टाइटेनियम के लिए एक नया समय, एक मजबूत, सस्ता, अधिक टिकाऊ धातु बनाना

धातुओं के बीच, टाइटेनियम की ताकत और हल्कापन, संक्षारण प्रतिरोध, और अत्यधिक तापमान का सामना करने की क्षमता ने लंबे समय से इसके मूल्य को प्रतिष्ठित किया है, विशेष रूप से वजन और पर्यावरण-संवेदनशील अनुप्रयोगों के लिए। जब इसे पहली बार 18 वीं शताब्दी के अंत में वर्णित किया गया था, तो एक सह -खोजकर्ता ने टाइटन्स के लिए धातु का नाम दिया था - प्राचीन ग्रीक पौराणिक कथाओं में पृथ्वी और आकाश से पैदा हुए देवता।

समय ने केवल टाइटेनियम की चमक को जला दिया है। "मैं एक सामग्री वैज्ञानिक हूं, और इसलिए लोग कभी -कभी मुझसे पूछते हैं, 'आपका पसंदीदा तत्व क्या है?" "सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग के प्रोफेसर एंड्रयू माइनर कहते हैं। इमारतों, हवाई जहाज, मिसाइलों, अंतरिक्ष यान, और अधिक के लिए, वे कहते हैं, "यदि आप कम से कम वजन के लिए सबसे मजबूत सामग्री चाहते हैं, तो यह टाइटेनियम है। यदि हम कर सकते हैं, तो हम सब कुछ टाइटेनियम से बाहर कर देंगे।"

दरअसल, औद्योगिक डिजाइनरों के लिए, मजबूत, हल्के, अत्यधिक ईंधन-कुशल कारों, ट्रकों और हवाई जहाजों की संभावना, उदाहरण के लिए, या सुपर संक्षारण प्रतिरोधी कार्गो जहाज, टाइटेनियम सपनों का सामान होना चाहिए।

समस्या? "यह बहुत महंगा है," माइनर इंडस्ट्रियल-ग्रेड टाइटेनियम या टाइटेनियम मिश्र धातुओं के बारे में कहता है जो अन्यथा स्टील को बदल सकता है जब केवल सबसे मजबूत, सबसे टिकाऊ सामग्री पर्याप्त होगी। टाइटेनियम बनाने की लागत स्टेनलेस स्टील की तुलना में लगभग छह गुना अधिक है। नतीजतन, इसके उपयोग एयरोस्पेस, गहने जैसे उच्च-अंत वाली वस्तुओं या अन्य आला अनुप्रयोगों के लिए विशेष भागों तक सीमित रहे हैं।

क्या अधिक है, शुद्ध टाइटेनियम में केवल मध्यम शक्ति है, माइनर बताते हैं। इसे ऑक्सीजन, एल्यूमीनियम, मोलिब्डेनम, वैनेडियम और जिरकोनियम जैसे तत्वों के साथ मजबूत किया जा सकता है; हालांकि, यह अक्सर लचीलापन की कीमत पर होता है - एक धातु की क्षमता फ्रैक्चरिंग के बिना खींची या विकृत होने की।

अब, एक दशक के शोध के बाद, टाइटेनियम के लिए एक नया युग, जिसमें बहुत विस्तारित इंजीनियरिंग एप्लिकेशन भी शामिल हैं, आ सकती है, माइनर और उनके बर्कले के सहयोगियों के लिए धन्यवाद, जिसमें मार्क एस्टा, डेरिल क्रजान और जेडब्ल्यू मॉरिस जूनियर शामिल हैं, विभाग में प्रोफेसर भी सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग की। वे विभिन्न प्रकार के संरचनात्मक या इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों के लिए इसके व्यावहारिक उपयोग का विस्तार करने की उम्मीद में किसी भी तरह से टाइटेनियम की जांच और प्रकोप कर रहे हैं।

अध्ययनों की एक श्रृंखला में, शोधकर्ताओं ने टाइटेनियम के बारे में महत्वपूर्ण नई अंतर्दृष्टि विकसित की है, जिसमें बेहतर टाइटेनियम मिश्र धातुओं को बनाने के लिए व्यंजनों के साथ-साथ औद्योगिक-ग्रेड टाइटेनियम बनाने के लिए एक क्रायो-जाली तकनीक भी शामिल है-जो अंततः अधिक लागत-कुशल और टिकाऊ हो सकती है उत्पादन।

