Kryo

Forscher am Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) haben eine Technik namens Kryoschmieden verwendet, um reines Titan in nanoskaligen Dimensionen bei extrem niedrigen Temperaturen zu manipulieren und so besonders starkes „nanoverzwillingtes“ Titan ohne Einbußen bei der Duktilität herzustellen.

„Diese Studie ist das erste Mal, dass jemand eine reine Nanozwillingsstruktur in Massenmaterial hergestellt hat“, sagt Andrew Minor, Projektleiter der Studie und Direktor des National Center for Electron an der Molecular Foundry, einer nanowissenschaftlichen Nutzereinrichtung am Berkeley Lab. „Mit nanoverzwillingtem Titan müssen wir uns nicht mehr zwischen Festigkeit und Duktilität entscheiden, sondern können beides erreichen.“

Die mechanischen Eigenschaften von Metallen hängen teilweise von ihren Körnern ab – den einzelnen kristallinen Bereichen sich wiederholender Atommuster, die die innere Struktur des Materials bilden. Durch die Verkleinerung der Körner erhöht sich die Festigkeit eines Materials, jedoch auf Kosten anderer Eigenschaften wie der Duktilität.

„Die Festigkeit eines Materials hängt normalerweise mit der Größe der inneren Körner zusammen – je kleiner, desto besser“, sagt Minor, „aber hohe Festigkeit und Duktilität schließen sich im Allgemeinen gegenseitig aus.“

Nanozwillinge sind eine atomare Anordnung, bei der die Grenzen in der Kristallstruktur symmetrisch wie Spiegelbilder ausgerichtet sind. Um nanoverzwillingtes Titan herzustellen, nutzte das Forschungsteam Kryoschmieden.

Die Technik beginnt damit, dass ein Würfel aus über 99,95 % reinem Titan in flüssigen Stickstoff bei minus 321 °F gelegt wird. Während der Würfel eingetaucht ist, wird auf jede Achse des Würfels Druck ausgeübt. Unter diesen Bedingungen beginnt die Struktur des Materials, Nanozwillingsgrenzen zu bilden. Der Würfel wird später auf 750 °F erhitzt, um alle strukturellen Defekte zu entfernen, die sich zwischen den Zwillingsgrenzen gebildet haben.

Die Forscher fanden heraus, dass die Nanozwillingsbildung die Festigkeit des Metalls verdoppelte und seine Duktilität bei Raumtemperatur um 30 % erhöhte. Bei extrem niedrigen Temperaturen war die Verbesserung sogar noch dramatischer – das nanoverzwillingte Titan konnte seine Länge verdoppeln, bevor es brach.