Basso costo e leggero: la lega di titanio più forte mira a migliorare il risparmio di carburante del veicolo e ridurre le emissioni di CO2

Comunicato stampa del Pacific Northwest National Laboratory, 1 aprile 2016

RICHLAND, Wash. – Una lega di titanio migliorata-più forte di qualsiasi lega di titanio commerciale attualmente sul mercato-ottiene la sua forza dal nuovo modo in cui gli atomi sono disposti per formare una speciale nanostruttura. Per la prima volta, i ricercatori sono stati in grado di vedere questo allineamento e poi manipolarlo per rendere la lega di titanio più forte mai sviluppata, e con un processo a basso costo per l’avvio.

Notano in un articolo pubblicato il 1 ° aprile da Nature Communications che il materiale è un ottimo candidato per la produzione di parti di veicoli più leggeri e che questa nuova comprensione può portare alla creazione di altre leghe ad alta resistenza.

I ricercatori del Pacific Northwest National Laboratory del Dipartimento di Energia sapevano che la lega di titanio ricavata da un processo a basso costo che avevano precedentemente sperimentato aveva ottime proprietà meccaniche, ma volevano sapere come renderla ancora più forte. Usando potenti microscopi elettronici e un approccio di imaging della sonda atomica unico, sono stati in grado di scrutare in profondità nella nanostruttura della lega per vedere cosa stava succedendo. Una volta compresa la nanostruttura, sono stati in grado di creare la lega di titanio più forte mai realizzata.

Mescolandolo

Al 45% del peso dell’acciaio a basso tenore di carbonio, il titanio è un elemento leggero ma non super forte. In genere è mescolato con altri metalli per renderlo più forte. Cinquant’anni fa, i metallurgisti hanno provato a mescolarlo con ferro economico, insieme a vanadio e alluminio. La lega risultante, chiamata Ti185, era molto forte, ma solo in alcuni punti. La miscela tendeva a raggrupparsi-proprio come qualsiasi ricetta può. Il ferro si è raggruppato in determinate aree creando difetti noti come macchie beta nel materiale, rendendo difficile produrre commercialmente questa lega in modo affidabile.

Circa sei anni fa, PNNL e i suoi collaboratori hanno trovato un modo per aggirare questo problema e hanno anche sviluppato un processo a basso costo per produrre il materiale su scala industriale, cosa che non era stata fatta prima. Invece di iniziare con titanio fuso, il team ha sostituito la polvere di idruro di titanio. Utilizzando questa materia prima, hanno ridotto il tempo di lavorazione della metà e hanno drasticamente ridotto il fabbisogno energetico-risultando in un processo a basso costo in uso ora da una società chiamata Advance Materials Inc. ADMA ha co-sviluppato il processo con PNNL metallurgist Curt Lavender e vende la polvere di idruro di titanio e altri materiali avanzati per l’industria aerospaziale e altri.

Fabbri moderni

Proprio come un fabbro medievale, i ricercatori sapevano che potevano rendere questa lega ancora più forte trattandola a caldo. Riscaldare la lega in un forno a temperature diverse e poi immergerla in acqua fredda riorganizza essenzialmente gli elementi a livello atomico in modi diversi rendendo così il materiale risultante più forte.

Una lega di titanio migliorata – più forte di qualsiasi lega di titanio commerciale attualmente sul mercato – ottiene la sua forza dal nuovo modo in cui gli atomi sono disposti per formare una speciale nanostruttura. Per la prima volta, i ricercatori del Pacific Northwest National Laboratory sono stati in grado di vedere questo allineamento e quindi manipolarlo per renderlo ancora più forte. Utilizzando potenti microscopi elettronici e un approccio di imaging sonda atomo unico a EMSL, l’Environmental Molecular Sciences Laboratory, un ufficio DOE della struttura utente scienza situato a PNNL, sono stati in grado di scrutare in profondità all’interno della nanostruttura della lega per vedere cosa stava succedendo.

Il fabbro è ora passato da una forma d’arte a un regno più scientifico. Sebbene i principi di base siano gli stessi, i metallurgisti sono ora meglio in grado di alterare le proprietà in base alle esigenze dell’applicazione. Il team PNNL sapeva che se potevano vedere la microstruttura su nanoscala potevano ottimizzare il processo di trattamento termico per adattare la nanostruttura e ottenere una resistenza molto elevata.

“Abbiamo scoperto che se lo si riscalda prima con una temperatura più elevata prima di una fase di trattamento termico a bassa temperatura, è possibile creare una lega di titanio 10-15 per cento più forte di qualsiasi lega di titanio commerciale attualmente sul mercato e che ha circa il doppio della resistenza dell’acciaio”, ha detto Arun Devaraj uno scienziato “Questa lega è ancora più costosa dell’acciaio, ma con il suo rapporto resistenza-costo, diventa molto più conveniente con un maggiore potenziale per applicazioni automobilistiche leggere”, ha aggiunto Vineet Joshi, metallurgista di PNNL.

