وقت جديد للتيتانيوم ، مما يجعل المعدن أقوى وأرخص وأكثر استدامة

بين المعادن ، تميزت قوة التيتانيوم وخفة ، ومقاومة التآكل ، والقدرة على تحمل درجات الحرارة القصوى منذ فترة طويلة قيمتها ، خاصة بالنسبة للتطبيقات الحساسة للوزن والبيئة. عندما تم وصفه لأول مرة في أواخر القرن الثامن عشر ، قام أحد المشاركين باكتشاف يدعى المعدن لجبابه - الآلهة المولودة من الأرض والسماء في الأساطير اليونانية القديمة.

الوقت قد أصق على بريق التيتانيوم. يقول أندرو مينور ، أستاذ علوم المواد والهندسة: "أنا عالم مواد ، وهكذا يسألني الناس أحيانًا ،" ما هو العنصر المفضل لديك؟ " بالنسبة للمباني والطائرات والصواريخ وسفن الفضاء ، وأكثر من ذلك ، يقول: "إذا كنت تريد أقوى مادة لأقل قدر من الوزن ، فهي التيتانيوم. إذا استطعنا ، فسنصنع كل شيء من التيتانيوم".

في الواقع ، بالنسبة للمصممين الصناعيين ، فإن احتمال وجود سيارات وشاحنات وطائرات قوية وخفيفة الوزن ، على سبيل المثال ، على سبيل المثال ، أو سفن الشحن المقاومة للتآكل الفائقة ، يجب أن تكون التيتانيوم من الأحلام.

المشكلة؟ يقول مينور عن سبائك التيتانيوم من الدرجة الصناعية أو سبائك التيتانيوم التي قد تحل محل الصلب "إنها مكلفة للغاية". تكلفة صنع التيتانيوم أكبر بست مرات من الفولاذ المقاوم للصدأ. ونتيجة لذلك ، ظلت استخداماتها تقتصر على قطع الغيار المتخصصة للفضاء أو العناصر الراقية مثل المجوهرات أو غيرها من التطبيقات المتخصصة.

ما هو أكثر من ذلك ، أن التيتانيوم النقي لديه قوة معتدلة فقط ، كما يوضح مينور. يمكن تعزيزها بعناصر مثل الأكسجين والألمنيوم والموليبدينوم والفاناديوم والزركونيوم ؛ ومع ذلك ، غالبًا ما يكون ذلك على حساب ليونة - قدرة المعدن على رسمها أو تشوهها دون كسر.

الآن ، بعد عقد من البحث ، قد يقترب حقبة جديدة للتيتانيوم ، بما في ذلك التطبيقات الهندسية الموسعة بشكل كبير ، وذلك بفضل مينور وزملاؤه في بيركلي ، بما في ذلك مارك أستا ، وداريل كرزان ، وجي دبليو موريس جونيور ، أيضًا علم المواد والهندسة. لقد قاموا بالتحقيق في التيتانيوم وحثهم بأي عدد من الطرق على أمل توسيع استخدامه العملي لمجموعة متنوعة من التطبيقات الهيكلية أو الهندسية.

في سلسلة من الدراسات ، طور الباحثون رؤى جديدة حرجة حول التيتانيوم ، بما في ذلك وصفات لصنع سبائك التيتانيوم بشكل أفضل بالإضافة إلى تقنية مختارة في صنع التيتانيوم من الدرجة الصناعية-تقدم في نهاية المطاف إلى مزيد من الكفاءة في التكلفة والمستدامة تصنيع.

رسم تخطيطي للعملية الميكانيكية التي تؤدي إلى التيتانيوم النانوي.

(توضيح أندرو مينور)

لغز الأكسجين

من المهم أن نفهم أن تكلفة التيتانيوم ليست بسبب ندرتها. التيتانيوم ليس معدن ثمين. بدلاً من ذلك ، تم العثور عليه في كل مكان تقريبًا حول العالم ، في الصخور النارية بالقرب من السطح. إنها العناصر التاسعة للأرض الأكثر وفرة ورابعًا أكثر المعادن وفرة ، ويمكن استخدامها لجعل الأشياء في شكلها النقي وكسبائك.

