チタンの新しい時間、より強く、より安価で、より持続可能な金属を作る
金属の中で、チタンの強さと軽さ、耐食性、極端な温度に耐える能力は、特に体重や環境に敏感なアプリケーションで、その価値を長く区別してきました。 18世紀後半に初めて説明されたとき、共同議会担当者はThe Metal for the Titansという名前を付けました。古代ギリシャの神話では地球と空から生まれた神々。
時間はチタンの光沢を磨きました。 「私は材料科学者なので、「あなたの好きな要素は何ですか？」と人々は時々私に尋ねます」と材料科学と工学の教授であるアンドリュー・マイナーは言います。建物、飛行機、ミサイル、宇宙船などについては、「最小量の体重の最強の材料が必要な場合は、チタンです。できれば、すべてをチタンから作ります」と彼は言います。
確かに、工業デザイナーにとって、たとえば、強力で軽量で燃料効率の高い車、トラック、飛行機の見通し、または超腐食耐性貨物船など、チタンは夢のようなものでなければなりません。
問題？ 「それは高すぎる」とマイナーは、最も強く、最も耐久性のある材料だけが十分である場合に鋼を交換する可能性のある工業用グレードのチタンまたはチタン合金のものを語っています。チタンを作るコストは、ステンレス鋼のコストの約6倍です。その結果、その用途は、航空宇宙の専門部品、ジュエリーなどのハイエンドアイテム、またはその他のニッチアプリケーションに限定されています。
さらに、純粋なチタンは中程度の強さしかありません、とマイナーは説明します。酸素、アルミニウム、モリブデン、バナジウム、ジルコニウムなどの元素で強化できます。しかし、それはしばしば延性を犠牲にします - 骨折することなく描画または変形する金属の能力。
現在、10年の研究の後、マークアスタ、ダリルクルザン、JWモリスジュニアなどのマイナーと彼のバークレーの同僚のおかげで、大幅に拡張されたエンジニアリングアプリケーションを含むチタンの新しい時代が近づいている可能性があります。材料科学と工学の。彼らは、さまざまな構造またはエンジニアリングアプリケーションの実用化を拡大することを期待して、何らかの方法でチタンを調査し、プロデュースしてきました。
一連の研究では、研究者は、より良いチタン合金を作るためのレシピや、産業用グレードのチタンを作るための極低温装備のテクニックなど、チタンに関する重要な新しい洞察を開発しました。製造。
ナノトゥウィンドチタンをもたらす極低温機械プロセスの概略図。
（アンドリュー・マイナーによるイラスト）
酸素難問
チタンのコストはその希少性によるものではないことを理解することが重要です。チタンは貴重な金属ではありません。むしろ、それは表面近くの火成岩で世界中のほぼどこにでもあります。それは地球で9番目に豊富な要素であり、4番目に豊富な金属であり、純粋な形と合金の両方で物を作るために使用できます。
代わりに、商業グレードのチタンの過剰なコストを促進するのは、使用可能な部品や他の製品に製造できるチタンバー、インゴット、およびその他の形態の金属を作るために最もよく使用される複雑なクロールプロセスです。このプロセスには、アルゴンガスなどの高価な材料の使用が含まれており、特に酸素不純物を制御するために、非常に高温で複数の溶融物を必要とするエネルギー集約型です。
実際、チタンと酸素は不可解な関係を持っています。マイナー、アスタ、クルザ、モリス、および同僚は、よりよく理解したいと考えていました。チームは、チタン合金が強力な強化効果を活用するために酸素の不純物がよく使用されることを知っていました。原子酸素の量をわずかに増加させるだけで作られたチタンは、強度が数倍増加する金属をもたらす可能性があります。
残念ながら、酸素は金属の延性のさらに大きな減少をもたらす可能性があります。それは脆くなり、骨折して壊れます。
しかし、「酸素はどこにでもあります」と、マイナーは、酸素に対するチタンの高い反応性を中心に操縦するのが難しいことを語っています。 「避けることができるソース資料からの不純物ではありません。」
