costosi come il gas argon ed è ad alta intensità di energia, che richiede più fusioni a temperature estremamente elevate, in particolare per controllare le impurità di ossigeno.

In effetti, il titanio e l'ossigeno hanno una relazione sconcertante, quella che minore, Asta, Chrzan, Morris e colleghi hanno voluto capire meglio. Il team sapeva che un'impurità di ossigeno è spesso usata per le leghe di titanio per sfruttare un potente effetto di rafforzamento. Il titanio realizzato con solo un piccolo aumento della quantità di ossigeno atomico può provocare un metallo con un aumento di più volte della resistenza.

Sfortunatamente, l'ossigeno può anche produrre una riduzione ancora maggiore della duttilità del metallo. Diventa fragile e si frattura e si spezzerà.

Ma "l'ossigeno è ovunque", dice Minore della difficoltà di manovrare attorno all'elevata reattività del titanio all'ossigeno. "Non è un po 'di impurità proveniente dal materiale di origine che puoi semplicemente evitare."

Caratterizza la sensibilità del titanio all'ossigeno come estremo. "È davvero strano quanto sia potente", dice Minor. Esercita effetti sul metallo, sia buono che cattivo, mentre la presenza di quantità simili di ossigeno è insignificante per metalli come l'alluminio e l'acciaio perché può essere affrontato nell'elaborazione molto più facilmente.

Per saperne di più, il team si è trasformato in calcolo ad alte prestazioni per modellare il processo di deformazione in titanio sotto stress e con diverse quantità di ossigeno. I modelli di computer, afferma Asta, sono un "potente insieme di strumenti che ci consentono di indagare su questa eccezionale sfida nella metallurgia del titanio".

Delle principali scoperte del team, una mescolanza di atomi di ossigeno nella struttura cristallina del titanio quando il metallo è sotto stress è diventato la chiave per comprendere la perdita di duttilità. In uno stato non stressato, le molecole di ossigeno risiedono senza incidenti in lacune naturali tra atomi di titanio. Ma sotto le forze meccaniche, gli atomi di ossigeno possono mescolare su spazi adiacenti in cui forniscono una minore resistenza alle dislocazioni che, se si diffondono, indeboliscono il metallo.

"L'ossigeno promuove una debolezza strutturale", afferma Minor. Mentre le forze meccaniche deformano il metallo, gli atomi di ossigeno spostati, piuttosto che bloccare la diffusione dei difetti strutturali, possono facilitare un cosiddetto slip planare.

Uno slip planare, dice Asta, è come un'increspatura di difetti nella struttura cristallina del metallo che ne costruisce l'altro, portando infine a fratture, crepe e un fragile pezzo di metallo.

Per capire come una dislocazione può formarsi e diffondersi nel titanio, Chrzan suggerisce di visualizzare il tentativo di muovere un tappeto grande e pesante.

"Un tappeto molto grande può essere raccolto ad un'estremità e trascinato sul pavimento in una nuova posizione", afferma. Ma un altro modo per spostare il tappeto è quello di creare un'ondulazione da un'estremità e poi, trascinando i piedi sulla parte superiore del tappeto, puoi "camminare" l'increspatura dall'altra parte. A condizione che nulla blocchi il suo movimento, l'intero tappeto sarà stato spostato da una distanza pari alla larghezza della ondulazione.

Tali "increspature" in titanio possono essere visti con microscopia elettronica. "Puoi vedere che tutte le lussazioni sono allineate, in file", dice Minor. "E questo è un male per la duttilità perché se si allineano e si seguono solo, non si aggrovigliano [e quindi si fermano] in modo che il metallo non funzioni induri. una crepa. "

Creare leghe migliori

Le strategie di progettazione che interrompono il processo di mescolamento dell'ossigeno o promuovono le nanostrutture per impedire che le scivoloni planare si accumulassero potrebbero portare a migliori leghe. Queste leghe avrebbero applicazioni, specialmente nelle industrie automobilistiche e aerospaziali, afferma Minor.

Il professor Andrew Minor riversa azoto liquido su un campione di titanio, dimostrando il processo di forgeria crio utilizzato per creare titanio nanotwinned nel suo laboratorio. (Foto di Adam Lau / Berkeley Engineering)

Per affrontare questi e altri problemi, il team si basa su un mix di modellazione informatica, microscopia elettronica a trasmissione (TEM) e altre modalità di imaging ed esperimenti.

"Una delle cose che è stata carina in questo progetto è che a volte i computazionalisti e i teorici sono un po 'avanti, e altre volte sono gli sperimentatori", afferma Asta. "Ci incontriamo frequentemente e parliamo delle nostre scoperte e delle nostre nuove idee."

Lo studio del team sulla sensibilità all'ossigeno del titanio, ad esempio, ha portato a uno studio di titanio legata con alluminio e ossigeno. Hanno scoperto che l'ossigeno abbraccito potrebbe essere eliminato aggiungendo piccole quantità di alluminio, in particolare a temperature criogeniche, che sono inferiori a -150 gradi Celsius.

