เวลาใหม่สำหรับไทเทเนียมทำให้เป็นโลหะที่แข็งแกร่งกว่าราคาถูกกว่าและยั่งยืนมากขึ้น

ในบรรดาโลหะความแข็งแรงและความสว่างของไทเทเนียมความต้านทานการกัดกร่อนและความสามารถในการทนต่ออุณหภูมิที่สูงมีความโดดเด่นมานานโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่มีน้ำหนักและสิ่งแวดล้อมที่ไวต่อสิ่งแวดล้อม เมื่อมีการอธิบายครั้งแรกในปลายศตวรรษที่ 18 ผู้ค้นพบผู้ร่วมค้นพบโลหะสำหรับไททันส์ - เทพเจ้าที่เกิดจากโลกและท้องฟ้าในตำนานเทพเจ้ากรีกโบราณ

เวลามีความแวววาวของไทเทเนียมเท่านั้น “ ฉันเป็นนักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุและบางครั้งผู้คนจึงถามฉันว่า 'องค์ประกอบที่คุณชอบที่สุดคืออะไร?” แอนดรูว์ไมเนอร์ศาสตราจารย์ด้านวิทยาศาสตร์วัสดุและวิศวกรรมกล่าว สำหรับอาคารเครื่องบินขีปนาวุธยานอวกาศและอื่น ๆ เขาพูดว่า "ถ้าคุณต้องการวัสดุที่แข็งแกร่งที่สุดสำหรับน้ำหนักน้อยที่สุดมันเป็นไทเทเนียมถ้าเราทำได้เราจะทำทุกอย่างออกจากไทเทเนียม"

อันที่จริงสำหรับนักออกแบบอุตสาหกรรมความคาดหวังของรถยนต์ที่มีน้ำหนักเบาน้ำหนักเบาและประหยัดเชื้อเพลิงสูงรถบรรทุกและเครื่องบินตัวอย่างเช่นหรือเรือบรรทุกสินค้าที่ทนต่อการกัดกร่อนได้อย่างมากไทเทเนียมจะต้องเป็นสิ่งที่ฝัน

ปัญหา? “ มันแพงเกินไป” ไมเนอร์พูดถึงอัลลอยไทเทเนียมหรือไทเทเนียมเกรดอุตสาหกรรมที่อาจแทนที่เหล็กเมื่อวัสดุที่แข็งแกร่งที่สุดและทนทานที่สุดเท่านั้นที่จะพอเพียง ค่าใช้จ่ายในการทำไทเทเนียมนั้นสูงกว่าสแตนเลสประมาณหกเท่า เป็นผลให้การใช้งานของมันยังคง จำกัด อยู่ที่ชิ้นส่วนพิเศษสำหรับการบินและอวกาศรายการไฮเอนด์เช่นเครื่องประดับหรือแอปพลิเคชันเฉพาะอื่น ๆ

ยิ่งไปกว่านั้นไทเทเนียมบริสุทธิ์มีความแข็งแรงปานกลางเท่านั้น มันสามารถเสริมความแข็งแกร่งด้วยองค์ประกอบเช่นออกซิเจนอลูมิเนียมโมลิบดีนัมวานาเดียมและเซอร์โคเนียม อย่างไรก็ตามนั่นมักจะเป็นค่าใช้จ่ายของความเหนียว - ความสามารถของโลหะที่จะถูกดึงหรือผิดรูปโดยไม่ต้องแตกหัก

ตอนนี้หลังจากทศวรรษของการวิจัยยุคใหม่สำหรับไทเทเนียมรวมถึงแอพพลิเคชั่นทางวิศวกรรมที่ขยายตัวอย่างมากอาจกำลังเข้าใกล้ขอบคุณผู้เยาว์และเพื่อนร่วมงานของ Berkeley รวมถึง Mark Asta, Daryl Chrzan และ JW Morris Jr. ของวัสดุวิทยาศาสตร์และวิศวกรรม พวกเขาได้ทำการตรวจสอบและผลิตไทเทเนียมในหลาย ๆ วิธีโดยหวังว่าจะขยายการใช้งานจริงสำหรับการใช้งานโครงสร้างหรือวิศวกรรมที่หลากหลาย

ในการศึกษาชุดนักวิจัยได้พัฒนาข้อมูลเชิงลึกใหม่ที่สำคัญเกี่ยวกับไทเทเนียมรวมถึงสูตรอาหารสำหรับการทำโลหะผสมไทเทเนียมที่ดีขึ้นรวมถึงเทคนิคที่มีการแช่แข็งสำหรับการสร้างไทเทเนียมเกรดอุตสาหกรรม การผลิต.

