Un esquema que muestra el proceso de crioforja para generar una estructura nanotwinned en titanio de alta pureza. Crédito:Andy Minor/Berkeley Lab
El titanio es fuerte y liviano, y cuenta con la relación más alta entre resistencia y peso de cualquier metal estructural. Pero procesarlo mientras se mantiene un buen equilibrio de resistencia y ductilidad (la capacidad de un metal para extraerse sin romperse) es desafiante y costoso. Como resultado, el titanio ha sido relegado a usos específicos en industrias seleccionadas.
Ahora, como se informa en un estudio reciente publicado en la revista Science , los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) han descubierto un nuevo y práctico camino a seguir.
El equipo descubrió que podían usar una técnica llamada crioforja para manipular titanio puro en la escala de una milmillonésima parte de un metro (un nanómetro) a temperaturas ultrabajas para producir titanio "nanohermanado" extrafuerte sin sacrificar nada de su ductilidad. .
"Este estudio es la primera vez que alguien produce una estructura pura de nanogemelos en material a granel", dijo Andrew Minor, líder del proyecto del estudio y director del Centro Nacional de Electrones en Molecular Foundry, una instalación de usuarios de nanociencia en Berkeley Lab. "Con el titanio nanotwinned, ya no tenemos que elegir entre resistencia y ductilidad, sino que podemos lograr ambas".
Los cambios a pequeña escala tienen un gran impacto en las propiedades
Las propiedades mecánicas de los metales dependen en parte de sus granos:pequeñas áreas cristalinas individuales de patrones atómicos repetidos que forman la estructura interna del material. Los límites entre los granos, donde cambia el patrón, fortalecen los metales al evitar que los defectos conocidos como dislocaciones se muevan y debiliten la estructura del material. Imagine los granos como calles y los límites de granos como semáforos que impiden el paso de "automóviles" atómicos.
Una forma de fortalecer un metal es simplemente reducir el tamaño de sus granos para crear más límites al forjarlo, comprimiendo el material a altas temperaturas o incluso a temperatura ambiente al laminarlo o martillarlo. Sin embargo, este tipo de procesamiento a menudo se produce a expensas de la ductilidad:la estructura interna se rompe y es propensa a fracturarse. Las "calles" de grano más pequeñas y el aumento de los "semáforos" conducen a un atasco de tráfico atómico y rompen el material.
"La resistencia de un material normalmente se correlaciona con el tamaño de los granos interiores:cuanto más pequeños, mejor", dijo Minor, quien también es profesor de ciencia e ingeniería de materiales en UC Berkeley. "Pero la alta resistencia y la ductilidad son, por lo general, propiedades que se excluyen mutuamente".
Introduzca nanogemelos. Los nanogemelos son un tipo específico de disposición atómica donde los diminutos límites de la estructura cristalina se alinean simétricamente, como imágenes especulares entre sí. Volviendo a las carreteras atómicas, los semáforos en las "calles" de granos se convierten en badenes con una estructura de nanogemelos, lo que facilita que los átomos se muevan sin la acumulación de estrés mientras mantienen una mayor fuerza.
Los científicos de Molecular Foundry de Berkeley Lab utilizaron una técnica de microscopía electrónica llamada difracción de retrodispersión de electrones (EBSD) para obtener imágenes de la estructura del titanio puro con una estructura nanotwinned. Cada color representa una orientación única de los granos. Las tiras delgadas revelan la estructura nanotwinned producida a través de un proceso llamado crioforja. Crédito:Andy Minor/Berkeley Lab
Poner el gemelo en titanio
Los materiales nanogemelos no son nuevos. Sin embargo, fabricarlos generalmente requiere técnicas especializadas que pueden ser costosas. Estas técnicas han funcionado para un conjunto selecto de metales como el cobre y, por lo general, solo se usan para hacer películas delgadas. Además, la mayoría de las veces las propiedades de película delgada no se traducen en materiales a granel.
Para crear titanio nanotwinned, el equipo de investigación utilizó una técnica simple, la crioforja, manipulando la estructura del metal a temperaturas ultrabajas. La técnica comienza con un cubo de titanio muy puro (más del 99,95%) colocado en nitrógeno líquido a menos 321 grados Fahrenheit. Mientras el cubo está sumergido, se aplica compresión a cada eje del cubo. Bajo estas condiciones, la estructura del material comienza a formar límites de nanogemelos. Posteriormente, el cubo se calienta a 750 grados Fahrenheit para eliminar cualquier defecto estructural que se haya formado entre los límites gemelos.
Los investigadores sometieron el material recién formado a una serie de pruebas de estrés y utilizaron los microscopios electrónicos de Molecular Foundry para descubrir la fuente de sus propiedades únicas. Durante estas pruebas, encontraron que el titanio nanotwinned tenía una mejor formabilidad porque tiene la capacidad de formar nuevos límites de nanotwin y deshacer los límites formados previamente, los cuales ayudan con la deformación. Probaron el material a temperaturas extremas de hasta 1112 grados Fahrenheit, tan caliente como la lava que fluye, y encontraron que mantuvo su estructura y propiedades, lo que demuestra la versatilidad del material.
A temperaturas muy frías, el titanio nanotwinned es capaz de soportar más tensión que el titanio normal, que es lo contrario de lo que suele ocurrir con la mayoría de los metales:a bajas temperaturas, la mayoría de los materiales se vuelven más frágiles.
El tamaño y el número de estas estructuras nanogemelas pueden cambiar las características del metal.
En el caso del titanio, los investigadores descubrieron que el nanohermanamiento duplicaba la resistencia del metal y aumentaba su ductilidad en un 30 % a temperatura ambiente. A temperaturas muy bajas, la mejora fue aún más espectacular:el titanio nanogemelo pudo duplicar su longitud antes de fracturarse.
El titanio nanotwinned también mantuvo sus excelentes propiedades a temperaturas relativamente altas, lo que demuestra que estas propiedades no solo persistirían en el clima templado del Área de la Bahía de San Francisco, sino también en el frío extremo del espacio exterior y cerca del intenso calor de un motor a reacción.
La fabricación de titanio nanotwinned mediante crioforja es potencialmente rentable, escalable para la producción comercial y produce un producto fácilmente reciclable. Además, como dijo Minor, "Mostramos el mecanismo de nanohermanamiento en titanio, pero es muy posible que funcione en otros materiales donde la ductilidad es limitante". A partir de aquí, los investigadores esperan tomar el proceso que desarrollaron para el titanio y determinar si se puede aplicar a otros metales. Níquel puro nano-hermanado extremadamente fuerte con espesor gemelo extremadamente fino
