تیتانیوم در عصر جدید؛ ساخت فلزی قویتر، ارزانتر و پایدارتر
در میان فلزات، تیتانیوم به دلیل ترکیبی از استحکام بالا، وزن کم، مقاومت در برابر خوردگی و تحمل دمای نسبتا بالا، از دیرباز ارزشمند بوده است، به ویژه برای کاربردهایی که به وزن و سازگاری با محیط اهمیت میدهند. زمانی که این فلز در اواخر قرن هجدهم کشف شد، یکی از کاشفان آن، بهدلیل قدرت و سختی تیتانیوم، نام تیتانها (خدایانی در اساطیر یونانی که از زمین و آسمان متولد شدند) را بر آن نهاد.
امروزه، دسترسی به آلیاژهای خاص تیتانیوم با قیمت مناسبتر از گذشته، امکانپذیر شده است و شرکتهایی مانند متالیوم با تأمین مستقیم گریدهای مهندسی، پزشکی و صنعتی تیتانیوم، نقش مهمی در گسترش کاربردهای این فلز استراتژیک دارند.
با گذشت زمان، ارزش تیتانیوم روز به روز بیشتر آشکار شده است. اندرو مینور، استاد علوم و مهندسی مواد، میگوید: “من یک متخصص متالورژی و علم مواد هستم و مردم اغلب از من میپرسند که عنصر مورد علاقه شما چیست؟”
ساختن هواپیماها، موشکها، فضاپیماها و موارد دیگر برای او مهم است و میگوید:
“اگر میخواهید قویترین ماده را با کمترین وزن داشته باشید، تیتانیوم انتخاب شماست.
اگر میشد، همه چیز را از تیتانیوم میساختیم.”
در واقع، برای طراحان صنعتی، چشمانداز داشتن اتومبیلها، کامیونها و هواپیماهای قوی، سبک و بسیار کممصرف، یا کشتیهای باربری فوقالعاده مقاوم در برابر خوردگی، رویایی است که با تیتانیوم محقق میشود.
اما مشکل چیست؟ مینور ، محقق و پژوهشگر میگوید: “تیتانیوم صنعتی یا آلیاژهای تیتانیومی که میتوانند جایگزین فولاد شوند، زمانی که تنها به قویترین و بادوامترین مواد نیاز است، بسیار گران هستند.” در واقع، هزینه ساخت تیتانیوم حدود شش برابر فولاد ضد زنگ است. در نتیجه، استفاده از آن به قطعات تخصصی برای هوافضا، هواپیماها ، ایمپلنتهای پزشکی ، صنایع پتروشیمی و اقلام سبک و گران قیمت شخصی مانند جواهرات، ساعت، عینک یا سایر کاربردهای خاص محدود شده است.
علاوه بر این، مینور توضیح میدهد که تیتانیوم خالص مقاومت متوسطی دارد. میتوان آن را با عناصری مانند اکسیژن، آلومینیوم، مولیبدن، وانادیم و زیرکونیوم تقویت کرد؛ اما این امر اغلب به بهای کاهش چکشپذیری (توانایی فلز برای کشیده شدن یا تغییر شکل بدون شکستن) تمام میشود.
اکنون، پس از یک دهه تحقیق، به لطف مینور و همکارانش در برکلی، از جمله مارک آستا، دارل چرزان و ج. دبلیو. موریس جونیور، که همگی استادان بخش علوم و مهندسی مواد هستند، ممکن است شاهد ورود به عصر جدیدی برای تیتانیوم و گسترش قابل توجه کاربردهای مهندسی آن باشیم. آنها با امید به گسترش استفاده عملی از تیتانیوم برای طیف وسیعی از کاربردهای سازهای یا مهندسی، آن را از طرق مختلف بررسی و آزمایش کردهاند.
در یک سری مطالعات، محققان به بینشهای جدیدی دربارۀ تیتانیوم دست یافتهاند، از جمله دستورالعملهایی برای ساخت آلیاژهای تیتانیوم بهتر و همچنین تکنیکی به نام «فورجکاری کرایو» cryo-forged technique برای ساخت تیتانیوم صنعتی – پیشرفتهایی که در نهایت میتوانند منجر به تولید مقرونبهصرفهتر و پایدارتر شوند.
