Une nouvelle période pour le titane, faisant un métal plus fort, moins cher et plus durable

Parmi les métaux, la force et la légèreté du titane, la résistance à la corrosion et la capacité à résister à des températures extrêmes ont longtemps distingué sa valeur, en particulier pour les applications sensibles au poids et à l'environnement. Lorsqu'il a été décrit pour la première fois à la fin du XVIIIe siècle, un co-décurateur a nommé le métal pour les Titans - des dieux nés de la Terre et du Sky dans la mythologie grecque antique.

Le temps n'a fait que brûler l'éclat de Titanium. "Je suis un scientifique des matériaux, et donc les gens me demandent parfois:" Quel est votre élément préféré? "", A déclaré Andrew Minor, professeur de science et d'ingénierie des matériaux. Pour les bâtiments, les avions, les missiles, les vaisseaux spatiaux, et plus encore, il dit: "Si vous voulez le matériau le plus fort pour le moins de poids, c'est du titane. Si nous le pouvions, nous ferions tout en titane."

En effet, pour les concepteurs industriels, la perspective de voitures, de camions et d'avions forts, légers et légers et très économes en carburant, par exemple, ou des cargaisons de cargaison super corrosion, le titane doit être l'étoffe des rêves.

Le problème? "C'est trop cher", explique Minor à propos des alliages de titane ou de titane de qualité industrielle qui pourraient autrement remplacer l'acier lorsque seuls les matériaux les plus forts et les plus durables suffiront. Le coût de la fabrication du titane est environ six fois supérieur à celui de l'acier inoxydable. En conséquence, ses utilisations sont restées limitées aux pièces spéciales pour l'aérospatiale, les articles haut de gamme comme les bijoux ou d'autres applications de niche.

De plus, le titane pur n'a qu'une force modérée, explique Minor. Il peut être renforcé avec des éléments comme l'oxygène, l'aluminium, le molybdène, le vanadium et le zirconium; Cependant, cela est souvent au détriment de la ductilité - la capacité d'un métal à être dessiné ou déformé sans fracturation.

Maintenant, après une décennie de recherche, une nouvelle ère pour le titane, y compris des applications d'ingénierie considérablement élargie, peut approcher, grâce à Minor et ses collègues de Berkeley, notamment Mark Asta, Daryl Chrzan et JW Morris Jr., également professeurs du département de la science et de l'ingénierie des matériaux. Ils ont enquêté et poussé le titane de plusieurs façons dans l'espoir d'élargir son utilisation pratique pour une variété d'applications structurelles ou d'ingénierie.

Dans une série d'études, les chercheurs ont développé de nouvelles perspectives critiques sur le titane, y compris des recettes pour faire de meilleurs alliages de titane ainsi qu'une technique cryo-forgée pour rendre le titane de qualité industrie fabrication.

Un dessin schématique du processus cryo-mécanique qui se traduit par du titane nanotwinned.

(Illustration d'Andrew Minor)

L'énigme d'oxygène

Il est important de comprendre que le coût du titane n'est pas dû à sa rareté. Le titane n'est pas un métal précieux; Il se trouve plutôt presque partout dans le monde, dans des rochers ignés près de la surface. C'est le neuvième élément le plus abondant et le quatrième métal le plus abondant, et il peut être utilisé pour faire les choses à la fois sous sa forme pure et en alliage.

Au lieu de cela, ce qui entraîne le coût excessif du titane de qualité commerciale, explique Minor, c'est le processus de kroll complexe le plus souvent utilisé pour fabriquer des barres de titane, des lingots et d'autres formes de métal qui peuvent être transformées en parties utilisables et autres produits. Le processus comprend l'utilisation de matériaux coûteux comme le gaz argon, et il est à forte intensité d'énergie, nécessitant des fonte multiples à des températures extrêmement élevées, en particulier pour contrôler les impuretés d'oxygène.

En effet, le titane et l'oxygène ont une relation déroutante, celle que Minor, Asta, Chrzan, Morris et ses collègues ont voulu mieux comprendre. L'équipe savait qu'une impureté d'oxygène est souvent utilisée pour que les alliages de titane exploitent un puissant effet de renforcement. Le titane fabriqué avec juste une infime augmentation de la quantité d'oxygène atomique peut entraîner un métal avec une augmentation de plusieurs reprises de la résistance.

Malheureusement, l'oxygène peut également entraîner une diminution encore plus importante de la ductilité du métal. Il devient cassant et se fracture et se brisera.

Mais "l'oxygène est partout", dit mineur de la difficulté de manœuvrer autour de la forte réactivité du titane à l'oxygène. "Ce n'est pas une impureté provenant du matériel source que vous pouvez simplement éviter."

