科研:感性的人做的理性的事儿分享 http://blog.sciencenet.cn/u/bumblebee To Share & Enjoy Sciences

博文

钛合金之美:从应用到物理 精选

已有 5405 次阅读 2016-5-24 11:03 |个人分类:My Research works|系统分类:科研笔记|关键词:Titanium, alloy, Gum metal, phase diagram

作者:黄良锋

**************************

文学、影视上的联系(番外篇):

 关于Titanium和希腊神话相关部分的桥段,真是想当的精彩!忍不住一吐为快。

 宇宙最开始的统治者是天空的元神,叫Uranus(核元素U,果然是终极Boss!),他统治的时代是一切混乱皆合法的Golden Age(挺contrasting的名称,人性的映射啊)。Uranus的子子孙孙都叫Titans。在Titan I里,CronusUranus最小的儿子,Cronus后来把他老爹推翻后,自立为王。其实啊,Cronus是在他母亲Gaia的指使下,用Gaia给的镰刀把Uranus老人家给阉割了,还把俩蛋蛋扔海里头了都。Uranus流的血变成了好几个神,就连那俩蛋蛋,都竟然变成爱神Miss Venus了!!!彻底排除了Uranus重复威猛的可能性。唉,家庭和睦对子女的健康成长非常重要啊。

 我们经常有“神一样的剧情”,但和神的剧情比起来,都是浮云。我们也常说“宁静的天空 blabla...”,天空被阉过,当然性情温和了。年轻小伙总喜欢对姑娘们说“你就像我心中的维纳斯”,以显示姑娘对自己的重要,这个逻辑是有典故支持的。都说Venus从贝壳的珍珠演变而来,现在我们该知道那俩珍珠是怎么来的了吧。

 后来,Cronus也被他最小的儿子Zeus(就是宙斯同志)推翻,进入Titan II时代。不仅如此,Zeus还把Cronus打入地牢(一个叫Tartarus的地方),永受折磨。能力超强、权力超高,就容易心胸狭窄,也会习惯性地欺男霸女,所以Titan们都是坏事做绝,狗血不断。就算以其命名的“泰坦尼克”铁船,从制造、出海沉船、到保险理赔,也都是悬疑层出不穷(所以别瞎起名字,人家宙斯老爷生气了)。2012年有个电影《诸神之怒》(Wrath of the Titans),里面最后从地底下被解封出来的岩浆大叔,其实就是宙斯的老爹Cronus。如果当年Zeus也把Cronus给阉割了,估计就没有Cronus在这电影里那么mighty的表现了。宙斯的儿子阿波罗同学把他同父异母的兄弟(Tantalus,过渡金属Ta)的女儿(Niobe,过渡金属Nb)家的14个孩子杀掉只剩一个,最后一个还和母亲变成石头,可谓惨绝人寰。

 写宫斗剧情,还真得学习人家古希腊人的智慧,都是真神的剧情。多研究研究化学元素周期表可能也会有所帮助。

**************************


(A)钛合金应用之背景

 钛合金具有各种优异的性能,比如质量轻、力学性能可调、抗腐蚀、抗磨损性可调、生物兼容性强,等等。这些优点使得钛合金能在非常多的领域发挥强大作用。钛的合金化容易度很高,这使得人们可以根据不同用途对其进行各种成分调节。到目前为止,钛合金应该有约40grades的组分,每个grade下可能还有些sub-grades。这些grades之间没有好坏,只是适用的领域不同。


下面重点简介一下钛合金在生物医疗和航天航空里的应用。


(i)Beta Ti alloys,人体植入金属的最佳材料?

