เวลาใหม่สำหรับไทเทเนียม (1)
ในบรรดาโลหะ ความแข็งแรงและความเบาของไททาเนียม ความต้านทานการกัดกร่อน และความสามารถในการทนต่ออุณหภูมิที่สูงมาก มีคุณค่าที่โดดเด่นมายาวนาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่ไวต่อน้ำหนักและสภาพแวดล้อม เมื่อมีการอธิบายครั้งแรกในช่วงปลายศตวรรษที่ 18 ผู้ค้นพบร่วมตั้งชื่อโลหะนี้สำหรับไททันส์ ซึ่งเป็นเทพเจ้าที่เกิดจากโลกและท้องฟ้าในตำนานเทพเจ้ากรีกโบราณ
เวลาได้ขัดเงาความแวววาวของไททาเนียมเท่านั้น "ฉันเป็นนักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุ และบางครั้งผู้คนก็ถามฉันว่า 'องค์ประกอบที่คุณชอบคืออะไร'" แอนดรูว์ ไมเนอร์ ศาสตราจารย์ด้านวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์กล่าว สำหรับอาคาร เครื่องบิน ขีปนาวุธ ยานอวกาศ และอื่นๆ เขากล่าวว่า "ถ้าคุณต้องการวัสดุที่แข็งแกร่งที่สุดโดยมีน้ำหนักน้อยที่สุด นั่นก็คือไทเทเนียม ถ้าเราทำได้ เราก็จะสร้างทุกอย่างจากไทเทเนียม"
แท้จริงแล้ว สำหรับนักออกแบบอุตสาหกรรม ความคาดหวังของรถยนต์ รถบรรทุก และเครื่องบินที่แข็งแกร่ง น้ำหนักเบา และประหยัดเชื้อเพลิงสูง หรือเรือบรรทุกสินค้าที่ทนทานต่อการกัดกร่อนสูง ไทเทเนียมต้องเป็นความฝัน
ปัญหา? “มันแพงเกินไป” ไมเนอร์กล่าวถึงไททาเนียมเกรดอุตสาหกรรมหรือโลหะผสมไททาเนียมที่อาจใช้แทนเหล็กได้ เมื่อวัสดุที่แข็งแกร่งและทนทานที่สุดเท่านั้นที่จะเพียงพอ ต้นทุนในการผลิตไทเทเนียมนั้นสูงกว่าเหล็กกล้าไร้สนิมประมาณหกเท่า เป็นผลให้การใช้งานยังคงจำกัดอยู่เฉพาะชิ้นส่วนพิเศษสำหรับการบินและอวกาศ สินค้าระดับไฮเอนด์ เช่น เครื่องประดับ หรือการใช้งานเฉพาะอื่นๆ
ยิ่งไปกว่านั้น ไทเทเนียมบริสุทธิ์ยังมีความแข็งแรงปานกลางเท่านั้น Minor อธิบาย สามารถเสริมความแข็งแกร่งด้วยธาตุต่างๆ เช่น ออกซิเจน อลูมิเนียม โมลิบดีนัม วานาเดียม และเซอร์โคเนียม อย่างไรก็ตาม นั่นมักจะต้องแลกมาด้วยความเหนียว นั่นคือความสามารถของโลหะในการดึงหรือเปลี่ยนรูปโดยไม่แตกหัก
บัดนี้ หลังจากการวิจัยมาเป็นเวลากว่าทศวรรษ ยุคใหม่ของไทเทเนียม รวมถึงการใช้งานทางวิศวกรรมที่ขยายตัวอย่างมาก อาจจะกำลังใกล้เข้ามา ต้องขอบคุณ Minor และเพื่อนร่วมงานของเขาที่ Berkeley รวมถึง Mark Asta, Daryl Chrzan และ JW Morris Jr. ซึ่งเป็นอาจารย์ในภาควิชานี้ด้วย สาขาวิชาวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ พวกเขาได้สำรวจและผลิตไทเทเนียมด้วยวิธีต่างๆ มากมายโดยหวังว่าจะขยายการใช้งานจริงสำหรับการใช้งานด้านโครงสร้างหรือทางวิศวกรรมที่หลากหลาย
สิ่งที่ผลักดันให้เกิดต้นทุนที่สูงเกินไปของไทเทเนียมเกรดเชิงพาณิชย์ Minor อธิบายว่าเป็นกระบวนการ Kroll ที่ซับซ้อนซึ่งส่วนใหญ่มักใช้ในการผลิตแท่งไทเทเนียม แท่งโลหะ และโลหะรูปแบบอื่น ๆ ที่สามารถประดิษฐ์เป็นชิ้นส่วนที่ใช้งานได้และผลิตภัณฑ์อื่น ๆ กระบวนการนี้รวมถึงการใช้วัสดุราคาแพง เช่น ก๊าซอาร์กอน และต้องใช้พลังงานมาก โดยต้องใช้การหลอมหลายครั้งที่อุณหภูมิสูงมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งเพื่อควบคุมสิ่งเจือปนของออกซิเจน
