Eine neue Zeit für Titan

Eine neue Zeit für Titan

Die Zukunft des Fleisches

Am Horizont

Anmerkung des Dekans: Öffentliche Innovationspartner

Unter den Metallen zeichnet sich Titan seit langem durch seine Festigkeit und Leichtigkeit, seine Korrosionsbeständigkeit und seine Fähigkeit, extremen Temperaturen standzuhalten, aus, insbesondere für gewichts- und umweltsensible Anwendungen. Als es im späten 18. Jahrhundert erstmals beschrieben wurde, benannte ein Mitentdecker das Metall nach den Titanen – Göttern, die in der antiken griechischen Mythologie aus Erde und Himmel geboren wurden.

Die Zeit hat den Glanz von Titan nur poliert. „Ich bin Materialwissenschaftler und deshalb fragen mich die Leute manchmal: ‚Was ist Ihr Lieblingselement?‘“, sagt Andrew Minor, Professor für Materialwissenschaft und -technik. Für Gebäude, Flugzeuge, Raketen, Raumschiffe und mehr sagt er: „Wenn Sie das stärkste Material mit dem geringsten Gewicht wollen, dann ist es Titan. Wenn wir könnten, würden wir alles aus Titan herstellen.“

Tatsächlich muss Titan für Industriedesigner die Aussicht auf robuste, leichte und äußerst kraftstoffeffiziente Autos, Lastwagen und Flugzeuge oder extrem korrosionsbeständige Frachtschiffe ein Traum sein.

Das Problem? „Es ist zu teuer“, sagt Minor über Titan oder Titanlegierungen in Industriequalität, die andernfalls Stahl ersetzen könnten, wenn nur die stärksten und haltbarsten Materialien ausreichen. Tatsächlich sind die Kosten für die Herstellung von Titan etwa sechsmal höher als die für Edelstahl. Aus diesem Grund sind seine Einsatzmöglichkeiten bislang auf Spezialteile für die Luft- und Raumfahrt, hochwertige Artikel wie Schmuck oder andere Nischenanwendungen beschränkt.

Darüber hinaus habe reines Titan nur eine mäßige Festigkeit, erklärt Minor. Es kann mit Elementen wie Sauerstoff, Aluminium, Molybdän, Vanadium und Zirkonium verstärkt werden; Dies geht jedoch oft auf Kosten der Duktilität – der Fähigkeit eines Metalls, gezogen oder verformt zu werden, ohne zu brechen.

Jetzt, nach einem Jahrzehnt der Forschung, könnte dank Minor und seinen Berkeley-Kollegen, darunter Mark Asta, Daryl Chrzan und JW Morris Jr., ebenfalls Professoren an der Fakultät, eine neue Ära für Titan mit stark erweiterten technischen Anwendungen anbrechen Materialwissenschaft und Ingenieurwesen. Sie haben Titan auf vielfältige Weise untersucht und bearbeitet, in der Hoffnung, seinen praktischen Einsatz für eine Vielzahl von strukturellen oder technischen Anwendungen zu erweitern.

In einer Reihe von Studien haben die Forscher entscheidende neue Erkenntnisse über Titan gewonnen, darunter Rezepte zur Herstellung besserer Titanlegierungen sowie eine Kryo-Schmiedetechnik zur Herstellung von Titan in Industriequalität – Fortschritte, die letztendlich zu mehr Kosteneffizienz und Nachhaltigkeit führen könnten Herstellung.

Eine schematische Zeichnung des kryomechanischen Prozesses, der zu nanoverzwillingtem Titan führt. (Illustration von Andrew Minor)

Es ist wichtig zu verstehen, dass der Preis von Titan nicht auf seine Seltenheit zurückzuführen ist. Titan ist kein Edelmetall; Vielmehr kommt es fast überall auf der Welt in magmatischen Gesteinen nahe der Oberfläche vor. Es ist das neunthäufigste Element und das vierthäufigste Metall auf der Erde und kann sowohl in reiner Form als auch als Legierung zur Herstellung von Dingen verwendet werden.

