William Gregor, en amatörmineralog och kemist, upptäckte först ilmenit – en del svart sand innehållande en av världens lättaste metaller – i Storbritannien 1791. Fyra år senare, denna lättmetall isolerades och fick namnet "titanium" av en tysk kemist Martin Heinrich Klaproth.

Titan har jämförbar styrka som stål, världens mest använda metall, men är cirka 56 % lika tät och 45 % lättare. Rent titan är mycket svårt att utvinna ur ilmenit och det tog därför cirka 145 år innan metallen blev allmänt användbar.

Titanlegeringar görs när man kontrollerar mängder av andra grundämnen - som krom, järn, vanadin, aluminium, kväve, niob, molybden, rutenium – tillsätts till titan.

Att lägga till andra element i titan kan göra det starkare eller mer motståndskraftigt mot korrosion. Detta, vid sidan av andra egenskaper, gör titanlegeringar eftertraktade inom flygindustrin, bil, kemisk, smycke, biomedicinska, bygg- och andra industrier.

Men titan och dess legeringar är mycket dyra. Eftersom titan är svårt att utvinna från sin malm, Att skapa färdiga produkter innebär många komplexa steg som kräver mycket energi och genererar mycket avfall. Till exempel inom flygindustrin, där det är vanligast, 11 kg titan ger bara 1 kg av en färdig produkt.

Mina kollegor och jag undersöker hur vi kan utveckla nya billiga titanlegeringar i Sydafrika som kan användas i andra sektorer än flygindustrin. Forskning som denna sker på andra håll i världen när forskare arbetar för att minska kostnaderna för titanlegeringar.

Om vårt arbete är framgångsrikt, såvitt jag vet, dessa kan vara de första lokalt designade billiga titanlegeringarna i Sydafrika. Lågkostnadslegeringar skulle bana väg för prisvärda bränslesnåla bilar och prisvärda medicinska implantat och proteser. Branschen skulle också skapa arbetstillfällen och generera intäkter från försäljning.

Typer av legeringar

Titanlegeringar kan existera i tre grundläggande former - alfa, beta och en kombination av alfa och beta – beroende på mängden och typen av metall som tillsätts.

Alfa titanlegeringar skapas när element som aluminium, tenn, syre och kväve tillsätts till titan. Detta gör att legeringen kan behålla sin struktur i temperaturer på upp till 882°C och förbättrar dess hållfasthet. Den är också motståndskraftig mot korrosion och krypning – vilket betyder att den är långsam att deformeras under en lång period av exponering för höga nivåer av stress.

Men alfa titanlegeringar är svårare att forma till former och, jämfört med andra legeringar, förbättras inte när den värms eller kyls. De används vanligtvis för rymdstrukturer, motorer och fartyg som måste utstå tryck.

Beta titanlegeringar görs när stora mängder grundämnen, som järn, vanadin, krom och molybden—tillsätts. Rumstemperaturhållfastheten hos denna legering är hög, medan dess höga temperaturhållfasthet är dålig. Dessa legeringar kan lätt formas till former, även vid rumstemperatur, vilket gör dem till ett attraktivt material för ortopediska implantat.

Den tredje typen av legering kombinerar alfa och beta. Detta innebär att avsevärda mängder av både alfa- och betastabiliserande element – ​​som järn och aluminium – tillsätts. Detta ger legeringarna en bra kombination av styrka och duktilitet. De är den överlägset mest utvecklade och mest använda legeringen. De är lämpliga för ett brett spektrum av applikationer från flyg- till fordons- och biomedicinska industrier.

Billigare legeringar

Vårt fokus ligger på att göra en billigare typ av den tredje legeringen:kombination av alfa och beta.

Vi gör detta genom att ändra mängden element som finns i den kommersiella legeringen, känd som Ti-6Al-4V. Till exempel, vi ersätter det mesta av vanadin med järn, eftersom vanadin är sällsynt och dyrt, cirka 150 gånger dyrare än järn. Vi måste vara försiktiga i våra proportioner eftersom, till exempel, järn skulle kunna segregera under smältning och bilda olika föreningar.

Vi minskade också mängden aluminium i legeringen. Detta beror på att tidigare studier rapporterade att titanlegeringar som innehåller aluminium var svåra att forma, och så resulterade i slitage på verktyg.

Nästa steg var att minska avfallsmaterial när legeringarna formas till former. Att forma titanlegeringar till olika former står vanligtvis för 30 % av den totala kostnaden för att producera titanleger, och upp till 20 % avfall genereras.

För att göra detta tittade vi på hur långt mikrostrukturer (inre struktur än som bara kan ses med mikroskop) kan manipuleras för att få de önskade egenskaperna i legeringarna. Detta skulle minska kostnaden under kommersiell produktion eftersom vi vet hur långt vi kan sträcka eller pressa legeringen utan att den går sönder.

Tillverkar legeringar

Vi tillverkade legeringarna med en konventionell teknik som kallas vakuumbågsmältning. Vakuumbågssmältugnen är belägen vid Mintek – Sydafrikas nationella forsknings- och utvecklingsorganisation.

Begränsningen med detta är att endast prover i knappstorlek producerades. Så vi kunde inte göra prover för en mängd olika tester.

Vi jämförde legeringarnas hårdhet och fann att de nytillverkade legeringarna hade högre hårdhetsvärden jämfört med kommersiella alfa- och betalegeringar. I vissa fall var de jämförbara.

Vi undersökte också hur de nytillverkade legeringarna korroderar i salt- och syralösningar och fann att de hade bättre korrosionsbeständighet i båda lösningarna.

Vi kunde testa prover av legeringarna vid olika temperaturer och formningshastighet för att hitta den bästa kombinationen för att forma legeringarna till former utan defekter. Vi såg att legeringarna hade ett brett bearbetningsfönster. Endast en liten uppsättning temperaturer och deformationshastigheter behövde undvikas.

Mer att göra

Det finns mer att göra. Vi kunde inte mäta rumstemperaturstyrkan hos dessa legeringar eftersom vi behövde större prover.

Vi har inte heller studerat svetsbarheten hos dessa legeringar eller hur lätt det är att maskinskära dem i olika former och storlekar. Bearbetning av titanlegeringar står för cirka 30%-40% av den totala kostnaden för att tillverka dem.

Genom stöd av ett postdoktoralt stipendiumsprogram från African Academy of Sciences, vi fick medel för att fortsätta våra studier av de nyutvecklade legeringarna. Vi kan nu producera större prover med hjälp av vakuuminduktionssmältugnen vid Council for Scientific and Industrial Research.

Den stora utmaningen när vi tillverkar större legeringar är att vi var tvungna att improvisera. Vi använde en vakuumsmältugn som inte är designad för att tillverka nya legeringar. Rätt ugn finns tillgänglig i Sydafrika, men behöver repareras.

Dock, våra resultat hittills är uppmuntrande.

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.