Wanneer een fabrikant denkt aan het perfecte materiaal, zijn sterk, licht en flexibel de drie belangrijkste adjectieven die bij hem opkomen. Met deze eigenschappen kan het materiaal namelijk voor allerlei toepassingen worden gebruikt, terwijl het tegelijkertijd bestand is tegen enorme spanningen. Nieuw onderzoek heeft nu geleid tot de ontwikkeling van een nieuwe titaanlegering die de sterkste van alle commerciële titaanlegeringen die momenteel op de markt zijn, wordt genoemd. Deze nieuwe legering zou een diepgaande invloed kunnen hebben op de auto-, lucht- en ruimtevaartindustrie en meer.
Koolstofvezel is algemeen aanvaard als de nieuwste en meest significante materiaalrevolutie, maar deze nieuwe titaniumlegering zou de taart kunnen nemen. Genaamd Ti185, werd het eigenlijk voor het eerst ongeveer 50 jaar geleden geproduceerd. Het ruwe fabricageproces zorgde echter voor een inconsistent metaalmengsel waarbij het materiaal op sommige plaatsen sterk was, maar op andere broos. Destijds probeerden metaalbewerkers ruw titaan te mengen met ijzer, vanadium en aluminium om Ti185 te maken. Het probleem was dat het mengsel uiteindelijk samenklonterde met het ijzer, wat leidde tot defecten in het eindproduct. Metallurgen waren niet in staat de legering voor commerciële doeleinden te produceren, tot nu.
Puur titanium is eigenlijk niet zo sterk, dus om het de eigenschappen te geven die fabrikanten zoeken, moet een legering worden gemaakt. Om de sterkte van gewone titaanlegeringen die tegenwoordig in de lucht- en ruimtevaart worden gebruikt, te verhogen, hebben onderzoekers van het Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) van het Amerikaanse ministerie van Energie een manier ontwikkeld om Ti185 betaalbaar te produceren. Zij deden dit door de atomen in een specifiek patroon te rangschikken en zo een speciale nanostructuur te vormen.
Het was de eerste keer dat onderzoekers deze atomaire uitlijning van dichtbij konden zien en vervolgens gingen deze wetenschappers nog een stap verder. De onderzoekers van PNNL hebben de nanostructuur vervolgens gemanipuleerd om de sterkste titaniumlegering te maken die ooit is ontwikkeld. Een ander bijkomend voordeel van dit nieuwe proces is dat het kosteneffectiever is in vergelijking met de productie van conventionele titaniumlegeringen.
“We ontdekten dat als je het eerst warmtebehandelt met een hogere temperatuur vóór een warmtebehandelingsstap bij lage temperatuur, je een titaniumlegering kunt maken die 10 tot 15 procent sterker is dan elke commerciële titaniumlegering die momenteel op de markt is en dat het ruwweg het dubbele van de sterkte van staal heeft,” zei Arun Devaraj, een materiaalwetenschapper bij PNNL. bit.ly/2blCAPu
Onderzoekers testten de sterkte van de legering door eraan te trekken of spanning aan te brengen totdat het titanium bezweek. Ti185 bleek 10-15% sterker te zijn dan conventionele titaanlegeringen, wat een monumentale prestatie is die alleen maar indrukwekkender is in combinatie met de lage productiekosten. Ti185 is ongeveer twee keer zo sterk als automobielstaal dat in de autoproductie wordt gebruikt en het weegt ook de helft.
De bevindingen vanPNNL gaan ook veel verder dan alleen het werken met titanium. Misschien kunnen ze hun proces zelfs gebruiken om nog meer legeringen te verbeteren.
“Dit verlegt de grens van wat we kunnen doen met titaniumlegeringen, – Nu we begrijpen wat er gebeurt en waarom deze legering zo’n hoge sterkte heeft, geloven onderzoekers dat ze misschien andere legeringen kunnen wijzigen door opzettelijk microstructuren te creëren die lijken op die in Ti185.” legt Devaraj uit.
Dit onderzoek zou kunnen leiden tot nog meer baanbrekende metallurgische ontdekkingen die de wereld vooruit kunnen helpen. Nieuwe vliegtuigen, lucht- en ruimtevaarttechnologieën en consumentenauto’s’ zouden binnenkort op deze geavanceerde legeringen kunnen vertrouwen en dat zou nog maar het begin kunnen zijn. De mogelijkheid hebben om uitzonderlijk sterke materialen te vervaardigen en tegelijkertijd de kosten laag te houden is een droom van de fabrikant.