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Materiais funcionais
Memória de forma, supercondutividade e armazenamento de hidrogénio: três utilizações não estruturais do titânio
Quase tudo escrito sobre titânio trata - o como um material estrutural — leve, forte, resistente à corrosão. Três de seus usos não estruturais mais significativos vêm da direção oposta: eles exploram o que a estrutura cristalina faz quando muda, não quanta carga carrega.
O titânio funcional é uma disciplina diferente do titânio estrutural. Diga-nos o que a parte tem de fazer e diremos claramente se está no nosso âmbito de Aplicação. Enviar o requisito
Duas propriedades, três indústrias
O titânio estrutural é escolhido para resistência específica e resistência à corrosão. O titânio funcional é escolhido para o que acontece dentro da rede. Ambos vêm do mesmo ponto de partida: o titânio forma fases estáveis com os elementos próximos a ele e altera a estrutura cristalina de uma forma que pode ser controlada pela composição e temperatura.
Nenhuma das três aplicações a seguir indicadas é uma variante de uma peça estrutural. São indústrias separadas que compram titânio pela mesma razão subjacente.
Memória de forma e superelasticidade
O material de titânio funcional mais familiar não é uma liga de produto de fábrica. É aproximadamente níquel equiatômico e titânio, conhecido como NiTi ou nitinol. Perto dessa composição, a liga sofre uma transformação martensítica reversível próxima da temperatura ambiente. Deformá-lo abaixo da temperatura de transformação e a deformação permanece; aquecê-lo e a peça retorna à forma em que foi ajustada. Acima da temperatura da transformação a mesma liga é superelástica — aceita a grande tensão e as molas para trás no descarregamento.
Ambos os comportamentos provêm de um mecanismo e ambos são extraordinariamente sensíveis à composição. Uma mudança de uma fração de um por cento no teor de níquel move a temperatura de transformação em dezenas de graus. É por isso que o NiTi é comprado a uma temperatura de transformação e não apenas a uma química, e é por isso que o controlo da fusão é mais importante aqui do que num grau estrutural.
Supercondutividade
Um íman supercondutor-do tipo de um scanner corporal ou de um acelerador de partículas — é enrolado a partir de um fio que é principalmente de nióbio e titânio. A composição útil fica perto de 46 a 47 por cento em peso de titânio. O comportamento supercondutor vem da fase nióbio-titânio, mas o fio só existe porque a liga é dúctil o suficiente para ser arrastada para filamentos finos dentro de um estabilizador de cobre sem quebrar.
Essa é a linha de passagem com as outras duas utilizações: a metalurgia do titânio está a ser utilizada para fabricar um material diferente.
Armazenamento de hidrogénio
Os intermetálicos de titânio-ferro e titânio-manganês absorvem reversivelmente o hidrogénio a uma pressão moderada e libertam-no durante o aquecimento. No papel, trata-se de um tanque de hidrogénio de estado sólido, e trata-se de uma verdadeira linha de trabalho e não de uma curiosidade. Ele também tem três limites rígidos que geralmente são deixados de fora da descrição popular.
- Activação. Muitas vezes, uma liga nova não absorve nada até que tenha sido reciclada sob pressão e temperatura para quebrar o óxido de superfície.
- Capacidade desvanece-se. A absorção e a dessorção repetidas danificam a rede, pelo que a capacidade utilizável diminui ao longo do ciclo de vida.
- Capacidade gravimétrica. A massa de hidrogénio armazenada por unidade de massa de liga é modesta, o que coloca a tecnologia em desvantagem onde quer que um cilindro comprimido o faça.
O que as três famílias partilham
| Utilizar | Família da liga | Propriedade explorada | O que o limita |
|---|---|---|---|
| Memória de forma e superelasticidade | Níquel-titânio, aproximadamente equiatómico | Transformação martensítica reversível perto da temperatura de serviço | Variações da temperatura de transformação com uma fracção de um por cento da composição; faixa estreita de temperatura utilizável |
| Fio supercondutor | Nióbio-titânio, perto de 47% em peso de Ti | Corrente sem perdas na fase Nb-Ti, com capacidade de tração de titânio | Necessita de arrefecimento criogénico; todo o fio é feito para a via de trefilação, não apenas para a fase |
| Armazenamento de hidrogénio | Titânio-ferro, titânio-manganês intermetálicos | Formação reversível de hidreto a pressão moderada | Ciclos de activação, desvanecimento da capacidade, capacidade gravimétrica modesta |
Por que os mesmos dois problemas continuam aparecendo
Intersticiais. No titânio estrutural, o oxigénio e o azoto são a razão pela qual existem limites de grau e a razão pela qual a caixa Alfa tem de ser removida antes da manutenção. Nessas ligas funcionais, os mesmos intersticiais são o motivo pelo qual uma liga de armazenamento se desvanece e por que uma temperatura de transformação se desloca. A disciplina metalúrgica é idêntica; apenas o modo de falha muda.
Tolerância à composição. Todas as três famílias são especificadas por uma propriedade que depende muito mais da composição do que um grau estrutural. Isso move o peso do argumento de qualidade de um ensaio de tracção para o controlo da massa fundida e para a análise química — as propriedades não podem ser recuperadas posteriormente por transformação.
Onde está o nosso próprio trabalho
Nosso espaço é titânio estrutural: produto do moinho, forjamentos, e componentes feitos à máquina. Descrevemos essas três famílias porque elas surgem em conversas técnicas e porque a metalurgia explica por que o titânio se comporta da maneira que se comporta nas aplicações que servimos. Não é uma gama de produtos.
FAQ
Perguntas frequentes
O nitinol é uma liga de titânio?
Sim. É aproximadamente metade titânio e metade níquel por átomos, o que o torna uma liga de titânio no sentido comum, embora não seja comprada em uma lista de grau de titânio. É vendido a uma temperatura de transformação e não a uma química, porque essa é a propriedade da qual a peça depende.
Por que o nióbio-titânio é usado em ímãs supercondutores em vez de um metal puro?
Porque o fio tem de ser puxado. O nióbio-titânio é dúctil o suficiente para ser reduzido a filamentos finos e co-estirado com um estabilizador de cobre, que é o que faz um condutor prático. Um material com melhor comportamento supercondutor no papel é inútil se não puder ser formado em quilómetros de fio.
O titânio pode armazenar hidrogénio?
Os intermetálicos titânio-ferro e titânio-manganês absorvem e libertam o hidrogénio reversivelmente, pelo que sim, em princípio. Na prática, as ligas necessitam de ciclos de activação antes de serem absorvidas, perdem capacidade à medida que a rede é danificada pelo ciclo e a capacidade gravimétrica é modesta contra um cilindro comprimido. É uma opção real com limites reais.
Estas ligas comportam-se como o grau 5 em serviço?
Não. Não são materiais estruturais e as suas propriedades não são uma variação do grau 5 — são especificadas em relação à temperatura de transformação, corrente crítica ou capacidade de hidrogénio, nenhuma das quais é uma propriedade de resistência. Tratar um deles como substituto de um grau estrutural seria um erro de categoria.
Pergunte sobre titânio funcional
Enviar o desenho com a nota e a especificação aplicável. Vamos confirmar o material formulário, a rota do processo, o plano de inspeção e uma data por escrito com a cotação.