彼は酸素に対するチタンの感受性を極端であると特徴づけています。 「それがどれほど強力かは本当に奇妙です」とマイナーは言います。それは良い面と悪の両方で金属に影響を及ぼしますが、同様の量の酸素の存在は、アルミニウムや鋼などの金属にはより簡単に処理できるため、取得できません。
詳細については、チームは高性能コンピューティングに目を向けて、ストレス下でのチタンの変形プロセスをモデル化し、酸素の量が異なりました。 ASTAによると、コンピューターモデルは「チタン冶金におけるこの顕著な課題を調査できる強力なツールセット」です。
チームの主要な発見のうち、金属がストレス下にあるときのチタンの結晶構造における酸素原子のシャッフルは、延性の喪失を理解するための鍵となりました。ストレスのない状態では、酸素分子は、チタンの原子間の自然な隙間に事件なしに存在します。しかし、機械的な力の下では、酸素原子は隣接する空間にシャッフルすることができ、そこでは脱臼に対する抵抗性が少なくなり、広がり、金属を弱めることができます。
「酸素は構造的な弱点を促進します」とマイナーは言います。機械的な力が金属を変形させると、構造的欠陥の拡散をブロックするのではなく、変位した酸素原子がいわゆる平面スリップを容易にすることができます。
アスタによると、平面滑りは、金属の結晶構造の欠陥の波紋のようなもので、一方が互いに構築され、最終的に骨折、亀裂、脆い金属片につながります。
Chrzanは、脱臼がどのようにチタンで形成され広がることができるかを理解するために、大きくて重い敷物を動かそうとして視覚化することを提案します。
「非常に大きな敷物を一方の端で拾い上げ、床を横切って新しい位置に引きずり込むことができます」と彼は言います。しかし、敷物を動かす別の方法は、一方の端に波紋を作成し、カーペットの上部に足をシャッフルすることで、波紋をもう一方の端まで「歩く」ことができます。動きをブロックするものがない場合、ラグ全体が波紋の幅に等しい距離によって置き換えられます。
チタンのこのような「波紋」は、電子顕微鏡で見ることができます。 「すべての転位が列に並んでいるのを見ることができます」とマイナーは言います。 「そして、それは延性に悪いことです。なぜなら、彼らが並んでお互いに従うだけで、彼らは絡まない（そして止められた）そうするので、金属が強化されないようにします。亀裂。」
より良い合金を作成します
酸素原子のシャッフルプロセスを中断したり、ナノ構造を促進して平面スリップを停止したりする設計戦略は、より良い合金につながる可能性があります。これらの合金には、特に自動車および航空宇宙産業では用途があります、とマイナーは言います。
アンドリュー・マイナー教授は、チタンのサンプルに液体窒素を注ぎ、彼の研究室にナノ獲得チタンを作成するために使用される凍結焦点プロセスを示しています。 （写真：Adam Lau / Berkeley Engineering）
これらおよびその他の問題に対処するために、チームはコンピューターモデリング、透過型電子顕微鏡（TEM）、およびその他のイメージングモダリティ、および実験の組み合わせに依存しています。
「このプロジェクトについて良かったことの1つは、計算学者や理論家が少し先を行くことがあり、時にはそれが実験家であることがあることです」とアスタは言います。 「私たちは頻繁に会い、調査結果と新しいアイデアについて話します。」
たとえば、チタンの酸素感受性に関するチームの研究により、アルミニウムと酸素と合金化されたチタンの研究が行われました。彼らは、特に摂氏摂氏度を下回る極低温温度で、少量のアルミニウムを追加することにより、酸素の腹部を排除できることを発見しました。
適切な量のアルミニウムと酸素により、チタンの結晶構造の新たな注文により、酸素原子のシャッフルが妨げられ、脱臼と最終的に骨折が損傷するようになります。さらに、アルミニウムの導入により、チタン全体の酸素感度が低下したため、使用可能な金属を作成するための処理コストも削減されます。
さらに別の研究では、チームは、金属の変形中に周期的な電気パルスにさらされた場合、多くの金属と合金が延性の劇的な増加を示すことを示す1960年代にさかのぼる研究を検討しました。しかし、このいわゆる電気弾性性が真である理由の根本的なメカニズムは明らかではありません。
