وقت جديد للتيتانيوم (1)

من بين المعادن، فإن قوة التيتانيوم وخفة وزنه، ومقاومته للتآكل، وقدرته على تحمل درجات الحرارة القصوى، ميزت قيمته منذ فترة طويلة، خاصة بالنسبة للتطبيقات الحساسة للوزن والبيئة. عندما تم وصفه لأول مرة في أواخر القرن الثامن عشر، أطلق أحد المكتشفين على المعدن اسم الجبابرة - الآلهة المولودة من الأرض والسماء في الأساطير اليونانية القديمة.

لم يقم الزمن إلا بتلميع بريق التيتانيوم. يقول أندرو مينور، أستاذ علوم وهندسة المواد: "أنا عالم مواد، ولذلك يسألني الناس أحيانًا: ما هو العنصر المفضل لديك؟". بالنسبة للمباني والطائرات والصواريخ وسفن الفضاء وغيرها، يقول: "إذا كنت تريد أقوى مادة بأقل قدر من الوزن، فهي التيتانيوم. وإذا استطعنا، فسنصنع كل شيء من التيتانيوم".

في الواقع، بالنسبة للمصممين الصناعيين، فإن احتمال إنتاج سيارات وشاحنات وطائرات قوية وخفيفة الوزن وعالية الكفاءة في استهلاك الوقود، على سبيل المثال، أو سفن شحن فائقة المقاومة للتآكل، يجب أن يكون التيتانيوم مادة الأحلام.

المشكلة؟ يقول ماينور عن التيتانيوم الصناعي أو سبائك التيتانيوم التي قد تحل محل الفولاذ عندما تكون المواد الأقوى والأكثر متانة فقط كافية: "إنها باهظة الثمن". تبلغ تكلفة تصنيع التيتانيوم حوالي ستة أضعاف تكلفة الفولاذ المقاوم للصدأ. ونتيجة لذلك، ظلت استخداماته مقتصرة على الأجزاء المتخصصة في مجال الطيران، أو العناصر الراقية مثل المجوهرات، أو التطبيقات المتخصصة الأخرى.

علاوة على ذلك، فإن التيتانيوم النقي يتمتع بقوة معتدلة فقط، كما يوضح مينور. يمكن تقويتها بعناصر مثل الأكسجين والألومنيوم والموليبدينوم والفاناديوم والزركونيوم. ومع ذلك، غالبًا ما يكون ذلك على حساب الليونة - قدرة المعدن على السحب أو التشوه دون أن ينكسر.

الآن، بعد عقد من البحث، قد يقترب عصر جديد للتيتانيوم، بما في ذلك التطبيقات الهندسية الموسعة إلى حد كبير، وذلك بفضل مينور وزملائه في بيركلي، بما في ذلك مارك أستا، وداريل كرزان، وجي دبليو موريس جونيور، وهم أيضًا أساتذة في القسم. علوم وهندسة المواد. لقد قاموا بفحص وحث التيتانيوم بأي عدد من الطرق على أمل توسيع استخدامه العملي لمجموعة متنوعة من التطبيقات الهيكلية أو الهندسية.

بدلاً من ذلك، يوضح ماينور أن ما يدفع التكلفة المفرطة للتيتانيوم التجاري هو عملية كرول المعقدة التي تستخدم في أغلب الأحيان لصنع قضبان وسبائك التيتانيوم وأشكال أخرى من المعدن التي يمكن تصنيعها إلى أجزاء قابلة للاستخدام ومنتجات أخرى. تتضمن العملية استخدام مواد باهظة الثمن مثل غاز الأرجون، وهي تستهلك الكثير من الطاقة، وتتطلب عمليات ذوبان متعددة في درجات حرارة عالية للغاية، خاصة للتحكم في شوائب الأكسجين.

في الواقع، هناك علاقة محيرة بين التيتانيوم والأكسجين، وهي علاقة أراد مينور وأستا وكرزان وموريس وزملاؤه فهمها بشكل أفضل. عرف الفريق أن شوائب الأكسجين غالبًا ما تستخدم في سبائك التيتانيوم لتسخير تأثير تقوية قوي. يمكن أن يؤدي التيتانيوم المصنوع بزيادة طفيفة في كمية الأكسجين الذري إلى زيادة قوة المعدن عدة مرات.

