افزایش استحکام آلیاژ تیتانیوم با حرارت

پژوهشگران آزمایشگاه پاسفیک نورث وست یا (PNNL) دریافته اند که می توانند با تغییر در آرایش اتم ها، افزایش استحکام در آلیاژ تیتانیوم Ti-185 ایجاد کنند و بدین ترتیب مستحکم ترین آلیاژ تیتانیم را تولید کنند.

با تغییر آرایش اتم ها می توان محکم ترین آلیاژ تیتانیم را تهیه کرد. آنها معتقدند که این ماده جدید می تواند در ساخت اجزایی سبک تر و ارزان تر به کار رود و منجر به ساخت آلیاژهای مستحکم تر شود.

آرون دواراج مهندس مواد PNNL در این ارتباط می گوید:

ما دریافتیم که اگر پیش از عملیات حرارتی دما پایین، عملیات حرارتی در دمای بالا انجام دهیم می توانیم آلیاژی تیتانیمی با استحکام 10 الی 15 درصد بیشتر از هر آلیاژ تجاری دیگری که در حال حاضر در بازار وجود دارد، تولید کنیم و استحکام آلیاژ بدست آمده دو برابر فولاد خواهد بود.

وزن تیتانیم تقریبا برابر با نیمی از وزن فولادی است که برای ساخت وسایل نقلیه مورد استفاده قرار می گیرد و هنگامی که با سایر فلزات ترکیب می شود استحکام آن ها را به شکل شگفت انگیزی افزایش می دهد. روش های کنونی ترکیب تیتانیم با سایر فلزات به مدت 50 سال مورد استفاده قرار گرفته است، اما تولید آلیاژی قابل اطمینان با ساختار مناسب و عیوب کم مانند Ti-185 فرآیندی گران بوده و نیاز به صرف انرژی بسیار دارد.

شش سال پیش پژوهشگران PNNL آلیاژ Ti-185 را تولید کردند که استحکام بالا و عیوب کمی داشت. این فرآیند از آن زمان به وسیله گروه مواد پیشرفته ADMA و شریک تجاری که مواد پیشرفته را برای صنایع و بخش هوافضا تامین می کند، مورد استفاده قرار می گرفته است. اما تیم پزوهشی نیاز داشت که آلیاژی محکم تر بسازد.

آرون دواراج مهندس مواد PNNL در این ارتباط می گوید:

ما دریافتیم که اگر پیش از عملیات حرارتی دما پایین، عملیات حرارتی در دمای بالا انجام دهیم می توانیم آلیاژی تیتانیمی با استحکام 10 الی 15 درصد بیشتر از هر آلیاژ تجاری دیگری که در حال حاضر در بازار وجود دارد، تولید کنیم و استحکام آلیاژ بدست آمده دو برابر فولاد خواهد بود.

از میکروسکوپ الکترونی برای بررسی ساختار ماده در مقیاس چند صد نانومتر استفاده شد و با استفاده از سیستم روبش توموگرافی امکان نگاه دقیق تر به آرایش اتم ها فراهم آمد. پژوهشگران دریافتند که مناطق رسوب در اندازه های میکرون و نانو (که به فاز آلفا در شبکه بتا معروف است) به وسیله عملیات حرارتی بهینه  ایجاد شده اند و هرکدام غظلت بالایی از اتم های مشخص دارند.

دواراج می گوید:

اتم های آلومینیم و تیتانیم تمایل دارند تا در فاز رسوب آلفا که اندازه های نانومتری دارد قرار بگیرند در صورتی که وانادیم و آهن ترجیح می دهند که در فاز بتا قرار گیرند.” با عملیات حرارتی و رساندن دمای این مناطق به 788 درجه سانتی گراد نانوساختار منحصر به فردی ایجاد می شود.

مقدار استحکام آلیاژ جدید که Ti-185 (HNS Ti-185) نام دارد برابر با 1700 مگاپاسکال است. این افزایش استحکام در آلیاژ تیتانیومی Ti-185 برابر با دو برابر استحکام فولادهایی است که در صنعت خودرو مورد استفاده قرار می گیرد. مدت زمان انجام فرآیند تولید آلیاژ جدید برابر نیمی از مدت زمان روش های معمول است و از پودر ارزان قیمت هیدرید تیتانیم استفاده می کند.

دواراج می گوید:

اکنون که ما دریافته ایم که چه اتفاقی می افتد و چرا این آلیاژ استحکام بالایی دارد، معتقدیم که می توانیم سایر آلیاژها را به گونه ای تولید کنیم که ساختاری مشابه با ساختار  Ti185 باشد.

مقاله این پژوهش در ژورنال Nature Communications به چاپ رسیده است.

منبع: www.gizmag.com