Ett schema som visar kryosmidningsprocessen för att generera en nanotvinnande struktur i högrent titan. Kredit:Andy Minor/Berkeley Lab
Titan är starkt och lätt och har det högsta förhållandet mellan styrka och vikt av någon strukturell metall. Men att bearbeta den samtidigt som den upprätthåller en bra balans mellan styrka och duktilitet – en metalls förmåga att dras ut utan att gå sönder – är utmanande och dyrt. Som ett resultat har titan förpassats till nischade användningsområden i utvalda industrier.
Nu, som rapporterats i en nyligen publicerad studie publicerad i tidskriften Science , har forskare vid Department of Energys Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) upptäckt en ny och praktisk väg framåt.
Teamet fann att de kunde använda en teknik som kallas kryosmidning för att manipulera rent titan i en skala av en miljarddels meter (en nanometer) vid ultralåga temperaturer för att producera extra stark "nanotvinnet" titan utan att offra något av dess formbarhet .
"Denna studie är första gången någon har producerat en ren nanotvinnande struktur i bulkmaterial", säger Andrew Minor, studiens projektledare och chef för National Center for Electron vid Molecular Foundry, en nanovetenskaplig användaranläggning vid Berkeley Lab. "Med nanotvinnet titan behöver vi inte längre välja mellan styrka och duktilitet utan kan istället uppnå båda."
Småskaliga förändringar påverkar egenskaperna i stor utsträckning
De mekaniska egenskaperna hos metaller beror delvis på deras korn - små individuella kristallina områden med upprepade atommönster som bildar materialets inre struktur. Gränser mellan korn, där mönstret förändras, stärker metaller genom att stoppa defekter som kallas dislokationer från att röra sig över och försvaga materialets struktur. Föreställ dig kornen som gator och korngränserna som stoppljus som förhindrar passage av atomära "bilar".
Ett sätt att stärka en metall är att helt enkelt krympa storleken på dess korn för att skapa fler gränser genom att smida den - komprimera materialet vid höga temperaturer eller till och med rumstemperatur genom att rulla eller hamra på det. Men den här typen av bearbetning sker ofta på bekostnad av duktiliteten - den inre strukturen bryts upp vilket gör den benägen att spricka. De mindre "gatorna" och ökningen av "stoppljus" leder till en atomtrafik och bryter sönder materialet.
"Styrkan hos ett material är normalt korrelerad med storleken på de inre kornen - ju mindre desto bättre", säger Minor, som också är professor i materialvetenskap och teknik vid UC Berkeley. "Men hög hållfasthet och duktilitet är i allmänhet ömsesidigt uteslutande egenskaper."
Ange nanotwins. Nanotwins är en specifik typ av atomarrangemang där de små gränserna i kristallstrukturen är symmetriskt i linje, som spegelbilder av varandra. Tillbaka på atomvägarna förvandlas stoppljusen på korn-"gatorna" till farthinder med en nanotvinnad struktur, vilket gör det lättare för atomer att röra sig utan att det byggs upp stress samtidigt som de bibehåller ökad styrka.
Forskare vid Berkeley Labs Molecular Foundry använde en elektronmikroskopiteknik som kallas elektron backscatter diffraction (EBSD) för att avbilda strukturen av rent titan med en nanotvinnande struktur. Varje färg representerar en unik orientering av kornen. De tunna remsorna avslöjar den nanotvinnade strukturen som produceras via en process som kallas kryosmidning. Kredit:Andy Minor/Berkeley Lab
Placera tvillingen i titan
Nanotvinnade material är inte nya. Men att göra dem kräver vanligtvis specialiserade tekniker som kan vara kostsamma. Dessa tekniker har fungerat för en utvald uppsättning metaller som koppar och används vanligtvis bara för att göra tunna filmer. Dessutom översätts för det mesta inte tunnfilmsegenskaper till bulkmaterial.
För att skapa nanotvinnet titan använde forskargruppen en enkel teknik, kryosmidning - manipulering av metallens struktur vid ultralåga temperaturer. Tekniken börjar med en kub av mycket rent (mer än 99,95%) titan placerad i flytande kväve vid minus 321 grader Fahrenheit. Medan kuben är nedsänkt, appliceras kompression på varje axel i kuben. Under dessa förhållanden börjar materialets struktur att bilda nanotwin-gränser. Kuben värms senare upp till 750 grader Fahrenheit för att ta bort eventuella strukturella defekter som bildats mellan tvillinggränserna.
Forskarna satte det nybildade materialet genom en serie stresstester och använde Molecular Foundrys elektronmikroskop för att avslöja källan till dess unika egenskaper. Under dessa tester fann de att nanotwinned titan hade bättre formbarhet eftersom det har förmågan att både bilda nya nanotwin-gränser och ångra tidigare bildade gränser, som båda hjälper till med deformation. De testade materialet till extrema temperaturer upp till 1 112 grader Fahrenheit, lika varmt som strömmande lava, och fann att det bibehöll sin struktur och egenskaper, vilket visar materialets mångsidighet.
Vid superkalla temperaturer kan nanotvinnet titan motstå mer påfrestningar än normalt titan, vilket är motsatsen till vad som vanligtvis händer för de flesta metaller - vid låga temperaturer blir de flesta material sprödare.
Storleken och antalet av dessa nanotwin-strukturer kan förändra metallens egenskaper.
När det gäller titan fann forskarna att nanotwinning fördubblade metallens styrka och ökade dess duktilitet med 30 % vid rumstemperatur. Vid superlåga temperaturer var förbättringen ännu mer dramatisk - det nanotvinnade titanet kunde fördubblas i längd innan det spricker.
Nanotwinned titan bibehöll också sina utmärkta egenskaper vid relativt höga temperaturer, vilket visar att dessa egenskaper inte bara skulle bestå i det tempererade San Francisco Bay Area-klimatet, utan också i den extrema kylan i yttre rymden och nära den intensiva värmen från en jetmotor.
Att tillverka nanotvinnet titan med hjälp av kryosmidning är potentiellt kostnadseffektivt, skalbart för kommersiell produktion och ger en lättåtervunnen produkt. Dessutom, som Minor sa, "Vi visade nanotwinning-mekanismen i titan, men det är mycket möjligt att det kommer att fungera i andra material där duktiliteten är begränsande." Härifrån hoppas forskarna kunna ta processen de utvecklat för titan och avgöra om den kan appliceras på andra metaller. + Utforska vidare
