Sydafrika er et skridt tættere på forarbejdede titanlegeringer

William Gregor, en amatør mineralog og kemiker, første gang opdagede ilmenit - noget sort sand indeholdende et af verdens letteste metaller - i Storbritannien i 1791. Fire år senere, dette letmetal blev isoleret og navngivet "titanium" af en tysk kemiker Martin Heinrich Klaproth.

Titanium har sammenlignelig styrke med stål, verdens mest brugte metal, men er omkring 56 % så tæt og 45 % lettere. Rent titanium er meget svært at udvinde fra ilmenit, og det tog derfor omkring 145 år, før metallet blev generelt anvendeligt.

Titaniumlegeringer fremstilles, når der kontrolleres mængder af andre grundstoffer - såsom chrom, jern, vanadium, aluminium, nitrogen, niobium, molybdæn, ruthenium - tilsættes titanium.

Tilføjelse af andre elementer til titanium kan gøre det stærkere eller mere modstandsdygtigt over for korrosion. Det her, sammen med andre kvaliteter, gør titanlegeringer eftertragtede inden for luftfart, bil, kemisk, smykker, biomedicinsk, byggeri og andre industrier.

Men titanium og dets legeringer er meget dyre. Fordi titanium er svært at udvinde fra sin malm, at skabe færdige produkter involverer mange komplekse trin, som kræver meget energi og genererer meget affald. For eksempel i rumfartsindustrien, hvor det er mest brugt, 11 kg titanium giver kun 1 kg af et færdigt produkt.

Mine kolleger og jeg undersøger, hvordan vi kan udvikle nye billige titanlegeringer i Sydafrika, som kan bruges i ikke-luftfartssektorer. Forskning som denne sker andre steder i verden, mens videnskabsmænd arbejder på at reducere omkostningerne ved titanlegeringer.

Hvis vores arbejde lykkes, mig bekendt, disse kan være de første lokalt designede billige titanlegeringer i Sydafrika. Lavprislegeringer ville bane vejen for overkommelige brændstofeffektive biler og overkommelige medicinske implantater og proteser. Industrien ville også skabe jobmuligheder og generere indtægter fra salg.

Typer af legering

Titaniumlegeringer kan eksistere i tre grundlæggende former - alfa, beta og en kombination af alfa og beta – afhængigt af mængden og typen af ​​metal, der tilsættes.

Alfa-titanium-legeringer skabes, når elementer som aluminium, tin, ilt og nitrogen tilsættes titanium. Dette gør det muligt for legeringen at holde sin struktur i temperaturer på op til 882°C og forbedrer dens styrke. Det er også modstandsdygtigt over for korrosion og krybning - hvilket betyder, at det er langsomt at deformere over en længere periode med udsættelse for høje stressniveauer.

Men alfa-titanium-legeringer er sværere at forme til former og, sammenlignet med andre legeringer, forbedres ikke ved opvarmning eller afkøling. De bruges typisk til rumfartsstrukturer, motorer og fartøjer, der skal tåle tryk.

Beta-titanium-legeringer fremstilles, når store mængder af grundstoffer som jern, vanadium, krom og molybdæn-tilsættes. Rumtemperaturstyrken af ​​denne legering er høj, mens dens høje temperaturstyrke er dårlig. Disse legeringer kan let formes til former, selv ved stuetemperatur, hvilket gør dem til et attraktivt materiale til ortopædiske implantater.

Den tredje type legering kombinerer alfa og beta. Det betyder, at der tilføjes betydelige mængder af både alfa- og beta-stabiliserende elementer - som jern og aluminium. Dette giver legeringerne en god kombination af styrke og duktilitet. De er langt den mest udviklede og mest brugte legering. De er velegnede til en bred vifte af applikationer fra rumfartsindustrien til bilindustrien og biomedicinsk industri.

Billigere legeringer

Vores fokus er på at lave en billigere type af den tredje legering:kombination af alfa og beta.

Vi gør dette ved at ændre mængden af ​​elementer, der er i den kommercielle legering, kendt som Ti-6Al-4V. For eksempel, vi erstatter det meste af vanadium med jern, fordi vanadium er sjældent og dyrt, omkring 150 gange dyrere end jern. Vi skal være forsigtige i vores proportioner, fordi for eksempel, jern kunne udskilles under smeltning og danne forskellige forbindelser.

Vi reducerede også mængden af ​​aluminium i legeringen. Dette skyldes, at tidligere undersøgelser rapporterede, at titanlegeringer indeholdende aluminium var vanskelige at danne, og det resulterede i slid på værktøj.

Næste skridt var at reducere spildmateriale, når legeringerne formes til former. Formning af titanlegeringer i forskellige former tegner sig normalt for 30% af de samlede omkostninger ved at producere titaniumprodukter, og op til 20 % affald genereret.

For at gøre dette har vi set på, hvor langt mikrostrukturer (indre struktur, der kun kan ses med mikroskoper) kan manipuleres for at få de ønskede egenskaber i legeringerne. Dette ville reducere omkostningerne under kommerciel produktion, fordi vi ved, hvor langt vi kan strække eller presse legeringen, uden at den går i stykker.

Fremstilling af legeringer

Vi producerede legeringerne ved en konventionel teknik kaldet vakuumbuesmeltning. Vakuumlysbuesmelteovnen er placeret hos Mintek – Sydafrikas nationale forsknings- og udviklingsorganisation.

Begrænsningen med dette er, at der kun blev produceret prøver i knapstørrelse. Så vi kunne ikke lave prøver til en lang række tests.

Vi sammenlignede hårdheden af ​​legeringerne og fandt ud af, at de nyfremstillede legeringer havde højere hårdhedsværdier sammenlignet med kommercielle alfa- og beta-legeringer. I nogle tilfælde var de sammenlignelige.

Vi undersøgte også, hvordan de nyfremstillede legeringer korroderer i salt- og syreopløsninger og fandt ud af, at de havde bedre korrosionsbestandighed i begge opløsninger.

Vi var i stand til at teste prøver af legeringerne ved forskellige temperaturer og formningshastigheder for at finde den bedste kombination til at forme legeringerne til former uden defekter. Vi så, at legeringerne havde et bredt forarbejdningsvindue. Kun et lille sæt temperaturer og deformationshastigheder skulle undgås.

Der skal gøres mere

Der er mere at gøre. Vi kunne ikke måle stuetemperaturstyrken af ​​disse legeringer, fordi vi havde brug for større prøver.

Vi har heller ikke undersøgt svejsbarheden af ​​disse legeringer, eller hvor let det er at bearbejde dem i forskellige former og størrelser. Bearbejdning af titanlegeringer tegner sig for omkring 30% -40% af de samlede omkostninger ved fremstilling af dem.

Gennem støtte fra et postdoc-stipendiatprogram fra African Academy of Sciences, vi modtog midler til at fortsætte vores undersøgelser af de nyudviklede legeringer. Vi er nu i stand til at producere større prøver ved hjælp af vakuuminduktionssmelteovnen hos Rådet for Videnskabelig og Industriel Forskning.

Den største udfordring ved fremstilling af større legeringer er, at vi skulle improvisere. Vi brugte en vakuumsmelteovn, der ikke er designet til at lave nye legeringer. Den korrekte ovn er tilgængelig i Sydafrika, men trænger til reparation.

Imidlertid, vores resultater indtil videre er opmuntrende.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.