क्रायो-मैकेनिकल प्रक्रिया का एक योजनाबद्ध ड्राइंग जिसके परिणामस्वरूप नैनोटविन टाइटेनियम होता है।

(एंड्रयू माइनर द्वारा चित्रण)

ऑक्सीजन कनंड्रम

यह समझना महत्वपूर्ण है कि टाइटेनियम की लागत इसकी दुर्लभता के कारण नहीं है। टाइटेनियम एक कीमती धातु नहीं है; बल्कि, यह दुनिया भर में लगभग हर जगह, सतह के पास आग्नेय चट्टानों में पाया जाता है। यह पृथ्वी का नौवां सबसे प्रचुर तत्व और चौथा सबसे प्रचुर मात्रा में धातु है, और इसका उपयोग चीजों को अपने शुद्ध रूप में और एक मिश्र धातु के रूप में बनाने के लिए किया जा सकता है।

इसके बजाय, वाणिज्यिक-ग्रेड टाइटेनियम की अत्यधिक लागत को चलाता है, माइनर बताते हैं, यह जटिल क्रोल प्रक्रिया है जो अक्सर टाइटेनियम बार, सिल्लियों और धातु के अन्य रूपों को बनाने के लिए उपयोग की जाती है, जिन्हें प्रयोग करने योग्य भागों और अन्य उत्पादों में गढ़ा जा सकता है। इस प्रक्रिया में आर्गन गैस जैसी महंगी सामग्री का उपयोग शामिल है, और यह ऊर्जा-गहन है, विशेष रूप से ऑक्सीजन की अशुद्धियों को नियंत्रित करने के लिए, विशेष रूप से उच्च तापमान पर कई पिघलने की आवश्यकता होती है।

दरअसल, टाइटेनियम और ऑक्सीजन का एक गूढ़ संबंध है, एक है कि नाबालिग, एएसटीए, क्रजान, मॉरिस, और सहकर्मी बेहतर समझना चाहते हैं। टीम को पता था कि एक ऑक्सीजन अशुद्धता का उपयोग अक्सर टाइटेनियम मिश्र धातुओं के लिए एक शक्तिशाली मजबूत प्रभाव का उपयोग करने के लिए किया जाता है। परमाणु ऑक्सीजन की मात्रा में सिर्फ एक छोटी वृद्धि के साथ बनाया गया टाइटेनियम एक धातु में ताकत में कई गुना वृद्धि के साथ परिणाम कर सकता है।

दुर्भाग्य से, ऑक्सीजन धातु की लचीलापन में और भी बड़ी कमी पैदा कर सकती है। यह भंगुर हो जाता है और फ्रैक्चर और टूट जाएगा।

लेकिन "ऑक्सीजन हर जगह है," माइनर ऑक्सीजन के लिए टाइटेनियम की उच्च जवाबदेही के आसपास पैंतरेबाज़ी करने में कठिनाई के बारे में कहता है। "यह स्रोत सामग्री से आने वाली कुछ अशुद्धता नहीं है जिससे आप बस बच सकते हैं।"

वह ऑक्सीजन के लिए टाइटेनियम की संवेदनशीलता को चरम के रूप में चित्रित करता है। "यह वास्तव में अजीब है कि यह कितना शक्तिशाली है," माइनर कहते हैं। यह धातु पर प्रभाव डालता है, दोनों अच्छे और बुरे, जबकि समान मात्रा में ऑक्सीजन की उपस्थिति एल्यूमीनियम और स्टील जैसी धातुओं के लिए महत्वहीन है क्योंकि इसे बहुत अधिक आसानी से प्रसंस्करण में निपटा जा सकता है।

अधिक जानने के लिए, टीम ने तनाव के तहत टाइटेनियम में विरूपण प्रक्रिया को मॉडल करने के लिए उच्च-प्रदर्शन कंप्यूटिंग की ओर रुख किया और ऑक्सीजन की अलग-अलग मात्रा के साथ। कंप्यूटर मॉडल, एएसटीए कहते हैं, "उपकरणों का एक शक्तिशाली सेट है जो हमें टाइटेनियम धातुकर्म में इस उत्कृष्ट चुनौती की जांच करते हैं।"

