Istraživači sa MIT-a identifikuju puteve do jačih legura titanijuma

Nalazi su opisani u časopisu Advanced Materials, u radu Shaolou Wei ScD '22, profesora C. Cema Tasana, postdoktora Kyung-Shik Kim, i Johna Foltza iz ATI Inc. Tim kaže da poboljšanja proizlaze iz krojenja hemijski sastav i rešetkasta struktura legure, uz prilagođavanje tehnika obrade koje se koriste za proizvodnju materijala u industrijskoj skali.

Legure titana su važne zbog svojih izuzetnih mehaničkih svojstava, otpornosti na koroziju i male težine u poređenju sa čelikom. Pažljivim odabirom legirajućih elemenata i njihovih relativnih proporcija, kao i načina obrade materijala, "možete kreirati različite strukture, a to stvara veliko igralište za dobivanje dobrih kombinacija svojstava, kako za kriogene tako i za povišene temperature", Tasan kaže.

Ali taj veliki izbor mogućnosti zauzvrat zahtijeva način na koji se vodi odabir kako bi se proizveo materijal koji zadovoljava specifične potrebe određene primjene. Analiza i eksperimentalni rezultati opisani u novoj studiji daju te smjernice.

Struktura titanijumskih legura, sve do atomske skale, upravlja njihovim svojstvima, objašnjava Tasan. A u nekim legurama titana, ova struktura je još složenija, sastavljena od dvije različite međusobno pomiješane faze, poznate kao alfa i beta faza.

"Ključna strategija u ovom pristupu dizajnu je uzimanje u obzir različitih razmjera", kaže on. "Jedna skala je struktura pojedinačnog kristala. Na primjer, pažljivim odabirom legirajućih elemenata, možete imati idealniju kristalnu strukturu alfa faze koja omogućava određene mehanizme deformacije. Druga skala je polikristalna skala, koja uključuje interakcije alfa i beta faze Dakle, pristup koji se ovdje slijedi uključuje razmatranje dizajna za obje."

Pored odabira pravih legirajućih materijala i proporcija, ispostavilo se da važnu ulogu igraju koraci u preradi. Tehnika koja se zove unakrsno valjanje je još jedan ključ za postizanje izuzetne kombinacije snage i duktilnosti, otkrio je tim.

Radeći zajedno sa ATI istraživačima, tim je testirao različite legure pod skenirajućim elektronskim mikroskopom dok su se deformisale, otkrivajući detalje o tome kako njihove mikrostrukture reaguju na spoljašnje mehaničko opterećenje. Otkrili su da postoji određeni skup parametara - sastava, proporcija i metoda obrade - koji je dao strukturu u kojoj alfa i beta faze dijele deformaciju ujednačeno, ublažavajući tendenciju pucanja koja će se vjerovatno pojaviti između faza kada reagiraju drugačije. "Faze se deformišu u harmoniji", kaže Tasan. Ovaj zajednički odgovor na deformaciju može dati superioran materijal, otkrili su.

"Pogledali smo strukturu materijala da bismo razumjeli ove dvije faze i njihove morfologije, a pogledali smo i njihovu kemiju izvodeći lokalnu kemijsku analizu na atomskoj skali. Usvojili smo širok spektar tehnika za kvantificiranje različitih svojstava materijala širom višestruke skale dužine, kaže Tasan, koji je POSCO profesor nauke o materijalima i inženjeringa i vanredni profesor metalurgije. uporedivih legura."

Prema Tasanu, ovo je bilo akademsko istraživanje podržano od strane industrije koje ima za cilj dokazivanje principa dizajna za legure koje se mogu komercijalno proizvoditi u velikim količinama. „Ono što radimo u ovoj saradnji zaista je usmjereno na temeljno razumijevanje kristalne plastičnosti“, kaže on. „Pokazujemo da je ova strategija dizajna potvrđena i naučno pokazujemo kako funkcioniše“, dodaje on, napominjući da ostaje značajan prostor za dalje unapređenje.

Što se tiče potencijalnih primjena ovih otkrića, on kaže: "Za svaku primjenu u svemiru gdje je korisna poboljšana kombinacija snage i duktilnosti, ova vrsta izuma pruža nove mogućnosti."

Rad je podržan od strane ATI Specialty Rolled Products i korišćenih objekata MIT Nano i Centra za nanorazmjerne sisteme na Univerzitetu Harvard.