Un nuevo momento para el titanio, que hace un metal más fuerte, más barato y más sostenible

Entre los metales, la fuerza y ​​la ligereza del titanio, la resistencia a la corrosión y la capacidad de resistir temperaturas extremas han distinguido durante mucho tiempo su valor, particularmente para aplicaciones sensibles al peso y el medio ambiente. Cuando se describió por primera vez a fines del siglo XVIII, un co -descubridor nombró al metal para los titanes, dioses nacidos de la tierra y el cielo en la mitología griega antigua.

El tiempo solo ha brutado el brillo de titanio. "Soy un científico de materiales, por lo que 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 desea el material más fuerte por la menor cantidad de 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 combustible, por ejemplo, o barcos de carga resistentes a la súper corrosión, el titanio debe ser algo de sueños.

El problema? "Es demasiado caro", dice Minor sobre las aleaciones de titanio o titanio de grado industrial que de otro modo podrían reemplazar el acero cuando solo los materiales más fuertes y duraderos serán suficientes. El costo de hacer titanio es aproximadamente seis veces mayor que el de acero inoxidable. Como resultado, sus usos se han limitado a piezas especializadas para artículos aeroespaciales, de alta gama como joyas u otras aplicaciones de nicho.

Además, el titanio puro solo tiene fuerza moderada, explica Minor. Se puede fortalecer con elementos como oxígeno, aluminio, molibdeno, vanadio y circonio; Sin embargo, eso a menudo es a expensas de la ductilidad: la capacidad de un metal para ser dibujado o deformado sin fracturarse.

Ahora, después de una década de investigación, una nueva era para el titanio, que incluye aplicaciones de ingeniería muy ampliadas, puede estar acercándose, gracias a Minor y sus colegas de Berkeley, incluidos Mark Asta, Daryl Chrzan y JW Morris Jr., también profesores en el departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales. Han estado investigando y prodigando titanio de muchas maneras con la esperanza de expandir su uso práctico para una variedad de aplicaciones estructurales o de ingeniería.

En una serie de estudios, los investigadores han desarrollado nuevas ideas críticas sobre el titanio, incluidas las recetas para hacer mejores aleaciones de titanio, así como una técnica cryo forjada para hacer titanio de grado industrial, avances que finalmente podrían conducir a más rentables y sostenibles fabricación.

Un dibujo esquemático del proceso crio-mecánico que resulta en titanio nanotned.

(Ilustración de Andrew Minor)

El enigma de oxígeno

Es importante entender que el costo del titanio no se debe a su rareza. El titanio no es un metal precioso; Más bien, se encuentra en casi todas partes del mundo, en rocas ígneas cerca de la superficie. Es el noveno elemento más abundante de la Tierra y el cuarto metal más abundante, y se puede usar para hacer las cosas tanto en su forma pura como como una aleación.

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

De hecho, el titanio y el oxígeno tienen una relación desconcertante, una que Minor, Asta, Chrzan, Morris y sus colegas han querido entender mejor. El equipo sabía que una impureza de oxígeno a menudo se usa para que las aleaciones de titanio aprovechen un potente efecto de fortalecimiento. El titanio hecho con solo un pequeño aumento en la cantidad de oxígeno atómico puede provocar un metal con un aumento de varias veces en la resistencia.

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

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

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

Para obtener más información, el equipo recurrió a la computación de alto rendimiento para modelar el proceso de deformación en titanio bajo estrés y con diferentes cantidades de oxígeno. Los modelos de computadora, dice ASTA, son un "poderoso conjunto de herramientas que nos permiten investigar este desafío sobresaliente en la metalurgia de titanio".

De los principales descubrimientos del equipo, una baraja de átomos de oxígeno en la estructura cristalina del titanio cuando el metal está bajo estrés se convirtió en clave para comprender la pérdida de la ductilidad. En un estado no estresado, las moléculas de oxígeno residen sin incidentes en espacios naturales entre los átomos de titanio. Pero bajo las fuerzas mecánicas, los átomos de oxígeno pueden barajar en espacios adyacentes donde proporcionan 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 un llamado deslizamiento plano.