Devaraj e il team hanno utilizzato la microscopia elettronica per ingrandire la lega alla scala di centinaia di nanometri — circa 1.000 th la larghezza di un capello umano medio. Poi hanno ingrandito ulteriormente per vedere come i singoli atomi sono disposti in 3-D utilizzando un sistema di tomografia a sonda atomica presso EMSL, l’Environmental Molecular Sciences Laboratory, un DOE Office of Science User Facility situato a PNNL.

La sonda atom rimuove un solo atomo alla volta e lo invia a un rivelatore. Gli atomi più leggeri “volano” al rivelatore più velocemente, mentre gli oggetti più pesanti arrivano più tardi. Ogni tipo di atomo viene identificato a seconda del tempo impiegato da ciascun atomo per raggiungere il rivelatore e la posizione di ciascun atomo viene identificata dal rivelatore. Così gli scienziati sono in grado di costruire una mappa atomica del campione per vedere dove ogni singolo atomo si trova all’interno del campione.

Utilizzando metodi di microscopia così estesi, i ricercatori hanno scoperto che con il processo di trattamento termico ottimizzato, hanno creato regioni di precipitato di dimensioni micron e nanosizzate — note come fase alfa, in una matrice chiamata fase beta — ciascuna con alte concentrazioni di determinati elementi.

“Gli atomi di alluminio e titanio piacevano essere all’interno dei precipitati di fase alfa di dimensioni nanometriche, mentre il vanadio e il ferro preferivano passare alla fase di matrice beta”, ha detto Devaraj. Gli atomi sono disposti in modo diverso in queste due aree. Trattare le regioni a temperature più elevate di 1.450 gradi Fahrenheit ha raggiunto una struttura nano gerarchica unica.

Quando la forza è stata misurata tirando o applicando la tensione e allungandola fino a quando non ha fallito, il materiale trattato ha raggiunto un aumento del 10-15% della forza, che è significativo, soprattutto considerando il basso costo del processo di produzione.

Se prendi la forza con cui stai tirando e la dividi per l’area del materiale ottieni una misura della resistenza alla trazione in megapascal. L’acciaio utilizzato per produrre veicoli ha una resistenza alla trazione di 800-900 megapascal, mentre l’aumento percentuale 10-15 raggiunto a PNNL mette Ti185 a quasi 1,700 megapascal, o circa il doppio della resistenza dell’acciaio automobilistico pur essendo quasi la metà della luce.

Il team ha collaborato con Ankit Srivastava, un assistente professore presso il Texas A&Dipartimento di ingegneria e scienza dei materiali di M per sviluppare un semplice modello matematico per spiegare come la nanostruttura gerarchica può risultare in una resistenza eccezionalmente elevata. Il modello se confrontato con i risultati di microscopia e l’elaborazione ha portato alla scoperta di questa lega di titanio più forte mai realizzata.

“Questo spinge il confine di ciò che possiamo fare con le leghe di titanio”, ha detto Devaraj. “Ora che capiamo cosa sta succedendo e perché questa lega ha una resistenza così elevata, i ricercatori ritengono di poter modificare altre leghe creando intenzionalmente microstrutture simili a quelle di Ti185.”

Per esempio, l’alluminio è un metallo meno costoso e se la nanostruttura di leghe di alluminio può essere visto e gerarchicamente disposti in modo simile, che sarebbe anche aiutare l’industria automobilistica costruire veicoli più leggeri che utilizzano meno carburante e mettere fuori meno anidride carbonica che contribuisce al riscaldamento climatico.

Il programma Vehicle Technologies Office — Propulsion Materials di DOE ha supportato questa ricerca utilizzando le funzionalità sviluppate nell’ambito dell’iniziativa di imaging chimico finanziata internamente da PNNL.

EMSL, il Laboratorio di scienze molecolari ambientali, è una struttura scientifica nazionale sponsorizzata dall’Ufficio delle Scienze del Dipartimento dell’Energia. Situato al Pacific Northwest National Laboratory a Richland, Wash., EMSL offre un aperto, ambiente collaborativo per scoperta scientifica a ricercatori intorno al mondo. Le sue risorse computazionali e sperimentali integrate consentono ai ricercatori di realizzare importanti intuizioni scientifiche e creare nuove tecnologie.

I team interdisciplinari del Pacific Northwest National Laboratory affrontano molte delle questioni più urgenti dell’America in materia di energia, ambiente e sicurezza nazionale attraverso i progressi nella scienza di base e applicata. Fondata nel 1965, PNNL impiega 4.400 dipendenti e ha un budget annuale di quasi billion 1 miliardo. È gestito da Battelle per l’Ufficio della Scienza del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti. Come il singolo più grande sostenitore della ricerca di base nelle scienze fisiche negli Stati Uniti, l’Office of Science sta lavorando per affrontare alcune delle sfide più pressanti del nostro tempo.

Lascia un commento

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato.