В статье, опубликованной 1 апреля Nature Communications, они отмечают, что этот материал является отличным кандидатом для производства более легких деталей автомобилей, и что это новое понимание может привести к созданию других высокопрочных сплавов.Исследователи из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики знали, что титановый сплав, полученный с помощью недорогого процесса, который они впервые применили, имеет очень хорошие механические свойства, но они хотели знать, как сделать его еще прочнее. Используя мощные электронные микроскопы и уникальный подход к визуализации атомного зонда, они смогли заглянуть глубоко внутрь наноструктуры сплава, чтобы увидеть, что происходит.
Поняв наноструктуру, они смогли создать самый прочный титановый сплав из когда-либо созданных.Смешивая этоПри 45% веса низкоуглеродистой стали титан является легким, но не сверхпрочным элементом.
Обычно его смешивают с другими металлами, чтобы сделать его прочнее. Пятьдесят лет назад металлурги пытались смешать его с недорогим железом, а также с ванадием и алюминием. Полученный сплав, названный Ti185, был очень прочным, но лишь местами. Смесь имеет тенденцию к комкованию — как и любой рецепт.
Железо скапливается в определенных областях, создавая дефекты, известные как бета-частицы в материале, что затрудняет промышленное надежное производство этого сплава.Около шести лет назад PNNL и ее сотрудники нашли способ обойти эту проблему, а также разработали недорогой процесс производства материала в промышленных масштабах, чего раньше не делали. Вместо того, чтобы начинать с расплавленного титана, команда заменила порошок гидрида титана. Используя это сырье, они вдвое сократили время обработки и резко сократили потребность в энергии — в результате появился недорогой процесс, который сейчас используется компанией Advance Materials Inc.
ADMA разработала процесс совместно с металлургом из PNNL Куртом Лавендером. и продает порошок гидрида титана и другие современные материалы аэрокосмической промышленности и другим предприятиям.Современные кузнецы
Как и средневековые кузнецы, исследователи знали, что они могут сделать этот сплав еще более прочным, подвергнув его термообработке. Нагревание сплава в печи при разных температурах с последующим погружением его в холодную воду существенно перестраивает элементы на атомном уровне по-разному, тем самым делая полученный материал более прочным.Кузнечное дело теперь перешло из вида искусства в более научную сферу. Хотя основные принципы остались прежними, металлурги теперь могут лучше изменять свойства в зависимости от потребностей области применения.
Команда PNNL знала, что если они смогут увидеть микроструктуру в наномасштабе, они смогут оптимизировать процесс термообработки для адаптации наноструктуры и достижения очень высокой прочности.«Мы обнаружили, что если вы сначала термически обработаете его более высокой температурой перед этапом низкотемпературной термообработки, вы можете создать титановый сплав на 10-15 процентов прочнее, чем любой коммерческий титановый сплав, присутствующий в настоящее время на рынке, и что он будет примерно вдвое выше. стали », — сказал Арун Деварадж, ученый-материаловед из PNNL. «Этот сплав по-прежнему дороже стали, но благодаря соотношению прочности и стоимости он становится гораздо более доступным с большим потенциалом для применения в легких автомобилях», — добавил Винит Джоши, металлург из PNNL.
Деварадж и его команда использовали электронную микроскопию, чтобы приблизить сплав в масштабе сотен нанометров — примерно в тысячную часть ширины среднего человеческого волоса. Затем они увеличили масштаб еще больше, чтобы увидеть, как отдельные атомы расположены в 3-D, с помощью системы томографии атомного зонда в EMSL, Лаборатории молекулярных наук о окружающей среде, учреждении для пользователей Управления науки Министерства энергетики, расположенном в PNNL.
Атомный зонд удаляет только один атом за раз и отправляет его на детектор. Более легкие атомы «летят» к детектору быстрее, а более тяжелые — позже. Каждый тип атома идентифицируется в зависимости от времени, которое требуется каждому атому, чтобы достичь детектора, и положение каждого атома определяется детектором.
Таким образом, ученые могут построить атомную карту образца, чтобы увидеть, где находится каждый отдельный атом в образце.Используя такие обширные методы микроскопии, исследователи обнаружили, что с помощью оптимизированного процесса термообработки они создали области осадка микронного и наноразмерного размера, известные как альфа-фаза, в матрице, называемой бета-фазой, каждая с высокой концентрацией определенных элементов.«Атомы алюминия и титана предпочитали находиться внутри наноразмерных осадков альфа-фазы, тогда как ванадий и железо предпочитали переходить в бета-матричную фазу», — сказал Деварадж.
В этих двух областях атомы расположены по-разному. Обработка областей при более высокой температуре 1450 градусов по Фаренгейту позволила получить уникальную иерархическую наноструктуру.
Когда прочность измерялась путем вытягивания или приложения натяжения и растяжения до разрушения, обработанный материал достиг 10-15% увеличения прочности, что является значительным, особенно с учетом низкой стоимости производственного процесса.Если вы возьмете силу, с которой вы тянете, и разделите ее на площадь материала, вы получите меру прочности на разрыв в мегапаскалях. Сталь, используемая для производства транспортных средств, имеет предел прочности на растяжение 800-900 мегапаскалей, тогда как увеличение на 10-15 процентов, достигнутое в PNNL, дает Ti185 почти 1700 мегапаскалей, что примерно вдвое превышает прочность автомобильной стали, будучи почти вдвое легче.
Команда сотрудничала с Анкитом Сриваставой, доцентом кафедры материаловедения и инженерии Texas AM, чтобы разработать простую математическую модель, объясняющую, как иерархическая наноструктура может привести к исключительно высокой прочности. Сравнение модели с результатами микроскопии и обработки привело к открытию этого самого прочного титанового сплава из когда-либо созданных.«Это раздвигает границы того, что мы можем делать с титановыми сплавами», — сказал Деварадж. «Теперь, когда мы понимаем, что происходит и почему этот сплав имеет такую высокую прочность, исследователи полагают, что они могут модифицировать другие сплавы, намеренно создавая микроструктуры, похожие на микроструктуры Ti185».
Например, алюминий является менее дорогим металлом, и если наноструктуру алюминиевых сплавов можно увидеть и иерархически расположить аналогичным образом, это также поможет автомобильной промышленности строить более легкие автомобили, которые потребляют меньше топлива и выделяют меньше углекислого газа, что способствует увеличению выбросов углекислого газа. потепление климата.