Låg kostnad och lätt: starkaste titanlegering syftar till att förbättra fordonsbränsleekonomin och minska CO2-utsläppen

pressmeddelande från Pacific Northwest National Laboratory, April 1, 2016

RICHLAND, Wash. – En förbättrad titanlegering-starkare än någon kommersiell titanlegering som för närvarande finns på marknaden — får sin styrka från det nya sättet atomer är ordnade för att bilda en speciell nanostruktur. För första gången har forskare kunnat se denna anpassning och sedan manipulera den för att göra den starkaste titanlegeringen som någonsin utvecklats och med en lägre kostnadsprocess att starta.de noterar i ett papper som publicerades den 1 April av Nature Communications att materialet är en utmärkt kandidat för att producera lättare fordonsdelar, och att denna nyfunna förståelse kan leda till skapandet av andra höghållfasta legeringar.

forskare vid Institutionen för energi Pacific Northwest National Laboratory visste titanlegeringen gjord av en billig process som de tidigare hade banat väg för hade mycket goda mekaniska egenskaper, men de ville veta hur man gör det ännu starkare. Med hjälp av kraftfulla elektronmikroskop och en unik atomprobavbildningsmetod kunde de kika djupt inuti legeringens nanostruktur för att se vad som hände. När de förstod nanostrukturen kunde de skapa den starkaste titanlegeringen som någonsin gjorts.

blanda upp det

vid 45 procent vikten av lågkolstål är Titan ett lätt men inte super starkt element. Det blandas vanligtvis med andra metaller för att göra det starkare. För femtio år sedan försökte metallurger blanda det med billigt järn, tillsammans med vanadin och aluminium. Den resulterande legeringen, kallad Ti185, var mycket stark-men bara på platser. Blandningen tenderade att klumpa — precis som alla receptburkar. Järn klustrade i vissa områden skapar defekter som kallas beta fläckar i materialet, vilket gör det svårt att kommersiellt producera denna legering på ett tillförlitligt sätt.för ungefär sex år sedan hittade PNNL och dess medarbetare en väg runt det problemet och utvecklade också en billig process för att producera materialet i industriell skala, vilket inte hade gjorts tidigare. Istället för att börja med smält Titan ersatte laget titanhydridpulver. Genom att använda denna råvara minskade de bearbetningstiden med hälften och de minskade drastiskt energibehovet — vilket resulterade i en billig process som nu används av ett företag som heter Advance Materials Inc. ADMA utvecklade processen tillsammans med PNNL metallurgist Curt Lavender och säljer titanhydridpulver och andra avancerade material till flygindustrin och andra.

moderna smeder

precis som en medeltida smed visste forskare att de kunde göra denna legering ännu starkare genom värmebehandling. Uppvärmning av legeringen i en ugn vid olika temperaturer och sedan kasta den i kallt vatten omarrangerar väsentligen elementen på atomnivå på olika sätt, vilket gör det resulterande materialet starkare.

en förbättrad titanlegering-starkare än någon kommersiell titanlegering som för närvarande finns på marknaden – får sin styrka från det nya sättet atomer är ordnade för att bilda en speciell nanostruktur. För första gången har forskare vid Pacific Northwest National Laboratory kunnat se denna anpassning och sedan manipulera den för att göra den ännu starkare. Med hjälp av kraftfulla elektronmikroskop och en unik atom probe imaging tillvägagångssätt vid EMSL, miljö molekylära vetenskaper laboratorium, en doe Office of Science användaren anläggning ligger på PNNL, de kunde peer djupt inne i legeringens nanostruktur för att se vad som hände.Blacksmithing har nu flyttat från en konstform till en mer vetenskaplig sfär. Även om de underliggande principerna är desamma, kan metallurgister nu bättre ändra egenskaperna baserat på applikationens behov. PNNL-teamet visste om de kunde se mikrostrukturen i nanoskalan att de kunde optimera värmebehandlingsprocessen för att skräddarsy nanostrukturen och uppnå mycket hög styrka.

”Vi fann att om du värmebehandlar den först med en högre temperatur före ett värmebehandlingssteg med låg temperatur, kan du skapa en titanlegering 10-15 procent starkare än någon kommersiell titanlegering som för närvarande finns på marknaden och att den har ungefär dubbelt så stor styrka av stål”, säger Arun Devaraj, materialforskare vid PNNL. ”Denna legering är fortfarande dyrare än stål, men med sitt styrka-till-kostnad-förhållande blir det mycket billigare med större potential för lätta fordonsapplikationer”, tillade Vineet Joshi en metallurgist på PNNL.

