Un nuevo tiempo para el titanio (1)

Entre los metales, la resistencia y ligereza del titanio, su resistencia a la corrosión y su capacidad para soportar temperaturas extremas han distinguido durante mucho tiempo su valor, particularmente para aplicaciones sensibles al peso y al medio ambiente. Cuando se describió por primera vez a finales del siglo XVIII, un codescubridor nombró al metal en honor a los Titanes, dioses nacidos de la Tierra y el cielo en la mitología griega antigua.

El tiempo sólo ha pulido el brillo del titanio. "Soy científico de materiales y por eso la gente a veces me pregunta: '¿Cuál es tu elemento favorito?'", dice Andrew Minor, profesor de ciencia e ingeniería de materiales. Para edificios, aviones, misiles, naves espaciales y más, dice: "Si quieres el material más resistente con el menor peso, es titanio. Si pudiéramos, haríamos todo con titanio".

De hecho, para los diseñadores industriales, la perspectiva de automóviles, camiones y aviones fuertes, livianos y altamente eficientes en el consumo de combustible, por ejemplo, o buques de carga súper resistentes a la corrosión, el titanio debe ser algo de ensueño.

¿El problema? "Es demasiado caro", dice Minor sobre el titanio de grado industrial o las aleaciones de titanio que de otro modo podrían reemplazar al acero cuando sólo los materiales más fuertes y duraderos serán suficientes. El coste de fabricar titanio es aproximadamente seis veces mayor que el del acero inoxidable. Como resultado, sus usos se han limitado a piezas especiales para la industria aeroespacial, artículos de alta gama como joyería u otras aplicaciones específicas.

Además, el titanio puro tiene una resistencia moderada, explica Minor. Puede reforzarse con elementos como oxígeno, aluminio, molibdeno, vanadio y circonio; sin embargo, esto suele ser a expensas de la ductilidad: la capacidad de un metal para estirarse o deformarse sin fracturarse.

Ahora, después de una década de investigación, es posible que se esté acercando una nueva era para el titanio, que incluye aplicaciones de ingeniería enormemente ampliadas, gracias a Minor y sus colegas de Berkeley, incluidos Mark Asta, Daryl Chrzan y JW Morris Jr., también profesores del Departamento. de Ciencia e Ingeniería de Materiales. Han estado probando y pinchando el titanio de muchas maneras con la esperanza de ampliar su uso práctico para una variedad de aplicaciones estructurales o de ingeniería.

En cambio, lo que impulsa el costo excesivo del titanio de calidad comercial, explica Minor, es el complejo proceso Kroll que se utiliza con mayor frecuencia para fabricar barras, lingotes y otras formas de metal de titanio que pueden transformarse en piezas utilizables y otros productos. El proceso incluye el uso de materiales costosos como el gas argón, y consume mucha energía y requiere múltiples fusiones a temperaturas extremadamente altas, especialmente para controlar las impurezas de oxígeno.

De hecho, el titanio y el oxígeno tienen una relación desconcertante que Minor, Asta, Chrzan, Morris y sus colegas han querido comprender mejor. El equipo sabía que a menudo se utiliza una impureza de oxígeno en las aleaciones de titanio para aprovechar un potente efecto fortalecedor. El titanio fabricado con sólo un pequeño aumento en la cantidad de oxígeno atómico puede dar como resultado un metal con un aumento de resistencia varias veces mayor.

Desafortunadamente, el oxígeno también puede producir una disminución aún mayor en la ductilidad del metal. Se vuelve quebradizo y se fracturará y romperá.

Pero "el oxígeno está en todas partes", dice Minor sobre la dificultad de maniobrar en torno a la alta capacidad de respuesta del titanio al oxígeno. "No es una impureza proveniente del material original que se pueda evitar".

Él caracteriza la sensibilidad del titanio al oxígeno como extrema. "Es realmente extraño lo poderoso que es", dice Minor. Ejerce efectos sobre el metal, tanto buenos como malos, mientras que la presencia de cantidades similares de oxígeno es insignificante para metales como el aluminio y el acero porque se puede procesar mucho más fácilmente.

Para obtener más información, el equipo recurrió a la informática de alto rendimiento para modelar el proceso de deformación del titanio bajo tensión y con diferentes cantidades de oxígeno. Los modelos informáticos, afirma Asta, son un "poderoso conjunto de herramientas que nos permiten investigar este desafío excepcional en la metalurgia del titanio".

De los principales descubrimientos del equipo, la combinación de átomos de oxígeno en la estructura cristalina del titanio cuando el metal está bajo tensión se convirtió en la clave para comprender la pérdida de ductilidad. En un estado no estresado, las moléculas de oxígeno residen sin incidentes en los espacios naturales entre los átomos de titanio. Pero bajo fuerzas mecánicas, los átomos de oxígeno pueden desplazarse a espacios adyacentes donde ofrecen menos resistencia a las dislocaciones que, si se propagan, debilitan el metal.

"El oxígeno promueve una debilidad estructural", dice Minor. A medida que las fuerzas mecánicas deforman el metal, los átomos de oxígeno desplazados, en lugar de bloquear la propagación de defectos estructurales, pueden facilitar el llamado deslizamiento plano.

Un deslizamiento plano, dice Asta, es como una onda de defectos en la estructura cristalina del metal que se acumulan uno sobre otro, provocando eventualmente fracturas, grietas y una pieza de metal quebradiza.

Para comprender cómo se puede formar y propagar una dislocación en el titanio, Chrzan sugiere visualizar el intento de mover una alfombra grande y pesada.

"Una alfombra muy grande se puede coger por un extremo y arrastrar por el suelo hasta una nueva posición", afirma. Pero otra forma de mover la alfombra es crear una onda en un extremo y luego, arrastrando los pies por la parte superior de la alfombra, puedes "caminar" la onda hasta el otro extremo. Si nada bloquea su movimiento, toda la alfombra habrá sido desplazada una distancia igual al ancho de la ondulación.

Estas "ondulaciones" en el titanio se pueden observar con microscopía electrónica. "Se puede ver que todas las dislocaciones están alineadas, en filas", dice Minor. "Y eso es malo para la ductilidad porque si se alinean y sólo se suceden entre sí, no se enredan [y por lo tanto se detienen] de modo que el metal no se endurece. Se obtiene una concentración de tensión, y ahí es donde se obtiene una grieta."

(Continuará)