टीम की प्रमुख खोजों में से, टाइटेनियम की क्रिस्टल संरचना में ऑक्सीजन परमाणुओं का एक फेरबदल जब धातु तनाव में है, तो लचीलापन के नुकसान को समझने के लिए महत्वपूर्ण बन गया। एक गैर-तनावपूर्ण अवस्था में, ऑक्सीजन के अणु टाइटेनियम के परमाणुओं के बीच प्राकृतिक अंतराल में घटना के बिना रहते हैं। लेकिन यांत्रिक बलों के तहत, ऑक्सीजन परमाणु आसन्न स्थानों पर फेरबदल कर सकते हैं जहां वे अव्यवस्थाओं के लिए कम प्रतिरोध प्रदान करते हैं, यदि वे फैलते हैं, तो धातु को कमजोर करते हैं।

"ऑक्सीजन एक संरचनात्मक कमजोरी को बढ़ावा देता है," माइनर कहते हैं। जैसा कि यांत्रिक बल धातु को विकृत करते हैं, विस्थापित ऑक्सीजन परमाणु, संरचनात्मक दोषों के प्रसार को अवरुद्ध करने के बजाय, एक तथाकथित प्लानर पर्ची की सुविधा प्रदान कर सकते हैं।

एक प्लानर स्लिप, एएसटीए का कहना है, धातु के क्रिस्टल संरचना में दोषों की एक लहर की तरह है जो एक दूसरे पर एक का निर्माण करता है, अंततः फ्रैक्चर, दरारें और धातु के एक भंगुर टुकड़े की ओर ले जाता है।

यह समझने के लिए कि टाइटेनियम में एक अव्यवस्था कैसे बन सकती है और फैल सकती है, Chrzan एक बड़े, भारी गलीचा को स्थानांतरित करने की कोशिश कर रहा है।

"एक बहुत बड़े गलीचा को एक छोर पर उठाया जा सकता है और फर्श पर एक नई स्थिति में घसीटा जा सकता है," वे कहते हैं। लेकिन गलीचा को स्थानांतरित करने का एक और तरीका एक छोर पर एक लहर बनाना है और फिर, कालीन के शीर्ष पर अपने पैरों को फेरने से, आप दूसरे छोर पर लहर को "चल" सकते हैं। बशर्ते कुछ भी अपने आंदोलन को अवरुद्ध नहीं करता है, पूरे गलीचा को रिपल की चौड़ाई के बराबर दूरी से विस्थापित किया गया होगा।

टाइटेनियम में इस तरह के "लहर" को इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी के साथ देखा जा सकता है। "आप देख सकते हैं कि सभी अव्यवस्थाएँ पंक्तियों में पंक्तिबद्ध हैं," माइनर कहते हैं। "और यह लचीलापन के लिए बुरा है क्योंकि अगर वे लाइन अप करते हैं और केवल एक -दूसरे का अनुसरण करते हैं, तो वे उलझ नहीं जाते हैं [और इस तरह बंद हो गए] जैसे कि धातु कठोर काम नहीं करता है। आपको एक तनाव एकाग्रता मिलती है, और यह वह जगह है जहां आपको मिलता है एक दरार। "

बेहतर मिश्र बनाना

डिजाइन रणनीतियाँ जो ऑक्सीजन-परमाणु फेरबदल प्रक्रिया को बाधित करती हैं या प्लानर स्लिप को पाइलिंग से रोकने के लिए नैनोस्ट्रक्चर को बढ़ावा देती हैं, बेहतर मिश्र धातुओं को जन्म दे सकती हैं। इन मिश्र धातुओं के अनुप्रयोग होंगे, विशेष रूप से मोटर वाहन और एयरोस्पेस उद्योगों में, माइनर कहते हैं।

प्रोफेसर एंड्रयू माइनर एक टाइटेनियम के नमूने पर तरल नाइट्रोजन डालता है, जो क्रायो-फोरिंग प्रक्रिया का प्रदर्शन करता है जो अपनी प्रयोगशाला में नैनोटविन्ड टाइटेनियम बनाने के लिए उपयोग किया जाता है। (एडम लाउ / बर्कले इंजीनियरिंग द्वारा फोटो)

इन और अन्य मुद्दों को संबोधित करने के लिए, टीम कंप्यूटर मॉडलिंग, ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (टीईएम), और अन्य इमेजिंग तौर -तरीकों और प्रयोगों के मिश्रण पर निर्भर करती है।

"इस परियोजना के बारे में जो चीजें अच्छी रही हैं, उनमें से एक यह है कि कभी -कभी कम्प्यूटेशनलिस्ट और सिद्धांतकार थोड़ा आगे होते हैं, और अन्य बार यह प्रायोगिकतावादी होता है," एस्टा कहते हैं। "हम अक्सर मिलते हैं और अपने निष्कर्षों और अपने नए विचारों के बारे में बात करते हैं।"