ภาพวาดแผนผังของกระบวนการกลไกการแช่แข็งที่ส่งผลให้เกิดไทเทเนียม nanotwinned

(ภาพประกอบโดย Andrew Minor)

ปริศนาออกซิเจน

สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจว่าค่าใช้จ่ายของไทเทเนียมไม่ได้เกิดจากความหายาก ไทเทเนียมไม่ใช่โลหะมีค่า ค่อนข้างพบได้เกือบทุกที่ทั่วโลกในหินอัคนีใกล้พื้นผิว มันเป็นองค์ประกอบที่อุดมสมบูรณ์ที่สุดอันดับเก้าของโลกและโลหะที่อุดมสมบูรณ์มากที่สุดเป็นอันดับสี่และสามารถนำมาใช้เพื่อทำสิ่งต่าง ๆ ทั้งในรูปแบบที่บริสุทธิ์และเป็นโลหะผสม

แต่สิ่งที่ผลักดันค่าใช้จ่ายที่มากเกินไปของไทเทเนียมเกรดเชิงพาณิชย์ผู้เยาว์อธิบายคือกระบวนการ kroll ที่ซับซ้อนที่สุดมักใช้ในการทำแท่งไทเทเนียมแท่งและโลหะในรูปแบบอื่น ๆ ที่สามารถประดิษฐ์เป็นชิ้นส่วนที่ใช้งานได้และผลิตภัณฑ์อื่น ๆ กระบวนการนี้รวมถึงการใช้วัสดุที่มีราคาแพงเช่นแก๊สอาร์กอนและเป็นพลังงานที่ต้องใช้พลังงานหลายครั้งที่ต้องหลอมละลายที่อุณหภูมิสูงมากโดยเฉพาะอย่างยิ่งในการควบคุมสิ่งสกปรกออกซิเจน

อันที่จริงไทเทเนียมและออกซิเจนมีความสัมพันธ์ที่น่าประหลาดใจคนหนึ่งที่ผู้เยาว์ Asta, Chrzan, Morris และเพื่อนร่วมงานต้องการที่จะเข้าใจดีขึ้น ทีมรู้ว่ามีการใช้ออกซิเจนไม่เพียงพอสำหรับอัลลอยไทเทเนียมเพื่อควบคุมผลที่แข็งแกร่ง ไทเทเนียมทำด้วยปริมาณออกซิเจนอะตอมเพิ่มขึ้นเพียงเล็กน้อยอาจส่งผลให้โลหะมีความแข็งแรงเพิ่มขึ้นหลายเท่า

น่าเสียดายที่ออกซิเจนยังสามารถลดความเหนียวของโลหะได้มากขึ้น มันกลายเป็นเปราะและจะแตกหักและแตก

แต่ "ออกซิเจนอยู่ทุกหนทุกแห่ง" ไมเนอร์พูดถึงความยากลำบากในการหลบหลีกการตอบสนองที่สูงของไทเทเนียมต่อออกซิเจน "มันไม่ใช่สิ่งเจือปนที่มาจากแหล่งข้อมูลที่คุณสามารถหลีกเลี่ยงได้"

เขาอธิบายถึงความไวของไทเทเนียมต่อออกซิเจนอย่างรุนแรง “ มันแปลกอย่างแท้จริงว่ามันมีพลังมากแค่ไหน” ไมเนอร์กล่าว มันออกแรงเอฟเฟกต์ต่อโลหะทั้งดีและไม่ดีในขณะที่การมีออกซิเจนในปริมาณที่ใกล้เคียงกันนั้นไม่มีนัยสำคัญสำหรับโลหะเช่นอลูมิเนียมและเหล็กเพราะสามารถจัดการได้ง่ายขึ้น

หากต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมทีมหันไปใช้คอมพิวเตอร์ประสิทธิภาพสูงเพื่อจำลองกระบวนการเสียรูปในไทเทเนียมภายใต้ความเครียดและมีออกซิเจนในปริมาณที่แตกต่างกัน แอสตาโมเดลคอมพิวเตอร์กล่าวว่าเป็น "ชุดเครื่องมือที่ทรงพลังที่ให้เราตรวจสอบความท้าทายที่โดดเด่นนี้ในเมทัลจีทิเนียม"

