Neues nanoverzwillingtes Titan ermöglicht nachhaltige Fertigung

Wissenschaftler der Molecular Foundry des Berkeley Lab verwendeten eine Elektronenmikroskopietechnik namens Elektronenrückstreubeugung (EBSD), um die Struktur von reinem Titan mit einer Nanozwillingsstruktur abzubilden. Jede Farbe repräsentiert eine einzigartige Ausrichtung der Körner. Die dünnen Streifen zeigen die Nanozwillingsstruktur, die durch einen Prozess namens Kryoschmieden erzeugt wurde. (Quelle: Andy Minor/Berkeley Lab)

– Von Julie Fornaciari

TItanium ist stark und leicht, Es verfügt über das höchste Festigkeits-Gewichts-Verhältnis aller Konstruktionsmetalle. Aber die Verarbeitung unter Beibehaltung eines guten Gleichgewichts zwischen Festigkeit und Duktilität – der Fähigkeit eines Metalls, herausgezogen zu werden, ohne zu brechen – ist anspruchsvoll und teuer. Infolgedessen wurde Titan in ausgewählten Branchen zu Nischenanwendungen verdrängt.

Nun haben Forscher am Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) des Energieministeriums einen neuen und praktischen Weg nach vorn entdeckt, wie in einer kürzlich in der Fachzeitschrift Science veröffentlichten Studie berichtet wird.

Das Team fand heraus, dass es eine Technik namens Kryoschmieden nutzen konnte, um reines Titan im Maßstab eines Milliardstel Meters (Nanometers) bei extrem niedrigen Temperaturen zu manipulieren und so besonders starkes „nanoverzwillingtes“ Titan herzustellen, ohne dabei seine Duktilität einzubüßen .

Die neue Technik, die von Forschern der Molecular Foundry des Berkeley Lab mitentwickelt wurde, wurde in einer Titelgeschichte der Ausgabe der Zeitschrift Science vom 17. September vorgestellt. (Mit freundlicher Genehmigung der Wissenschaft)

„Diese Studie ist das erste Mal, dass jemand eine reine Nanozwillingsstruktur in Massenmaterial hergestellt hat“, sagte Andrew Minor, Projektleiter der Studie und Direktor des National Center for Electron Microscopy 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 – winzigen einzelnen kristallinen Bereichen mit sich wiederholenden Atommustern, die die innere Struktur des Materials bilden. Grenzen zwischen Körnern, an denen sich das Muster ändert, stärken Metalle, indem sie verhindern, dass sich Defekte, sogenannte Versetzungen, verschieben und die Struktur des Materials schwächen. Stellen Sie sich die Körner als Straßen und die Korngrenzen als Ampeln vor, die die Durchfahrt atomarer „Autos“ verhindern.

Eine Möglichkeit, ein Metall zu verstärken, besteht einfach darin, die Größe seiner Körner zu verkleinern, um mehr Grenzen zu schaffen, indem man es schmiedet – indem man das Material bei hohen Temperaturen oder sogar bei Raumtemperatur durch Walzen oder Hämmern komprimiert. Allerdings geht diese Art der Verarbeitung oft zu Lasten der Duktilität – die innere Struktur wird aufgebrochen und ist anfällig für Brüche. Die kleineren „Straßen“ und die Zunahme der „Ampeln“ führen zu einer atomaren Verkehrsstauung und brechen das Material.

„Die Festigkeit eines Materials hängt normalerweise mit der Größe der inneren Körner zusammen – je kleiner, desto besser“, sagte Minor, der auch Professor für Materialwissenschaften und -technik an der UC Berkeley ist. „Aber hohe Festigkeit und Duktilität schließen sich im Allgemeinen gegenseitig aus.“

Betreten Sie Nanozwillinge. Nanozwillinge sind eine besondere Art von Atomanordnung, bei der die winzigen Grenzen in der Kristallstruktur symmetrisch, wie Spiegelbilder voneinander, ausgerichtet sind. Zurück auf den Atomstraßen verwandeln sich die Ampeln auf den Getreidestraßen in Bodenschwellen mit einer Nanozwillingsstruktur, die es den Atomen erleichtert, sich ohne Spannungsaufbau zu bewegen und gleichzeitig eine erhöhte Festigkeit beizubehalten.

Nanoverzwillingte Materialien sind nicht neu. Ihre Herstellung erfordert jedoch in der Regel spezielle Techniken, die kostspielig sein können. Diese Techniken haben bei ausgewählten Metallen wie Kupfer funktioniert und werden normalerweise nur zur Herstellung dünner Filme verwendet. Darüber hinaus lassen sich die Eigenschaften dünner Filme in den meisten Fällen nicht auf Massenmaterialien übertragen.

