Titanium is sterk en licht van gewicht en biedt de hoogste sterkte-gewichtsverhouding van elk structureel metaal. Maar het verwerken ervan met behoud van een goede balans tussen sterkte en taaiheid - het vermogen van een metaal om eruit te worden getrokken zonder te breken - is een uitdaging en duur. Als gevolg hiervan is titanium gedegradeerd tot nichegebruik in geselecteerde industrieën.

Nu, zoals gerapporteerd in een recente studie gepubliceerd in het tijdschrift Science , hebben onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy een nieuwe en praktische weg voorwaarts ontdekt.

Het team ontdekte dat ze een techniek genaamd cryo-smeden konden gebruiken om puur titanium te manipuleren op de schaal van een miljardste van een meter (een nanometer) bij ultralage temperaturen om extra sterk "nanot gewonnen" titanium te produceren zonder iets van zijn taaiheid op te offeren .

"Deze studie is de eerste keer dat iemand een pure nanotwinned-structuur in bulkmateriaal heeft geproduceerd", zegt Andrew Minor, de projectleider van het onderzoek en directeur van het National Center for Electron van de Molecular Foundry, een gebruikersfaciliteit voor nanowetenschappen in Berkeley Lab. "Met nanotwinned titanium hoeven we niet langer te kiezen tussen sterkte en vervormbaarheid, maar kunnen we beide bereiken."

Kleinschalige veranderingen hebben een grote invloed op eigenschappen

De mechanische eigenschappen van metalen hangen gedeeltelijk af van hun korrels - kleine individuele kristallijne gebieden met zich herhalende atomaire patronen die de interne structuur van het materiaal vormen. Grenzen tussen korrels, waar het patroon verandert, versterken metalen door te voorkomen dat defecten die bekend staan ​​​​als dislocaties oversteken en de structuur van het materiaal verzwakken. Stel je de korrels voor als straten en de korrelgrenzen als stoplichten die de doorgang van atomaire 'auto's' verhinderen.

Een manier om een ​​metaal te versterken is door simpelweg de korrels te verkleinen om meer grenzen te creëren door het te smeden - het materiaal bij hoge temperaturen of zelfs kamertemperatuur samen te persen door het te walsen of te hameren. Dit type verwerking gaat echter vaak ten koste van de ductiliteit - de interne structuur wordt verbroken, waardoor deze vatbaar is voor breuk. De kleinere graan "straten" en toename van "stoplichten" leidt tot een atomaire verkeersopstapeling en breekt het materiaal.

"De sterkte van een materiaal is normaal gesproken gecorreleerd met de grootte van de inwendige korrels - hoe kleiner hoe beter", zegt Minor, die ook hoogleraar materiaalkunde en engineering is aan UC Berkeley. "Maar hoge sterkte en taaiheid sluiten elkaar over het algemeen uit."

Voer nanotwins in. Nanotwins zijn een specifiek type atomaire rangschikking waarbij de kleine grenzen in de kristalstructuur symmetrisch op één lijn liggen, als spiegelbeelden van elkaar. Terug op de atomaire wegen veranderen de stoplichten op de graan-"straten" in verkeersdrempels met een nanotwinned-structuur, waardoor het voor atomen gemakkelijker wordt om zich te verplaatsen zonder de opbouw van stress, terwijl de kracht behouden blijft.

De tweeling in titanium zetten

Nanotwinned materialen zijn niet nieuw. Het maken ervan vereist echter meestal gespecialiseerde technieken die kostbaar kunnen zijn. Deze technieken hebben gewerkt voor een select aantal metalen zoals koper en worden meestal alleen gebruikt om dunne films te maken. Bovendien vertalen dunne-filmeigenschappen zich meestal niet naar bulkmaterialen.

Om nanotwinned titanium te maken, gebruikte het onderzoeksteam een ​​eenvoudige techniek, cryo-smeden - het manipuleren van de structuur van het metaal bij ultralage temperaturen. De techniek begint met een kubus van zeer zuiver (meer dan 99,95%) titanium geplaatst in vloeibare stikstof bij min 321 graden Fahrenheit. Terwijl de kubus ondergedompeld is, wordt compressie toegepast op elke as van de kubus. Onder deze omstandigheden begint de structuur van het materiaal nanotwin-grenzen te vormen. De kubus wordt later verwarmd tot 750 graden Fahrenheit om eventuele structurele defecten te verwijderen die zich tussen de tweelinggrenzen hebben gevormd.

De onderzoekers onderwierpen het nieuw gevormde materiaal aan een reeks stresstests en gebruikten de elektronenmicroscopen van de Molecular Foundry om de bron van zijn unieke eigenschappen te ontdekken. Tijdens deze tests ontdekten ze dat nanotwin-titanium een ​​betere vervormbaarheid had omdat het zowel nieuwe nanotwin-grenzen kan vormen als eerder gevormde grenzen ongedaan kan maken, die beide helpen bij vervorming. Ze testten het materiaal bij extreme temperaturen tot 1112 graden Fahrenheit, zo heet als stromende lava, en ontdekten dat het zijn structuur en eigenschappen behield, wat de veelzijdigheid van het materiaal aantoont.

Bij superkoude temperaturen is nanotwinned titanium in staat om meer spanning te weerstaan ​​dan normaal titanium, wat het tegenovergestelde is van wat over het algemeen gebeurt voor de meeste metalen - bij lage temperaturen worden de meeste materialen brozer.

De grootte en het aantal van deze nanotwin-structuren kunnen de eigenschappen van het metaal veranderen.

In het geval van titanium ontdekten de onderzoekers dat nanotwinning de sterkte van het metaal verdubbelde en de taaiheid met 30% verhoogde bij kamertemperatuur. Bij superlage temperaturen was de verbetering zelfs nog dramatischer:het nanotwinned titanium was in staat om in lengte te verdubbelen voordat het brak.

Nanotwinned titanium behield ook zijn uitstekende eigenschappen bij relatief hoge temperaturen, wat aantoont dat deze eigenschappen niet alleen zouden blijven bestaan ​​in het gematigde klimaat van de San Francisco Bay Area, maar ook in de extreme koude van de ruimte en in de buurt van de intense hitte van een straalmotor.

Het fabriceren van nanotwinned titanium met behulp van cryo-smeden is potentieel kosteneffectief, schaalbaar voor commerciële productie en levert een gemakkelijk te recyclen product op. Bovendien, zoals Minor zei:"We hebben het nanotwinning-mechanisme in titanium laten zien, maar het is heel goed mogelijk dat het zal werken in andere materialen waar de ductiliteit beperkt is." Van hieruit hopen de onderzoekers het proces dat ze voor titanium hebben ontwikkeld te nemen en te bepalen of het ook op andere metalen kan worden toegepast. + Verder verkennen

Extreem sterk nano-twinned puur nikkel met extreem fijne twin-dikte