När en tillverkare tänker på det perfekta materialet, är starkt, lätt och flexibelt de tre viktigaste adjektiven som kan komma i åtanke. Detta beror på att dessa egenskaper gör att materialet kan användas i en mängd olika tillämpningar samtidigt som det kan motstå enorma påfrestningar. Nu har ny forskning lett till utvecklingen av en ny titanlegering som har kallats den starkaste av alla kommersiella titanlegeringar som för närvarande finns på marknaden. Denna nya legering kan få stor betydelse för biltillverkning, flyg- och rymdtillverkning med mera.
Kolfiber har allmänt accepterats som den senaste och mest betydelsefulla materialrevolutionen, men denna nya titanlegering kan ta priset. Den heter Ti185 och tillverkades faktiskt för första gången för cirka 50 år sedan. Den grova tillverkningsprocessen gav dock en inkonsekvent blandning av metall där materialet var starkt på vissa ställen men sprött på andra. Metallurgerna försökte då blanda rått titan med järn tillsammans med vanadin och aluminium för att skapa Ti185. Problemet var att blandningen slutade med att klumpa ihop sig med järnet, vilket ledde till defekter i den färdiga produkten. Metallurgerna kunde inte producera legeringen för kommersiella ändamål, förrän nu.
Rent titan är faktiskt inte så starkt, så för att ge det de egenskaper som tillverkarna letar efter måste en legering skapas. För att öka styrkan hos vanliga titanlegeringar som idag används inom flyg- och rymdindustrin har forskare vid det amerikanska energidepartementets Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) utvecklat ett sätt att till överkomligt pris producera Ti185. De lyckades med detta genom att arrangera atomerna i ett specifikt mönster för att bilda en speciell nanostruktur.
Det var första gången som forskarna har kunnat se denna atomära justering på nära håll och sedan tog dessa forskare det ett steg längre. Forskarna vid PNNL manipulerade sedan nanostrukturen för att skapa den starkaste titanlegering som någonsin utvecklats. En annan fördel med denna nya process är att den är mer kostnadseffektiv jämfört med tillverkning av konventionella titanlegeringar.
”Vi fann att om man värmebehandlar den först med en högre temperatur före ett värmebehandlingssteg vid låg temperatur kan man skapa en titanlegering som är 10 till 15 procent starkare än någon kommersiell titanlegering som för närvarande finns på marknaden och som har ungefär dubbelt så hög hållfasthet som stål”, säger Arun Devaraj, materialforskare vid PNNL. bit.ly/2blCAPu
Forskarna testade legeringens hållfasthet genom att dra i eller lägga på spänningar tills titanet gav upp. Ti185 visade sig vara 10-15 procent starkare än konventionella titanlegeringar, vilket är en monumental bedrift som blir ännu mer imponerande i kombination med den låga produktionskostnaden. Ti185 är ungefär dubbelt så starkt som bilstål som används i biltillverkning och det väger dessutom hälften så mycket.
PNNL:s resultat sträcker sig också långt bortom att bara arbeta med titan. De kanske till och med kan använda sin process för att förbättra ännu fler legeringar.
”Detta tänjer på gränsen för vad vi kan göra med titanlegeringar, – Nu när vi förstår vad som händer och varför den här legeringen har så hög hållfasthet tror forskarna att de kan modifiera andra legeringar genom att avsiktligt skapa mikrostrukturer som ser ut som de i Ti185.” Devaraj förklarar.
Denna forskning kan leda till ännu fler banbrytande metallurgiska upptäckter som kan hjälpa till att driva världen framåt. Nya flygplan, flyg- och rymdteknik och konsumentbilar” kan snart förlita sig på dessa avancerade legeringar och det kanske bara är början. Att ha möjlighet att tillverka material med exceptionellt hög hållfasthet och samtidigt hålla kostnaderna nere är en dröm för alla tillverkare.