Novo vrijeme za titanijum (1)
Među metalima, čvrstoća i lakoća titanijuma, otpornost na koroziju i sposobnost da izdrži ekstremne temperature dugo su istakli njegovu vrednost, posebno za aplikacije osetljive na težinu i okolinu. Kada je prvi put opisan u kasnom 18. veku, su-otkrivač je nazvao metal za Titane - bogove rođene od Zemlje i neba u drevnoj grčkoj mitologiji.
Vrijeme je samo usijalo titanijumski sjaj. "Ja sam naučnik o materijalima, pa me ljudi ponekad pitaju: 'Koji je tvoj omiljeni element?'", kaže Andrew Minor, profesor nauke o materijalima i inženjerstva. Za zgrade, avione, projektile, svemirske brodove i još mnogo toga, kaže: "Ako želite najjači materijal za najmanju težinu, to je titanijum. Da možemo, sve bismo napravili od titanijuma."
Zaista, za industrijske dizajnere, izgledi za jake, lagane automobile, kamione i avione sa visokom potrošnjom goriva, na primjer, ili super otporne na koroziju teretne brodove, titanijum mora biti stvar snova.
problem? "Preskupo je", kaže Minor o industrijskom titanijumu ili legurama titana koje bi inače mogle zamijeniti čelik kada će biti dovoljni samo najjači i najtrajniji materijali. Troškovi proizvodnje titanijuma su oko šest puta veći od troškova nerđajućeg čelika. Kao rezultat toga, njegova upotreba je ostala ograničena na specijalne dijelove za zrakoplovstvo, vrhunske predmete poput nakita ili druge nišne primjene.
Štaviše, čisti titanijum ima samo umerenu snagu, objašnjava Minor. Može se ojačati elementima kao što su kiseonik, aluminijum, molibden, vanadijum i cirkonijum; međutim, to je često na štetu duktilnosti – sposobnosti metala da se vuče ili deformiše bez loma.
Sada, nakon decenije istraživanja, nova era za titanijum, uključujući znatno proširene inženjerske primjene, mogla bi se približiti, zahvaljujući Minoru i njegovim kolegama s Berkeleyja, uključujući Marka Astu, Daryl Chrzana i JW Morrisa Jr., također profesore na Odsjeku nauke o materijalima i inženjerstva. Ispitivali su i gurali titanijum na razne načine u nadi da će proširiti njegovu praktičnu upotrebu za razne strukturalne ili inženjerske aplikacije.
Umjesto toga, ono što pokreće pretjeranu cijenu komercijalnog titanijuma, objašnjava Minor, je složen Kroll proces koji se najčešće koristi za pravljenje titanijumskih šipki, ingota i drugih oblika metala koji se mogu pretvoriti u upotrebljive dijelove i druge proizvode. Proces uključuje upotrebu skupih materijala poput plina argona, a energetski je intenzivan i zahtijeva višestruko topljenje na ekstremno visokim temperaturama, posebno za kontrolu nečistoća kisika.
Zaista, titanijum i kiseonik imaju zagonetan odnos, onaj koji su Minor, Asta, Chrzan, Morris i kolege želeli da bolje razumeju. Tim je znao da se nečistoća kiseonika često koristi za legure titanijuma kako bi se iskoristio snažan efekat jačanja. Titanijum napravljen sa samo malim povećanjem količine atomskog kiseonika može rezultirati metalom sa nekoliko puta povećanjem snage.
Nažalost, kisik također može dovesti do još većeg smanjenja duktilnosti metala. Postaje krhka i lomiće se i lomiti.
Ali "kiseonik je svuda", kaže Minor o poteškoćama u manevrisanju oko visoke reakcije titanijuma na kiseonik. "To nije neka nečistoća koja dolazi iz izvornog materijala koju jednostavno možete izbjeći."
On karakteriše osetljivost titanijuma na kiseonik kao ekstremnu. "Zaista je čudno koliko je moćan", kaže Minor. Deluje na metal, kako dobro tako i loše, dok je prisustvo sličnih količina kiseonika beznačajno za metale poput aluminijuma i čelika jer se s njim mnogo lakše može nositi u obradi.
Da bi saznao više, tim se okrenuo računarstvu visokih performansi kako bi modelirao proces deformacije u titanijumu pod stresom i različitim količinama kiseonika. Kompjuterski modeli, kaže Asta, su "moćan skup alata koji nam omogućavaju da istražimo ovaj izvanredni izazov u metalurgiji titanijuma."
Od najvećih otkrića tima, miješanje atoma kisika u kristalnoj strukturi titanijuma kada je metal pod stresom postalo je ključno za razumijevanje gubitka duktilnosti. U nenapregnutom stanju, molekule kiseonika borave bez incidenta u prirodnim prazninama između atoma titana. Ali pod mehaničkim silama, atomi kisika mogu se pomaknuti u susjedne prostore gdje pružaju manji otpor dislokacijama koje, ako se šire, slabe metal.
"Kisik podstiče strukturnu slabost", kaže Minor. Kako mehaničke sile deformiraju metal, pomaknuti atomi kisika, umjesto da blokiraju širenje strukturnih defekata, mogu olakšati takozvano planarno klizanje.
Planarno klizanje, kaže Asta, je poput mreškanja defekata u kristalnoj strukturi metala koji se nadovezuju jedan na drugi, što na kraju dovodi do lomova, pukotina i krhkog komada metala.
Da bi se razumjelo kako se dislokacija može formirati i širiti u titanu, Chrzan predlaže vizualizaciju pokušaja pomicanja velikog, teškog tepiha.
„Veoma veliki tepih se može podići na jednom kraju i povući po podu do novog položaja“, kaže on. Ali drugi način da pomjerite prostirku je da napravite mreškanje na jednom kraju, a zatim, premještanjem stopala preko vrha tepiha, možete "prošetati" mreškanje do drugog kraja. Pod uslovom da ništa ne blokira njegovo kretanje, ceo tepih će biti pomeren za razdaljinu koja je jednaka širini talasanja.
Takve "mrebanje" u titanijumu mogu se vidjeti elektronskim mikroskopom. "Možete vidjeti da su sve dislokacije poređane, u redovima", kaže Minor. "A to je loše za duktilnost, jer ako se poredaju i samo slijede jedan za drugim, ne zapliću se [i time zaustavljaju] tako da metal ne radi stvrdnjavanja. Dobivate koncentraciju naprezanja i tu ćete dobiti pukotina."
(nastavlja se)
