Kostengünstig und leicht: Die stärkste Titanlegierung zielt darauf ab, den Kraftstoffverbrauch von Fahrzeugen zu verbessern und die CO2-Emissionen zu reduzieren

Pressemitteilung des Pacific Northwest National Laboratory, 1. April 2016

RICHLAND, Washington. – Eine verbesserte Titanlegierung – stärker als jede handelsübliche Titanlegierung, die derzeit auf dem Markt ist — erhält ihre Festigkeit durch die neuartige Anordnung der Atome zu einer speziellen Nanostruktur. Zum ersten Mal konnten Forscher diese Ausrichtung sehen und dann manipulieren, um die stärkste Titanlegierung herzustellen, die jemals entwickelt wurde, und das mit einem kostengünstigeren Prozess.In einem am 1. April von Nature Communications veröffentlichten Artikel stellen sie fest, dass das Material ein ausgezeichneter Kandidat für die Herstellung leichterer Fahrzeugteile ist und dass dieses neu gewonnene Verständnis zur Schaffung anderer hochfester Legierungen führen kann.Forscher am Pacific Northwest National Laboratory des Energieministeriums wussten, dass die Titanlegierung, die aus einem kostengünstigen Prozess hergestellt wurde, den sie zuvor entwickelt hatten, sehr gute mechanische Eigenschaften hatte, aber sie wollten wissen, wie man sie noch stärker macht. Mit leistungsstarken Elektronenmikroskopen und einem einzigartigen Atomsonden-Imaging-Ansatz konnten sie tief in die Nanostruktur der Legierung blicken, um zu sehen, was geschah. Nachdem sie die Nanostruktur verstanden hatten, konnten sie die stärkste Titanlegierung herstellen, die jemals hergestellt wurde.Mit 45 Prozent des Gewichts von kohlenstoffarmem Stahl ist Titan ein leichtes, aber nicht super starkes Element. Es wird normalerweise mit anderen Metallen gemischt, um es stärker zu machen. Vor fünfzig Jahren versuchten Metallurgen, es mit billigem Eisen zusammen mit Vanadium und Aluminium zu mischen. Die resultierende Legierung namens Ti185 war sehr stark – aber nur stellenweise. Die Mischung neigte dazu zu verklumpen – genau wie jedes Rezept. Eisen gruppierte sich in bestimmten Bereichen und erzeugte Defekte, die als Beta-Flecken im Material bekannt sind, was es schwierig macht, diese Legierung zuverlässig kommerziell herzustellen.

Vor etwa sechs Jahren fanden PNNL und seine Mitarbeiter einen Weg, dieses Problem zu umgehen, und entwickelten auch ein kostengünstiges Verfahren, um das Material im industriellen Maßstab herzustellen, was zuvor noch nicht geschehen war. Anstatt mit geschmolzenem Titan zu beginnen, ersetzte das Team Titanhydridpulver. Durch die Verwendung dieses Ausgangsmaterials reduzierten sie die Verarbeitungszeit um die Hälfte und den Energiebedarf drastisch — was zu einem kostengünstigen Prozess führte, der jetzt von einem Unternehmen namens Advance Materials Inc. verwendet wird. ADMA hat das Verfahren gemeinsam mit dem PNNL-Metallurgen Curt Lavender entwickelt und verkauft das Titanhydridpulver und andere fortschrittliche Materialien unter anderem an die Luft- und Raumfahrtindustrie.

Moderne Schmiede

Ähnlich wie ein mittelalterlicher Schmied wussten die Forscher, dass sie diese Legierung durch Wärmebehandlung noch stärker machen konnten. Das Erhitzen der Legierung in einem Ofen bei verschiedenen Temperaturen und das anschließende Eintauchen in kaltes Wasser ordnet die Elemente auf atomarer Ebene auf unterschiedliche Weise um, wodurch das resultierende Material stärker wird.Eine verbesserte Titanlegierung – stärker als jede handelsübliche Titanlegierung, die derzeit auf dem Markt ist – erhält ihre Stärke durch die neuartige Anordnung der Atome zu einer speziellen Nanostruktur. Zum ersten Mal konnten Forscher des Pacific Northwest National Laboratory diese Ausrichtung sehen und dann manipulieren, um sie noch stärker zu machen. Mit leistungsstarken Elektronenmikroskopen und einem einzigartigen Atomsonden-Imaging-Ansatz bei EMSL, dem Environmental Molecular Sciences Laboratory, einer DOE Office of Science User Facility am PNNL, konnten sie tief in die Nanostruktur der Legierung blicken, um zu sehen, was geschah.

Die Schmiedekunst hat sich von einer Kunstform zu einem wissenschaftlicheren Bereich entwickelt. Obwohl die zugrunde liegenden Prinzipien die gleichen sind, können Metallurgen die Eigenschaften jetzt besser an die Anforderungen der Anwendung anpassen. Das PNNL-Team wusste, wenn sie die Mikrostruktur auf der Nanoskala sehen könnten, könnten sie den Wärmebehandlungsprozess optimieren, um die Nanostruktur anzupassen und eine sehr hohe Festigkeit zu erreichen.“Wir fanden heraus, dass, wenn Sie es zuerst mit einer höheren Temperatur vor einem Niedertemperatur-Wärmebehandlungsschritt wärmebehandeln, Sie eine Titanlegierung herstellen könnten, die 10-15 Prozent stärker ist als jede kommerzielle Titanlegierung, die derzeit auf dem Markt ist, und dass sie ungefähr doppelt so stark ist wie Stahl“, sagte Arun Devaraj, Materialwissenschaftler am PNNL. „Diese Legierung ist immer noch teurer als Stahl, aber mit ihrem Verhältnis von Festigkeit zu Kosten wird sie viel erschwinglicher und bietet ein größeres Potenzial für leichte Automobilanwendungen“, fügte Vineet Joshi, Metallurge bei PNNL, hinzu.