แท้จริงแล้ว ไทเทเนียมและออกซิเจนมีความสัมพันธ์ที่น่าสงสัย ซึ่งเป็นความสัมพันธ์ที่ Minor, Asta, Chrzan, Morris และเพื่อนร่วมงานต้องการที่จะเข้าใจให้ดีขึ้น ทีมงานรู้ดีว่าโลหะผสมไททาเนียมมักใช้ออกซิเจนเจือปนเพื่อควบคุมผลการเสริมความแข็งแกร่งอันทรงพลัง ไทเทเนียมที่สร้างขึ้นโดยเพิ่มปริมาณออกซิเจนอะตอมมิกเพียงเล็กน้อยสามารถส่งผลให้โลหะมีความแข็งแกร่งเพิ่มขึ้นหลายเท่า
น่าเสียดายที่ออกซิเจนยังสามารถส่งผลให้ความเหนียวของโลหะลดลงมากยิ่งขึ้นอีกด้วย มันจะเปราะและจะแตกหักและแตกหัก
แต่ "ออกซิเจนมีอยู่ทุกหนทุกแห่ง" ไมเนอร์กล่าวถึงความยากลำบากในการเคลื่อนตัวไปรอบๆ ไทเทเนียมที่มีการตอบสนองสูงต่อออกซิเจน "ไม่ใช่สิ่งเจือปนที่มาจากแหล่งข้อมูลที่คุณสามารถหลีกเลี่ยงได้"
เขาอธิบายลักษณะความไวของไทเทเนียมต่อออกซิเจนว่าสุดขีด “มันแปลกจริงๆ ว่ามันมีพลังขนาดไหน” ไมเนอร์กล่าว มันมีผลกระทบต่อโลหะทั้งดีและไม่ดี ในขณะที่การมีอยู่ของออกซิเจนในปริมาณที่ใกล้เคียงกันนั้นไม่มีนัยสำคัญสำหรับโลหะ เช่น อลูมิเนียมและเหล็กกล้า เนื่องจากสามารถจัดการในกระบวนการผลิตได้ง่ายกว่ามาก
หากต้องการเรียนรู้เพิ่มเติม ทีมงานได้หันมาใช้คอมพิวเตอร์ประสิทธิภาพสูงเพื่อสร้างแบบจำลองกระบวนการเปลี่ยนรูปในไทเทเนียมภายใต้ความเครียดและด้วยปริมาณออกซิเจนที่แตกต่างกัน แบบจำลองคอมพิวเตอร์ Asta กล่าวว่าเป็น "ชุดเครื่องมืออันทรงพลังที่ช่วยให้เราสามารถตรวจสอบความท้าทายที่โดดเด่นในด้านโลหะวิทยาไทเทเนียม"
จากการค้นพบครั้งสำคัญของทีม การสับเปลี่ยนอะตอมออกซิเจนในโครงสร้างผลึกของไททาเนียมเมื่อโลหะอยู่ภายใต้ความเครียดกลายเป็นกุญแจสำคัญในการทำความเข้าใจการสูญเสียความเหนียว ในสภาวะที่ไม่มีความเครียด โมเลกุลของออกซิเจนจะอาศัยอยู่โดยไม่มีเหตุการณ์ใดๆ ในช่องว่างตามธรรมชาติระหว่างอะตอมของไทเทเนียม แต่ภายใต้แรงทางกล อะตอมของออกซิเจนสามารถสับเปลี่ยนไปยังช่องว่างที่อยู่ติดกัน ซึ่งพวกมันให้ความต้านทานต่อการเคลื่อนตัวน้อยลง ซึ่งหากพวกมันแพร่กระจาย จะทำให้โลหะอ่อนตัวลง
“ออกซิเจนส่งเสริมความอ่อนแอของโครงสร้าง” ไมเนอร์กล่าว เมื่อแรงทางกลทำให้โลหะเสียรูป อะตอมออกซิเจนที่ถูกแทนที่แทนที่จะปิดกั้นการแพร่กระจายของข้อบกพร่องทางโครงสร้าง สามารถเอื้อให้เกิดสิ่งที่เรียกว่าการลื่นไถลในระนาบได้
Asta กล่าวว่าการเลื่อนระนาบนั้นเปรียบเสมือนระลอกข้อบกพร่องในโครงสร้างผลึกของโลหะที่ก่อตัวต่อกัน และในที่สุดก็นำไปสู่การแตกหัก รอยแตก และชิ้นส่วนโลหะที่เปราะ
เพื่อทำความเข้าใจว่าความคลาดเคลื่อนสามารถก่อตัวและแพร่กระจายในไททาเนียมได้อย่างไร Chrzan แนะนำให้ลองจินตนาการถึงการพยายามเคลื่อนย้ายพรมขนาดใหญ่และหนัก
“ปลายด้านหนึ่งสามารถหยิบพรมขนาดใหญ่มากขึ้นมาแล้วลากข้ามพื้นไปยังตำแหน่งใหม่ได้” เขากล่าว แต่อีกวิธีหนึ่งในการเคลื่อนย้ายพรมคือการสร้างระลอกคลื่นที่ปลายด้านหนึ่ง จากนั้นเมื่อขยับเท้าไปบนพรม คุณสามารถ "เดิน" ระลอกคลื่นไปยังปลายอีกด้านหนึ่งได้ หากไม่มีสิ่งใดขัดขวางการเคลื่อนไหว พรมทั้งหมดจะถูกแทนที่ด้วยระยะห่างเท่ากับความกว้างของระลอกคลื่น
"ระลอกคลื่น" ในไทเทเนียมดังกล่าวสามารถมองเห็นได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน “คุณสามารถเห็นความคลาดเคลื่อนทั้งหมดเรียงกันเป็นแถว” ไมเนอร์กล่าว “และนั่นไม่ดีสำหรับความเหนียว เพราะถ้าพวกมันเรียงกันและตามกันเท่านั้น พวกมันจะไม่พันกัน [และหยุด] จนโลหะไม่แข็งตัว คุณจะมีสมาธิกับความเครียด และนั่นคือสิ่งที่คุณได้รับ รอยแตก"
(ยังมีต่อ)