Um nanoverzwillingtes Titan herzustellen, nutzte das Forschungsteam eine einfache Technik, das Kryoschmieden, bei der die Struktur des Metalls bei extrem niedrigen Temperaturen manipuliert wurde. Die Technik beginnt mit einem Würfel aus sehr reinem (mehr als 99,95 %) Titan, der in flüssigen Stickstoff bei minus 321 Grad Fahrenheit gelegt wird. Während der Würfel eingetaucht ist, wird auf jede Achse des Würfels eine Kompression ausgeübt. Unter diesen Bedingungen beginnt die Struktur des Materials, Nanozwillingsgrenzen zu bilden. Der Würfel wird später auf 750 Grad Fahrenheit erhitzt, um alle strukturellen Defekte zu beseitigen, die sich zwischen den Zwillingsgrenzen gebildet haben.

Eine schematische Darstellung des Kryoschmiedeprozesses zur Erzeugung einer Nanozwillingsstruktur aus hochreinem Titan. (Quelle: Andy Minor/Berkeley Lab)

Die Forscher unterzogen das neu gebildete Material einer Reihe von Stresstests und nutzten die Elektronenmikroskope der Molecular Foundry, um die Quelle seiner einzigartigen Eigenschaften aufzudecken. Bei diesen Tests stellten sie fest, dass Nanozwillings-Titan eine bessere Formbarkeit aufweist, da es sowohl neue Nanozwillingsgrenzen bilden als auch zuvor gebildete Grenzen rückgängig machen kann, was beides bei der Verformung hilft. Sie testeten das Material bei extremen Temperaturen von bis zu 1.112 Grad Fahrenheit, so heiß wie fließende Lava, und stellten fest, dass es seine Struktur und Eigenschaften beibehielt, was die Vielseitigkeit des Materials demonstrierte.

Bei extrem kalten Temperaturen ist nanoverzwillingtes Titan in der Lage, stärkeren Belastungen standzuhalten als normales Titan, was das Gegenteil von dem ist, was im Allgemeinen bei den meisten Metallen der Fall ist – bei niedrigen Temperaturen werden die meisten Materialien spröder.

Die Größe und Anzahl dieser Nanozwillingsstrukturen kann die Eigenschaften des Metalls verändern.

Im Fall von Titan stellten die Forscher fest, 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.

Nanoverzwillingtes Titan behielt seine hervorragenden Eigenschaften auch bei relativ hohen Temperaturen bei, was zeigt, dass diese Eigenschaften nicht nur im gemäßigten Klima der San Francisco Bay Area, sondern auch in der extremen Kälte des Weltraums und in der Nähe der intensiven Hitze eines Düsentriebwerks bestehen bleiben.

Die Herstellung von Nanozwillingen aus Titan durch Kryoschmieden ist potenziell kosteneffektiv, für die kommerzielle Produktion skalierbar und ergibt ein leicht zu recycelndes Produkt. Darüber hinaus erklärte Minor: „Wir haben den Nanozwillingsmechanismus in Titan gezeigt, aber es ist durchaus möglich, dass er auch in anderen Materialien funktioniert, bei denen die Duktilität begrenzt ist.“ Von hier aus hoffen die Forscher, das von ihnen für Titan entwickelte Verfahren zu nutzen und festzustellen, ob es auf andere Metalle angewendet werden kann.

Die Molecular Foundry ist eine nationale DOE-Benutzereinrichtung im Berkeley Lab.

Forscher der UC Berkeley trugen zu der Studie bei.

Diese Arbeit wurde vom DOE Office of Science und dem US Office of Naval Research unterstützt.

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Das Lawrence Berkeley National Laboratory und seine Wissenschaftler wurden 1931 mit der Überzeugung gegründet, dass die größten wissenschaftlichen Herausforderungen am besten von Teams bewältigt werden können, und wurden mit 13 Nobelpreisen ausgezeichnet. Heute entwickeln Forscher des Berkeley Lab nachhaltige Energie- und Umweltlösungen, schaffen nützliche neue Materialien, erweitern die Grenzen der Computertechnik und erforschen die Geheimnisse des Lebens, der Materie und des Universums. Wissenschaftler aus der ganzen Welt verlassen sich für ihre eigenen wissenschaftlichen Entdeckungen auf die Einrichtungen des Labors. Berkeley Lab ist ein nationales Multiprogrammlabor, das von der University of California für das Office of Science des US-Energieministeriums verwaltet wird.

Das Office of Science des DOE ist der größte Einzelförderer der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften in den Vereinigten Staaten und arbeitet an der Bewältigung einiger der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit. Weitere Informationen finden Sie unter energy.gov/science.