Un resbalón plano, dice Asta, es como una onda de defectos en la estructura cristalina del metal que construye uno en el otro, lo que eventualmente conduce a fracturas, grietas y una pieza de metal quebradiza.

Para comprender cómo una dislocación puede formarse y extenderse en titanio, Chrzan sugiere visualizar tratar de mover una alfombra grande y pesada.

"Se puede recoger una alfombra muy grande en un extremo y arrastrarse por el piso a una nueva posición", dice. 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, puede "caminar" la onda hacia el otro extremo. Siempre que nada bloquee su movimiento, toda la alfombra habrá sido desplazada por una distancia igual al ancho de la onda.

Tales "ondas" en titanio se pueden ver con microscopía electrónica. "Puedes ver que todas las dislocaciones están alineadas en filas", dice Minor. "Y eso es malo para la ductilidad porque si se alinean y solo se siguen, no se enredan [y, por lo tanto, se detienen] de tal manera que el metal no funciona. una grieta ".

Creando mejores aleaciones

Las estrategias de diseño que interrumpen el proceso de arrastre de átomo de oxígeno o promueven nanoestructuras para evitar que los resbalones planos se acumulen podrían conducir a mejores aleaciones. Estas aleaciones tendrían aplicaciones, especialmente en las industrias automotrices y aeroespaciales, dice Minor.

El profesor Andrew Minor vierte nitrógeno líquido en una muestra de titanio, lo que demuestra el proceso de forraje criosed utilizado para crear titanio con nanotged en su laboratorio. (Foto de Adam Lau / Berkeley Engineering)

Para abordar estos y otros problemas, el equipo se basa en una combinación de modelado por computadora, microscopía electrónica de transmisión (TEM) y otras modalidades de imagen y experimentos.

"Una de las cosas que han sido agradables sobre este proyecto es que a veces los computacionalistas y teóricos están un poco por delante, y otras veces son los experimentadores", dice Asta. "Nos reunimos con frecuencia y hablamos sobre nuestros hallazgos y nuestras nuevas ideas".

El estudio del equipo sobre la sensibilidad al oxígeno de titanio, por ejemplo, condujo a un estudio de titanio aleado con aluminio y oxígeno. Descubrieron que la fragilidad de oxígeno podría eliminarse agregando pequeñas cantidades de aluminio, especialmente a temperaturas criogénicas, que están por debajo de -150 grados Celsius.

Con las cantidades justas de aluminio y oxígeno, dice el equipo, un nuevo pedido de la estructura de cristal de titanio evitó un barajamiento de átomos de oxígeno que conducirían a una acumulación dañina de dislocaciones y, en última instancia, fracturas. Además, debido a que la introducción de aluminio redujo la sensibilidad al oxígeno del titanio en general, los costos de procesamiento para crear un metal utilizable también se reducirían.

En otro estudio más, el equipo analizó la investigación que se remonta a la década de 1960 que muestra que muchos metales y aleaciones muestran aumentos dramáticos en la ductilidad cuando se someten a pulsos eléctricos periódicos durante la deformación del metal. Pero los mecanismos subyacentes de por qué esta llamada electroplasticidad podría ser cierta no están claros.

"La electroplasticidad puede conducir a costos reducidos para el procesamiento metalúrgico, ya que se necesita menos energía para formar metal con pulsos eléctricos que calentar todo el metal a una temperatura alta para lograr la misma formabilidad", dice Minor. "Curiosamente, este efecto de la electroplasticidad es universal, ya que se ha demostrado que funciona esencialmente para todos los metales, no solo titanio".