Con la giusta quantità di alluminio e ossigeno, afferma il team, un nuovo ordinamento della struttura cristallina del titanio ha impedito un mescolamento di atomi di ossigeno che avrebbe portato a un dannoso accumulazione di dislocazioni e infine fratture. Inoltre, poiché l'introduzione dell'alluminio ha ridotto la sensibilità all'ossigeno del titanio in generale, anche i costi di elaborazione per creare un metallo utilizzabile sarebbero ridotti.

In ancora un altro studio, il team ha esaminato la ricerca che risale agli anni '60 dimostrando che molti metalli e leghe mostrano drammatici aumenti della duttilità quando sottoposti a impulsi elettrici periodici durante la deformazione del metallo. Ma i meccanismi sottostanti del perché questa cosiddetta elettroplasticità potrebbe essere vera non sono chiari.

"L'elettroplasticità può portare a costi ridotti per l'elaborazione metallurgica poiché ci vuole meno energia per formare metallo con impulsi elettrici rispetto al riscaldamento dell'intero metallo ad alta temperatura per ottenere la stessa formabilità", afferma Minor. "È interessante notare che questo effetto dell'elettroplasticità è universale in quanto ha dimostrato di funzionare essenzialmente per tutti i metalli, non solo in titanio."

Il team ha eseguito test di trazione del metallo a tre diverse condizioni: temperatura ambiente senza corrente elettrica, con un impulso elettrico periodico di durata di 100 millisecondi e con una corrente costante. Poiché l'applicazione della corrente elettrica riscalda il metallo, il team era preoccupato di distinguere gli effetti causati esclusivamente dall'elettricità da quelli causati dal calore.

I loro risultati hanno mostrato che, nonostante l'utilizzo di un impulso periodico più piccolo rispetto agli studi precedenti, il metodo a corrente pulsata ha migliorato l'allungamento della trazione della lega di titanio e la sua massima resistenza. Notano che questo effetto era specifico solo per l'esperimento in corrente pulsata.

Con l'aiuto di TEM di vedere i cambiamenti nella struttura cristallina del metallo, i loro risultati suggeriscono che il trattamento a corrente pulsata sopprime le dislocazioni di slittamento planare. I ricercatori hanno scoperto che l'impulso elettrico indurisce il materiale e frustra lo sviluppo dello slittamento planare mantenendo un modello di dislocazione 3D diffuso che alla fine offre elevata resistenza e duttilità.

Titanio nanotwinned

Più di recente, Minor e Robert Ritchie, professori di scienze dei materiali e ingegneria meccanica, hanno sviluppato un metodo pionieristico di elaborazione sfusa per rendere puro titanio che sia meno costoso e produce un metallo con maggiore resistenza alla trazione e duttilità.

Professori di scienze dei materiali e ingegneria (da sinistra) Daryl Chrzan, Mark Asta e Andrew Minor con il progetto del Team I (Transmission Electron Aberration Microscope) presso il National Center for Electron Microscopia di Berkeley Lab. (Foto di Adam Lau / Berkeley Engineering)

A parte le leghe, un altro modo per rafforzare i metalli strutturali è quello di adattare le dimensioni dei cristalli - anche noti come grano - che costituiscono il metallo utilizzando il calore e l'elaborazione meccanica, come il rotolamento o la pressione. Riducendo la dimensione del grano a sub-micrometri o nanometri, i ricercatori possono introdurre le cosiddette strutture nanotwinned o difetti nel metallo causato da strutture cristalline allineate. Le strutture nanotwinned migliorano la forza e riducono il rischio di frattura agendo come barriera per le scivoloni planare. Adattando la spaziatura e l'orientamento delle strutture nanotwinned, afferma Minor, le proprietà meccaniche possono essere ulteriormente ottimizzate. Ma i metodi tradizionali per farlo non sono né banali né economici.

Invece, Minor, Ritchie e colleghi hanno introdotto più strutture di nanotwin in titanio puro per mezzo di un processo crio-meccanico. Hanno usato pezzi di titanio a forma di cubo che sono stati premuti lungo tre lati in azoto liquido. La delicata compressione, dice Minore, controlla la densità delle strutture nanotwinned che rafforzano il metallo preservando la sua struttura a grana iniziale. Soprattutto, il processo non si basa sul calore intenso e forse un modo più sostenibile per rendere il titanio per una gamma molto più ampia di applicazioni rispetto ad oggi.

Le proprietà meccaniche del materiale crio-forgiato, in particolare resistenza e duttilità, contengono temperature estremamente elevate e criogeniche. Minor afferma che le prestazioni del titanio a nanotwinned lo rendono ideale per cose come motori a getto estremamente caldi e ambienti operativi molto freddi che suggerirebbero usi come anelli di sostegno per magneti superconduttori, parti strutturali di serbatoi di gas naturale liquefatto, nonché materiali Esposto a ambienti profondi oceani o spazi profondi.

Alla domanda se il nuovo processo di fabbricazione del titanio di livello commerciale potesse essere messo in scala un giorno presto, Minor dice, perché no? È più difficile fare cose come il processo di Kroll che viene utilizzato oggi, in cui il materiale deve essere isolato elettricamente e l'intero processo richiede enormi quantità di potenza. "E questo forte crio, faremmo solo le cose in bagno."