 世界正在快速进入老年化状态,大家有空的话,看看联合国的World Population Ageing报告吧1。所以人造骨头等医疗合金的市场是巨大的,而且会越来越大。

 在Ti之前,对于人体植入金属,研究较多的是Stainless Steel和一些Ni alloys,有时候加点Mo会有些帮助。不过这些合金不仅会释放较多的金属离子,而且毒性还不小(比如Ni++, Cr+++),这些离子还会通过血液在全身一些重要器官堆积,这些方面系统的活体研究估计至少有30年以上的时间了,读读一些早年的文献2,3和一些系统的现代综述4~9,会很让人享受。Ti表面会自发地被TiO2覆盖,而TiO2的电化学稳定性又非常地好,在很大范围的酸碱条件下都是稳定的【10】,所以Ti合金的抗腐蚀性能都非常好,一般血液里面Ti++离子的浓度也会极其的低(~10-8 mol/L),更重要的是Ti++离子相对来说毒性非常低,不容易导致组织发炎或癌变。

 另外,Ti有三个常规的结构,分别是Alpha (HCP结构), Beta (BCC结构),Omega (六角结构)11,如下图所示:

三个相有不同的力学性质:Alpha比较硬,模量在100 GPa上下;Beta最软,理论上模量可以达到0 GPa,实验上最低在~35 GPa左右;OmegaAlpha稍微硬一些,而且还相对比较脆。当合金用做植入骨骼,并且和生物骨骼接触的时候,软硬程度要和生物骨骼(软/硬骨头:0~33 GPa)的硬度不相上下才行,因为我们的骨骼细胞会根据受力来调节钙含量,以达到匹配的硬度:合金比骨骼软,会导致骨质酥松;合金太硬,会导致骨骼钙化。所以,现在大家都在设计优异的bio-compatible Beta Ti alloys,主要出发点就是如此。这几年比较热火的Gum metal12,就是又柔又韧的一种Ti alloy,如下动画所示(像不想口香糖?)。

当然,人工骨骼这方面的应用除电化学和硬度因素以外,抗磨损、和肌肉细胞的兼容性等方面也需要细致考虑,这些都涉及到材料内部配比、表面/内部形貌、和组合材料的使用等技术,在此就不细说了。


(ii)飞机发动机里的Ti alloys

 质量比钢铁低,而且Alpha Ti的力学性能又很好,再混点软软的Beta Ti,又会阻止一些微裂纹的长大,所以Ti自然就在航天航空领域迅速占据了重要的地位。比如战斗机发动机里,除了高温高压的燃烧区(这里主要是Ni合金,GE好像开发了工作温度更高的fibre-enhanced SiC ceramics),很多低温区(比如预压、预热区的涡轮叶片)的部件都有Ti的利用,如下图显示:

这里对于Ni合金的应用,日后再专门讨论。发动机前端的风扇、空气低压压缩转子、空气高压压缩转子、燃烧区、机械动力转子、发电转子、尾锥等部件,其工作温度、压力、化学环境、寿命要求等方面都不一样,所以对合金和涂层的要求都不一样。这里面所需要介绍的内容很庞大,感兴趣的伙伴们可以有针对性地去调研。

 针对发动机的抗腐蚀,除了材料优异以外,还需要良好的防护措施。一般战斗机发动机出产后,都有相应的清洗说明书,在沙漠上空和海洋上空执行任务的战斗机,定期和非定期的清洗计划肯定会有所差别。没有良好的清洗,即使小小的硫化物残留,可能都会造成灾难,因为腐蚀/氧化会造成裂纹和脆化,尤其对于高速旋转的高温叶片。清洗之前,需要将发动机上的叶片拆下来,挨个检查是否有裂纹,对于已经劳损的叶片,要进行更换。


在民航里,Ti alloys的应用比例也在增加,比如Boeing不同款飞机里面,Ti的比例变化:

Ti alloys的使用,直接减少了飞机机身的重量,因此,飞机可以携带更少的燃油。而油箱的减重,又会进一步减少了燃油量。


(B)物理之内涵(我们的研究13

 由于Ti alloys里面经常会添加各式各样的过渡金属元素,然后效果也是五花八门。虽然研究已逾50年,但还没有一个统一、清晰的物理机理建立起来。我们用第一性原理(+一些选择性的实验测量),研究了所有30种过渡金属对Alpha, Beta, Omega Ti稳定性的影响,并且从最底层的电子成键理论,解释了Beta Stabilization的化学规律。

模拟了Composition-Temperature相图,并且发现,在一些Ti alloys里,存在着非常重要的三相点。在前面提到的Gum metal里,不同实验研究小组所测量到的力学机理可能都不一样,比如dislocations动或不动,twinnings有或没有,transformations重要或不重要,或者干脆一个样品里什么因素都发生了。有了我们的理论研究,我们才知道,Gum metal的组分太接近三相点啦!

