Новый нанодвойник титана обеспечивает устойчивое производство

Ученые из Молекулярного литейного цеха лаборатории Беркли использовали метод электронной микроскопии, называемый дифракцией обратного рассеяния электронов (EBSD), для изображения структуры чистого титана с нанодвойниковой структурой. Каждый цвет представляет уникальную ориентацию зерен. Тонкие полоски демонстрируют структуру нанодвойников, полученную с помощью процесса, называемого криоковкой. (Фото: Энди Майнор/Лаборатория Беркли)

– Джули Форначари

Титан прочный и легкий, имеет самое высокое соотношение прочности и веса среди всех конструкционных металлов. Но обработка его с сохранением хорошего баланса прочности и пластичности (способность металла вытягиваться без разрушения) является сложной и дорогостоящей задачей. В результате титан стал использоваться в отдельных отраслях промышленности.

Теперь, как сообщается в недавнем исследовании, опубликованном в журнале Science, исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) при Министерстве энергетики открыли новый практический путь вперед.

Команда обнаружила, что они могут использовать технику, называемую криоковкой, для манипулирования чистым титаном в масштабе одной миллиардной метра (нанометра) при сверхнизких температурах для производства сверхпрочного «нанодвойника» титана, не жертвуя при этом его пластичностью. .

Новая методика, совместно разработанная исследователями из Molecular Foundry лаборатории Беркли, была представлена ​​на обложке номера журнала Science от 17 сентября. (Любезно предоставлено наукой)

«Это исследование — первый случай, когда кто-то создал чистую нанодвойниковую структуру в объемном материале», — сказал Эндрю Майнор, руководитель проекта исследования и директор Национального центра электронной микроскопии в Молекулярном литейном заводе, пользовательском центре нанонауки в лаборатории Беркли. «Благодаря нанодвойнику титана нам больше не придется выбирать между прочностью и пластичностью, а вместо этого мы сможем достичь того и другого».

Механические свойства металлов частично зависят от их зерен – крошечных отдельных кристаллических участков с повторяющимися атомными узорами, которые формируют внутреннюю структуру материала. Границы между зернами, где меняется рисунок, укрепляют металлы, не позволяя дефектам, известным как дислокации, перемещаться поперек и ослаблять структуру материала. Представьте себе зерна как улицы, а границы зерен как светофоры, препятствующие проезду атомных «автомобилей».

Один из способов укрепить металл — просто уменьшить размер его зерен, чтобы создать больше границ, путем его ковки — сжатия материала при высоких температурах или даже при комнатной температуре путем прокатки или штамповки. Однако этот тип обработки часто происходит за счет пластичности — внутренняя структура разрушается, что делает ее склонной к разрушению. Меньшие зерновые «улицы» и увеличение количества «светофоров» приводят к атомным пробкам и разрывам материала.

«Прочность материала обычно коррелирует с размером внутренних зерен – чем меньше, тем лучше», – сказал Майнор, который также является профессором материаловедения и инженерии в Калифорнийском университете в Беркли. «Но высокая прочность и пластичность, как правило, являются взаимоисключающими свойствами».

Введите нанодвойники. Нанодвойники — это особый тип расположения атомов, при котором крошечные границы в кристаллической структуре выстраиваются симметрично, как зеркальные изображения друг друга. На атомных дорогах светофоры на зерновых «улицах» превращаются в «лежачие полицейские» с нанодвойниковой структурой, что позволяет атомам легче передвигаться без накопления напряжения, сохраняя при этом повышенную прочность.

Нанотвинированные материалы не новы. Однако для их изготовления обычно требуются специальные методы, которые могут быть дорогостоящими. Эти методы подходят для избранного набора металлов, таких как медь, и обычно используются только для изготовления тонких пленок. Более того, в большинстве случаев свойства тонких пленок не передаются сыпучим материалам.

Чтобы создать нанодвойник титана, исследовательская группа использовала простую технику — криоковку — манипулирование структурой металла при сверхнизких температурах. Техника начинается с того, что куб очень чистого (более 99,95%) титана помещается в жидкий азот при температуре минус 321 градус по Фаренгейту. Пока куб погружен в воду, к каждой оси куба применяется сжатие. В этих условиях в структуре материала начинают образовываться границы нанодвойников. Позже куб нагревают до 750 градусов по Фаренгейту, чтобы удалить любые структурные дефекты, образовавшиеся между границами двойников.