Amser newydd ar gyfer titaniwm, gan wneud metel cryfach, rhatach a mwy cynaliadwy
Ymhlith metelau, mae cryfder ac ysgafnder Titaniwm, ymwrthedd cyrydiad, a'r gallu i wrthsefyll tymereddau eithafol wedi gwahaniaethu ei werth ers amser maith, yn enwedig ar gyfer cymwysiadau sy'n sensitif i bwysau a'r amgylchedd. Pan gafodd ei ddisgrifio gyntaf ar ddiwedd y 18fed ganrif, enwodd cyd -ddarganfyddwr y metel ar gyfer y Titans - duwiau a anwyd o ddaear ac awyr ym mytholeg hynafol Gwlad Groeg.
Dim ond llewyrch titaniwm y mae amser wedi ei losgi. "Rwy'n wyddonydd deunyddiau, ac felly mae pobl weithiau'n gofyn imi, 'Beth yw eich hoff elfen?'" Meddai Andrew Minor, athro gwyddoniaeth deunyddiau a pheirianneg. Ar gyfer adeiladau, awyrennau, taflegrau, llongau gofod, a mwy, meddai, "Os ydych chi eisiau'r deunydd cryfaf am y pwysau lleiaf, mae'n ditaniwm. Pe gallem, byddem yn gwneud popeth allan o ditaniwm."
Yn wir, i ddylunwyr diwydiannol, y gobaith o geir cryf, ysgafn, hynod effeithlon o ran tanwydd, tryciau, ac awyrennau, er enghraifft, neu longau cargo sy'n gwrthsefyll cyrydiad uwch, rhaid i titaniwm fod yn stwff breuddwydion.
Y broblem? "Mae'n rhy ddrud," meddai Minor am aloion titaniwm gradd diwydiannol neu ditaniwm a allai fel arall ddisodli dur pan mai dim ond y deunyddiau cryfaf, mwyaf gwydn fydd yn ddigonol. Mae cost gwneud titaniwm tua chwe gwaith yn fwy na chost dur gwrthstaen. O ganlyniad, mae ei ddefnyddiau wedi parhau i fod yn gyfyngedig i rannau arbenigol ar gyfer awyrofod, eitemau pen uchel fel gemwaith, neu gymwysiadau arbenigol eraill.
Yn fwy na hynny, dim ond cryfder cymedrol sydd gan titaniwm pur, eglura Minor. Gellir ei gryfhau gydag elfennau fel ocsigen, alwminiwm, molybdenwm, vanadium, a zirconium; Fodd bynnag, mae hynny'n aml ar draul hydwythedd - gallu metel i gael ei dynnu neu ei ddadffurfio heb dorri asgwrn.
Nawr, ar ôl degawd o ymchwil, efallai bod cyfnod newydd ar gyfer titaniwm, gan gynnwys cymwysiadau peirianneg a ehangwyd yn fawr, yn agosáu, diolch i Minor a'i gydweithwyr yn Berkeley, gan gynnwys Mark Asta, Daryl Chrzan, a JW Morris Jr., hefyd yn athrawon yn yr adran yn yr adran o wyddoniaeth deunyddiau a pheirianneg. Maent wedi bod yn archwilio ac yn gwthio titaniwm mewn unrhyw nifer o ffyrdd yn y gobaith o ehangu ei ddefnydd ymarferol ar gyfer amrywiaeth o gymwysiadau strwythurol neu beirianneg.
Mewn cyfres o astudiaethau, mae'r ymchwilwyr wedi datblygu mewnwelediadau newydd beirniadol am ditaniwm, gan gynnwys ryseitiau ar gyfer gwneud aloion titaniwm gwell yn ogystal â thechneg wedi'i ffugio â cryo ar gyfer gwneud titaniwm gradd diwydiannol-datblygiadau a allai arwain yn y pen draw at fwy o gost-effeithlon a chynaliadwy Gweithgynhyrchu.
Lluniad sgematig o'r broses cryo-fecanyddol sy'n arwain at ditaniwm nanotwinned.
(Darlun gan Andrew Minor)
Y conundrwm ocsigen
Mae'n bwysig deall nad yw cost titaniwm oherwydd ei brinder. Nid yw titaniwm yn fetel gwerthfawr; Yn hytrach, mae i'w gael bron ym mhobman ledled y byd, mewn creigiau igneaidd ger yr wyneb. Dyma nawfed elfen fwyaf niferus a phedwerydd metel mwyaf niferus, a gellir ei ddefnyddio i wneud pethau yn ei ffurf bur ac fel aloi.
