En ny tid för titan (2)

Designstrategier som avbryter syre-atom-blandningsprocessen eller främjar nanostrukturer för att förhindra att plana glidningar staplas upp kan leda till bättre legeringar. Dessa legeringar skulle ha tillämpningar, särskilt inom fordons- och flygindustrin, säger Minor.

Kryosmider nanotvinnande titan

Professor Andrew Minor häller flytande kväve på ett titanprov, vilket visar kryosmideprocessen som används för att skapa nanotvinnet titan i hans labb. (Foto av Adam Lau / Berkeley Engineering)

För att ta itu med dessa och andra problem förlitar sig teamet på en blandning av datormodellering, transmissionselektronmikroskopi (TEM) och andra avbildningsmodaliteter och experiment.

"En av de saker som har varit trevligt med det här projektet är att ibland är beräkningsforskarna och teoretikerna lite före, och andra gånger är det experimentalisterna", säger Asta. "Vi träffas ofta och pratar om våra resultat och våra nya idéer."

Teamets studie av titans syrekänslighet ledde till exempel till en studie av titan legerat med aluminium och syre. De fann att syreförsprödning kunde elimineras genom att tillsätta små mängder aluminium, särskilt vid kryogena temperaturer, som är under -150 grader Celsius.

Med precis rätt mängder aluminium och syre, säger teamet, förhindrade en ny ordning av titankristallstrukturen en blandning av syreatomer som skulle leda till en skadlig hög av dislokationer och i slutändan frakturer. Dessutom, eftersom införandet av aluminium minskade syrekänsligheten hos titan totalt sett, skulle bearbetningskostnaderna för att skapa en användbar metall också minskas.

I ytterligare en studie tittade teamet på forskning som går tillbaka till 1960-talet som visar att många metaller och legeringar visar dramatiska ökningar i duktilitet när de utsätts för periodiska elektriska pulser under deformation av metallen. De underliggande mekanismerna för varför denna så kallade elektroplasticitet kan vara sann är dock inte klara.

"Elektroplasticitet kan leda till minskade kostnader för metallurgisk bearbetning eftersom det tar mindre energi att bilda metall med elektriska pulser än att värma upp hela metallen till en hög temperatur för att uppnå samma formbarhet", säger Minor. "Intressant nog är denna effekt av elektroplasticitet universell genom att den har visat sig fungera för i princip alla metaller, inte bara titan."

Teamet utförde dragtester av metallen under tre olika förhållanden: rumstemperatur utan elektrisk ström, med en periodisk elektrisk puls på 100 millisekunders varaktighet och med konstant ström. Eftersom att använda elektrisk ström värmer metallen, var teamet oroliga för att skilja effekterna som enbart orsakas av elektricitet från de som orsakas av värme.

Deras resultat visade att, trots att de använde en mindre periodisk puls än tidigare studier, förbättrade den pulsade strömmetoden dragförlängningen av titanlegeringen såväl som dess maximala styrka. De noterar att denna effekt endast var specifik för experimentet med pulserande ström.

Med hjälp av TEM för att se förändringar i metallens kristallstruktur tyder deras resultat på att behandlingen med pulserande ström undertrycker planar gliddislokationer. Forskarna fann att den elektriska pulsen härdar materialet och hindrar utvecklingen av plan glidning genom att upprätthålla ett diffust 3D-dislokationsmönster som i slutändan ger hög hållfasthet och duktilitet.

(Fortsättning följer)