Un nuevo tiempo para el titanio

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Nota del decano: Socios públicos en innovación

Entre los metales, la resistencia y ligereza del titanio, su resistencia a la corrosión y su capacidad para soportar temperaturas extremas han distinguido durante mucho tiempo su valor, particularmente para aplicaciones sensibles al peso y al medio ambiente. Cuando se describió por primera vez a finales del siglo XVIII, un codescubridor nombró al metal en honor a los Titanes, dioses nacidos de la Tierra y el cielo en la mitología griega antigua.

El tiempo sólo ha pulido el brillo del titanio. “Soy científico de materiales, por lo que a veces la gente me pregunta: '¿cuál es tu elemento favorito?'”, dice Andrew Minor, profesor de ciencia e ingeniería de materiales. Para edificios, aviones, misiles, naves espaciales y más, dice, “si quieres el material más resistente con el menor peso, es titanio. Si pudiéramos, haríamos todo con titanio”.

De hecho, para los diseñadores industriales, la perspectiva de automóviles, camiones y aviones fuertes, livianos y de bajo consumo de combustible, por ejemplo, o buques de carga súper resistentes a la corrosión, el titanio debe ser algo de ensueño.

¿El problema? "Es demasiado caro", dice Minor sobre el titanio de grado industrial o las aleaciones de titanio que, de otro modo, podrían reemplazar al acero cuando sólo los materiales más fuertes y duraderos serán suficientes. De hecho, el coste de fabricar titanio es aproximadamente seis veces mayor que el del acero inoxidable. Como resultado, sus usos se han limitado a piezas especiales para la industria aeroespacial, artículos de alta gama como joyería u otras aplicaciones específicas.

Además, el titanio puro tiene una resistencia moderada, explica Minor. Puede reforzarse con elementos como oxígeno, aluminio, molibdeno, vanadio y circonio; sin embargo, esto suele ser a expensas de la ductilidad: la capacidad de un metal para estirarse o deformarse sin fracturarse.

Ahora, después de una década de investigación, es posible que se esté acercando una nueva era para el titanio, que incluye aplicaciones de ingeniería enormemente ampliadas, gracias a Minor y sus colegas de Berkeley, incluidos Mark Asta, Daryl Chrzan y JW Morris Jr., también profesores del Departamento de Ciencia e Ingeniería de los Materiales. Han estado probando y pinchando el titanio de muchas maneras con la esperanza de ampliar su uso práctico para una variedad de aplicaciones estructurales o de ingeniería.

En una serie de estudios, los investigadores han desarrollado nuevos conocimientos críticos sobre el titanio, incluidas recetas para fabricar mejores aleaciones de titanio, así como una técnica de crioforjado para fabricar titanio de grado industrial, avances que en última instancia podrían conducir a tecnologías más rentables y sostenibles. fabricación.

Un dibujo esquemático del proceso criomecánico que da como resultado titanio nanomaculado. (Ilustración de Andrew Minor)

Es importante entender que el coste del titanio no se debe a su rareza. El titanio no es un metal precioso; más bien, se encuentra en casi todas partes del mundo, en rocas ígneas cerca de la superficie. Es el noveno elemento más abundante de la Tierra y el cuarto metal más abundante, y puede usarse para fabricar cosas tanto en su forma pura como en forma de aleación.

En cambio, lo que impulsa el costo excesivo del titanio de calidad comercial, explica Minor, es el complejo proceso Kroll que se utiliza con mayor frecuencia para fabricar barras, lingotes y otras formas de titanio que pueden transformarse en piezas utilizables y otros productos. El proceso incluye el uso de materiales costosos como el gas argón, y requiere mucha energía y requiere múltiples fusiones a temperaturas extremadamente altas, especialmente para controlar las impurezas de oxígeno.

De hecho, el titanio y el oxígeno tienen una relación desconcertante que Minor, Asta, Chrzan, Morris y sus colegas han querido comprender mejor. El equipo sabía que a menudo se utiliza una impureza de oxígeno en las aleaciones de titanio para aprovechar un potente efecto fortalecedor. El titanio fabricado con sólo un pequeño aumento en la cantidad de oxígeno atómico puede dar como resultado un metal con una resistencia varias veces mayor.

Desafortunadamente, el oxígeno también puede producir una disminución aún mayor en la ductilidad del metal. Se vuelve quebradizo y se fracturará y romperá.

Pero "el oxígeno está en todas partes", dice Minor sobre la dificultad de maniobrar en torno a la alta capacidad de respuesta del titanio al oxígeno. "No se trata de una impureza procedente del material original que se puede evitar simplemente".