Il caractérise la sensibilité du titane à l'oxygène comme extrême. "C'est vraiment étrange à quel point il est puissant", explique Minor. Il exerce des effets sur le métal, bon et mauvais, tandis que la présence de quantités similaires d'oxygène est insignifiante pour les métaux comme l'aluminium et l'acier car il peut être traité dans le traitement beaucoup plus facilement.

Pour en savoir plus, l'équipe s'est transformée en informatique haute performance pour modéliser le processus de déformation en titane sous stress et avec différentes quantités d'oxygène. Les modèles informatiques, selon Asta, sont un "ensemble puissant d'outils qui nous permettent d'étudier ce défi exceptionnel dans la métallurgie du titane".

Parmi les principales découvertes de l'équipe, un mélange d'atomes d'oxygène dans la structure cristalline du titane lorsque le métal est sous le stress est devenu la clé pour comprendre la perte de ductilité. Dans un état non stressé, les molécules d'oxygène résident sans incident dans des lacunes naturelles entre les atomes du titane. Mais sous les forces mécaniques, les atomes d'oxygène peuvent se moquer des espaces adjacents où ils fournissent moins de résistance aux dislocations qui, s'ils se propagent, affaiblissent le métal.

"L'oxygène favorise une faiblesse structurelle", explique Minor. Alors que les forces mécaniques déforment le métal, les atomes d'oxygène déplacés, plutôt que de bloquer la propagation des défauts structurels, peuvent faciliter un soi-disant glissement plan.

Un glissement plan, dit Asta, est comme une ondulation de défauts dans la structure cristalline du métal qui construisent l'un sur l'autre, entraînant finalement des fractures, des fissures et un morceau de métal cassant.

Pour comprendre comment une dislocation peut se former et se propager en titane, Chrzan suggère de visualiser l'essayant de déplacer un grand tapis lourd.

"Un très grand tapis peut être ramassé à une extrémité et traîné sur le sol à une nouvelle position", dit-il. Mais une autre façon de déplacer le tapis est de créer une ondulation à une extrémité, puis, en mélangeant vos pieds sur le dessus du tapis, vous pouvez "marcher" l'ondulation à l'autre extrémité. À condition que rien ne bloque son mouvement, l'ensemble du tapis aura été déplacé par une distance égale à la largeur de l'ondulation.

De tels "ondulations" dans le titane peuvent être observées avec la microscopie électronique. "Vous pouvez voir que toutes les dislocations sont alignées, en rangées", explique Minor. "Et c'est mauvais pour la ductilité parce que s'ils s'alignent et ne se suivent que, ils ne sont pas emmêlés [et donc arrêtés] de telle sorte que le métal ne fonctionne pas. Vous obtenez une concentration de stress, et c'est là que vous obtenez une fissure. "

Créer de meilleurs alliages

Des stratégies de conception qui interrompent le processus de mélange à l'oxygène-atome ou à la promotion des nanostructures pour empêcher les feuillets planaires de s'accumuler pourraient conduire à de meilleurs alliages. Ces alliages auraient des applications, en particulier dans les industries automobiles et aérospatiales, dit Minor.

Le professeur Andrew Minor verse de l'azote liquide sur un échantillon de titane, démontrant le processus de forage cryo-forgeant utilisé pour créer du titane nanotwin dans son laboratoire. (Photo d'Adam Lau / Berkeley Engineering)

Pour résoudre ces problèmes et d'autres, l'équipe s'appuie sur un mélange de modélisation informatique, de microscopie électronique à transmission (TEM) et d'autres modalités d'imagerie et d'expériences.

"L'une des choses qui a été agréable dans ce projet est que parfois les informaticiens et les théoriciens sont un peu en avance, et d'autres fois, ce sont les expérimentateurs", explique Asta. "Nous nous rencontrons fréquemment et parlons de nos résultats et de nos nouvelles idées."

L'étude de l'équipe sur la sensibilité à l'oxygène du titane, par exemple, a conduit à une étude sur le titane allié avec de l'aluminium et de l'oxygène. Ils ont constaté que l'embrimance en oxygène pouvait être éliminé en ajoutant de petites quantités d'aluminium, en particulier aux températures cryogéniques, qui sont en dessous de -150 degrés Celsius.

Avec juste les bonnes quantités d'aluminium et d'oxygène, l'équipe dit, un nouvel ordre de la structure des cristaux de titane a empêché un mélange d'atomes d'oxygène qui entraînerait un empilement dommageable de luxations et finalement des fractures. De plus, car l'introduction de l'aluminium a réduit la sensibilité à l'oxygène de l'ensemble du titane, les coûts de traitement pour créer un métal utilisable seraient également réduits.