معمای اکسیژن: چالش اکسیژن در تولید تیتانیوم کمهزینه و پایدار
مهم است که بدانیم دلیل هزینه بالای تیتانیوم، کمیاب بودنش نیست. تیتانیوم جزء فلزات گرانبها نیست؛ بلکه تقریباً در سراسر جهان، در سنگهای آذرین نزدیک به سطح زمین یافت میشود. تیتانیوم نهمین عنصر فراوان و چهارمین فلز فراوان زمین است و میتوان از آن هم به صورت خالص و هم به عنوان آلیاژ استفاده کرد.
اندرو مینور توضیح میدهد که عامل اصلی هزینه بیش از حد تیتانیوم تجاری، فرآیند پیچیده کرول است که اغلب برای ساخت شمشها، شمشها و سایر اشکال تیتانیوم استفاده میشود که میتوان آنها را به قطعات قابل استفاده و سایر محصولات تبدیل کرد. این فرآیند شامل استفاده از مواد گرانقیمتی مانند گاز آرگون و ذوبهای متعدد در دمای بسیار بالا است، به خصوص برای کنترل ناخالصیهای اکسیژن.
در واقع، تیتانیوم و اکسیژن رابطهای گیجکننده دارند، رابطهای که مینور، آستا، چرزان، موریس و همکارانشان میخواستند بیشتر دربارهاش بدانند. این تیم میدانستند که اغلب از یک ناخالصی اکسیژن برای آلیاژهای تیتانیوم استفاده میشود تا از اثر تقویتی قدرتمندی بهرهمند شوند. تیتانیوم ساخته شده با تنها افزایش کمی در مقدار اکسیژن اتمی میتواند منجر به افزایش چند برابری مقاومت فلز شود.
متأسفانه، اکسیژن همچنین میتواند باعث کاهش حتی بیشتر قابلیت چکشپذیری فلز شود. تیتانیوم شکننده میشود و شکسته و ترک میخورد.
مینور درباره دشواریهای مانور حول حساسیت بالای تیتانیوم به اکسیژن میگوید: اکسیژن همه جا هست. این فقط یک ناخالصی نیست که از مواد اولیه میآید و میتوانید از آن اجتناب کنید.
او حساسیت تیتانیوم به اکسیژن را بسیار شدید توصیف میکند. مینور میگوید: واقعاً عجیب است که چقدر قدرتمند است. این اکسیژن اثرات خوب و بدی روی فلز میگذارد، در حالی که وجود مقادیر مشابه اکسیژن برای فلزاتی مانند آلومینیوم و فولاد اهمیت چندانی ندارد، زیرا به راحتی میتوان در فرآوری با آن مقابله کرد.
برای کسب اطلاعات بیشتر، این تیم به محاسبات با کارایی بالا روی آوردند تا فرآیند تغییر شکل در تیتانیوم تحت فشار و با مقادیر مختلف اکسیژن را مدلسازی کنند. آستا میگوید، مدلهای کامپیوتری مجموعهای قدرتمند از ابزار هستند که به ما امکان میدهند این چالش برجسته در متالورژی تیتانیوم را بررسی کنیم.
از کشفهای مهم این تیم، جابهجایی اتمهای اکسیژن در ساختار بلوری تیتانیوم زمانی که فلز تحت فشار قرار میگیرد، کلیدی برای درک کاهش چکشپذیری شد. در حالت بدون فشار، مولکولهای اکسیژن بدون حادثه در شکافهای طبیعی بین اتمهای تیتانیوم قرار میگیرند. اما تحت نیروهای مکانیکی، اتمهای اکسیژن میتوانند به فضاهای مجاور جابهجا شوند و در آنجا مقاومت کمتری در برابر دررفتگیها ایجاد کنند که در صورت گسترش، فلز را ضعیف میکنند.
ایجاد آلیاژهای بهتر: درک و مقابله با ضعف ناشی از اکسیژن در تیتانیوم
مینور میگوید: اکسیژن باعث ضعف ساختاری میشود. با اعمال نیروهای مکانیکی که فلز را تغییر شکل میدهند، اتمهای اکسیژن جابجا شده بهجای مسدود کردن گسترش نقصهای ساختاری، میتوانند نوعی لغزش صفحهای را تسهیل کنند.
آستا میگوید لغزش صفحهای مانند موجی از نقص در ساختار بلوری فلز است که روی هم انباشته میشوند و در نهایت منجر به شکستگیها، ترکها و تکهای شکننده از فلز میشوند.