Was stattdessen die überhöhten Kosten für Titan in kommerzieller Qualität antreibt, erklärt Minor, ist das komplexe Kroll-Verfahren, das am häufigsten zur Herstellung von Titanbarren, -barren und anderen Formen des Metalls verwendet wird, die zu verwendbaren Teilen und anderen Produkten verarbeitet werden können. Der Prozess beinhaltet die Verwendung teurer Materialien wie Argongas und ist energieintensiv, da mehrere Schmelzen bei extrem hohen Temperaturen erforderlich sind, insbesondere um Sauerstoffverunreinigungen zu kontrollieren.

Tatsächlich besteht zwischen Titan und Sauerstoff eine rätselhafte Beziehung, die Minor, Asta, Chrzan, Morris und Kollegen besser verstehen wollten. Das Team wusste, dass bei Titanlegierungen häufig eine Sauerstoffverunreinigung verwendet wird, um einen starken Verstärkungseffekt zu erzielen. Titan, das mit nur einer geringfügigen Erhöhung der Menge an atomarem Sauerstoff hergestellt wird, kann zu einem Metall mit einer um ein Vielfaches erhöhten Festigkeit führen.

Leider kann der Sauerstoff auch zu einer noch stärkeren Verringerung der Duktilität des Metalls führen. Es wird spröde und bricht.

Aber „Sauerstoff ist überall“, sagt Minor über die Schwierigkeit, die hohe Reaktionsfähigkeit von Titan auf Sauerstoff zu umgehen. „Es sind keine Verunreinigungen aus dem Ausgangsmaterial, die man einfach vermeiden kann.“

Die Sauerstoffempfindlichkeit von Titan bezeichnet er als extrem. „Es ist wirklich seltsam, wie mächtig es ist“, sagt Minor. Es hat sowohl gute als auch schlechte Auswirkungen auf das Metall, während die Anwesenheit ähnlicher Mengen an Sauerstoff für Metalle wie Aluminium und Stahl unbedeutend ist, da es bei der Verarbeitung viel einfacher behandelt werden kann.

Um mehr zu erfahren, wandte sich das Team dem Hochleistungsrechnen zu, um den Verformungsprozess in Titan unter Belastung und mit unterschiedlichen Sauerstoffmengen zu modellieren. Computermodelle seien laut Asta ein „leistungsstarker Werkzeugsatz, mit dem wir diese herausragende Herausforderung in der Titanmetallurgie untersuchen können“.

Eine der wichtigsten Entdeckungen des Teams war die Verschiebung von Sauerstoffatomen in der Kristallstruktur von Titan, wenn das Metall unter Spannung steht. Sie war der Schlüssel zum Verständnis des Duktilitätsverlusts. Im spannungsfreien Zustand verweilen Sauerstoffmoleküle ohne Zwischenfälle in den natürlichen Lücken zwischen Titanatomen. Unter mechanischen Kräften können sich die Sauerstoffatome jedoch in angrenzende Räume verschieben, wo sie Versetzungen weniger Widerstand entgegensetzen, die, wenn sie sich ausbreiten, das Metall schwächen.

„Der Sauerstoff fördert eine Strukturschwäche“, sagt Minor. Wenn mechanische Kräfte das Metall verformen, können die verdrängten Sauerstoffatome, anstatt die Ausbreitung struktureller Defekte zu blockieren, ein sogenanntes planares Gleiten begünstigen.

Ein planarer Schlupf, sagt Asta, ist wie eine Welle von Defekten in der Kristallstruktur des Metalls, die sich übereinander aufbauen und schließlich zu Brüchen, Rissen und einem spröden Metallstück führen.

Um zu verstehen, wie sich eine Luxation in Titan bilden und ausbreiten kann, schlägt Chrzan vor, sich den Versuch vorzustellen, einen großen, schweren Teppich zu bewegen.

„Ein sehr großer Teppich kann an einem Ende hochgehoben und über den Boden an eine neue Position gezogen werden“, sagt er. Eine andere Möglichkeit, den Teppich zu bewegen, besteht darin, an einem Ende eine Welle zu erzeugen und dann, indem Sie Ihre Füße über die Oberseite des Teppichs bewegen, die Welle zum anderen Ende zu „gehen“. Vorausgesetzt, nichts blockiert seine Bewegung, wurde der gesamte Teppich um eine Strecke verschoben, die der Breite der Welle entspricht.