Yn lle, yr hyn sy'n gyrru cost gormodol titaniwm gradd fasnachol, mân esboniadau, yw'r broses kroll gymhleth a ddefnyddir amlaf i wneud bariau titaniwm, ingotau a mathau eraill o fetel y gellir eu ffugio i rannau defnyddiol a chynhyrchion eraill. Mae'r broses yn cynnwys defnyddio deunyddiau drud fel nwy argon, ac mae'n ddwys ynni, sy'n gofyn am doddi lluosog ar dymheredd uchel iawn, yn enwedig i reoli amhureddau ocsigen.
Yn wir, mae gan titaniwm ac ocsigen berthynas ddryslyd, un y mae Mân, Asta, Chrzan, Morris, a chydweithwyr wedi bod eisiau deall yn well. Roedd y tîm yn gwybod bod amhuredd ocsigen yn aml yn cael ei ddefnyddio ar gyfer aloion titaniwm i harneisio effaith cryfhau cryf. Gall titaniwm a wneir gyda chynnydd bach yn unig yn faint o ocsigen atomig arwain at fetel gyda chynnydd sawl gwaith mewn cryfder.
Yn anffodus, gall yr ocsigen hefyd esgor ar ostyngiad hyd yn oed yn fwy yn hydwythedd y metel. Mae'n dod yn frau a bydd yn torri ac yn torri.
Ond "mae ocsigen ym mhobman," meddai Minor am yr anhawster wrth symud o amgylch ymatebolrwydd uchel Titaniwm i ocsigen. "Nid rhywfaint o amhuredd sy'n dod o'r deunydd ffynhonnell y gallwch chi ei osgoi yn unig."
Mae'n nodweddu sensitifrwydd titaniwm i ocsigen fel un eithafol. "Mae'n wirioneddol ryfedd pa mor bwerus ydyw," meddai Minor. Mae'n gweithredu effeithiau ar y metel, da a drwg, ond mae presenoldeb symiau tebyg o ocsigen yn ddibwys ar gyfer metelau fel alwminiwm a dur oherwydd gellir delio ag ef wrth brosesu llawer haws.
I ddysgu mwy, trodd y tîm at gyfrifiadura perfformiad uchel i fodelu'r broses ddadffurfiad mewn titaniwm o dan straen a gyda symiau gwahanol o ocsigen. Mae modelau cyfrifiadurol, meddai Asta, yn "set bwerus o offer sy'n gadael inni ymchwilio i'r her ragorol hon mewn meteleg titaniwm."
O brif ddarganfyddiadau'r tîm, daeth siffrwd o atomau ocsigen yn strwythur grisial Titaniwm pan fydd y metel dan straen yn allweddol i ddeall colli hydwythedd. Mewn cyflwr heb straen, mae moleciwlau ocsigen yn byw heb ddigwyddiad mewn bylchau naturiol rhwng atomau titaniwm. Ond o dan rymoedd mecanyddol, gall yr atomau ocsigen siffrwd i fannau cyfagos lle maent yn darparu llai o wrthwynebiad i ddadleoliadau sydd, os ydynt yn lledaenu, yn gwanhau'r metel.
"Mae'r ocsigen yn hyrwyddo gwendid strwythurol," meddai Minor. Wrth i rymoedd mecanyddol anffurfio'r metel, gall yr atomau ocsigen sydd wedi'u dadleoli, yn hytrach na rhwystro lledaeniad diffygion strwythurol, hwyluso slip planar fel y'i gelwir.
Mae slip planar, meddai Asta, fel crychdonni o ddiffygion yn strwythur grisial y metel sy'n adeiladu un ar y llaw arall, gan arwain yn y pen draw at doriadau, craciau a darn brau o fetel.
Er mwyn deall sut y gall dadleoli ffurfio a lledaenu mewn titaniwm, mae Chrzan yn awgrymu delweddu ceisio symud ryg mawr, trwm.
"Gellir codi ryg mawr iawn ar un pen a'i lusgo ar draws y llawr i safle newydd," meddai. Ond ffordd arall o symud y ryg yw creu crychdonni ar un pen ac yna, trwy symud eich traed ar draws top y carped, gallwch chi "gerdded" y crychdonni i'r pen arall. Ar yr amod nad oes unrhyw beth yn blocio ei symud, bydd y ryg cyfan wedi'i ddadleoli gan bellter sy'n hafal i led y crychdonni.
Gellir gweld "crychdonnau" o'r fath mewn titaniwm gyda microsgopeg electron. "Gallwch chi weld bod yr holl ddadleoliadau wedi'u leinio, mewn rhesi," meddai Minor. "Ac mae hynny'n ddrwg i hydwythedd oherwydd os ydyn nhw'n llinellu ac yn dilyn ei gilydd yn unig, nid ydyn nhw'n cael eu clymu [ac felly wedi stopio] fel nad yw'r metel yn gweithio caledu. Rydych chi'n cael crynodiad straen, a dyna lle rydych chi'n ei gael crac. "
Creu aloion gwell
Gallai strategaethau dylunio sy'n torri ar draws y broses siffrwd ocsigen-atom neu'n hyrwyddo nanostrwythurau i atal slipiau planar rhag pentyrru arwain at aloion gwell. Byddai gan yr aloion hyn gymwysiadau, yn enwedig yn y diwydiannau modurol ac awyrofod, meddai Minor.
Mae'r Athro Andrew Minor yn tywallt nitrogen hylif ar sampl titaniwm, gan ddangos y broses ffugio cryo a ddefnyddir i greu titaniwm nanotwinned yn ei labordy. (Llun gan Adam Lau / Berkeley Engineering)
Er mwyn mynd i'r afael â'r materion hyn a materion eraill, mae'r tîm yn dibynnu ar gymysgedd o fodelu cyfrifiadurol, microsgopeg electron trawsyrru (TEM), a dulliau delweddu eraill, ac arbrofion.
"Un o'r pethau sydd wedi bod yn braf am y prosiect hwn yw bod y cyfrifiadolwyr a'r damcaniaethwyr allan ychydig ychydig ar y blaen, ac ar adegau eraill yr arbrofwyr ydyw," meddai Asta. "Rydyn ni'n cwrdd yn aml ac yn siarad am ein canfyddiadau a'n syniadau newydd."
Arweiniodd astudiaeth y tîm o sensitifrwydd ocsigen titaniwm, er enghraifft, at astudiaeth o ditaniwm wedi'i aloi ag alwminiwm ac ocsigen. Fe wnaethant ddarganfod y gallai embrittlement ocsigen gael ei ddileu trwy ychwanegu ychydig bach o alwminiwm, yn enwedig ar dymheredd cryogenig, sy'n is na -150 gradd Celsius.
Gyda dim ond y symiau cywir o alwminiwm ac ocsigen, dywed y tîm, roedd archeb newydd o strwythur grisial y titaniwm yn atal symud atomau ocsigen a fyddai’n arwain at bentwr niweidiol o ddadleoliadau ac yn y pen draw yn torri esgyrn. Yn fwy na hynny, oherwydd bod cyflwyno alwminiwm wedi lleihau sensitifrwydd ocsigen titaniwm yn gyffredinol, byddai prosesu costau i greu metel y gellir ei ddefnyddio hefyd yn cael ei leihau.
Mewn astudiaeth arall eto, edrychodd y tîm ar ymchwil yn mynd yn ôl i'r 1960au gan ddangos bod llawer o fetelau ac aloion yn dangos cynnydd dramatig mewn hydwythedd pan fyddant yn destun corbys trydanol cyfnodol wrth ddadffurfio'r metel. Ond nid yw'r mecanweithiau sylfaenol pam y gallai'r electroplastigedd bondigrybwyll hwn fod yn wir yn glir.
"Gall electroplastigedd arwain at gostau is ar gyfer prosesu metelegol gan ei bod yn cymryd llai o egni i ffurfio metel â chorbys trydanol na chynhesu'r metel cyfan i dymheredd uchel i gyflawni'r un ffurfadwyedd," meddai Mân. "Yn ddiddorol, mae'r effaith hon o electroplastigedd yn gyffredinol yn yr ystyr y dangoswyd ei bod yn gweithio i bob metel yn y bôn, nid titaniwm yn unig."
Perfformiodd y tîm brofion tynnol o'r metel o dan dri chyflwr gwahanol: tymheredd yr ystafell heb unrhyw gerrynt trydan, gyda phwls trydanol cyfnodol o hyd 100 milieiliad, a gyda cherrynt cyson. Oherwydd bod cymhwyso cerrynt trydan yn cynhesu'r metel, roedd y tîm yn poeni am wahaniaethu rhwng yr effeithiau a achosir gan drydan yn unig oddi wrth y rhai a achosir gan wres.
Dangosodd eu canlyniadau, er gwaethaf defnyddio pwls cyfnodol llai nag astudiaethau blaenorol, bod y dull pwls-cerrynt wedi gwella elongation tynnol yr aloi titaniwm yn ogystal â'i gryfder mwyaf. Maent yn nodi bod yr effaith hon yn benodol yn unig i'r arbrawf pwls-cerrynt.