Devaraj und das Team verwendeten Elektronenmikroskopie, um die Legierung auf der Hunderte von Nanometern Skala zu vergrößern — etwa 1.000th die Breite eines durchschnittlichen menschlichen Haares. Dann zoomten sie noch weiter, um zu sehen, wie die einzelnen Atome in 3-D angeordnet sind, mit einem Atomsonden-Tomographiesystem am EMSL, dem Environmental Molecular Sciences Laboratory, einer DOE Office of Science User Facility am PNNL.

Die Atomsonde löst jeweils nur ein Atom und sendet es an einen Detektor. Leichtere Atome „fliegen“ schneller zum Detektor, während schwerere Gegenstände später ankommen. Jeder Atomtyp wird in Abhängigkeit von der Zeit identifiziert, die jedes Atom benötigt, um den Detektor zu erreichen, und die Position jedes Atoms wird vom Detektor identifiziert. So können Wissenschaftler eine Atomkarte der Probe erstellen, um zu sehen, wo sich jedes einzelne Atom in der Probe befindet.Durch die Verwendung solch umfangreicher Mikroskopieverfahren entdeckten die Forscher, dass sie durch den optimierten Wärmebehandlungsprozess Mikron— und nanoskalige Niederschlagsregionen — bekannt als Alpha-Phase, in einer Matrix namens Beta-Phase – mit jeweils hohen Konzentrationen bestimmter Elemente erzeugten.“Die Aluminium- und Titanatome befanden sich gerne in den nanogroßen Alpha-Phasenniederschlägen, während Vanadium und Eisen es vorzogen, sich in die Beta-Matrix-Phase zu bewegen“, sagte Devaraj. Die Atome sind in diesen beiden Bereichen unterschiedlich angeordnet. Durch die Behandlung der Regionen bei einer höheren Temperatur von 1.450 Grad Fahrenheit wurde eine einzigartige hierarchische Nanostruktur erreicht.

Wenn die Festigkeit durch Ziehen oder Anlegen von Spannung und Dehnen bis zum Versagen gemessen wurde, erreichte das behandelte Material eine 10-15-prozentige Erhöhung der Festigkeit, was insbesondere angesichts der geringen Kosten des Produktionsprozesses signifikant ist.

Wenn Sie die Kraft, mit der Sie ziehen, durch die Fläche des Materials dividieren, erhalten Sie ein Maß für die Zugfestigkeit in Megapascal. Stahl, der zur Herstellung von Fahrzeugen verwendet wird, hat eine Zugfestigkeit von 800-900 Megapascal, während die bei PNNL erzielte Steigerung um 10-15 Prozent Ti185 auf fast 1.700 Megapascal bringt, was ungefähr der doppelten Festigkeit von Automobilstahl entspricht, während er fast halb so leicht ist.

Das Team arbeitete mit Ankit Srivastava, einem Assistenzprofessor an der Texas A&M’s Material Science and Engineering Department zusammen, um ein einfaches mathematisches Modell zu entwickeln, um zu erklären, wie die hierarchische Nanostruktur zu einer außergewöhnlich hohen Festigkeit führen kann. Das Modell im Vergleich zu den Mikroskopieergebnissen und der Verarbeitung führte zur Entdeckung dieser stärksten Titanlegierung, die jemals hergestellt wurde.“Dies verschiebt die Grenze dessen, was wir mit Titanlegierungen machen können“, sagte Devaraj. „Jetzt, da wir verstehen, was passiert und warum diese Legierung eine so hohe Festigkeit aufweist, glauben die Forscher, dass sie möglicherweise andere Legierungen modifizieren können, indem sie absichtlich Mikrostrukturen erzeugen, die denen in Ti185 ähneln.“Zum Beispiel ist Aluminium ein weniger teures Metall, und wenn die Nanostruktur von Aluminiumlegierungen auf ähnliche Weise gesehen und hierarchisch angeordnet werden kann, würde dies auch der Autoindustrie helfen, leichtere Fahrzeuge zu bauen, die weniger Kraftstoff verbrauchen und weniger Kohlendioxid ausstoßen, das zur Klimaerwärmung beiträgt.Das Vehicle Technologies Office — Propulsion Materials Program des DOE unterstützte diese Forschung mit Fähigkeiten, die im Rahmen der intern finanzierten Chemical Imaging Initiative des PNNL entwickelt wurden.EMSL, das Environmental Molecular Sciences Laboratory, ist eine nationale wissenschaftliche Nutzereinrichtung, die vom Office of Science des Energieministeriums gesponsert wird. Es befindet sich im Pacific Northwest National Laboratory in Richland, Washington. EMSL bietet Forschern auf der ganzen Welt eine offene, kollaborative Umgebung für wissenschaftliche Entdeckungen. Die integrierten rechnerischen und experimentellen Ressourcen ermöglichen es Forschern, wichtige wissenschaftliche Erkenntnisse zu gewinnen und neue Technologien zu entwickeln.Interdisziplinäre Teams am Pacific Northwest National Laboratory befassen sich mit vielen der dringendsten Probleme Amerikas in den Bereichen Energie, Umwelt und nationale Sicherheit durch Fortschritte in der Grundlagen- und angewandten Wissenschaft. PNNL wurde 1965 gegründet, beschäftigt 4.400 Mitarbeiter und verfügt über ein Jahresbudget von fast 1 Milliarde US-Dollar. Es wird von Battelle für das Office of Science des US-Energieministeriums verwaltet. Als größter Einzelförderer der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften in den Vereinigten Staaten arbeitet das Office of Science daran, einige der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit anzugehen.

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