Zhigang Zak Fang gewinnt Humboldt-Preis

Neu veröffentlicht vom College of Science.

Titan (Ti)-Metall, das für sein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität geschätzt wird, ist ein kritisches Material in der Luft- und Raumfahrt, Verteidigung und medizinischen Anwendungen, aber seine breitere Verwendung wird durch übermäßig hohe Kosten behindert.

Hier kommt Zhigang Zak Fang, Professor für Materialwissenschaften und Metallurgietechnik, ins Spiel. Als kürzlich Träger des renommierten Humboldt-Forschungspreises hat Fang eine bahnbrechende Technologie entwickelt, mit der hochwertiges, kohlenstoffarmes Titanpulver zu deutlich reduzierten Kosten hergestellt werden kann. Die von Fang entwickelte Technologie, bekannt als Hydrogen Assisted Metallothermic Reduction (HAMR), basiert auf der Entdeckung neuer wissenschaftlicher Erkenntnisse über die Auswirkungen von Wasserstoff auf die Stabilität fester Ti-Lösungen mit hohem Sauerstoffgehalt (bis zu 14 Gew.-%).

„Titanmetall ist aufgrund seiner starken Affinität zu Sauerstoff schwer herzustellen“, sagte Fang, der Anfang des Monats über das Humboldt-Programm informiert wurde, das die wissenschaftliche Zusammenarbeit zwischen Forschungseinrichtungen in den USA und Deutschland fördert. Er entdeckte, dass die Bindung zwischen Titan und Sauerstoff durch den Einbau von Wasserstoffatomen in die Gitter der festen Lösung von Titan(II)-oxid (Ti-O) destabilisiert werden kann, was zu einem völlig neuen Ansatz für die nachhaltige Produktion von sauerstoffarmem Titan mit minimalem Energie- und Kostenaufwand führte.

„Durch die drastische Reduzierung der Kosten und Kohlendioxidemissionen bei der Herstellung von Titanpulver hat das HAMR-Verfahren das Potenzial, die globale Titanmetallindustrie grundlegend zu revolutionieren und zu verändern“, fuhr Fang fort.

Heutzutage importieren die USA fast 100 % des „Titanschwamms“, den sie jedes Jahr verbrauchen und der durch ein älteres Verfahren hergestellt wird, das ineffizient, teuer und energieintensiv ist. China und Russland kontrollieren etwa 70 % des globalen Marktes für Titanschwamm, was zu einer erheblichen Anfälligkeit in der Lieferkette für ein Metall führt, das für die amerikanische Landesverteidigung von entscheidender Bedeutung ist. Der aktuelle Marktprozess zur Herstellung von Titanmetall erhitzt Titanerz auf 1.800 Grad Fahrenheit und reagiert mit Chlorgas und Petrolkoks, um Titantetrachlorid zu erzeugen. Diese chemische Verbindung wird gereinigt, bis zu vier Tage lang in einer Argonatmosphäre durch geschmolzenes Magnesium reduziert und dann im Vakuum in die poröse, spröde Form von Titan, bekannt als „Schwamm“, destilliert. Anschließend wird es zerkleinert und geschmolzen, um Barren und anderes Titan herzustellen Mühlenlieferungen, die an die Hersteller von Titanprodukten gesendet werden.

BILDNACHWEIS: University of Utah

Zhigang Zak Fang, Professor für Metallurgietechnik (rechts), und Pei Sun, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Forschungslabor für Pulvermetallurgie (links), beschreiben den Prozess zur Reduzierung von kommerziellem Titandioxid zum endgültigen reinen Titanpulver.

Fangs Forschung, die zur HAMR-Technologie führte, verspricht eine drastische Verbesserung der Energieeffizienz. Mit dem HAMR-Verfahren kann primäres Titanmetall entweder aus Mineralien oder aus Titanschrott hergestellt werden. Das Ergebnis ist, dass sauerstoffreicher Titanschrott in sauerstoffarme Titanpulver umgewandelt wird, die die strengen Standards der Luft- und Raumfahrtindustrie sowie der biomedizinischen Industrie erfüllen oder übertreffen.

Titanpulver kann für die additive Fertigung oder in der Pulvermetallurgie verwendet werden, um Produkte in einem breiten Spektrum anspruchsvoller Anwendungen herzustellen, darunter Luft- und Raumfahrt, Verteidigung, Biomedizin und andere zivile Anwendungen, mit deutlich erhöhter Nachhaltigkeit.

Jedes Jahr vergibt die Alexander von Humboldt-Stiftung bis zu 100 Humboldt-Forschungspreise an international führende Forscher aller Fachrichtungen aus dem Ausland als Anerkennung ihrer bisherigen wissenschaftlichen Leistungen. Der Humboldt-Preis, auch Humboldt-Forschungspreis genannt, ist mit 60.000 Euro dotiert und wird jährlich an international renommierte Wissenschaftler verliehen. Er ist nach dem verstorbenen preußischen Naturforscher und Entdecker Alexander von Humboldt benannt.

Als Erfinder einer Reihe von Prozesstechnologien ist Fang ein weltweit anerkannter Innovator in den Bereichen Wolframkarbid, hochschmelzende Metalle, Titan, Pulvermetallurgie und Metallhydrid für die Speicherung von Wasserstoff und thermischer Energie. Bevor Fang zu den Vereinigten Staaten kam, hatte er über ein Jahrzehnt lang eine erfolgreiche industrielle Forschungs- und Entwicklungskarriere hinter sich. Er ist Autor oder Co-Autor von über 180 peer-reviewten Publikationen. Er ist der alleinige oder Miterfinder von über 60 erteilten US-Patenten. Er gründete bzw. war Mitbegründer zweier Start-up-Unternehmen und vermarktete erfolgreich mehrere Wolframkarbid- und Titantechnologien.

Der Humboldt ist bei weitem nicht Zak Fangs erste Anerkennung für seine Arbeit. Er ist Fellow der National Academy of Inventors, ASM und APMI. 2009 war er Gewinner eines R&D100 Award. Er ist außerdem Chefredakteur des International Journal of Refractory Metals & Hard Metals, der führenden wissenschaftlichen Zeitschrift für Refraktärmetalle.