مینور میگوید: اکسیژن باعث ضعف ساختاری میشود. با اعمال نیروهای مکانیکی که فلز را تغییر شکل میدهند، اتمهای اکسیژن جابجا شده بهجای مسدود کردن گسترش نقصهای ساختاری، میتوانند نوعی لغزش صفحهای را تسهیل کنند.
آستا میگوید لغزش صفحهای مانند موجی از نقص در ساختار بلوری فلز است که روی هم انباشته میشوند و در نهایت منجر به شکستگیها، ترکها و تکهای شکننده از فلز میشوند.
| چرزان برای درک چگونگی تشکیل و گسترش جابجایی در تیتانیوم، پیشنهاد میکند تصور کنید که میخواهید یک فرش بزرگ و سنگین را جابجا کنید. او میگوید: میتوان یک فرش بسیار بزرگ را از یک طرف بلند کرد و روی زمین تا موقعیت جدیدی کشید. اما راه دیگری برای جابجایی فرش این است که یک موج در یک طرف ایجاد کنید و سپس با کشیدن پاهای خود روی سطح فرش، میتوانید با پای خود آن موج را به طرف دیگر ببرید. به شرطی که هیچ چیز مانع حرکت آن نشود، کل فرش به فاصلهای برابر با عرض موج جابجا میشود. چنین «موجهایی» در تیتانیوم با میکروسکوپ الکترونی قابل مشاهده هستند. مینور میگوید: میتوانید ببینید که همه جابجاییها بهصورت ردیفی مرتب شدهاند. و این برای چکشپذیری مضر است، زیرا اگر آنها بهصورت ردیفی قرار بگیرند و فقط از یکدیگر پیروی کنند، در هم گره نمیخورند (و در نتیجه متوقف نمیشوند) به طوری که فلز سختتر نشود. شما یک تمرکز تنش به دست میآورید، و آن جایی است که ترک میخورد. |
استراتژیهای طراحی که فرآیند جابجایی اتمهای اکسیژن را قطع میکنند یا نانوساختارهایی را برای جلوگیری از انباشته شدن لغزشهای صفحهای ترویج میدهند، میتوانند منجر به آلیاژهای بهتر شوند. مینور میگوید، این آلیاژها بهویژه در صنایع خودرو و هوافضا کاربرد خواهند داشت.
برای رسیدگی به این موارد و مسائل دیگر، تیم از ترکیبی از مدلسازی کامپیوتری، میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) و سایر روشهای تصویربرداری و آزمایشها استفاده میکند.
آستا میگوید: یکی از چیزهای واقعاً خوب دربارۀ این پروژه این است که گاهی اوقات محاسباتیها و نظریهپردازان کمی جلوتر هستند و گاهی اوقات تجربیکارها. ما بهطور مرتب ملاقات میکنیم و دربارۀ یافتهها و ایدههای جدیدمان صحبت میکنیم.
حساسیت تیتانیوم به اکسیژن: ساخت آلیاژهای قویتر و ارزانتر
بررسی حساسیت تیتانیوم به اکسیژن توسط این تیم، منجر به مطالعه آلیاژ تیتانیوم با آلومینیوم و اکسیژن شد. آنها دریافتند که افزودن مقادیر کمی آلومینیوم، مخصوصاً در دمای برود سرد (پایینتر از -150 درجه سانتیگراد)، میتواند تردی ناشی از اکسیژن را از بین ببرد.
این تیم میگوید، با وجود مقادیر مناسب آلومینیوم و اکسیژن، آرایش جدیدی از ساختار بلوری تیتانیوم از جابهجایی اتمهای اکسیژن که منجر به انباشتگی مضر ر جابجاییها و نهایتاً شکستگیها میشود، جلوگیری میکند. علاوه بر این، با کاهش حساسیت کلی تیتانیوم به اکسیژن با معرفی آلومینیوم، هزینههای فرآوری برای ایجاد یک فلز قابل استفاده نیز کاهش مییابد.
در پژوهشی دیگر، این تیم به بررسی تحقیقات دهه 1960 پرداخت که نشان میداد بسیاری از فلزات و آلیاژها هنگام اعمال پالسهای الکتریکی دورهای در حین تغییر شکل فلز، افزایش قابل توجهی در چکشپذیری نشان میدهند. اما سازوکارهای اساسی اینکه چرا این پدیده به اصطلاح «الکتروپلاستیسیته» ممکن است درست باشد، مشخص نیست.
مینور میگوید: الکتروپلاستیسیته میتواند منجر به کاهش هزینههای فرآوری متالورژی شود، زیرا شکلدهی فلز با پالسهای الکتریکی انرژی کمتری نسبت به گرم کردن کل فلز به دمای بالا برای دستیابی به همان شکلپذیری نیاز دارد. جالب اینجاست که این اثر الکتروپلاستیسیته جهانی است و نشان داده شده است که برای تقریباً هر فلزی، نه فقط تیتانیوم، کار میکند.
این تیم آزمایشهای کششی فلز را تحت سه شرایط مختلف: دمای اتاق بدون جریان الکتریکی، با پالس الکتریکی دورهای به مدت 100 میلیثانیه و با جریان ثابت انجام داد. از آنجایی که اعمال جریان الکتریکی فلز را گرم میکند، تیم نگران تمایز اثرات ناشی از صرفاً الکتریسیته از اثرات ناشی از گرما بود.
نتایج آنها نشان داد که با وجود استفاده از پالس دورهای کوچکتر نسبت به مطالعات قبلی، روش جریان پالسی باعث بهبود کشش طولی آلیاژ تیتانیوم و همچنین حداکثر استحکام آن شد. آنها اشاره میکنند که این اثر فقط مختص آزمایش جریان پالسی است.
نتایج آنها با کمک TEM برای مشاهده تغییرات در ساختار بلوری فلز، نشان میدهد که اعمال جریان پالسی لغزش صفحهای جابجاییها را سرکوب میکند. محققان دریافتند که پالس الکتریکی ماده را سختتر میکند و با حفظ الگوی جابجایی 3 بعدی و منتشر، توسعه لغزش صفحهای را خنثی میکند که در نهایت استحکام و چکشپذیری بالایی را ارائه میدهد.
تیتانیوم نانو دو قلوئی ( Nano twinned )
با پروژه TEAM I در مرکز ملی میکروسکوپ الکترونی آزمایشگاه برکلی.
به تازگی دکترمینور و رابرت ریچه، اساتید دانشکده علم مواد و مهندسی مکانیک، روشی پیشرو برای پردازش عمده به منظور ساخت تیتانیوم خالص ابداع کردند که ارزانتر بوده و فلز حاصل، استحکام کششی و قابلیت انعطاف بالاتری دارد.
علاوه بر آلیاژها، راه دیگری برای تقویت فلزات ساختاری، تنظیم اندازه کریستالها – که به آن دانه نیز میگویند – تشکیلدهنده فلز با استفاده از گرما و فرآیندهای مکانیکی مانند نورد یا پرس است. با کاهش اندازه دانه به زیر میکرومتر یا نانومتر، پژوهشگران میتوانند ساختارهای به اصطلاح نانو دوقلوئی ، یا نقصهایی در فلز ناشی از ساختارهای کریستالی همراستا، ایجاد کنند.
ساختارهای نانو با عمل به عنوان مانعی در برابر لغزشهای صفحهای، استحکام را افزایش داده و خطر شکستگی را کاهش میدهند. مینور میگوید با تنظیم فاصله و جهتگیری ساختارهای نانو دوقلوئی، میتوان خواص مکانیکی را حتی بیشتر بهینه کرد. اما روشهای سنتی انجام این کار نه ساده و نه ارزان هستند.
در عوض، مینور، ریچه و همکاران با استفاده از فرآیند سرمامکانیکی، ساختارهای نانو متعددی را در تیتانیوم خالص معرفی کردند. آنها از قطعات مکعبی شکل تیتانیوم استفاده کردند که در نیتروژن مایع از سه طرف پرس شدند مینور. میگوید، فشار ملایم، تراکم ساختارهای نانومتواین را که فلز را تقویت میکنند کنترل میکند، در حالی که ساختار دانه اولیه آن را حفظ میکند. مهمتر از همه، این فرآیند به حرارت شدید متکی نیست و ممکن است روشی پایدارتر برای ساخت تیتانیوم برای طیف گستردهای از کاربردها نسبت به امروز باشد.
پی نوشت : دوقلویی شدن نانو در مواد به عنوان بخشی جابجا شده از یک کریستال شناسایی می شود که در آن شبکه های کریستالی در هر لبه از طریق یک صفحه دوقلوی فرضی با تقارن آینه ای به هم وصل شده اند.
منبع :
