זמן חדש לטיטניום (1)
בין המתכות, החוזק והקלילות של טיטניום, עמידות בפני קורוזיה ויכולת עמידה בטמפרטורות קיצוניות הבחינו זה מכבר בערכו, במיוחד עבור יישומים רגישים למשקל ולסביבה. כשהיא תוארה לראשונה בסוף המאה ה-18, מגלה שותף בשם המתכת של הטיטאנים - אלים שנולדו מכדור הארץ והשמיים במיתולוגיה היוונית העתיקה.
הזמן רק הצחיק את ברק הטיטניום. "אני מדען חומרים, ולכן אנשים שואלים אותי לפעמים, 'מה האלמנט האהוב עליך?'", אומר אנדרו מינור, פרופסור למדעי החומרים והנדסת החומרים. לגבי מבנים, מטוסים, טילים, חלליות ועוד, הוא אומר, "אם אתה רוצה את החומר החזק ביותר בכמות הקטנה ביותר של משקל, זה טיטניום. אם היינו יכולים, היינו מייצרים הכל מטיטניום".
ואכן, עבור מעצבים תעשייתיים, הסיכוי של מכוניות חזקות, קלות משקל וחסכוניות בדלק, למשל, או ספינות משא סופר עמידות בפני קורוזיה, טיטניום חייב להיות חומר החלומות.
הבעיה? "זה יקר מדי", אומר מינור על טיטניום או סגסוגות טיטניום בדרגה תעשייתית שאחרת עשויות להחליף פלדה כאשר רק החומרים החזקים והעמידים ביותר יספיקו. עלות הכנת טיטניום גבוהה פי שישה מזו של נירוסטה. כתוצאה מכך, השימושים בו נותרו מוגבלים לחלקים מיוחדים עבור תעופה וחלל, פריטים יוקרתיים כמו תכשיטים או יישומי נישה אחרים.
יתרה מכך, לטיטניום טהור יש חוזק בינוני בלבד, מסביר מינור. ניתן לחזק אותו עם יסודות כמו חמצן, אלומיניום, מוליבדן, ונדיום וזירקוניום; עם זאת, זה לרוב על חשבון משיכות - יכולתה של מתכת להימשך או לעיוות מבלי להישבר.
כעת, לאחר עשור של מחקר, עידן חדש לטיטניום, כולל יישומים הנדסיים מורחבים מאוד, עשוי להתקרב, הודות למינור ועמיתיו בברקלי, כולל מארק אסטה, דריל צ'רזאן ו-JW מוריס ג'וניור, גם הם פרופסורים במחלקה למדע והנדסת חומרים. הם חיטוטו ודחפו טיטניום בכל מספר דרכים בתקווה להרחיב את השימוש המעשי שלו למגוון יישומים מבניים או הנדסיים.
במקום זאת, מה שמניע את העלות המוגזמת של טיטניום בדרגה מסחרית, מסביר מינור, הוא תהליך קרול המורכב המשמש לרוב לייצור מוטות טיטניום, מטילי טיטניום וצורות אחרות של מתכת שניתן לייצר לחלקים שימושיים ומוצרים אחרים. התהליך כולל שימוש בחומרים יקרים כמו גז ארגון, והוא עתיר אנרגיה, דורש התכה מרובת בטמפרטורות גבוהות במיוחד, במיוחד כדי לשלוט בזיהומי חמצן.
ואכן, לטיטניום וחמצן יש מערכת יחסים תמוהה, כזו שמינור, אסטה, צ'רזאן, מוריס ועמיתיו רצו להבין טוב יותר. הצוות ידע שלעתים קרובות משתמשים בטומאת חמצן עבור סגסוגות טיטניום כדי לרתום אפקט מחזק חזק. טיטניום המיוצר רק עם עלייה זעירה בכמות החמצן האטומי יכול לגרום למתכת בעלת עלייה פי כמה בחוזק.
למרבה הצער, החמצן יכול להניב גם ירידה גדולה עוד יותר בגמישות המתכת. הוא הופך לשביר וישבר וישבר.
אבל "חמצן נמצא בכל מקום", אומר מינור על הקושי בתמרון סביב ההיענות הגבוהה של טיטניום לחמצן. "זו לא טומאה שמגיעה מחומר המקור שאתה פשוט יכול להימנע ממנה."
הוא מאפיין את רגישות הטיטניום לחמצן כקיצונית. "זה באמת מוזר כמה זה חזק", אומר מינור. זה מפעיל השפעות על המתכת, הן טובות והן רעות, בעוד שנוכחות של כמויות דומות של חמצן אינה משמעותית עבור מתכות כמו אלומיניום ופלדה מכיוון שניתן להתמודד איתה בעיבוד הרבה יותר בקלות.
כדי ללמוד עוד, הצוות פנה למחשוב בעל ביצועים גבוהים כדי לדגמן את תהליך העיוות בטיטניום תחת לחץ ועם כמויות שונות של חמצן. דגמי מחשב, אומרת אסטה, הם "סט עוצמתי של כלים המאפשרים לנו לחקור את האתגר היוצא מן הכלל הזה במטלורגיית טיטניום".
מבין התגליות העיקריות של הצוות, דשדוש של אטומי חמצן במבנה הגבישי של טיטניום כאשר המתכת נמצאת במתח הפך למפתח להבנת אובדן המשיכות. במצב לא לחוץ, מולקולות חמצן שוכנות ללא תקלות במרווחים טבעיים בין אטומי טיטניום. אבל תחת כוחות מכניים, אטומי החמצן יכולים לדשדש לחללים סמוכים שם הם מספקים פחות עמידות בפני נקעים שאם הם מתפשטים, מחלישים את המתכת.
"החמצן מקדם חולשה מבנית", אומר מינור. כאשר כוחות מכניים מעוותים את המתכת, אטומי החמצן שנעקרו, במקום לחסום את התפשטות הפגמים המבניים, יכולים להקל על מה שנקרא החלקה מישורית.
החלקה מישורית, אומרת אסטה, היא כמו אדווה של פגמים במבנה הגבישי של המתכת הנבנים אחד על השני, מה שמוביל בסופו של דבר לשברים, סדקים וחתיכת מתכת שבירה.
כדי להבין כיצד נקע יכול להיווצר ולהתפשט בטיטניום, Chrzan מציע לדמיין ניסיון להזיז שטיח גדול וכבד.
"ניתן להרים שטיח גדול מאוד בקצה אחד ולגרור אותו על הרצפה למצב חדש", הוא אומר. אבל דרך נוספת להזיז את השטיח היא ליצור אדווה בקצה אחד ולאחר מכן, על ידי דשדוש הרגליים על פני החלק העליון של השטיח, אתה יכול "ללכת" את האדוות לקצה השני. בתנאי ששום דבר לא יחסום את תנועתו, השטיח כולו יועקר במרחק השווה לרוחב האדוות.
ניתן לראות "גליות" כאלה בטיטניום במיקרוסקופ אלקטרוני. "אתה יכול לראות שכל הנקעים מסודרים בשורות, בשורות", אומר מינור. "וזה רע לגמישות כי אם הם עומדים בשורה ורק עוקבים זה אחר זה, הם לא מסתבכים [ובכך נעצרים] כך שהמתכת לא תעבוד קשה. אתה מקבל ריכוז מתח, ולשם אתה מגיע סדק."
(המשך)