El equipo realizó pruebas de tracción del metal en tres condiciones diferentes: temperatura ambiente sin corriente eléctrica, con un pulso eléctrico periódico de 100 milisegundos de duración y con una corriente constante. Debido a que la aplicación de corriente eléctrica calienta el metal, el equipo estaba preocupado por distinguir los efectos causados ​​únicamente por la electricidad de los causados ​​por el calor.

Sus resultados mostraron que, a pesar de usar un pulso periódico más pequeño que los estudios anteriores, el método de corriente pulsada mejoró el alargamiento de la tracción de la aleación de titanio, así como su máxima resistencia. Señalan que este efecto fue específico solo para el experimento de corriente pulsada.

Con la ayuda de TEM para ver cambios en la estructura cristalina del metal, sus resultados sugieren que el tratamiento con corriente pulsada suprime las dislocaciones de deslizamiento plano. Los investigadores encontraron que el pulso eléctrico endurece el material y frustra el desarrollo del deslizamiento plano al mantener un patrón de dislocación 3D difuso que finalmente ofrece alta resistencia y ductilidad.

Titanio de nanotaborate

Más recientemente, Minor y Robert Ritchie, profesores de ciencia de materiales e ingeniería mecánica, desarrollaron un método de procesamiento a granel pionero para hacer titanio puro que sea menos costoso y produce un metal con mayor resistencia a la tracción y ductilidad.

Profesores de ciencia e ingeniería de materiales (desde la izquierda) Daryl Chrzan, Mark Asta y Andrew Minor con el proyecto del equipo I (microscopio corregido por aberración de electrones de transmisión) en el Centro Nacional de Microscopía Electrónica de Berkeley Lab. (Foto de Adam Lau / Berkeley Engineering)

Además de las aleaciones, otra forma de fortalecer los metales estructurales es adaptar el tamaño de los cristales, también conocidos como grano, que componen el metal utilizando el procesamiento de calor y mecánico, como rodar o presionar. Al reducir el tamaño del grano a submicrómetros o nanómetros, los investigadores pueden introducir las llamadas estructuras o defectos en el metal causados ​​por estructuras de cristal alineadas. Las estructuras de Nanotnedped mejoran la resistencia y reducen el riesgo de fractura al actuar como una barrera para los resbalones planos. Al adaptar el espaciado y la orientación de las estructuras de nanotaboradas, dice Minor, las propiedades mecánicas pueden optimizarse aún más. Pero los métodos tradicionales de hacerlo no son triviales ni baratos.

En cambio, Minor, Ritchie y sus colegas introdujeron múltiples estructuras de nanotas en titanio puro por medio de un proceso crio mecánico. Usaron piezas de titanio en forma de cubo que se presionaron a lo largo de tres lados en nitrógeno líquido. La compresión suave, dice Minor, controla la densidad de las estructuras de nanotas que fortalecen el metal al tiempo que preservan su estructura de grano inicial. Lo mejor de todo es que el proceso no depende del calor intenso y tal vez una forma más sostenible de hacer titanio para una gama mucho más amplia de aplicaciones que hoy.

Las propiedades mecánicas del material forjado crio, específicamente la resistencia y la ductilidad, se mantienen a temperaturas extremadamente altas y criogénicas. Minor dice que el rendimiento del titanio de Nanotwinned lo hace ideal para cosas como motores de reacción extremadamente calientes, así como entornos de operación muy fríos que sugerirían usos como anillos de retención para imanes superconductores, partes estructurales de tanques de gas natural licuados, así como materiales que se pueden Expuesto a entornos profundos del océano o del espacio profundo.

Cuando se le preguntó si el nuevo proceso de fabricación de titanio de grado comercial podría ponerse a escala un día pronto, Minor dice, ¿por qué no? Es más difícil hacer cosas como el proceso Kroll que se usa hoy, donde el material debe aislarse eléctricamente y todo el proceso requiere grandes cantidades de potencia. "Y esta forra criovía, solo estaríamos poniendo las cosas en un baño".