Devaraj och teamet använde elektronmikroskopi för att zooma in i legeringen på hundratals nanometerskala — cirka 1000: e bredden på ett genomsnittligt människohår. Sedan zoomade de in ännu längre för att se hur de enskilda atomerna är ordnade i 3-D med hjälp av ett atomprobtomografisystem vid EMSL, Miljömolekylära vetenskapslaboratoriet, en doe Office of Science-Användaranläggning vid PNNL.

atomproben lossnar bara en atom i taget och skickar den till en detektor. Lättare atomer ”flyger” till detektorn snabbare, medan tyngre föremål kommer senare. Varje atomtyp identifieras beroende på den tid varje atom tar för att nå detektorn och varje atoms position identifieras av detektorn. Således kan forskare konstruera en atomkarta över provet för att se var varje enskild atom är belägen i provet.genom att använda sådana omfattande mikroskopimetoder upptäckte forskare att de genom den optimerade värmebehandlingsprocessen skapade mikronstorlekar och nanosiserade fällningsregioner — kända som alfafasen, i en matris som kallas betafasen — var och en med höga koncentrationer av vissa element.

”aluminium-och titanatomerna tyckte om att vara inne i alfa-fasens nanostorlek, medan vanadin och järn föredrog att flytta till beta-matrisfasen”, säger Devaraj. Atomerna är ordnade olika i dessa två områden. Behandling av regionerna vid högre temperatur av en 1,450 grader Fahrenheit uppnådde en unik hierarkisk nanostruktur.

När styrkan mättes genom att dra eller applicera spänning och sträcka den tills den misslyckades uppnådde det behandlade materialet en ökning med 10-15 procent i styrka vilket är signifikant, särskilt med tanke på den låga kostnaden för produktionsprocessen.

om du tar den kraft du drar med och delar den med materialets yta får du ett mått på draghållfasthet i megapascals. Stål som används för att producera fordon har en draghållfasthet på 800-900 megapascals, medan den 10-15-procentiga ökningen som uppnås vid PNNL sätter Ti185 vid nästan 1,700 megapascals, eller ungefär fördubblar styrkan hos bilstål samtidigt som den är nästan hälften så lätt.

teamet samarbetade med Ankit Srivastava, en biträdande professor vid Texas A&M: s materialvetenskap och ingenjörsavdelning för att utveckla en enkel matematisk modell för att förklara hur den hierarkiska nanostrukturen kan resultera i den exceptionellt höga styrkan. Modellen jämfört med mikroskopiresultaten och bearbetningen ledde till upptäckten av denna starkaste titanlegering som någonsin gjorts.

”detta skjuter gränsen för vad vi kan göra med titanlegeringar”, säger Devaraj. ”Nu när vi förstår vad som händer och varför denna legering har så hög styrka, tror forskare att de kanske kan modifiera andra legeringar genom att avsiktligt skapa mikrostrukturer som ser ut som de i Ti185.”

till exempel är aluminium en billigare metall och om nanostrukturen hos aluminiumlegeringar kan ses och hierarkiskt ordnas på ett liknande sätt, skulle det också hjälpa bilindustrin att bygga lättare fordon som använder mindre bränsle och släpper ut mindre koldioxid som bidrar till klimatuppvärmning.

DOE: s Vehicle Technologies Office — Propulsion Materials Program stödde denna forskning med hjälp av funktioner som utvecklats under PNNL: s internt finansierade Chemical Imaging Initiative.

EMSL, Environmental Molecular Sciences Laboratory, är en nationell vetenskaplig användaranläggning sponsrad av Department of Energy ’ s Office of Science. Beläget vid Pacific Northwest National Laboratory i Richland, tvätta., EMSL erbjuder en öppen, samarbetsmiljö för vetenskaplig upptäckt för forskare runt om i världen. Dess integrerade beräknings-och experimentella resurser gör det möjligt för forskare att realisera viktiga vetenskapliga insikter och skapa ny teknik.tvärvetenskapliga team vid Pacific Northwest National Laboratory adresserar många av Amerikas mest pressande frågor inom Energi, Miljö och nationell säkerhet genom framsteg inom grundläggande och tillämpad vetenskap. PNNL grundades 1965 och sysselsätter 4 400 anställda och har en årlig budget på nästan 1 miljard dollar. Det förvaltas av Battelle för US Department of Energy ’ s Office of Science. Som den enskilt största supporteren av grundforskning inom fysikvetenskap i USA arbetar Office of Science för att ta itu med några av de mest pressande utmaningarna i vår tid.

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras.