Un nuevo tiempo para el titanio

Un nuevo tiempo para el titanio

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Nota del decano: Socios públicos en innovación

Entre los metales, la fuerza y ​​la ligereza del titanio, la resistencia a la corrosión y la capacidad para soportar temperaturas extremas han distinguido su valor durante mucho tiempo, particularmente para aplicaciones sensibles al peso y al medio ambiente. Cuando se describió por primera vez a fines del siglo XVIII, un co-descubridor nombró al metal como los Titanes, dioses nacidos de la Tierra y el cielo en la mitología griega antigua.

El tiempo solo ha pulido el brillo del titanio. "Soy un científico de materiales, por lo que la gente a veces me pregunta, '¿cuál es tu elemento favorito?'", dice Andrew Minor, profesor de ciencia e ingeniería de materiales. Para edificios, aviones, misiles, naves espaciales y más, dice, "si desea el material más fuerte por la menor cantidad de peso, es titanio. Si pudiéramos, haríamos todo de titanio".

De hecho, para los diseñadores industriales, la perspectiva de automóviles, camiones y aviones fuertes, livianos y de alta eficiencia de combustible, por ejemplo, o buques de carga súper resistentes a la corrosión, el titanio debe ser la materia de los sueños.

¿El problema? "Es demasiado caro", dice Minor sobre el titanio de grado industrial o las aleaciones de titanio que de otro modo podrían reemplazar al acero cuando solo los materiales más resistentes y duraderos serán suficientes. De hecho, el costo de fabricar titanio es unas seis veces mayor que el del acero inoxidable. Como resultado, sus usos se han mantenido limitados a piezas especiales para la industria aeroespacial, artículos de alta gama como joyería u otras aplicaciones de nicho.

Además, el titanio puro tiene una resistencia moderada, explica Minor. Puede reforzarse con elementos como oxígeno, aluminio, molibdeno, vanadio y zirconio; sin embargo, eso suele ser a expensas de la ductilidad: la capacidad de un metal para estirarse o deformarse sin fracturarse.

Ahora, después de una década de investigación, es posible que se acerque una nueva era para el titanio, que incluye aplicaciones de ingeniería muy ampliadas, gracias a Minor y sus colegas de Berkeley, incluidos Mark Asta, Daryl Chrzan y JW Morris Jr., también profesores del Departamento de Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Han estado probando y pinchando titanio de muchas maneras con la esperanza de expandir su uso práctico para una variedad de aplicaciones estructurales o de ingeniería.

En una serie de estudios, los investigadores han desarrollado nuevos conocimientos críticos sobre el titanio, incluidas recetas para fabricar mejores aleaciones de titanio, así como una técnica de crioforjado para fabricar titanio de grado industrial, avances que en última instancia podrían conducir a una producción más rentable y sostenible. fabricación.

Un dibujo esquemático del proceso crio-mecánico que da como resultado titanio nanogemelo. (Ilustración de Andrew Minor)

Es importante comprender que el costo del titanio no se debe a su rareza. El titanio no es un metal precioso; más bien, se encuentra en casi todas partes del mundo, en rocas ígneas cerca de la superficie. Es el noveno elemento más abundante de la Tierra y el cuarto metal más abundante, y puede usarse para hacer cosas tanto en su forma pura como en una aleación.

En cambio, lo que impulsa el costo excesivo del titanio de grado comercial, explica Minor, es el complejo proceso de Kroll que se usa con mayor frecuencia para fabricar barras de titanio, lingotes y otras formas del metal que se pueden fabricar en piezas utilizables y otros productos. El proceso incluye el uso de materiales costosos como el gas argón, y consume mucha energía, lo que requiere múltiples fusiones a temperaturas extremadamente altas, especialmente para controlar las impurezas del oxígeno.

De hecho, el titanio y el oxígeno tienen una relación desconcertante, una que Minor, Asta, Chrzan, Morris y sus colegas han querido comprender mejor. El equipo sabía que una impureza de oxígeno se usa a menudo para las aleaciones de titanio para aprovechar un potente efecto de fortalecimiento. El titanio hecho con solo un pequeño aumento en la cantidad de oxígeno atómico puede dar como resultado un metal con un aumento de resistencia de varias veces.

Desafortunadamente, el oxígeno también puede producir una disminución aún mayor en la ductilidad del metal. Se vuelve quebradizo y se fracturará y romperá.

Pero "el oxígeno está en todas partes", dice Minor sobre la dificultad de maniobrar alrededor de la alta capacidad de respuesta del titanio al oxígeno. "No es una impureza proveniente del material de origen que simplemente puedes evitar".