「電気弾性性は、冶金処理のコストが削減される可能性があります。これは、同じ形成性を達成するために高温に合わせて金属全体を加熱するよりも、電気パルスで金属を形成するエネルギーが少ないためです」とマイナーは言います。 「興味深いことに、この電気生成の効果は、チタンだけでなく、本質的にすべての金属で機能することが示されているという点で普遍的です。」
チームは、3つの異なる条件下で金属の引張試験を実施しました。電流がない室温、100ミリ秒の期間の周期的な電気パルス、および一定の電流があります。電流を塗ると金属が熱が加熱されるため、チームは、電気だけが発生した効果と熱によって引き起こされた効果を区別することを心配していました。
彼らの結果は、以前の研究よりも小さな周期パルスを使用しているにもかかわらず、パルス電流法により、チタン合金の引張伸長とその最大強度が改善されたことが示されました。彼らは、この効果がパルス電流実験にのみ特異的であることに注目しています。
金属の結晶構造の変化を見るためのTEMの助けを借りて、彼らの結果は、パルス電流治療が平面滑り脱臼を抑制することを示唆しています。研究者たちは、電気パルスが材料を硬化させ、最終的に高強度と延性をもたらすびまん性の3D脱臼パターンを維持することにより、平面スリップの開発を苛立たせることを発見しました。
ナノトウィンのチタン
最近では、材料科学および機械工学の教授であるマイナーとロバートリッチーは、より安価で張力強度と延性が高い金属を生成する純粋なチタンを作るための先駆的なバルク処理方法を開発しました。
材料科学と工学の教授（左から）Daryl Chrzan、Mark Asta、およびAndrew Minulは、Berkeley Labの国立電子顕微鏡センターでチームI（透過型電子異常補正顕微鏡）プロジェクトをプロジェクトとしています。 （写真：Adam Lau / Berkeley Engineering）
合金とは別に、構造金属を強化する別の方法は、ローリングやプレスなどの熱と機械処理を使用して金属を構成する結晶のサイズ（穀物とも呼ばれる）を調整することです。粒子のサイズをサブマイクロメーターまたはナノメートルに縮小することにより、研究者はいわゆるナノ獲得構造、または整列した結晶構造によって引き起こされる金属の欠陥を導入できます。ナノトゥウィンド構造は、平面スリップの障壁として機能することにより、骨折のリスクを改善し、骨折のリスクを低下させます。 Nanotwinned構造の間隔と方向を調整することにより、マイナーは、機械的特性をさらに最適化できると述べています。しかし、そうする従来の方法は、些細なことでも安いものでもありません。
代わりに、マイナー、リッチー、および同僚は、凍結機械的プロセスによって純粋なチタンに複数のナノ獲得された構造を導入しました。彼らは、液体窒素で3つの側面に沿って押されたキューブ型のチタン片を使用しました。マイナーによると、穏やかな圧縮は、初期の穀物構造を維持しながら金属を強化するナノトゥウィンド構造の密度を制御しています。何よりも、このプロセスは、今日よりもはるかに幅広いアプリケーションのためにチタンを作るための激しい暑さとおそらくより持続可能な方法に依存するものではありません。
極寒材料の機械的特性、特に強度と延性は、非常に高い極低温と極低温の温度で保持されます。マイナーによると、ナノトゥインチタンのパフォーマンスは、非常にホットなジェットエンジンや、超伝導磁石のリングを保持し、液化天然ガスタンクの構造部分、および材料のためのリングを保持するなどの用途を示唆する非常に冷たい動作環境などに理想的であると言います。深海または深層環境にさらされます。
マイナーは、新しい商用グレードのチタン製造プロセスがすぐにスケーリングされる可能性があるかどうかを尋ねられた、となぜそうではないのか？材料を電気的に分離する必要があり、プロセス全体に膨大な量の電力が必要な、今日使用されているKrollプロセスのようなことをするのは難しいです。 「そして、この泣き声は、お風呂に物を置くだけだろう。」