Él caracteriza la sensibilidad del titanio al oxígeno como extrema. "Es realmente extraño lo poderoso que es", dice Minor. Ejerce efectos sobre el metal, tanto buenos como malos, mientras que la presencia de cantidades similares de oxígeno es insignificante para metales como el aluminio y el acero porque se puede procesar mucho más fácilmente.

Para obtener más información, el equipo recurrió a la informática de alto rendimiento para modelar el proceso de deformación del titanio bajo tensión y con diferentes cantidades de oxígeno. Los modelos informáticos, afirma Asta, son un "poderoso conjunto de herramientas que nos permiten investigar este desafío excepcional en la metalurgia del titanio".

De los principales descubrimientos del equipo, una mezcla de átomos de oxígeno en la estructura cristalina del titanio cuando el metal está bajo tensión se convirtió en la clave para comprender la pérdida de ductilidad. En un estado no estresado, las moléculas de oxígeno residen sin incidentes en los espacios naturales entre los átomos de titanio. Pero bajo fuerzas mecánicas, los átomos de oxígeno pueden desplazarse a espacios adyacentes donde ofrecen menos resistencia a las dislocaciones que, si se propagan, debilitan el metal.

"El oxígeno promueve una debilidad estructural", dice Minor. A medida que las fuerzas mecánicas deforman el metal, los átomos de oxígeno desplazados, en lugar de bloquear la propagación de defectos estructurales, pueden facilitar el llamado deslizamiento plano.

Un deslizamiento plano, dice Asta, es como una onda de defectos en la estructura cristalina del metal que se acumulan uno sobre otro, provocando eventualmente fracturas, grietas y una pieza de metal quebradiza.

Para comprender cómo se puede formar y propagar una dislocación en el titanio, Chrzan sugiere visualizar el intento de mover una alfombra grande y pesada.

“Se puede coger una alfombra muy grande por un extremo y arrastrarla por el suelo hasta una nueva posición”, afirma. Pero otra forma de mover la alfombra es crear una onda en un extremo y luego, arrastrando los pies por la parte superior de la alfombra, puedes "caminar" la onda hasta el otro extremo. Si nada bloquea su movimiento, toda la alfombra habrá sido desplazada una distancia igual al ancho de la ondulación.

Estas "ondulaciones" en el titanio se pueden observar con microscopía electrónica. "Se puede ver que todas las dislocaciones están alineadas, en filas", dice Minor. “Y eso es malo para la ductilidad porque si se alinean y solo se suceden entre sí, no se enredan [y por lo tanto se detienen] de manera que el metal no se endurezca. Obtienes una concentración de estrés y ahí es donde obtienes una oportunidad”.

Diseñar estrategias que interrumpan el proceso de mezcla de átomos de oxígeno o promuevan nanoestructuras para evitar que se acumulen deslizamientos planos podría conducir a mejores aleaciones. Estas aleaciones tendrían aplicaciones especialmente en las industrias automovilística y aeroespacial, afirma Minor.

El profesor Andrew Minor vierte nitrógeno líquido sobre una muestra de titanio, demostrando el proceso de crioforja utilizado para crear titanio nanogemanado en su laboratorio. (Foto de Adam Lau / Berkeley Engineering)

Para abordar estos y otros problemas, el equipo se basa en una combinación de modelado por computadora, microscopía electrónica de transmisión (TEM) y otras modalidades de imágenes y experimentos.

"Una de las cosas que ha sido realmente agradable acerca de este proyecto es que a veces los computacionalistas y teóricos están un poco por delante, y otras veces son los experimentalistas", dice Asta. "Nos reunimos con frecuencia y hablamos sobre nuestros hallazgos y nuestras nuevas ideas".

El estudio del equipo sobre la sensibilidad al oxígeno del titanio, por ejemplo, condujo a un estudio del titanio aleado con aluminio y oxígeno. Descubrieron que la fragilidad por oxígeno se puede eliminar añadiendo pequeñas cantidades de aluminio, especialmente a temperaturas criogénicas, inferiores a -150 grados Celsius.

Con las cantidades justas de aluminio y oxígeno, dice el equipo, un nuevo orden de la estructura cristalina de titanio evitó una mezcla de átomos de oxígeno que conduciría a una acumulación dañina de dislocaciones y, en última instancia, fracturas. Es más, debido a que la introducción del aluminio redujo la sensibilidad al oxígeno del titanio en general, también se reducirían los costos de procesamiento para crear un metal utilizable.

En otro estudio más, el equipo analizó investigaciones que se remontaban a la década de 1960 y que mostraban que muchos metales y aleaciones muestran aumentos dramáticos en la ductilidad cuando se los somete a pulsos eléctricos periódicos durante la deformación del metal. Pero los mecanismos subyacentes que explican por qué esta llamada electroplasticidad podría ser cierta no están claros.