وبدلاً من ذلك ، فإن ما يدفع التكلفة المفرطة لتيتانيوم من الدرجة التجارية ، كما يوضح مينور ، هو أن عملية Kroll المعقدة تستخدم في أغلب الأحيان لصنع قضبان التيتانيوم ، وسبائك ، وغيرها من أشكال المعادن التي يمكن تصنيعها في أجزاء صالحة للاستخدام وغيرها من المنتجات. تتضمن العملية استخدام مواد باهظة الثمن مثل غاز الأرجون ، وهي كثيفة الطاقة ، والتي تتطلب ذوبان متعددة في درجات حرارة عالية للغاية ، وخاصة للسيطرة على شوائب الأكسجين.

في الواقع ، تربط التيتانيوم والأكسجين علاقة محيرة ، تلك التي أرادت قاصرها ، آسا ، كرزان ، موريس ، وزملاؤها فهم أفضل. عرف الفريق أن شوائب الأكسجين غالبًا ما تستخدم لسبائك التيتانيوم لتسخير تأثير تعزيز قوي. التيتانيوم المصنوع من زيادة ضئيلة في كمية الأكسجين الذري يمكن أن يؤدي إلى زيادة في القوة.

لسوء الحظ ، يمكن أن ينتج عن الأكسجين أيضًا انخفاضًا أكبر في ليونة المعدن. يصبح هشًا وسوف يكسر ويكسر.

لكن "الأكسجين موجود في كل مكان" ، يقول مينور عن صعوبة المناورة حول استجابة التيتانيوم العالية للأكسجين. "ليس بعض الشوائب القادمة من مادة المصدر التي يمكنك تجنبها فقط."

انه يصف حساسية التيتانيوم للأكسجين بأنها متطرفة. يقول مينور: "من الغريب حقًا مدى قوتها". إنه يمارس الآثار على المعدن ، سواء جيدًا أو سيئًا ، في حين أن وجود كميات مماثلة من الأكسجين غير مهمة للمعادن مثل الألومنيوم والفولاذ لأنه يمكن التعامل معه في المعالجة بسهولة أكبر.

لمعرفة المزيد ، تحول الفريق إلى الحوسبة عالية الأداء لنمذجة عملية التشوه في التيتانيوم تحت الضغط ومع كميات مختلفة من الأكسجين. نماذج الكمبيوتر ، كما تقول ASTA ، هي "مجموعة قوية من الأدوات التي تتيح لنا التحقيق في هذا التحدي المتميز في المعادن التيتانيوم".

من بين الاكتشافات الرئيسية للفريق ، فإن خلط ذرات الأكسجين في بنية التيتانيوم البلورية عندما يصبح المعدن تحت الضغط مفتاحًا لفهم فقدان اللياقة. في حالة غير مجهدة ، توجد جزيئات الأكسجين دون حادث في فجوات طبيعية بين ذرات التيتانيوم. ولكن في ظل القوى الميكانيكية ، يمكن لذرات الأكسجين خلطها إلى المساحات المجاورة حيث توفر مقاومة أقل للاخلاق ، إذا انتشرت ، تضعف المعدن.

يقول مينور: "يعزز الأكسجين ضعفًا هيكليًا". نظرًا لأن القوى الميكانيكية تشوه المعدن ، فإن ذرات الأكسجين النازحة ، بدلاً من منع انتشار العيوب الهيكلية ، يمكن أن تسهل ما يسمى بانزلاق مستو.

يقول آسا إن زلة مستوية تشبه تموج العيوب في بنية الكريستال المعدنية التي تبني واحدة من جهة أخرى ، مما يؤدي في النهاية إلى كسور وشقوق وقطعة هشة من المعدن.

لفهم كيف يمكن للخلع أن يتشكل وانتشر في التيتانيوم ، يقترح Chrzan تصور محاولة تحريك سجادة كبيرة وثقيلة.

يقول: "يمكن التقاط سجادة كبيرة جدًا في أحد الأطراف وسحبها عبر الأرض إلى وضع جديد". ولكن هناك طريقة أخرى لتحريك السجادة هي إنشاء تموج في أحد الأطراف ، وبعد ذلك ، عن طريق خلط قدميك عبر الجزء العلوي من السجادة ، يمكنك "المشي" تموج إلى الطرف الآخر. شريطة أي شيء يمنع حركته ، سيتم تهجير السجادة بأكملها بمسافة تساوي عرض التموج.

يمكن رؤية مثل "التموجات" في التيتانيوم باستخدام المجهر الإلكتروني. يقول مينور: "يمكنك أن ترى أن جميع الاضطرابات تصطف ، في الصفوف". "وهذا أمر سيء بالنسبة إلى ليونة لأنه إذا صطفوا ومتابعة بعضهم البعض فقط ، فإنهم لا يتشابكون [وبالتالي توقف] بحيث لا يعمل المعدن. صدع ".

إنشاء سبائك أفضل

استراتيجيات التصميم التي تقاطع عملية خلط الأكسجين أو تعزيز الهياكل النانوية لمنع انزلاقات مستوية من التراكم يمكن أن تؤدي إلى سبائك أفضل. يقول مينور إن هذه السبائك سيكون لها تطبيقات ، خاصة في صناعات السيارات والفضاء.

البروفيسور أندرو مينور يصب النيتروجين السائل على عينة من التيتانيوم ، مما يدل على عملية فائقة التبريد المستخدمة لإنشاء التيتانيوم النانوي في مختبره. (تصوير آدم لاو / بيركلي الهندسي)

لمعالجة هذه القضايا وغيرها ، يعتمد الفريق على مزيج من نمذجة الكمبيوتر ، المجهر الإلكتروني للإرسال (TEM) ، وطرائق التصوير الأخرى ، والتجارب.

يقول آسا: "أحد الأشياء التي كانت لطيفة في هذا المشروع هو أنه في بعض الأحيان يخرج علماء الحساب والمنظرين قليلاً ، وفي أحيان أخرى هو التجريبيين". "نلتقي كثيرًا ونتحدث عن النتائج التي توصلنا إليها وأفكارنا الجديدة."

على سبيل المثال ، أدت دراسة الفريق لحساسية الأوكسجين في التيتانيوم ، على سبيل المثال ، إلى دراسة من التيتانيوم المليئة بالألومنيوم والأكسجين. ووجدوا أنه يمكن القضاء على احتضان الأكسجين عن طريق إضافة كميات صغيرة من الألومنيوم ، وخاصة في درجات الحرارة المبردة ، والتي تقل عن {0}} درجات مئوية.

يقول الفريق إن الكميات المناسبة من الألومنيوم والأكسجين ، كما يقول الفريق ، وهو أمر جديد للبنية البلورية التيتانيوم منع خلط ذرات الأكسجين التي من شأنها أن تؤدي إلى تراكم ضار من الخلل والكسور في نهاية المطاف. ما هو أكثر من ذلك ، لأن إدخال الألومنيوم قلل من حساسية الأكسجين للتيتانيوم بشكل عام ، سيتم أيضًا تقليل تكاليف المعالجة لإنشاء معدن قابل للاستخدام.

في دراسة أخرى ، نظر الفريق إلى الأبحاث التي تعود إلى الستينيات التي تبين أن العديد من المعادن والسبائك تعرض زيادات هائلة في ليونة عندما يتعرضون للبولنديات الكهربائية الدورية أثناء تشوه المعدن. لكن الآليات الكامنة وراء سبب هذا الصبغة الكهربية غير واضحة.

يقول مينور: "يمكن أن تؤدي المرونة الكهربائية إلى انخفاض تكاليف المعالجة المعدنية لأنها تتطلب طاقة أقل لتشكيل المعادن مع نبضات كهربائية من تسخين المعدن بأكمله إلى درجة حرارة عالية لتحقيق نفس القابلية للتشكيل". "ومن المثير للاهتمام ، أن هذا التأثير من المرونة الكهربائية عالمية من حيث أنه قد ثبت أنه يعمل مع كل معدن بشكل أساسي ، وليس فقط التيتانيوم."

أجرى الفريق اختبارات الشد للمعادن في ظل ثلاثة ظروف مختلفة: درجة حرارة الغرفة بدون تيار كهربائي ، مع نبض كهربائي دوري قدره 100 ميلي ثانية ، ومع تيار ثابت. نظرًا لأن تطبيق تيار كهربائي يسخن المعدن ، كان الفريق قلقًا بشأن التمييز بين الآثار التي تسببت فيها الكهرباء فقط عن تلك التي تسببها الحرارة.