Él caracteriza la sensibilidad del titanio al oxígeno como extrema. "Es realmente extraño lo poderoso que es", dice Minor. Ejerce efectos sobre el metal, tanto buenos como malos, mientras que la presencia de cantidades similares de oxígeno es insignificante para metales como el aluminio y el acero porque se puede tratar con mucha más facilidad en el procesamiento.

Para obtener más información, el equipo recurrió a la informática de alto rendimiento para modelar el proceso de deformación del titanio bajo tensión y con diferentes cantidades de oxígeno. Los modelos informáticos, dice Asta, son un "poderoso conjunto de herramientas que nos permiten investigar este desafío sobresaliente en la metalurgia del titanio".

De los principales descubrimientos del equipo, una mezcla de átomos de oxígeno en la estructura cristalina del titanio cuando el metal está bajo estrés se convirtió en la clave para comprender la pérdida de ductilidad. En un estado no estresado, las moléculas de oxígeno residen sin incidentes en los espacios naturales entre los átomos de titanio. Pero bajo fuerzas mecánicas, los átomos de oxígeno pueden arrastrarse a espacios adyacentes donde brindan menos resistencia a las dislocaciones que, si se propagan, debilitan el metal.

"El oxígeno promueve una debilidad estructural", dice Minor. A medida que las fuerzas mecánicas deforman el metal, los átomos de oxígeno desplazados, en lugar de bloquear la propagación de los defectos estructurales, pueden facilitar el llamado deslizamiento plano.

Un deslizamiento plano, dice Asta, es como una onda de defectos en la estructura cristalina del metal que se acumulan unos sobre otros, lo que finalmente conduce a fracturas, grietas y una pieza de metal quebradiza.

Para comprender cómo se puede formar y propagar una dislocación en el titanio, Chrzan sugiere visualizar tratando de mover una alfombra grande y pesada.

"Se puede levantar una alfombra muy grande por un extremo y arrastrarla por el suelo hasta una nueva posición", dice. Pero otra forma de mover la alfombra es crear una onda en un extremo y luego, arrastrando los pies por la parte superior de la alfombra, puede "caminar" la onda hasta el otro extremo. Siempre que nada bloquee su movimiento, toda la alfombra se habrá desplazado una distancia igual al ancho de la onda.

Tales "ondulaciones" en titanio se pueden ver con microscopía electrónica. "Puedes ver que todas las dislocaciones están alineadas, en filas", dice Minor. "Y eso es malo para la ductilidad porque si se alinean y solo se siguen entre sí, no se enredan [y, por lo tanto, se detienen] de tal manera que el metal no se endurece por trabajo. Obtienes una concentración de tensión, y ahí es donde obtienes una grieta."

Diseñar estrategias que interrumpan el proceso de barajado de átomos de oxígeno o promuevan nanoestructuras para evitar que se acumulen deslizamientos planos podría conducir a mejores aleaciones. Estas aleaciones tendrían aplicaciones especialmente en las industrias automotriz y aeroespacial, dice Minor.

El profesor Andrew Minor vierte nitrógeno líquido en una muestra de titanio, lo que demuestra el proceso de crioforja utilizado para crear titanio nanotwinned en su laboratorio. (Foto de Adam Lau / Ingeniería de Berkeley)

Para abordar estos y otros problemas, el equipo se basa en una combinación de modelado por computadora, microscopía electrónica de transmisión (TEM) y otras modalidades de imágenes y experimentos.

"Una de las cosas que ha sido realmente agradable de este proyecto es que a veces los computacionalistas y los teóricos van un poco por delante, y otras veces son los experimentalistas", dice Asta. "Nos reunimos con frecuencia y hablamos sobre nuestros hallazgos y nuestras nuevas ideas".

El estudio del equipo sobre la sensibilidad al oxígeno del titanio, por ejemplo, condujo a un estudio del titanio aleado con aluminio y oxígeno. Descubrieron que la fragilización por oxígeno podría eliminarse agregando pequeñas cantidades de aluminio, especialmente a temperaturas criogénicas, que están por debajo de -150 grados centígrados.

Con las cantidades justas de aluminio y oxígeno, dice el equipo, un nuevo orden de la estructura cristalina de titanio evitó una mezcla de átomos de oxígeno que conduciría a una acumulación dañina de dislocaciones y, en última instancia, fracturas. Además, debido a que la introducción del aluminio redujo la sensibilidad al oxígeno del titanio en general, los costos de procesamiento para crear un metal utilizable también se reducirían.

En otro estudio más, el equipo analizó investigaciones que se remontan a la década de 1960 que muestran que muchos metales y aleaciones muestran aumentos dramáticos en la ductilidad cuando se someten a pulsos eléctricos periódicos durante la deformación del metal. Pero los mecanismos subyacentes de por qué esta llamada electroplasticidad podría ser cierta no están claros.

"La electroplasticidad puede conducir a costos reducidos para el procesamiento metalúrgico, ya que se necesita menos energía para formar metal con pulsos eléctricos que calentar todo el metal a una temperatura alta para lograr la misma formabilidad", dice Minor. "Curiosamente, este efecto de la electroplasticidad es universal, ya que se ha demostrado que funciona esencialmente para todos los metales, no solo para el titanio".

El equipo realizó pruebas de tracción del metal en tres condiciones diferentes: temperatura ambiente sin corriente eléctrica, con un pulso eléctrico periódico de 100 milisegundos de duración y con corriente constante. Debido a que la aplicación de corriente eléctrica calienta el metal, el equipo estaba preocupado por distinguir los efectos causados ​​únicamente por la electricidad de los causados ​​por el calor.

Sus resultados mostraron que, a pesar de utilizar un pulso periódico más pequeño que los estudios anteriores, el método de corriente pulsada mejoró el alargamiento a la tracción de la aleación de titanio, así como su resistencia máxima. Señalan que este efecto fue específico solo para el experimento de corriente pulsada.

Con la ayuda de TEM para ver cambios en la estructura cristalina del metal, sus resultados sugieren que el tratamiento de corriente pulsada suprime las dislocaciones de deslizamiento planas. Los investigadores encontraron que el pulso eléctrico endurece el material y frustra el desarrollo del deslizamiento plano al mantener un patrón de dislocación 3D difuso que finalmente brinda alta resistencia y ductilidad.

Más recientemente, Minor y Robert Ritchie, profesor de ciencia de los materiales y de ingeniería mecánica, desarrollaron un método de procesamiento a granel pionero para hacer titanio puro que es menos costoso y produce un metal con mayor resistencia a la tracción y ductilidad.

Profesores de ciencia e ingeniería de materiales (desde la izquierda) Daryl Chrzan, Mark Asta y Andrew Minor con el proyecto TEAM I (Microscopio corregido por aberración electrónica de transmisión) en el Centro Nacional de Microscopía Electrónica de Berkeley Lab. (Foto de Adam Lau / Ingeniería de Berkeley)

Además de las aleaciones, otra forma de fortalecer los metales estructurales es adaptar el tamaño de los cristales, también conocidos como granos, que forman el metal mediante el uso de calor y procesamiento mecánico, como laminado o prensado. Al reducir el tamaño del grano a submicrómetros o nanómetros, los investigadores pueden introducir las denominadas estructuras nanogeminadas, o defectos en el metal causados ​​por estructuras cristalinas alineadas. Las estructuras nanotwinned mejoran la resistencia y reducen el riesgo de fractura al actuar como una barrera contra los deslizamientos planos. Al adaptar el espaciado y la orientación de las estructuras nanogeminadas, dice Minor, las propiedades mecánicas se pueden optimizar aún más. Pero los métodos tradicionales para hacerlo no son ni triviales ni baratos.

En cambio, Minor, Ritchie y sus colegas introdujeron múltiples estructuras nanogemelos en titanio puro por medio de un proceso criomecánico. Usaron piezas de titanio en forma de cubo que fueron presionadas a lo largo de tres lados en nitrógeno líquido. La suave compresión, dice Minor, controla la densidad de las estructuras nanotwinned que fortalecen el metal mientras preservan su estructura de grano inicial. Lo mejor de todo es que el proceso no depende de un calor intenso y puede ser una forma más sostenible de fabricar titanio para una gama de aplicaciones mucho más amplia que la actual.

Las propiedades mecánicas del material crioforjado, específicamente la resistencia y la ductilidad, se mantienen a temperaturas extremadamente altas y criogénicas. Minor dice que el rendimiento del titanio nanotwinned lo hace ideal para cosas como motores a reacción extremadamente calientes, así como entornos operativos muy fríos que sugerirían usos como anillos de retención para imanes superconductores, partes estructurales de tanques de gas natural licuado, así como materiales para ser expuestos a ambientes del océano profundo o del espacio profundo.

Cuando se le preguntó si el nuevo proceso de fabricación de titanio de grado comercial podría escalar pronto, Minor responde, ¿por qué no? En realidad, es más difícil hacer cosas como el proceso de Kroll que se usa hoy en día, donde el material tiene que aislarse eléctricamente y todo el proceso consume grandes cantidades de energía. "Y esta crioforja, ya sabes, simplemente estaríamos poniendo cosas en un baño".