Willem Gregor, een amateur mineraloog en chemicus, voor het eerst ilmeniet ontdekt - een beetje zwart zand dat een van 's werelds lichtste metalen bevat - in het VK in 1791. Vier jaar later dit lichte metaal werd geïsoleerd en "titanium" genoemd door een Duitse chemicus Martin Heinrich Klaproth.

Titanium heeft een vergelijkbare sterkte als staal, 's werelds meest gebruikte metaal, maar is ongeveer 56% zo dicht en 45% lichter. Zuiver titanium is erg moeilijk te extraheren uit ilmeniet en daarom duurde het ongeveer 145 jaar voordat het metaal algemeen bruikbaar werd.

Titaniumlegeringen worden gemaakt wanneer gecontroleerde hoeveelheden andere elementen, zoals chroom, ijzer, vanadium, aluminium, stikstof, niobium, molybdeen, ruthenium - worden toegevoegd aan titanium.

Door andere elementen aan titanium toe te voegen, kan het sterker of beter bestand zijn tegen corrosie. Dit, naast andere kwaliteiten, maakt titaniumlegeringen gewild in de lucht- en ruimtevaart, auto, chemisch, sieraden, biomedisch, bouw en andere industrieën.

Maar titanium en zijn legeringen zijn erg duur. Omdat titanium moeilijk uit zijn erts te winnen is, het maken van eindproducten omvat veel complexe stappen die veel energie vergen en veel afval opleveren. Bijvoorbeeld in de lucht- en ruimtevaartindustrie, waar het het meest wordt gebruikt, 11 kg titanium maakt slechts 1 kg eindproduct.

Mijn collega's en ik onderzoeken hoe we in Zuid-Afrika nieuwe goedkope titaniumlegeringen kunnen ontwikkelen die kunnen worden gebruikt in niet-luchtvaartsectoren. Onderzoek als dit gebeurt elders in de wereld terwijl wetenschappers werken aan het verlagen van de kosten van titaniumlegeringen.

Als ons werk succesvol is, naar mijn weten, dit kunnen de eerste lokaal ontworpen goedkope titaniumlegeringen in Zuid-Afrika zijn. Goedkope legeringen zouden de weg vrijmaken voor betaalbare zuinige auto's en betaalbare medische implantaten en protheses. De industrie zou ook banen creëren en inkomsten genereren uit verkoop.

Soorten legering

Titaniumlegeringen kunnen in drie basisvormen voorkomen:alfa, bèta en een combinatie van alfa en bèta - afhankelijk van de hoeveelheid en het type metaal dat wordt toegevoegd.

Alfa-titaniumlegeringen ontstaan ​​wanneer elementen zoals aluminium, blik, zuurstof en stikstof worden toegevoegd aan titanium. Hierdoor behoudt de legering zijn structuur bij temperaturen tot 882 °C en verbetert de sterkte. Het is ook bestand tegen corrosie en kruip, wat betekent dat het langzaam vervormt gedurende een lange periode van blootstelling aan hoge niveaus van stress.

Maar alfa-titaniumlegeringen zijn moeilijker in vormen te vormen en, in vergelijking met andere legeringen, verbeteren niet bij verwarming of koeling. Ze worden meestal gebruikt voor ruimtevaartconstructies, motoren en schepen die druk moeten doorstaan.

Beta-titaniumlegeringen worden gemaakt wanneer grote hoeveelheden elementen, zoals ijzer, vanadium, chroom en molybdeen—worden toegevoegd. De sterkte bij kamertemperatuur van deze legering is hoog, terwijl de sterkte bij hoge temperatuur slecht is. Deze legeringen kunnen gemakkelijk in vormen worden gevormd, zelfs bij kamertemperatuur, waardoor ze een aantrekkelijk materiaal zijn voor orthopedische implantaten.

Het derde type legering combineert alfa en bèta. Dit betekent dat aanzienlijke hoeveelheden van zowel alfa- als bèta-stabiliserende elementen, zoals ijzer en aluminium, worden toegevoegd. Dit geeft de legeringen een goede combinatie van sterkte en vervormbaarheid. Ze zijn verreweg de meest ontwikkelde en meest gebruikte legering. Ze zijn geschikt voor een breed scala aan toepassingen, van de lucht- en ruimtevaart tot de auto- en biomedische industrie.