在相边界,很多物理性质都会不稳定,更何况是在三相点附近,再何况是在分布容易不均匀、制备过程复杂的Ti alloys里呢。这方面内容丰富,不多说了,感兴趣的伙伴们,可以参考我们的最新发表13,买了Open Access,所以可以免费下载。


我们隐隐感觉它会成为这个领域的经典之作,是否如此,拭目以待。^_^



参考文献:

1United Nations, “World Population Ageing 2013”.

2Marcel Pourbaix, “Electrochemical corrosion of metallic biomaterials”, Biomaterials 5, 122-134 (1984).

3J.J. Jacobs, M.D. Jeremy, L. Gilbert, and R.M. Urban, “Corrosion ofmetal orthopaedic Implants”, The Journal of Bone and Joint Surgery 80-A, 268-282 (1998).

4D. Banerjee and J.C. Williams, “Perspectives on Titanium Science and Technology”, Acta Materialia 61, 844-879 (2013).

5M. Geetha, A.K. Singh, R. Asokamani, and A.K. Gogia, “Ti based biomaterials, the ultimate choice for orthopaedic implants – a review”, Prog. Mater. Sci. 54, 397-425 (2009).

6M.Niinomi, “Recent metallic materials for biomedical applications”, Metallurgical and Materials Transactions A 33, 477 (2002).

7Z.T.Yu, M.H. Zhang, Y.X. Tian, J. Cheng, X.Q. Ma, H.Y. Liui, and C. Wang,“Designation and development of biomedical Ti alloys with finer biomechanical compatibility in long-term surgical implants”, Frontiers of Materials Science 8, 219-229 (2014).

8J. Katz and A. Belkind, "Titanium and Titanium Alloy Surfaces in Medicine: Importance of the Oxide Layer", Vacuum Technology & Coating, www.vtcmag.com,  May 2016, page 25-32.

9X. Liu, P.K. Chu, and C. Ding, "Surface modification of titanium, titanium alloys, and related materials for biomedical applications", Materials Science Engineering: R: Reports 47, 49-121 (2004).

10L.F. Huang and J.M. Rondinelli, “Electrochemical phase diagrams for Ti oxides from density functional calculations”, Phys. Rev. B 92, 245126 (2015).

11L.F. Huang, B. Grabowski, E. McEniry, D.R. Trinkle, and J. Neugebauer,“Importance of coordination number and bond length in titanium revealed by electronic structure investigations” (Editor's Choice & Front Cover), Physica Status Solidi B 252, 1907-1924 (2015).

12T. Saito et al., “Multifunctional alloys obtained via a dislocation-free plastic deformation mechanism”, Science 300, 464-467 (2003).

13L.F. Huang, B. Grabowski, J. Zhang, M.J. Lai, C.C. Tasan, S. Sandloebes,D. Raabe, and J. Neugebauer, “From electronic structure to phase diagrams: A bottom-up approach to understand the stability of titanium-transition metal alloys”, Acta Materialia (2016) doi:10.1016/j.actamat.2016.04.059






http://blog.sciencenet.cn/blog-345795-979387.html

上一篇:青椒基金结题(分享结题报告和博士论文)
下一篇:核材料的第一性原理模拟:出发/服务于未来的能源规划
收藏 分享 举报

8 徐令予 晏成和 强涛 黄永义 喻海良 徐民 叶苍 table

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (4 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备14006957 )

GMT+8, 2017-12-13 09:39

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007-2017 中国科学报社

返回顶部