MIT-forskere identifiserer veier til sterkere titanlegeringer

Funnene er beskrevet i tidsskriftet Advanced Materials, i en artikkel av Shaolou Wei ScD '22, professor C. Cem Tasan, postdoc Kyung-Shik Kim og John Foltz fra ATI Inc. Forbedringene, sier teamet, kommer fra skreddersydd kjemisk sammensetning og gitterstrukturen til legeringen, samtidig som man justerer prosesseringsteknikkene som brukes for å produsere materialet i industriell skala.

Titanlegeringer har vært viktige på grunn av deres eksepsjonelle mekaniske egenskaper, korrosjonsmotstand og lette vekt sammenlignet med stål. Gjennom nøye utvalg av legeringselementene og deres relative proporsjoner, og måten materialet behandles på, "kan du lage ulike strukturer, og dette skaper en stor lekeplass for deg å få gode egenskapskombinasjoner, både for kryogene og høye temperaturer." sier Tasan.

Men det store utvalget av muligheter krever i sin tur en måte å veilede valgene for å produsere et materiale som oppfyller de spesifikke behovene til en bestemt applikasjon. Analysen og eksperimentelle resultatene beskrevet i den nye studien gir den veiledningen.

Strukturen til titanlegeringer, helt ned til atomskala, styrer egenskapene deres, forklarer Tasan. Og i noen titanlegeringer er denne strukturen enda mer kompleks, sammensatt av to forskjellige blandede faser, kjent som alfa- og betafasene.

"Nøkkelstrategien i denne designtilnærmingen er å ta hensyn til forskjellige skalaer," sier han. "En skala er strukturen til den enkelte krystall. For eksempel, ved å velge legeringselementene nøye, kan du få en mer ideell krystallstruktur av alfafasen som muliggjør spesielle deformasjonsmekanismer. Den andre skalaen er polykrystallskalaen, som involverer interaksjoner av alfa- og betafasene. Så tilnærmingen som følges her involverer designhensyn for begge."

I tillegg til å velge riktige legeringsmaterialer og proporsjoner, viste trinnene i behandlingen seg å spille en viktig rolle. En teknikk kalt kryssrulling er en annen nøkkel for å oppnå den eksepsjonelle kombinasjonen av styrke og duktilitet, fant teamet.

I samarbeid med ATI-forskere testet teamet en rekke legeringer under et skanningselektronmikroskop mens de ble deformert, og avslørte detaljer om hvordan mikrostrukturene deres reagerer på ekstern mekanisk belastning. De fant ut at det var et bestemt sett med parametere - av sammensetning, proporsjoner og prosesseringsmetode - som ga en struktur der alfa- og betafasene delte deformasjonen jevnt, noe som dempet oppsprekkingstendensen som sannsynligvis vil oppstå mellom fasene når de reagerer annerledes. "Fasene deformeres i harmoni," sier Tasan. Denne samarbeidsreaksjonen på deformasjon kan gi et overlegent materiale, fant de.

"Vi så på strukturen til materialet for å forstå disse to fasene og deres morfologier, og vi så på kjemiene deres ved å utføre lokal kjemisk analyse på atomskala. Vi tok i bruk en lang rekke teknikker for å kvantifisere ulike egenskaper til materialet på tvers av flere lengdeskalaer, sier Tasan, som er POSCO-professor i materialvitenskap og ingeniørfag og førsteamanuensis i metallurgi "Når vi ser på de generelle egenskapene" til titanlegeringene produsert i henhold til deres system, "er egenskapene mye bedre enn. sammenlignbare legeringer."

Dette var industristøttet akademisk forskning rettet mot å bevise designprinsipper for legeringer som kan produseres kommersielt i stor skala, ifølge Tasan. "Det vi gjør i dette samarbeidet er egentlig mot en grunnleggende forståelse av krystallplastisitet," sier han. "Vi viser at denne designstrategien er validert, og vi viser vitenskapelig hvordan den fungerer," legger han til, og bemerker at det fortsatt er betydelig rom for ytterligere forbedringer.

Når det gjelder potensielle anvendelser av disse funnene, sier han: "For enhver romfartsapplikasjon der en forbedret kombinasjon av styrke og duktilitet er nyttig, gir denne typen oppfinnelse nye muligheter."

Arbeidet ble støttet av ATI Specialty Rolled Products og brukte fasiliteter til MIT Nano og Center for Nanoscale Systems ved Harvard University.