MIT-forskere identificerer veje til stærkere titaniumlegeringer

Resultaterne er beskrevet i tidsskriftet Advanced Materials, i et papir af Shaolou Wei ScD '22, professor C. Cem Tasan, postdoc Kyung-Shik Kim og John Foltz fra ATI Inc. Forbedringerne, siger holdet, opstår ved at skræddersy kemisk sammensætning og legeringens gitterstruktur, samtidig med at man justerer de forarbejdningsteknikker, der bruges til at fremstille materialet i industriel skala.

Titaniumlegeringer har været vigtige på grund af deres exceptionelle mekaniske egenskaber, korrosionsbestandighed og lette vægt sammenlignet med stål. Gennem omhyggelig udvælgelse af legeringselementerne og deres relative proportioner, og måden materialet behandles på, "kan du skabe forskellige strukturer, og dette skaber en stor legeplads for dig at få gode egenskabskombinationer, både for kryogene og forhøjede temperaturer." siger Tasan.

Men det store udvalg af muligheder kræver til gengæld en måde at guide udvælgelserne til at producere et materiale, der opfylder de specifikke behov for en bestemt applikation. Analysen og de eksperimentelle resultater beskrevet i den nye undersøgelse giver den vejledning.

Strukturen af ​​titanlegeringer, helt ned til atomær skala, styrer deres egenskaber, forklarer Tasan. Og i nogle titanlegeringer er denne struktur endnu mere kompleks og består af to forskellige blandede faser, kendt som alfa- og betafaserne.

"Nøglestrategien i denne designtilgang er at tage hensyn til forskellige skalaer," siger han. "Den ene skala er strukturen af ​​den enkelte krystal. For eksempel kan man ved at vælge legeringselementerne omhyggeligt få en mere ideel krystalstruktur af alfafasen, der muliggør særlige deformationsmekanismer. Den anden skala er polykrystalskalaen, der involverer interaktioner af alfa- og betafaserne. Så den tilgang, der følges her, involverer designovervejelser for begge."

Ud over at vælge de rigtige legeringsmaterialer og proportioner viste trin i behandlingen sig at spille en vigtig rolle. En teknik kaldet cross-rolling er en anden nøgle til at opnå den exceptionelle kombination af styrke og duktilitet, fandt holdet.

I samarbejde med ATI-forskere testede holdet en række legeringer under et scanningselektronmikroskop, mens de blev deformeret, og afslørede detaljer om, hvordan deres mikrostrukturer reagerer på ekstern mekanisk belastning. De fandt ud af, at der var et bestemt sæt parametre - af sammensætning, proportioner og forarbejdningsmetode - som gav en struktur, hvor alfa- og betafaserne delte deformationen ensartet, hvilket mindskede den revne-tendens, der sandsynligvis vil forekomme mellem faserne, når de reagerer. anderledes. "Faserne deformeres i harmoni," siger Tasan. Denne samarbejdsreaktion på deformation kan give et overlegent materiale, fandt de.

"Vi kiggede på materialets struktur for at forstå disse to faser og deres morfologier, og vi så på deres kemi ved at udføre lokal kemisk analyse på atomær skala. Vi brugte en lang række teknikker til at kvantificere forskellige egenskaber af materialet på tværs af skalaer med flere længder, siger Tasan, der er POSCO-professor i materialevidenskab og lektor i metallurgi "Når vi ser på de overordnede egenskaber". titanlegeringer produceret i henhold til deres system, "egenskaberne er meget bedre end sammenlignelige legeringer."

Dette var industristøttet akademisk forskning med det formål at bevise designprincipper for legeringer, der kan fremstilles kommercielt i skala, ifølge Tasan. "Det, vi gør i dette samarbejde, er virkelig mod en grundlæggende forståelse af krystalplasticitet," siger han. "Vi viser, at denne designstrategi er valideret, og vi viser videnskabeligt, hvordan den virker," tilføjer han og bemærker, at der fortsat er betydelig plads til yderligere forbedringer.

Hvad angår potentielle anvendelser af disse resultater, siger han: "For enhver rumfartsanvendelse, hvor en forbedret kombination af styrke og duktilitet er nyttig, giver denne slags opfindelse nye muligheder."

Arbejdet blev støttet af ATI Specialty Rolled Products og brugte faciliteter af MIT Nano og Center for Nanoscale Systems ved Harvard University.