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I ricercatori sviluppano la più forte lega di titanio

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I ricercatori al Dipartimento per l'energia il laboratorio nazionale di nord-ovest pacifico (PNNL) hanno creato un più forte titanio lega-in uno sviluppo che potrebbe condurre entrambi alla produzione delle parti del veicolo più leggero come pure di nuove leghe ad alta resistenza.

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I ricercatori hanno saputo che una lega di titanio precedentemente sviluppata da un processo a basso costo ha avuta proprietà meccaniche molto buone, ma hanno voluto sapere renderlo ancora più forte. Facendo uso dei microscopi elettronici potenti e di un approccio unico della rappresentazione della sonda dell'atomo, potevano scrutare in profondità dentro il nanostructure della lega per capire la sua composizione migliore per migliorare sulle sue qualità.

A 45% il peso dell'acciaio a basso tenore di carbonio, titanio è leggero ma non particolarmente forte a meno che sia unito in lega con altri metalli. Cinquanta anni fa, gli esperti di metallurgia hanno provato a mescolarlo con il ferro, con il vanadio e l'alluminio. La lega risultante, Ti185, era stessa forte-ma soltanto nei posti. La miscela ha teso a agglutinarsi: ferro ragruppato in determinate aree, creare i difetti conosciuti come le beta macchie che lo hanno reso difficile produrre commercialmente attendibilmente la lega.

Sei anni fa, PNNL ed i collaboratori hanno trovato un modo intorno a quel problema ed inoltre hanno sviluppato un processo a basso costo per produrre il materiale ad una scala industriale. Invece di cominciare con il titanio fuso, il gruppo ha sostituito la polvere di titanio dell'idruro, che ha ridotto il tempo di lavorazione dalla metà e drammaticamente ha ridotto il fabbisogno energetico.

«[Anche] abbiamo trovato che se riscaldate trattilo in primo luogo con un'più alta temperatura prima di un punto a bassa temperatura di trattamento termico, voi potremmo creare attualmente una lega di titanio 10-15% più forte di tutta la lega di titanio commerciale sul mercato e che ha approssimativamente raddoppiare la forza dell'acciaio,» dice Arun Devaraj, uno scienziato materiale a PNNL.

Facendo uso di un sistema di tomografia della sonda dell'atomo, Devaraj ed il gruppo hanno esaminato la lega per vedere come i diversi atomi sono sistemati in 3D. La sonda dell'atomo sposta un atomo per volta e lo invia ad un rivelatore. Atomi «mosca» dell'accendino al rivelatore più veloce, mentre gli oggetti più pesanti arrivano più successivamente, ogni tipo dell'atomo identificato secondo il tempo che prende per raggiungere il rivelatore e la sua posizione identificati dal rivelatore.

I ricercatori hanno scoperto che, via il processo ditrattamento ottimizzato, avevano creato il precipitato micron di taglia e nanosized regione-ogni con le alte concentrazioni di determinati elementi. Il trattamento delle regioni ad un'più alta temperatura di 1.450 gradi di Fahrenheit ha raggiunto un nanostructure gerarchico unico.

Quando la forza è stata misurata tirando o applicando la tensione ed allungandola finché non venga a mancare, il materiale trattato ha raggiunto un aumento 10-15% nella forza, che è significativa, dato il basso costo del processo di produzione. L'acciaio ha usato per produrre i veicoli ha una resistenza alla trazione di 800-900 megapascals, mentre l'aumento 10-15% raggiunto a PNNL mette Ti185 a quasi 1.700 megapascals, o la forza approssimativamente doppia dell'acciaio automobilistico alla metà del peso.

Il gruppo ha collaborato con Ankit Srivastava, un assistente universitario nella scienza dei materiali del Texas A&M e nel Servizio tecnico, per sviluppare un modello matematico semplice per la spiegazione come il nanostructure gerarchico può provocare particolarmente l'ad alta resistenza. Il modello, in paragone ai risultati di microscopia ed all'elaborazione, ha condotto alla scoperta di questa più forte lega di titanio mai ha fatto.

«Questo spinge la frontiera di cui possiamo fare con le leghe di titanio,» dice Devaraj. «Ora che capiamo che cosa sta accadendo e perché questa lega ha tale ad alta resistenza, i ricercatori ritengono che possano potere modificare altre leghe intenzionalmente creando le microstrutture che assomigliano a quelle in Ti185.»

Per esempio, se i nanostructures delle leghe del metallo meno costoso dell'alluminio-un che titanio-può essere visto ed essere sistemato gerarchico in modo analogo, potrebbe aiutare l'accendino di configurazione dell'industria automobilistica, veicoli più economici in consumo di carburante che emettono meno anidride carbonica.