Výskumníci z MIT identifikujú cesty k silnejším zliatinám titánu
Zistenia sú opísané v časopise Advanced Materials, v článku od Shaolou Wei ScD '22, profesora C. Cem Tasana, postdoktora Kyung-Shik Kima a Johna Foltza z ATI Inc. Zlepšenia, hovorí tím, vyplývajú z prispôsobenia chemické zloženie a mriežkovú štruktúru zliatiny, pričom sa prispôsobujú aj techniky spracovania používané na výrobu materiálu v priemyselnom meradle.
Zliatiny titánu sú dôležité pre svoje výnimočné mechanické vlastnosti, odolnosť proti korózii a nízku hmotnosť v porovnaní s oceľou. Starostlivým výberom legujúcich prvkov a ich relatívnych pomerov a spôsobu spracovania materiálu „môžete vytvárať rôzne štruktúry, a to vám vytvára veľké ihrisko na získanie dobrých kombinácií vlastností pre kryogénne aj zvýšené teploty“. hovorí Tasan.
Ale tento veľký sortiment možností si zase vyžaduje spôsob, ako viesť výber, aby sa vyrobil materiál, ktorý spĺňa špecifické potreby konkrétnej aplikácie. Toto usmernenie poskytuje analýza a experimentálne výsledky opísané v novej štúdii.
Štruktúra titánových zliatin, až po atómovú škálu, riadi ich vlastnosti, vysvetľuje Tasan. A v niektorých zliatinách titánu je táto štruktúra ešte zložitejšia, pozostáva z dvoch rôznych zmiešaných fáz, známych ako alfa a beta fázy.
„Kľúčovou stratégiou v tomto dizajnovom prístupe je brať do úvahy rôzne mierky,“ hovorí. "Jedna stupnica je štruktúra jednotlivého kryštálu. Napríklad starostlivým výberom legujúcich prvkov môžete získať ideálnejšiu kryštálovú štruktúru fázy alfa, ktorá umožňuje konkrétne deformačné mechanizmy. Druhou stupnicou je polykryštalická stupnica, ktorá zahŕňa interakcie z fázy alfa a beta Takže prístup, ktorý sa tu používa, zahŕňa úvahy o návrhu oboch."
Okrem výberu správnych legujúcich materiálov a proporcií sa ukázalo, že dôležitú úlohu zohrávajú kroky pri spracovaní. Technika nazývaná cross-rolling je ďalším kľúčom k dosiahnutiu výnimočnej kombinácie sily a ťažnosti, zistil tím.
V spolupráci s výskumníkmi ATI tím testoval rôzne zliatiny pod skenovacím elektrónovým mikroskopom počas ich deformácie, čím odhalil podrobnosti o tom, ako ich mikroštruktúry reagujú na vonkajšie mechanické zaťaženie. Zistili, že existuje konkrétny súbor parametrov - zloženia, proporcií a spôsobu spracovania - ktoré poskytli štruktúru, kde alfa a beta fázy zdieľali deformáciu rovnomerne, čím sa zmiernil sklon k praskaniu, ktorý sa pravdepodobne vyskytuje medzi fázami, keď reagujú. inak. "Fázy sa harmonicky deformujú," hovorí Tasan. Zistili, že táto kooperatívna reakcia na deformáciu môže poskytnúť vynikajúci materiál.
"Pozreli sme sa na štruktúru materiálu, aby sme pochopili tieto dve fázy a ich morfológie, a pozreli sme sa na ich chémiu vykonaním lokálnej chemickej analýzy v atómovom meradle. Prijali sme širokú škálu techník na kvantifikáciu rôznych vlastností materiálu naprieč viacdĺžkové škály, hovorí Tasan, ktorý je profesorom materiálovej vedy a inžinierstva POSCO a docentom metalurgie „Keď sa pozrieme na celkové vlastnosti“ zliatin titánu vyrobených podľa ich systému, „vlastnosti sú oveľa lepšie ako porovnateľné zliatiny“.
Podľa Tasana išlo o priemyselne podporovaný akademický výskum zameraný na preukázanie konštrukčných princípov zliatin, ktoré možno komerčne vyrábať vo veľkom meradle. "To, čo robíme v tejto spolupráci, je skutočne smerom k základnému pochopeniu krištáľovej plasticity," hovorí. "Ukazujeme, že táto dizajnová stratégia je overená a vedecky ukazujeme, ako to funguje," dodáva a poznamenáva, že zostáva značný priestor na ďalšie zlepšenie.
Pokiaľ ide o potenciálne aplikácie týchto zistení, hovorí: "Pre každú leteckú aplikáciu, kde je užitočná vylepšená kombinácia pevnosti a ťažnosti, tento druh vynálezu poskytuje nové príležitosti."
Práca bola podporovaná ATI Specialty Rolled Products a použitými zariadeniami MIT Nano a Centrom pre nanoškálové systémy na Harvardskej univerzite.