จากการค้นพบครั้งสำคัญของทีมการสับของอะตอมออกซิเจนในโครงสร้างผลึกของไทเทเนียมเมื่อโลหะอยู่ภายใต้ความเครียดกลายเป็นกุญแจสำคัญในการทำความเข้าใจการสูญเสียความเหนียว ในสภาวะที่ไม่เครียดโมเลกุลออกซิเจนอาศัยอยู่โดยไม่มีเหตุการณ์เกิดขึ้นในช่องว่างตามธรรมชาติระหว่างอะตอมของไทเทเนียม แต่ภายใต้แรงทางกลอะตอมของออกซิเจนสามารถสับเปลี่ยนไปยังช่องว่างที่อยู่ติดกันซึ่งพวกมันให้ความต้านทานต่อการเคลื่อนที่น้อยลงซึ่งหากพวกมันแพร่กระจายทำให้โลหะอ่อนแอลง

“ ออกซิเจนส่งเสริมความอ่อนแอของโครงสร้าง” ไมเนอร์กล่าว ในขณะที่กองกำลังเชิงกลทำให้เกิดโลหะทำให้อะตอมออกซิเจนที่ถูกแทนที่แทนที่จะปิดกั้นการแพร่กระจายของข้อบกพร่องของโครงสร้างสามารถช่วยให้เกิดการลื่นของระนาบที่เรียกว่า

ลื่นระนาบ Asta กล่าวว่าเป็นเหมือนระลอกคลื่นของข้อบกพร่องในโครงสร้างผลึกของโลหะที่สร้างขึ้นในอีกด้านหนึ่งในที่สุดนำไปสู่การแตกหักรอยแตกและชิ้นส่วนโลหะเปราะ

เพื่อให้เข้าใจว่าการเคลื่อนที่สามารถก่อตัวและแพร่กระจายในไทเทเนียมได้อย่างไร Chrzan แนะนำให้เห็นภาพการพยายามเคลื่อนย้ายพรมขนาดใหญ่และหนัก

“ พรมขนาดใหญ่มากสามารถหยิบขึ้นมาที่ปลายด้านหนึ่งและลากข้ามพื้นไปยังตำแหน่งใหม่” เขากล่าว แต่อีกวิธีหนึ่งในการขยับพรมคือการสร้างระลอกคลื่นที่ปลายด้านหนึ่งจากนั้นโดยการสับเท้าของคุณไปที่ด้านบนของพรมคุณสามารถ "เดิน" ระลอกคลื่นไปอีกด้านหนึ่ง หากไม่มีสิ่งใดบล็อกการเคลื่อนไหวพรมทั้งหมดจะถูกแทนที่ด้วยระยะทางเท่ากับความกว้างของระลอกคลื่น

"ระลอกคลื่น" ดังกล่าวในไทเทเนียมสามารถมองเห็นได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน “ คุณสามารถเห็นความคลาดเคลื่อนทั้งหมดที่เรียงกันเป็นแถว” ไมเนอร์กล่าว “ และนั่นก็ไม่ดีสำหรับความเหนียวเพราะถ้าพวกเขาเข้าแถวและติดตามกันเท่านั้นพวกเขาจะไม่พันกัน [และหยุดลง] เช่นนั้นโลหะจะไม่ทำงานแข็ง รอยแตก "

การสร้างโลหะผสมที่ดีขึ้น

กลยุทธ์การออกแบบที่ขัดจังหวะกระบวนการสับของออกซิเจน-อะตอมหรือส่งเสริมโครงสร้างนาโนเพื่อหยุดการลื่นระนาบจากการซ้อนขึ้นอาจนำไปสู่โลหะผสมที่ดีขึ้น โลหะผสมเหล่านี้จะมีแอพพลิเคชั่นโดยเฉพาะในอุตสาหกรรมยานยนต์และการบินและอวกาศ Minor กล่าว

ศาสตราจารย์แอนดรูว์ไมเนอร์เทไนโตรเจนเหลวในตัวอย่างไทเทเนียมแสดงให้เห็นถึงกระบวนการสำหรับการแช่แข็งที่ใช้ในการสร้างไทเทเนียม nanotwinned ในห้องปฏิบัติการของเขา (ภาพถ่ายโดย Adam Lau / Berkeley Engineering)

เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้และปัญหาอื่น ๆ ทีมต้องอาศัยการผสมผสานระหว่างการสร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งสัญญาณ (TEM) และการถ่ายภาพอื่น ๆ และการทดลอง

“ หนึ่งในสิ่งที่ดีเกี่ยวกับโครงการนี้คือบางครั้งนักคำนวณและนักทฤษฎีก็ออกไปข้างหน้าเล็กน้อยและบางครั้งก็เป็นนักทดลอง” Asta กล่าว "เราพบกันบ่อยครั้งและพูดคุยเกี่ยวกับการค้นพบและความคิดใหม่ ๆ ของเรา"

