Cercetătorii MIT identifică căile către aliaje de titan mai puternice

Descoperirile sunt descrise în jurnalul Advanced Materials, într-o lucrare scrisă de Shaolou Wei ScD '22, profesorul C. Cem Tasan, postdoctorat Kyung-Shik Kim și John Foltz de la ATI Inc. Îmbunătățirile, spune echipa, provin din adaptarea compoziția chimică și structura rețelei a aliajului, ajustând în același timp tehnicile de prelucrare utilizate pentru producerea materialului la scară industrială.

Aliajele de titan au fost importante datorită proprietăților lor mecanice excepționale, rezistenței la coroziune și ușoarei în comparație cu oțelul. Printr-o selecție atentă a elementelor de aliere și a proporțiilor relative ale acestora și a modului în care este prelucrat materialul, „puteți crea diverse structuri, iar acest lucru creează un loc de joacă mare pentru a obține combinații bune de proprietăți, atât pentru temperaturi criogenice, cât și pentru cele ridicate.” spune Tasan.

Dar acea gamă largă de posibilități necesită, la rândul său, o modalitate de a ghida selecțiile pentru a produce un material care să răspundă nevoilor specifice ale unei anumite aplicații. Analiza și rezultatele experimentale descrise în noul studiu oferă această orientare.

Structura aliajelor de titan, până la scara atomică, le guvernează proprietățile, explică Tasan. Și în unele aliaje de titan, această structură este și mai complexă, alcătuită din două faze diferite amestecate, cunoscute sub numele de fazele alfa și beta.

„Strategia cheie în această abordare de proiectare este de a lua în considerare diferite scări”, spune el. „O scară este structura cristalului individual. De exemplu, alegând cu atenție elementele de aliere, puteți avea o structură cristalină mai ideală a fazei alfa, care permite anumite mecanisme de deformare. Cealaltă scară este scara policristală, care implică interacțiuni. a fazelor alfa și beta. Deci, abordarea care este urmată aici implică considerații de proiectare pentru ambele.

Pe lângă alegerea materialelor de aliere și proporțiile potrivite, pașii din procesare s-au dovedit a juca un rol important. O tehnică numită rulare încrucișată este o altă cheie pentru a obține combinația excepțională de rezistență și ductilitate, a descoperit echipa.

Lucrând împreună cu cercetătorii ATI, echipa a testat o varietate de aliaje sub un microscop electronic de scanare în timp ce acestea erau deformate, dezvăluind detalii despre modul în care microstructurile lor răspund la sarcina mecanică externă. Ei au descoperit că a existat un anumit set de parametri - de compoziție, proporții și metoda de procesare - care a condus la o structură în care fazele alfa și beta împărtășesc deformarea în mod uniform, atenuând tendința de fisurare care este probabil să apară între faze atunci când răspund. diferit. „Fazele se deformează în armonie”, spune Tasan. Acest răspuns cooperant la deformare poate produce un material superior, au descoperit ei.

„Ne-am uitat la structura materialului pentru a înțelege aceste două faze și morfologiile lor și ne-am uitat la chimiile lor efectuând analize chimice locale la scară atomică. Am adoptat o mare varietate de tehnici pentru a cuantifica diferitele proprietăți ale materialului de-a lungul scale de lungimi multiple, spune Tasan, care este profesor POSCO de Știința și Ingineria Materialelor și profesor asociat de metalurgie „Când ne uităm la proprietățile generale” ale aliajelor de titan produse în conformitate cu sistemul lor, „proprietățile sunt mult mai bune decât. aliaje comparabile”.

Aceasta a fost o cercetare academică susținută de industrie, menită să demonstreze principiile de proiectare pentru aliaje care pot fi produse comercial la scară, potrivit Tasan. „Ceea ce facem în această colaborare este într-adevăr spre o înțelegere fundamentală a plasticității cristalului”, spune el. „Arătăm că această strategie de proiectare este validată și arătăm științific cum funcționează”, adaugă el, menționând că rămâne loc semnificativ pentru îmbunătățiri suplimentare.

În ceea ce privește potențialele aplicații ale acestor descoperiri, el spune: „Pentru orice aplicație aerospațială în care o combinație îmbunătățită de rezistență și ductilitate este utilă, acest tip de invenție oferă noi oportunități”.

Lucrarea a fost susținută de ATI Specialty Rolled Products și a folosit facilitățile MIT Nano și Centrul pentru Sisteme la scară nanometrică de la Universitatea Harvard.