Gyda chymorth TEM i weld newidiadau yn strwythur grisial y metel, mae eu canlyniadau'n awgrymu bod y driniaeth pwls-cerrynt yn atal dadleoliadau slip planar. Canfu'r ymchwilwyr fod y pwls trydanol yn caledu’r deunydd ac yn rhwystredig datblygiad slip planar trwy gynnal patrwm dadleoli gwasgaredig, 3D sydd yn y pen draw yn darparu cryfder a hydwythedd uchel.
Titaniwm nanotwinned
Yn fwyaf diweddar, datblygodd Minor a Robert Ritchie, athrawon gwyddoniaeth deunyddiau a pheirianneg fecanyddol, ddull prosesu swmp arloesol i wneud titaniwm pur sy'n rhatach ac sy'n cynhyrchu metel gyda mwy o gryfder tynnol a hydwythedd.
Athrawon Gwyddoniaeth Deunyddiau a Pheirianneg (o'r chwith) Daryl Chrzan, Mark Asta, ac Andrew Minor gyda phrosiect Tîm I (Microsgop Trosglwyddo Electron-Cywiro-Gywiredig) ym Mhrosiect Canolfan Genedlaethol Berkeley Lab ar gyfer Microsgopeg Electron. (Llun gan Adam Lau / Berkeley Engineering)
Ar wahân i aloion, ffordd arall o gryfhau metelau strwythurol yw teilwra maint crisialau - a elwir hefyd yn rawn - sy'n ffurfio'r metel trwy ddefnyddio prosesu gwres a mecanyddol, fel rholio neu wasgu. Trwy leihau maint y grawn i is-ficromedrau neu nanometrau, gall ymchwilwyr gyflwyno strwythurau nanotwinned fel y'u gelwir, neu ddiffygion yn y metel a achosir gan strwythurau crisial wedi'u halinio. Mae'r strwythurau nanotwinned yn gwella cryfder ac yn gostwng y risg o dorri asgwrn trwy weithredu fel rhwystr i slipiau planar. Trwy deilwra bylchau a chyfeiriadedd y strwythurau nanotwinned, dywed Mân, y gellir optimeiddio'r priodweddau mecanyddol hyd yn oed ymhellach. Ond nid yw dulliau traddodiadol o wneud hynny yn ddibwys nac yn rhad.
Yn lle hynny, cyflwynodd mân, Ritchie, a chydweithwyr nifer o strwythurau nanotwinned mewn titaniwm pur trwy broses cryo-fecanyddol. Fe wnaethant ddefnyddio darnau siâp ciwb o ditaniwm a oedd yn cael eu pwyso ar hyd tair ochr mewn nitrogen hylifol. Mae'r cywasgiad ysgafn, meddai Minor, yn rheoli dwysedd strwythurau nanotwinned sy'n cryfhau'r metel wrth warchod ei strwythur grawn cychwynnol. Yn anad dim, nid yw'r broses yn dibynnu ar wres dwys ac efallai ffordd fwy cynaliadwy i wneud titaniwm ar gyfer ystod lawer ehangach o gymwysiadau na heddiw.
Mae priodweddau mecanyddol y deunydd a ffugiwyd gan cryo, yn benodol cryfder a hydwythedd, yn dal ar dymheredd uchel iawn yn ogystal â thymheredd cryogenig. Dywed Minor fod perfformiad y titaniwm nanotwinned yn ei gwneud yn ddelfrydol ar gyfer pethau fel peiriannau jet hynod boeth yn ogystal ag amgylcheddau gweithredu oer iawn a fyddai'n awgrymu eu bod yn defnyddio fel modrwyau cadw ar gyfer magnetau uwch -ddargludol, rhannau strwythurol o danciau nwy naturiol hylifedig, yn ogystal â deunyddiau i fod i fod yn agored i gefnfor dwfn neu amgylcheddau gofod dwfn.
Pan ofynnwyd iddo a allai'r broses saernïo titaniwm gradd fasnachol newydd gael ei dwyn i raddfa un diwrnod yn fuan, dywed Mân, pam lai? Mae'n anoddach gwneud pethau fel y broses kroll sy'n cael ei defnyddio heddiw, lle mae'n rhaid ynysu'r deunydd yn drydanol ac mae'r broses gyfan yn cymryd llawer iawn o bŵer. "A'r cryo-ffugio hwn, byddem yn rhoi pethau mewn bath yn unig."