Solche „Wellen“ im Titan lassen sich elektronenmikroskopisch erkennen. „Man sieht, dass alle Versetzungen in Reihen aufgereiht sind“, sagt Minor. „Und das ist schlecht für die Duktilität, denn wenn sie sich aneinanderreihen und nur aufeinander folgen, verheddern sie sich nicht [und werden dadurch gestoppt], so dass das Metall nicht hart wird. Man bekommt eine Spannungskonzentration, und das ist der Punkt, an dem man entsteht.“ ein Riss."

Designstrategien, die den Umlagerungsprozess von Sauerstoffatomen unterbrechen oder Nanostrukturen fördern, um die Anhäufung planarer Ausrutscher zu verhindern, könnten zu besseren Legierungen führen. Diese Legierungen würden vor allem in der Automobil- und Luftfahrtindustrie Anwendung finden, sagt Minor.

Professor Andrew Minor gießt flüssigen Stickstoff auf eine Titanprobe und demonstriert so in seinem Labor den Kryoschmiedeprozess zur Herstellung von Nanozwillingen aus Titan. (Foto von Adam Lau / Berkeley Engineering)

Um diese und andere Probleme anzugehen, setzt das Team auf eine Mischung aus Computermodellierung, Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und anderen Bildgebungsmodalitäten sowie Experimenten.

„Eines der wirklich schönen Dinge an diesem Projekt ist, dass manchmal die Computerforscher und Theoretiker einen kleinen Vorsprung haben, und manchmal sind es die Experimentalforscher“, sagt Asta. „Wir treffen uns häufig und sprechen über unsere Erkenntnisse und unsere neuen Ideen.“

Die Untersuchung des Teams zur Sauerstoffempfindlichkeit von Titan führte beispielsweise zu einer Untersuchung von mit Aluminium und Sauerstoff legiertem Titan. Sie fanden heraus, dass die Sauerstoffversprödung durch die Zugabe kleiner Mengen Aluminium beseitigt werden kann, insbesondere bei kryogenen Temperaturen, die unter -150 Grad Celsius liegen.

Mit genau den richtigen Mengen an Aluminium und Sauerstoff, so das Team, verhinderte eine neue Ordnung der Titankristallstruktur eine Verschiebung der Sauerstoffatome, die zu einer schädlichen Anhäufung von Versetzungen und schließlich zu Brüchen führen würde. Da die Einführung von Aluminium außerdem die Sauerstoffempfindlichkeit von Titan insgesamt verringerte, würden auch die Verarbeitungskosten zur Herstellung eines verwendbaren Metalls gesenkt.

In einer weiteren Studie untersuchte das Team Forschungsergebnisse aus den 1960er Jahren, die zeigten, dass viele Metalle und Legierungen eine dramatische Steigerung der Duktilität aufweisen, wenn sie während der Verformung des Metalls periodischen elektrischen Impulsen ausgesetzt werden. Die zugrunde liegenden Mechanismen, warum diese sogenannte Elektroplastizität wahr sein könnte, sind jedoch nicht klar.

„Elektroplastizität kann zu geringeren Kosten für die metallurgische Verarbeitung führen, da die Formung von Metall mit elektrischen Impulsen weniger Energie erfordert als das Erhitzen des gesamten Metalls auf eine hohe Temperatur, um die gleiche Formbarkeit zu erreichen“, sagt Minor. „Interessanterweise ist dieser Effekt der Elektroplastizität universell, da gezeigt wurde, dass er bei praktisch jedem Metall funktioniert, nicht nur bei Titan.“

Das Team führte Zugversuche des Metalls unter drei verschiedenen Bedingungen durch: Raumtemperatur ohne elektrischen Strom, mit einem periodischen elektrischen Impuls von 100 Millisekunden Dauer und mit konstantem Strom. Da die Anwendung von elektrischem Strom das Metall erhitzt, war das Team besorgt darüber, die Auswirkungen, die ausschließlich durch Elektrizität verursacht werden, von denen zu unterscheiden, die durch Wärme verursacht werden.