أظهرت نتائجهم أنه على الرغم من استخدام نبض دوري أصغر من الدراسات السابقة ، فإن الطريقة التي يجب أن تُحسّن من استطالة الشد لسبائك التيتانيوم وكذلك أقصى قوته. لاحظوا أن هذا التأثير كان محددًا فقط للتجربة النبضية.

بمساعدة TEM لرؤية التغييرات في بنية البلورة للمعادن ، تشير نتائجها إلى أن المعالجة النبضية التي تعمل على قمع الانزلاق المستوي. وجد الباحثون أن النبض الكهربائي يصلب المادة ويحبط تطور الانزلاق المستوي عن طريق الحفاظ على نمط خلع ثلاثي الأبعاد منتشر ويوفر في نهاية المطاف القوة والليونة العالية.

التيتانيوم nanotwinned

في الآونة الأخيرة ، طور مينور وروبرت ريتشي ، أساتذة علوم المواد والهندسة الميكانيكية ، طريقة معالجة كبيرة رائدة لصنع التيتانيوم النقي الذي يكون أقل تكلفة ويحقق المعدن مع قوة وشد أكبر.

أساتذة العلوم والهندسة للمواد (من اليسار) داريل كريزان ، ومارك أسطا ، وأندرو مينور من خلال المجهر الذي تم تصحيحه في الفريق الأول (المجهر الذي تم تصحيحه في إلكترون الإلكترون) في المركز الوطني للمجهر الإلكترون في بيركلي لاب. (تصوير آدم لاو / بيركلي الهندسي)

بصرف النظر عن السبائك ، هناك طريقة أخرى لتعزيز المعادن الهيكلية وهي تكييف حجم البلورات - المعروفة أيضًا باسم الحبوب - التي تشكل المعدن باستخدام الحرارة والمعالجة الميكانيكية ، مثل المتداول أو الضغط. من خلال تقليل حجم الحبوب إلى المجاذيف الفرعية أو النانومتر ، يمكن للباحثين إدخال ما يسمى الهياكل النانوية ، أو العيوب في المعدن الناجم عن الهياكل البلورية المحاذاة. تعمل الهياكل النانوية على تحسين القوة وتقلل من خطر الكسر من خلال العمل كحاجز أمام قسائم مستوية. من خلال تخصيص تباعد وتوجه الهياكل النانوية ، يقول مينور ، يمكن تحسين الخصائص الميكانيكية بشكل أكبر. لكن الطرق التقليدية للقيام بذلك ليست تافهة ولا رخيصة.

بدلاً من ذلك ، قدمت Minor و Ritchie وزملاؤها هياكل متعددة نانو وين في التيتانيوم النقي عن طريق عملية كبنية ميكانيكية. استخدموا قطعًا على شكل مكعب من التيتانيوم تم الضغط عليها على طول ثلاثة جوانب في النيتروجين السائل. يقول مينور ، إن الضغط اللطيف ، يتحكم في كثافة الهياكل النانوية التي تعزز المعدن مع الحفاظ على بنية الحبوب الأولية. والأفضل من ذلك كله ، أن العملية لا تعتمد على الحرارة الشديدة وربما طريقة أكثر استدامة لصنع التيتانيوم لمجموعة واسعة من التطبيقات من اليوم.

الخصائص الميكانيكية للمادة المزورة بالتبريد ، وخاصة القوة والليونة ، تحمل في درجات حرارة عالية وكذلك برودة. يقول مينور إن أداء التيتانيوم nanotwinned يجعله مثاليًا لأشياء مثل محركات الطائرات الساخنة للغاية بالإضافة إلى بيئات التشغيل الباردة للغاية التي من شأنها أن تقترح استخدامات مثل الاحتفاظ بمغناطيس الموصلة الفائقة ، والأجزاء الهيكلية من خزانات الغاز الطبيعي المسال ، وكذلك المواد تتعرض لبيئات العمق أو السقمة.

وردا على سؤال حول ما إذا كانت عملية تصنيع التيتانيوم الجديدة من الدرجة التجارية قد يتم توسيع نطاقها في يوم من الأيام ، يقول مينور ، لماذا لا؟ من الصعب القيام بأشياء مثل عملية Kroll المستخدمة اليوم ، حيث يجب عزل المادة كهربائيًا وتتخذ العملية بأكملها كميات هائلة من الطاقة. "وهذا ما يدفعه البرد ، سنضع الأشياء في الحمام."