Изследователи от MIT идентифицират пътища за по-здрави титанови сплави

Констатациите са описани в списанието Advanced Materials, в статия на Shaolou Wei ScD '22, професор C. Cem Tasan, постдоктор Kyung-Shik Kim и John Foltz от ATI Inc. Подобренията, според екипа, произтичат от приспособяването на химичния състав и структурата на решетката на сплавта, като същевременно се коригират техниките за обработка, използвани за производството на материала в индустриален мащаб.

Титановите сплави са важни поради техните изключителни механични свойства, устойчивост на корозия и леко тегло в сравнение със стоманата. Чрез внимателен подбор на легиращите елементи и техните относителни пропорции, както и на начина, по който материалът се обработва, "можете да създадете различни структури и това създава голяма площадка за вас, за да получите добри комбинации от свойства, както за криогенни, така и за повишени температури," Тасан казва.

Но този голям асортимент от възможности на свой ред изисква начин за насочване на избора за производство на материал, който отговаря на специфичните нужди на конкретно приложение. Анализът и експерименталните резултати, описани в новото проучване, предоставят това ръководство.

Структурата на титановите сплави, чак до атомния мащаб, управлява техните свойства, обяснява Тасан. А в някои титанови сплави тази структура е още по-сложна, съставена от две различни смесени фази, известни като алфа и бета фази.

„Ключовата стратегия в този дизайнерски подход е да се вземат предвид различни мащаби“, казва той. „Едната скала е структурата на отделния кристал. Например, чрез внимателно избиране на легиращите елементи, можете да имате по-идеална кристална структура на алфа фазата, която позволява определени механизми на деформация. Другата скала е поликристалната скала, която включва взаимодействия на алфа и бета фазите, така че подходът, който се следва тук, включва съображения за проектиране и за двете."

В допълнение към избора на правилните легиращи материали и пропорции, стъпките в обработката се оказаха играят важна роля. Техника, наречена кръстосано валцуване, е друг ключ към постигането на изключителна комбинация от здравина и пластичност, установи екипът.

Работейки заедно с изследователи на ATI, екипът тества различни сплави под сканиращ електронен микроскоп, докато се деформират, разкривайки подробности за това как техните микроструктури реагират на външно механично натоварване. Те откриха, че има определен набор от параметри - състав, пропорции и метод на обработка - които дават структура, при която алфа и бета фазите споделят равномерно деформацията, смекчавайки склонността към напукване, която е вероятно да възникне между фазите, когато реагират различно. „Фазите се деформират в хармония“, казва Тасан. Този съвместен отговор на деформацията може да доведе до превъзходен материал, установиха те.

„Разгледахме структурата на материала, за да разберем тези две фази и техните морфологии, и разгледахме химията им, като извършихме локален химичен анализ в атомен мащаб. Приехме голямо разнообразие от техники за количествено определяне на различни свойства на материала в множество мащаби на дължина, казва Тасан, който е професор по материалознание и инженерство в POSCO и доцент по металургия „Когато погледнем като цяло свойства" на титановите сплави, произведени съгласно тяхната система, "свойствата са много по-добри от сравнимите сплави."

Това беше подкрепено от индустрията академично изследване, насочено към доказване на принципи на проектиране на сплави, които могат да бъдат произведени в мащаб с търговска цел, според Тасан. „Това, което правим в това сътрудничество, наистина е към фундаментално разбиране на кристалната пластичност“, казва той. „Ние показваме, че тази стратегия за проектиране е валидирана и показваме научно как работи“, добавя той, като отбелязва, че остава значително място за по-нататъшно подобрение.

Що се отнася до потенциалните приложения на тези открития, той казва: „За всяко космическо приложение, където подобрената комбинация от здравина и пластичност е полезна, този вид изобретение предоставя нови възможности.“

Работата беше подкрепена от ATI Specialty Rolled Products и използва съоръженията на MIT Nano и Центъра за наномащабни системи в Харвардския университет.