उदाहरण के लिए, टाइटेनियम की ऑक्सीजन संवेदनशीलता के टीम के अध्ययन ने एल्यूमीनियम और ऑक्सीजन के साथ टाइटेनियम मिश्र धातु का अध्ययन किया। उन्होंने पाया कि ऑक्सीजन के उत्सव को कम मात्रा में एल्यूमीनियम जोड़कर समाप्त किया जा सकता है, विशेष रूप से क्रायोजेनिक तापमान पर, जो -150 डिग्री सेल्सियस से नीचे हैं।

सिर्फ सही मात्रा में एल्यूमीनियम और ऑक्सीजन के साथ, टीम कहती है, टाइटेनियम क्रिस्टल संरचना के एक नए आदेश ने ऑक्सीजन परमाणुओं के एक फेरबदल को रोका जो कि अव्यवस्थाओं और अंततः फ्रैक्चर के एक हानिकारक पाइलअप को जन्म देगा। क्या अधिक है, क्योंकि एल्यूमीनियम की शुरूआत ने टाइटेनियम की ऑक्सीजन संवेदनशीलता को कम कर दिया, कुल मिलाकर एक प्रयोग करने योग्य धातु बनाने के लिए प्रसंस्करण लागत भी कम हो जाएगी।

अभी तक एक अन्य अध्ययन में, टीम ने 1960 के दशक में वापस जाने वाले शोध को देखा, जिसमें दिखाया गया था कि धातु के विरूपण के दौरान आवधिक विद्युत दालों के अधीन होने पर कई धातुएं और मिश्र धातु में नाटकीय रूप से वृद्धि करते हैं। लेकिन इस तथाकथित इलेक्ट्रोप्लास्टी के बारे में अंतर्निहित तंत्र सच नहीं हो सकता है।

"इलेक्ट्रोप्लास्टी मेटालर्जिकल प्रोसेसिंग के लिए कम लागत को कम कर सकता है क्योंकि यह एक ही फॉर्मेबिलिटी को प्राप्त करने के लिए पूरे धातु को उच्च तापमान तक गर्म करने की तुलना में विद्युत दालों के साथ धातु बनाने के लिए कम ऊर्जा लेता है," माइनर कहते हैं। "दिलचस्प बात यह है कि इलेक्ट्रोप्लास्टी का यह प्रभाव सार्वभौमिक है कि यह अनिवार्य रूप से हर धातु के लिए काम करने के लिए दिखाया गया है, न कि केवल टाइटेनियम।"

टीम ने तीन अलग -अलग परिस्थितियों में धातु के तन्य परीक्षणों का प्रदर्शन किया: बिना विद्युत प्रवाह के कमरे का तापमान, 100 मिलीसेकंड की अवधि के आवधिक विद्युत पल्स के साथ, और एक निरंतर वर्तमान के साथ। क्योंकि इलेक्ट्रिक करंट को लागू करने से धातु को गर्म होता है, टीम गर्मी के कारण होने वाले बिजली के कारण होने वाले प्रभावों को अलग करने के बारे में चिंतित थी।

उनके परिणामों से पता चला कि, पिछले अध्ययनों की तुलना में एक छोटे आवधिक नाड़ी का उपयोग करने के बावजूद, स्पंदित-वर्तमान विधि ने टाइटेनियम मिश्र धातु के तन्यता बढ़ाव के साथ-साथ इसकी अधिकतम ताकत में सुधार किया। वे ध्यान दें कि यह प्रभाव केवल स्पंदित-वर्तमान प्रयोग के लिए विशिष्ट था।

धातु के क्रिस्टल संरचना में परिवर्तन देखने के लिए टीईएम की सहायता से, उनके परिणाम बताते हैं कि स्पंदित-वर्तमान उपचार प्लानर पर्ची अव्यवस्थाओं को दबा देता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि इलेक्ट्रिकल पल्स सामग्री को सख्त कर देता है और एक फैलाना, 3 डी अव्यवस्था पैटर्न को बनाए रखते हुए प्लानर स्लिप के विकास को निराश करता है जो अंततः उच्च शक्ति और लचीलापन प्रदान करता है।