ยกตัวอย่างเช่นการศึกษาของทีมเกี่ยวกับความไวของออกซิเจนของไทเทเนียมนำไปสู่การศึกษาของไทเทเนียมผสมกับอลูมิเนียมและออกซิเจน พวกเขาพบว่าการใช้ออกซิเจน embrittlement สามารถกำจัดได้โดยการเพิ่มอลูมิเนียมในปริมาณเล็กน้อยโดยเฉพาะอย่างยิ่งที่อุณหภูมิแช่แข็งซึ่งต่ำกว่า -150 องศาเซลเซียส

ด้วยปริมาณอลูมิเนียมและออกซิเจนในปริมาณที่เหมาะสมทีมกล่าวว่าการสั่งซื้อโครงสร้างผลึกไทเทเนียมใหม่ทำให้เกิดการสับของอะตอมออกซิเจนที่จะนำไปสู่ความเสียหายของการเคลื่อนที่และการแตกหักในที่สุด ยิ่งไปกว่านั้นเพราะการแนะนำอลูมิเนียมช่วยลดความไวของออกซิเจนของไทเทเนียมโดยรวมค่าใช้จ่ายในการประมวลผลเพื่อสร้างโลหะที่ใช้งานได้ก็จะลดลงเช่นกัน

ในการศึกษาอีกครั้งทีมดูการวิจัยย้อนกลับไปในช่วงทศวรรษที่ 1960 แสดงให้เห็นว่าโลหะและโลหะผสมจำนวนมากแสดงการเพิ่มขึ้นอย่างมากในความเหนียวเมื่ออยู่ภายใต้พัลส์ไฟฟ้าเป็นระยะในระหว่างการเปลี่ยนรูปของโลหะ แต่กลไกพื้นฐานของสาเหตุที่เรียกว่า electroplasticity ที่เรียกว่านี้อาจเป็นจริงยังไม่ชัดเจน

“ Electroplasticity สามารถนำไปสู่ค่าใช้จ่ายที่ลดลงสำหรับการประมวลผลโลหะเนื่องจากใช้พลังงานน้อยกว่าในการสร้างโลหะด้วยพัลส์ไฟฟ้ามากกว่าการให้ความร้อนกับโลหะทั้งหมดให้อยู่ในอุณหภูมิสูง "ที่น่าสนใจเอฟเฟกต์ของ electroplasticity นี้เป็นสากลในการที่มันได้รับการแสดงให้เห็นว่าทำงานสำหรับโลหะทุกชนิดไม่ใช่แค่ไทเทเนียม"

ทีมทำการทดสอบแรงดึงของโลหะภายใต้เงื่อนไขที่แตกต่างกันสามเงื่อนไข: อุณหภูมิห้องที่ไม่มีกระแสไฟฟ้าโดยมีพัลส์ไฟฟ้าเป็นระยะระยะเวลา 100 มิลลิวินาทีและมีกระแสคงที่ เนื่องจากการใช้กระแสไฟฟ้ากระแสไฟฟ้าทำให้โลหะมีความกังวลเกี่ยวกับการแยกแยะผลกระทบที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าจากสิ่งที่เกิดจากความร้อน

ผลการศึกษาของพวกเขาแสดงให้เห็นว่าแม้จะใช้ชีพจรเป็นระยะที่เล็กกว่าการศึกษาก่อนหน้านี้วิธีการพัลซิ่งปัจจุบันช่วยปรับปรุงการยืดตัวของอัลลอยไทเทเนียมและความแข็งแรงสูงสุด พวกเขาทราบว่าเอฟเฟกต์นี้มีความเฉพาะเจาะจงเฉพาะกับการทดลองพัลซิ่งปัจจุบัน

ด้วยความช่วยเหลือของ TEM เพื่อดูการเปลี่ยนแปลงในโครงสร้างผลึกของโลหะผลลัพธ์ของพวกเขาชี้ให้เห็นว่าการรักษาแบบพัลซิ่งปัจจุบันยับยั้งการลื่นไถลของระนาบ นักวิจัยพบว่าพัลส์ไฟฟ้าแข็งตัวให้แข็งวัสดุและทำให้การพัฒนาของลื่นระนาบโดยการรักษารูปแบบการเคลื่อนที่ 3 มิติที่กระจายความแข็งแรงและความเหนียวในที่สุด

nanotwinned ไทเทเนียม

เมื่อเร็ว ๆ นี้ผู้เยาว์และโรเบิร์ตริตชี่ศาสตราจารย์ด้านวิทยาศาสตร์วัสดุและวิศวกรรมเครื่องกลพัฒนาวิธีการประมวลผลแบบบุกเบิกเพื่อสร้างไทเทเนียมบริสุทธิ์ที่มีราคาไม่แพงและให้ผลผลิตโลหะที่มีความต้านทานแรงดึงและความเหนียวมากขึ้น