لسوء الحظ، يمكن للأكسجين أيضًا أن يؤدي إلى انخفاض أكبر في ليونة المعدن. تصبح هشة وسوف تنكسر وتنكسر.

لكن "الأكسجين موجود في كل مكان"، كما يقول مينور عن صعوبة المناورة حول استجابة التيتانيوم العالية للأكسجين. "إنها ليست بعض الشوائب القادمة من المادة المصدرية التي يمكنك تجنبها."

ويصف حساسية التيتانيوم للأكسجين بأنها متطرفة. يقول مينور: "من الغريب حقًا مدى قوتها". إنه يمارس تأثيرات على المعدن، سواء كانت جيدة أو سيئة، في حين أن وجود كميات مماثلة من الأكسجين غير مهم بالنسبة للمعادن مثل الألومنيوم والصلب لأنه يمكن التعامل معها أثناء المعالجة بسهولة أكبر.

لمعرفة المزيد، لجأ الفريق إلى الحوسبة عالية الأداء لنمذجة عملية التشوه في التيتانيوم تحت الضغط وبكميات مختلفة من الأكسجين. يقول أستا إن نماذج الكمبيوتر هي "مجموعة قوية من الأدوات التي تتيح لنا التحقيق في هذا التحدي الكبير في تعدين التيتانيوم".

من بين الاكتشافات الرئيسية للفريق، أصبح خلط ذرات الأكسجين في البنية البلورية للتيتانيوم عندما يكون المعدن تحت الضغط أمرًا أساسيًا لفهم فقدان الليونة. في الحالة غير المجهدة، تستقر جزيئات الأكسجين دون وقوع حادث في فجوات طبيعية بين ذرات التيتانيوم. ولكن في ظل القوى الميكانيكية، يمكن لذرات الأكسجين أن تنتقل إلى المساحات المجاورة حيث توفر مقاومة أقل للاضطرابات التي، إذا انتشرت، تضعف المعدن.

يقول مينور: "إن الأكسجين يعزز الضعف الهيكلي". عندما تشوه القوى الميكانيكية المعدن، فإن ذرات الأكسجين النازحة، بدلا من منع انتشار العيوب الهيكلية، يمكن أن تسهل ما يسمى بالانزلاق المستوي.

يقول أستا إن الانزلاق المستوي يشبه تموجًا من العيوب في البنية البلورية للمعدن التي تبني بعضها على بعض، مما يؤدي في النهاية إلى حدوث كسور وشقوق وقطعة معدنية هشة.

لفهم كيف يمكن أن يتشكل الخلع وينتشر في التيتانيوم، يقترح كريزان تصور محاولة تحريك سجادة كبيرة وثقيلة.

يقول: "يمكن التقاط سجادة كبيرة جدًا من أحد طرفيها وسحبها عبر الأرض إلى موضع جديد". لكن هناك طريقة أخرى لتحريك السجادة وهي إنشاء تموج في أحد طرفيه، ومن ثم، عن طريق تحريك قدميك عبر الجزء العلوي من السجادة، يمكنك "المشي" بالتموج إلى الطرف الآخر. إذا لم يكن هناك شيء يعيق حركتها، فسيتم إزاحة السجادة بأكملها لمسافة تساوي عرض التموج.

يمكن رؤية مثل هذه "التموجات" في التيتانيوم بالمجهر الإلكتروني. يقول مينور: "يمكنك أن ترى أن جميع حالات الخلع مصفوفة في صفوف". "وهذا أمر سيء بالنسبة للليونة لأنها إذا اصطفت وتتبع بعضها البعض فقط، فإنها لا تتشابك [وبالتالي تتوقف] بحيث لا يصبح المعدن أكثر صلابة. تحصل على تركيز الإجهاد، وهذا هو المكان الذي تحصل عليه صدع."

(يتبع)