Raziskovalci MIT odkrivajo poti do močnejših titanovih zlitin

Ugotovitve so opisane v reviji Advanced Materials v prispevku Shaolou Wei ScD '22, profesorja C. Cema Tasana, podoktorskega Kyung-Shika Kima in Johna Foltza iz ATI Inc. Izboljšave, pravi ekipa, izhajajo iz prilagajanja kemijsko sestavo in mrežno strukturo zlitine, hkrati pa prilagajamo tehnike obdelave, ki se uporabljajo za proizvodnjo materiala v industrijskem obsegu.

Titanove zlitine so bile pomembne zaradi svojih izjemnih mehanskih lastnosti, odpornosti proti koroziji in majhne teže v primerjavi z jeklom. S skrbno izbiro legirnih elementov in njihovih relativnih razmerij ter načina obdelave materiala "lahko ustvarite različne strukture, kar ustvarja veliko igrišče za vas, da dobite dobre kombinacije lastnosti, tako za kriogene kot povišane temperature," Tasan pravi.

Toda ta velik nabor možnosti zahteva način vodenja izbire za izdelavo materiala, ki ustreza posebnim potrebam določene aplikacije. Analiza in eksperimentalni rezultati, opisani v novi študiji, zagotavljajo te smernice.

Struktura titanovih zlitin, vse do atomske lestvice, ureja njihove lastnosti, pojasnjuje Tasan. In v nekaterih titanovih zlitinah je ta struktura še bolj zapletena, sestavljena iz dveh različnih mešanih faz, znanih kot alfa in beta faza.

"Ključna strategija v tem oblikovalskem pristopu je upoštevati različne lestvice," pravi. "Ena lestvica je struktura posameznega kristala. Na primer, s skrbno izbiro legirnih elementov lahko imate bolj idealno kristalno strukturo alfa faze, ki omogoča posebne mehanizme deformacije. Druga lestvica je polikristalna lestvica, ki vključuje interakcije alfa in beta faze torej pristop, ki se uporablja tukaj, vključuje načrtovanje obeh."

Izkazalo se je, da imajo poleg izbire pravih legirnih materialov in razmerij pomembno vlogo koraki v obdelavi. Ekipa je ugotovila, da je tehnika, imenovana navzkrižno valjanje, še en ključ do doseganja izjemne kombinacije trdnosti in duktilnosti.

V sodelovanju z raziskovalci ATI je ekipa testirala različne zlitine pod vrstičnim elektronskim mikroskopom, ko so se deformirale, in razkrila podrobnosti o tem, kako se njihove mikrostrukture odzivajo na zunanje mehanske obremenitve. Ugotovili so, da obstaja določen nabor parametrov – sestave, razmerij in metode obdelave –, ki je dal strukturo, kjer sta si alfa in beta faza enakomerno delili deformacijo, kar je ublažilo nagnjenost k razpokanju, ki se verjetno pojavi med fazama, ko se odzoveta. drugače. "Faze se deformirajo v harmoniji, " pravi Tasan. Ta kooperativni odziv na deformacijo lahko prinese vrhunski material, so ugotovili.

"Ogledali smo si strukturo materiala, da bi razumeli ti dve fazi in njuni morfologiji, in pogledali smo njuno kemijo z izvajanjem lokalne kemijske analize na atomski lestvici. Sprejeli smo široko paleto tehnik za količinsko opredelitev različnih lastnosti materiala v več dolžinskih lestvic, pravi Tasan, ki je profesor znanosti o materialih in inženiringa POSCO in izredni profesor metalurgije lastnosti" titanovih zlitin, proizvedenih po njihovem sistemu, "so lastnosti veliko boljše od primerljivih zlitin."

To je bila industrijsko podprta akademska raziskava, katere cilj je bil dokazati načela načrtovanja za zlitine, ki jih je mogoče komercialno proizvesti v velikem obsegu, pravi Tasan. "Kar počnemo v tem sodelovanju, je v resnici namenjeno temeljnemu razumevanju kristalne plastičnosti," pravi. "Pokažemo, da je ta strategija oblikovanja potrjena, in znanstveno pokažemo, kako deluje," dodaja in ugotavlja, da je še veliko prostora za nadaljnje izboljšave.

Kar zadeva možne uporabe teh ugotovitev, pravi: "Za vsako uporabo v vesolju, kjer je uporabna izboljšana kombinacija trdnosti in duktilnosti, ta vrsta izuma ponuja nove priložnosti."

Delo so podprli ATI Specialty Rolled Products in uporabili objekte MIT Nano in Center for Nanoscale Systems na Univerzi Harvard.