Ihre Ergebnisse zeigten, dass die Pulsstrommethode trotz der Verwendung eines kleineren periodischen Impulses als in früheren Studien die Zugdehnung der Titanlegierung sowie deren maximale Festigkeit verbesserte. Sie stellen fest, dass dieser Effekt nur für das Experiment mit gepulstem Strom spezifisch war.

Mit Hilfe von TEM, um Veränderungen in der Kristallstruktur des Metalls zu erkennen, deuten ihre Ergebnisse darauf hin, dass die Behandlung mit gepulstem Strom planare Gleitversetzungen unterdrückt. Die Forscher fanden heraus, dass der elektrische Impuls das Material härtet und die Entwicklung von planarem Schlupf verhindert, indem er ein diffuses 3D-Versetzungsmuster aufrechterhält, das letztendlich für hohe Festigkeit und Duktilität sorgt.

Zuletzt haben Minor und Robert Ritchie, Professor für Materialwissenschaften und Maschinenbau, eine bahnbrechende Massenverarbeitungsmethode entwickelt, um reines Titan herzustellen, das kostengünstiger ist und ein Metall mit größerer Zugfestigkeit und Duktilität ergibt.

Die Materialwissenschafts- und Ingenieurprofessoren (von links) Daryl Chrzan, Mark Asta und Andrew Minor mit dem TEAM I-Projekt (Transmission Electron Aberration-corrected Microscope) am National Center for Electron Microscopy des Berkeley Lab. (Foto von Adam Lau / Berkeley Engineering)

Abgesehen von Legierungen besteht eine weitere Möglichkeit zur Verstärkung von Strukturmetallen darin, die Größe der Kristalle – auch Korn genannt –, aus denen das Metall besteht, durch Wärme und mechanische Bearbeitung wie Walzen oder Pressen anzupassen. Durch die Reduzierung der Korngröße auf Submikrometer oder Nanometer können Forscher sogenannte Nanozwillingsstrukturen oder Defekte im Metall einführen, die durch ausgerichtete Kristallstrukturen verursacht werden. Die Nanozwillingsstrukturen verbessern die Festigkeit und verringern das Bruchrisiko, indem sie als Barriere gegen planares Verrutschen wirken. Durch die Anpassung des Abstands und der Ausrichtung der Nanozwillingsstrukturen können die mechanischen Eigenschaften laut Minor noch weiter optimiert werden. Doch traditionelle Methoden hierfür sind weder trivial noch billig.

Stattdessen führten Minor, Ritchie und Kollegen mithilfe eines kryomechanischen Prozesses mehrere Nanozwillingsstrukturen in reinem Titan ein. Sie verwendeten würfelförmige Titanstücke, die an drei Seiten in flüssigen Stickstoff gepresst wurden. Die sanfte Kompression kontrolliert laut Minor die Dichte der Nanozwillingsstrukturen, die das Metall stärken und gleichzeitig seine ursprüngliche Kornstruktur bewahren. Das Beste ist, dass das Verfahren nicht auf starke Hitze angewiesen ist und möglicherweise eine nachhaltigere Methode zur Herstellung von Titan für ein viel breiteres Anwendungsspektrum als heute darstellt.

Die mechanischen Eigenschaften des kryogeschmiedeten Materials, insbesondere Festigkeit und Duktilität, bleiben auch bei extrem hohen und kryogenen Temperaturen erhalten. Minor sagt, dass die Leistung des nanoverzwillingten Titans es ideal für Dinge wie extrem heiße Strahltriebwerke sowie sehr kalte Betriebsumgebungen macht, was Anwendungen wie Halteringe für supraleitende Magnete, Strukturteile von Flüssigerdgastanks sowie zukünftige Materialien nahelegen würde der Tiefsee oder dem Weltraum ausgesetzt sind.

Auf die Frage, ob das neue Herstellungsverfahren für Titan in kommerzieller Qualität eines Tages in großem Maßstab umgesetzt werden könnte, antwortet Minor: „Warum nicht?“ Tatsächlich ist es schwieriger, Dinge wie das heute verwendete Kroll-Verfahren durchzuführen, bei dem das Material elektrisch isoliert werden muss und der gesamte Prozess enorme Energiemengen verbraucht. „Und dieses Kryo-Schmieden, wissen Sie, wir würden die Dinge einfach in ein Bad legen.“