नैनोट्विन्ड टाइटेनियम

हाल ही में, माइनर और मैकेनिकल इंजीनियरिंग के प्रोफेसरों, माइनर और रॉबर्ट रिची ने शुद्ध टाइटेनियम बनाने के लिए एक अग्रणी बल्क प्रसंस्करण विधि विकसित की, जो कम खर्चीली है और अधिक तन्यता ताकत और लचीलापन के साथ एक धातु की उपज देता है।

बर्कले लैब के नेशनल सेंटर फॉर इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी में टीम I (ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन एब्रेशन-सही माइक्रोस्कोप) के साथ सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग प्रोफेसर (बाएं से) डेरिल क्रजान, मार्क एस्टा, और एंड्रयू माइनर। (एडम लाउ / बर्कले इंजीनियरिंग द्वारा फोटो)

मिश्र धातुओं के अलावा, संरचनात्मक धातुओं को मजबूत करने का एक और तरीका क्रिस्टल के आकार को दर्जी करना है - जिसे अनाज के रूप में भी जाना जाता है - जो गर्मी और यांत्रिक प्रसंस्करण का उपयोग करके धातु को बनाते हैं, जैसे कि रोलिंग या दबाव। उप-माइक्रोमेटर्स या नैनोमीटर में अनाज के आकार को कम करके, शोधकर्ता तथाकथित नैनोटविन्ड संरचनाओं, या संरेखित क्रिस्टल संरचनाओं के कारण धातु में दोषों को पेश कर सकते हैं। Nanotwinned संरचनाएं ताकत में सुधार करती हैं और प्लानर पर्ची के लिए एक बाधा के रूप में कार्य करके फ्रैक्चर के जोखिम को कम करती हैं। नैनोटविन्ड संरचनाओं के रिक्ति और अभिविन्यास को सिलाई करके, माइनर कहते हैं, यांत्रिक गुणों को आगे भी अनुकूलित किया जा सकता है। लेकिन ऐसा करने के पारंपरिक तरीके न तो तुच्छ हैं और न ही सस्ते हैं।

इसके बजाय, नाबालिग, रिची और सहयोगियों ने क्रायो-मैकेनिकल प्रक्रिया के माध्यम से शुद्ध टाइटेनियम में कई नैनोटविन्ड संरचनाओं को पेश किया। उन्होंने टाइटेनियम के क्यूब के आकार के टुकड़ों का इस्तेमाल किया जो तरल नाइट्रोजन में तीन पक्षों के साथ दबाया गया था। कोमल संपीड़न, माइनर कहते हैं, नैनोटविन वाली संरचनाओं के घनत्व को नियंत्रित करता है जो इसकी प्रारंभिक अनाज संरचना को संरक्षित करते हुए धातु को मजबूत करता है। सबसे अच्छा, यह प्रक्रिया तीव्र गर्मी पर निर्भर नहीं करती है और शायद आज की तुलना में अनुप्रयोगों की एक व्यापक श्रेणी के लिए टाइटेनियम बनाने के लिए एक अधिक टिकाऊ तरीका है।

क्रायो-जाली सामग्री के यांत्रिक गुण, विशेष रूप से ताकत और लचीलापन, अत्यधिक उच्च और साथ ही क्रायोजेनिक तापमान पर भी रहते हैं। माइनर का कहना है कि नैनोटविन्ड टाइटेनियम का प्रदर्शन बेहद हॉट जेट इंजन के साथ -साथ बहुत ठंडे ऑपरेटिंग वातावरण जैसी चीजों के लिए आदर्श बनाता है जो सुझाव देता है कि सुपरकंडक्टिंग मैग्नेट के लिए रिंग को बनाए रखने की तरह उपयोग करता है, तरलीकृत प्राकृतिक गैस टैंक के संरचनात्मक भागों, साथ ही साथ सामग्री भी होने के लिए। गहरे महासागर या गहरे अंतरिक्ष वातावरण के संपर्क में।

यह पूछे जाने पर कि क्या नई वाणिज्यिक-ग्रेड टाइटेनियम निर्माण प्रक्रिया को जल्द ही एक दिन स्केल करने के लिए लाया जा सकता है, माइनर कहते हैं, क्यों नहीं? आज उपयोग की जाने वाली क्रोल प्रक्रिया जैसी चीजें करना कठिन है, जहां सामग्री को विद्युत रूप से अलग करना पड़ता है और पूरी प्रक्रिया में भारी मात्रा में बिजली होती है। "और यह क्रायो-फोरिंग, हम सिर्फ एक स्नान में चीजों को डाल रहे होंगे।"