อาจารย์วิทยาศาสตร์และวิศวกรรมวัสดุ (จากซ้าย) Daryl Chrzan, Mark Asta และ Andrew Minor กับทีมงาน Team I (กล้องจุลทรรศน์ที่ถูกแก้ไขด้วยความผิดปกติของอิเล็กตรอน) ที่ศูนย์กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแห่งชาติของ Berkeley Lab (ภาพถ่ายโดย Adam Lau / Berkeley Engineering)

นอกเหนือจากโลหะผสมอีกวิธีหนึ่งในการเสริมสร้างโลหะโครงสร้างคือการปรับขนาดของผลึก - หรือที่รู้จักกันในชื่อธัญพืช - ซึ่งประกอบขึ้นเป็นโลหะโดยใช้ความร้อนและการประมวลผลเชิงกลเช่นการกลิ้งหรือการกด โดยการลดขนาดของเม็ดเป็นมิเตอร์ย่อยหรือนาโนเมตรนักวิจัยสามารถแนะนำโครงสร้าง nanotwinned ที่เรียกว่าหรือข้อบกพร่องในโลหะที่เกิดจากโครงสร้างคริสตัลที่อยู่ในแนวเดียวกัน โครงสร้าง nanotwinned ช่วยเพิ่มความแข็งแรงและลดความเสี่ยงของการแตกหักโดยทำหน้าที่เป็นอุปสรรคต่อการลื่นไถลระนาบ ด้วยการปรับระยะห่างและการวางแนวของโครงสร้าง nanotwinned ผู้เยาว์กล่าวว่าคุณสมบัติเชิงกลสามารถปรับให้เหมาะสมยิ่งขึ้น แต่วิธีการดั้งเดิมในการทำเช่นนั้นไม่ได้เป็นเรื่องเล็กน้อยหรือราคาถูก

แทนที่จะเป็นผู้เยาว์ริตชี่และเพื่อนร่วมงานแนะนำโครงสร้าง nanotwinned หลายตัวในไทเทเนียมบริสุทธิ์โดยใช้กระบวนการกลไกการแช่แข็ง พวกเขาใช้ชิ้นส่วนรูปลูกบาศก์ของไทเทเนียมที่ถูกกดด้วยสามด้านในไนโตรเจนเหลว การบีบอัดที่อ่อนโยนผู้เยาว์กล่าวว่าควบคุมความหนาแน่นของโครงสร้าง nanotwinned ที่เสริมสร้างความแข็งแกร่งของโลหะในขณะที่รักษาโครงสร้างเม็ดเริ่มต้น ที่ดีที่สุดคือกระบวนการไม่ได้พึ่งพาความร้อนที่รุนแรงและอาจเป็นวิธีที่ยั่งยืนมากขึ้นในการสร้างไทเทเนียมสำหรับแอพพลิเคชั่นที่หลากหลายกว่าวันนี้

คุณสมบัติเชิงกลของวัสดุที่ถูกตรึงด้วยความแข็งแรงโดยเฉพาะความแข็งแรงและความเหนียวถือที่สูงมากและอุณหภูมิแช่แข็ง ผู้เยาว์กล่าวว่าการทำงานของไทเทเนียม nanotwinned ทำให้เหมาะสำหรับสิ่งต่าง ๆ เช่นเครื่องยนต์เจ็ทที่ร้อนแรงมากรวมถึงสภาพแวดล้อมการทำงานที่เย็นมากซึ่งจะแนะนำให้ใช้เช่นวงแหวนเก็บรักษาสำหรับแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดส่วนโครงสร้างของถังก๊าซธรรมชาติเหลว สัมผัสกับมหาสมุทรลึกหรือสภาพแวดล้อมอวกาศลึก

ถามว่ากระบวนการผลิตไทเทเนียมเกรดเชิงพาณิชย์ใหม่อาจถูกนำไปขยายขนาดเร็วในเร็ว ๆ นี้ผู้เยาว์บอกว่าทำไมไม่? มันยากที่จะทำสิ่งต่าง ๆ เช่นกระบวนการ Kroll ที่ใช้ในปัจจุบันซึ่งวัสดุจะต้องแยกทางไฟฟ้าและกระบวนการทั้งหมดใช้พลังงานจำนวนมาก "และการแช่แข็งนี้เราจะต้องวางสิ่งต่าง ๆ ไว้ในอ่างอาบน้ำ"