Dans encore une autre étude, l'équipe a examiné les recherches remontant aux années 1960 montrant que de nombreux métaux et alliages présentent des augmentations spectaculaires de la ductilité lorsqu'elles sont soumises à des impulsions électriques périodiques pendant la déformation du métal. Mais les mécanismes sous-jacents de la raison pour laquelle cette soi-disant électroplasticité pourrait être vraie ne sont pas claires.

"L'électroplasticité peut entraîner une réduction des coûts de traitement métallurgique car il faut moins d'énergie pour former du métal avec des impulsions électriques que de chauffer l'ensemble du métal à une température élevée pour obtenir la même formabilité", explique Minor. "Fait intéressant, cet effet de l'électroplasticité est universel en ce qu'il a été démontré qu'il fonctionne pour essentiellement tous les métaux, pas seulement le titane."

L'équipe a effectué des tests de traction du métal dans trois conditions différentes: température ambiante sans courant électrique, avec une impulsion électrique périodique de 100 millisecondes de durée et avec un courant constant. Parce que l'application de courant électrique chauffe le métal, l'équipe était inquiète de distinguer les effets causés uniquement par l'électricité de ceux causés par la chaleur.

Leurs résultats ont montré que, malgré l'utilisation d'une impulsion périodique plus petite que les études précédentes, la méthode à courant pulsé amélioré l'allongement de traction de l'alliage de titane ainsi que sa résistance maximale. Ils notent que cet effet n'était spécifique qu'à l'expérience à courant pulsé.

À l'aide de TEM pour voir les changements dans la structure cristalline du métal, leurs résultats suggèrent que le traitement à courant pulvé supprime les luxations planes de glissement. Les chercheurs ont constaté que l'impulsion électrique durcit le matériau et frustre le développement du glissement plan en maintenant un schéma diffus et de dislocation 3D qui offre finalement une résistance et une ductilité élevées.

Titane nanot-bin

Plus récemment, Minor et Robert Ritchie, professeurs de science des matériaux et de génie mécanique, ont développé une méthode de traitement en vrac pionnière pour rendre le titane pur moins cher et donne un métal avec une plus grande résistance à la traction et de la ductilité.

Les professeurs de science et d'ingénierie des matériaux (de gauche à gauche) Daryl Chrzan, Mark Asta et Andrew Minor avec le projet de microscopie de l'équipe I (microscope corrigé de l'aberration électronique de Transmission) au Centre national de microscopie électronique de Berkeley Lab. (Photo d'Adam Lau / Berkeley Engineering)

Mis à part les alliages, une autre façon de renforcer les métaux structurels est d'adapter la taille des cristaux - également appelés grains - qui constituent le métal en utilisant la chaleur et le traitement mécanique, comme le roulement ou la pressage. En réduisant la taille des grains en sous-micromètres ou en nanomètres, les chercheurs peuvent introduire des structures dits nanot-nanotraves, ou des défauts dans le métal causés par des structures cristallines alignées. Les structures nanotravées améliorent la résistance et réduisent le risque de fracture en agissant comme une obstacle aux glissements planaires. En adaptant l'espacement et l'orientation des structures nanotravées, dit Minor, les propriétés mécaniques peuvent être optimisées encore plus. Mais les méthodes traditionnelles pour le faire ne sont ni triviales ni bon marché.

Au lieu de cela, Minor, Ritchie et ses collègues ont introduit plusieurs structures nanotravées en titane pur au moyen d'un processus cryo-mécanique. Ils ont utilisé des pièces de titane en forme de cube qui ont été pressées sur trois côtés dans de l'azote liquide. La douce compression, dit Minor, contrôle la densité des structures nanotravées qui renforcent le métal tout en préservant sa structure de grains initiale. Mieux encore, le processus ne reposait pas sur une chaleur intense et peut-être un moyen plus durable de faire du titane pour une gamme d'applications beaucoup plus large qu'aujourd'hui.

Les propriétés mécaniques du matériau cryo-forgé, en particulier la résistance et la ductilité, se maintiennent à des températures extrêmement élevées et cryogéniques. Minor dit que les performances du titane nanot-nanot-nanotéré le rend idéal pour des choses comme des moteurs à réaction extrêmement chauds ainsi que des environnements d'exploitation très froids qui suggéreraient des utilisations telles que les anneaux de retenue pour les aimants supraconducteurs, les parties structurelles des réservoirs de gaz naturel liquéfié, ainsi que les matériaux à être exposé aux environnements profonds de l'océan ou de la profondeur.

Lorsqu'on lui a demandé si le nouveau processus de fabrication de titane de qualité commerciale pourrait être mis à l'échelle un jour bientôt, Minor dit, pourquoi pas? Il est plus difficile de faire des choses comme le processus Kroll qui est utilisé aujourd'hui, où le matériau doit être isolé électriquement et l'ensemble du processus prend des quantités massives de puissance. "Et ce cryo-forgeant, nous mettrions simplement des choses dans un bain."