Goedkopere legeringen

Onze focus ligt op het maken van een goedkoper type van de derde legering:combinatie van alfa en bèta.

We doen dit door de hoeveelheden elementen in de commerciële legering te veranderen, bekend als Ti-6Al-4V. Bijvoorbeeld, we vervangen het grootste deel van het vanadium door ijzer, omdat vanadium zeldzaam en duur is, ongeveer 150 keer duurder dan ijzer. We moeten voorzichtig zijn in onze verhoudingen omdat, bijvoorbeeld, ijzer zou tijdens het smelten kunnen scheiden en verschillende verbindingen kunnen vormen.

We hebben ook de hoeveelheid aluminium in de legering verminderd. Dit komt omdat eerdere studies hebben gemeld dat titaniumlegeringen die aluminium bevatten moeilijk te vormen waren, en zo resulteerde in de slijtage van gereedschap.

De volgende stap was het verminderen van afvalmateriaal wanneer de legeringen in vormen worden gevormd. Het vormen van titaniumlegeringen in verschillende vormen is meestal goed voor 30% van de totale kosten van het produceren van titaniumproducten, en tot 20% afval gegenereerd.

Hiervoor hebben we gekeken in hoeverre microstructuren (interne structuur dan alleen met microscopen te zien is) gemanipuleerd kunnen worden om de gewenste eigenschappen in de legeringen te krijgen. Dit zou de kosten tijdens commerciële productie verlagen, omdat we weten hoe ver we de legering kunnen uitrekken of persen zonder dat deze breekt.

Legeringen produceren

We produceerden de legeringen met een conventionele techniek die vacuümboogsmelten wordt genoemd. De vacuümboogsmeltoven bevindt zich bij Mintek, de nationale onderzoeks- en ontwikkelingsorganisatie van Zuid-Afrika.

De beperking hierbij is dat er alleen samples ter grootte van een knop werden geproduceerd. We konden dus geen monsters maken voor een breed scala aan tests.

We vergeleken de hardheid van de legeringen en ontdekten dat de nieuw gemaakte legeringen hogere hardheidswaarden hadden in vergelijking met commerciële alfa- en bèta-legeringen. In sommige gevallen waren ze vergelijkbaar.

We hebben ook onderzocht hoe de nieuw gemaakte legeringen corroderen in zout- en zuuroplossingen en ontdekten dat ze in beide oplossingen een betere corrosieweerstand hadden.

We konden monsters van de legeringen testen bij verschillende temperaturen en vormsnelheden om de beste combinatie te vinden om de legeringen in vormen te vormen zonder defecten. We zagen dat de legeringen een breed verwerkingsvenster hadden. Slechts een klein aantal temperaturen en vervormingssnelheden moest worden vermeden.

Nog te doen

Er is meer te doen. We konden de sterkte van deze legeringen bij kamertemperatuur niet meten omdat we grotere monsters nodig hadden.

We hebben ook niet de lasbaarheid van deze legeringen bestudeerd of hoe gemakkelijk het is om ze machinaal in verschillende vormen en maten te snijden. Het machinaal bewerken van titaniumlegeringen is goed voor ongeveer 30-40% van de totale kosten om ze te maken.

Door de steun van een postdoctoraal fellowship-programma van de African Academy of Sciences, we hebben financiering ontvangen om onze studies over de nieuw ontwikkelde legeringen voort te zetten. We zijn nu in staat om grotere monsters te produceren met behulp van de vacuüm-inductiesmeltoven van de Council for Scientific and Industrial Research.

De grote uitdaging bij het maken van grotere legeringen is dat we moesten improviseren. We gebruikten een vacuümsmeltoven die niet is ontworpen voor het maken van nieuwe legeringen. De juiste oven is beschikbaar in Zuid-Afrika, maar heeft reparatie nodig.

Echter, onze resultaten tot nu toe zijn bemoedigend.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.