"La electroplasticidad puede reducir los costos del procesamiento metalúrgico, ya que se necesita menos energía para formar metal con pulsos eléctricos que calentar todo el metal a una temperatura alta para lograr la misma formabilidad", dice Minor. "Curiosamente, este efecto de la electroplasticidad es universal porque se ha demostrado que funciona prácticamente con todos los metales, no sólo con el titanio".

El equipo realizó pruebas de tracción del metal en tres condiciones diferentes: temperatura ambiente sin corriente eléctrica, con un pulso eléctrico periódico de 100 milisegundos de duración y con corriente constante. Debido a que la aplicación de corriente eléctrica calienta el metal, al equipo le preocupaba distinguir los efectos causados ​​únicamente por la electricidad de los causados ​​por el calor.

Sus resultados mostraron que, a pesar de utilizar un pulso periódico más pequeño que los estudios anteriores, el método de corriente pulsada mejoró el alargamiento por tracción de la aleación de titanio, así como su resistencia máxima. Señalan que este efecto fue específico sólo del experimento de corriente pulsada.

Con la ayuda de TEM para ver cambios en la estructura cristalina del metal, sus resultados sugieren que el tratamiento con corriente pulsada suprime las dislocaciones de deslizamiento plano. Los investigadores descubrieron que el pulso eléctrico endurece el material y frustra el desarrollo del deslizamiento plano al mantener un patrón de dislocación 3D difuso que, en última instancia, proporciona alta resistencia y ductilidad.

Más recientemente, Minor y Robert Ritchie, profesor de ciencia de materiales e ingeniería mecánica, desarrollaron un método pionero de procesamiento en masa para fabricar titanio puro que es menos costoso y produce un metal con mayor resistencia a la tracción y ductilidad.

Los profesores de ciencia e ingeniería de materiales (desde la izquierda) Daryl Chrzan, Mark Asta y Andrew Minor con el proyecto TEAM I (Microscopio con corrección de aberración electrónica de transmisión) en el Centro Nacional de Microscopía Electrónica del Laboratorio Berkeley. (Foto de Adam Lau / Berkeley Engineering)

Aparte de las aleaciones, otra forma de fortalecer los metales estructurales es adaptar el tamaño de los cristales (también conocidos como granos) que componen el metal mediante el uso de calor y procesamiento mecánico, como el laminado o el prensado. Al reducir el tamaño del grano a submicrómetros o nanómetros, los investigadores pueden introducir las llamadas estructuras nanomacadas, o defectos en el metal causados ​​por estructuras cristalinas alineadas. Las estructuras nanomacadas mejoran la resistencia y reducen el riesgo de fractura al actuar como una barrera contra los deslizamientos planos. Al adaptar el espaciado y la orientación de las estructuras nanogemanadas, afirma Minor, las propiedades mecánicas se pueden optimizar aún más. Pero los métodos tradicionales para hacerlo no son ni triviales ni baratos.

En cambio, Minor, Ritchie y sus colegas introdujeron múltiples estructuras nanomacadas en titanio puro mediante un proceso criomecánico. Utilizaron piezas de titanio en forma de cubo que fueron prensadas a lo largo de tres lados en nitrógeno líquido. La suave compresión, dice Minor, controla la densidad de las estructuras nanomacadas que fortalecen el metal y al mismo tiempo preservan su estructura de grano inicial. Lo mejor de todo es que el proceso no depende de un calor intenso y puede ser una forma más sostenible de fabricar titanio para una gama mucho más amplia de aplicaciones que la actual.

Las propiedades mecánicas del material crioforjado, específicamente la resistencia y la ductilidad, se mantienen a temperaturas extremadamente altas y criogénicas. Minor dice que el rendimiento del titanio nanohermizado lo hace ideal para cosas como motores a reacción extremadamente calientes, así como entornos operativos muy fríos que sugerirían usos como anillos de retención para imanes superconductores, partes estructurales de tanques de gas natural licuado, así como materiales para ser expuestos a ambientes de aguas profundas o del espacio profundo.

Cuando se le pregunta si el nuevo proceso de fabricación de titanio de calidad comercial podría ampliarse pronto, Minor responde: ¿por qué no? En realidad, es más difícil hacer cosas como el proceso Kroll que se utiliza hoy en día, donde el material debe aislarse eléctricamente y todo el proceso requiere enormes cantidades de energía. "Y con esta crioforja, ya sabes, simplemente estaríamos poniendo cosas en un baño".