Οι ερευνητές του MIT εντοπίζουν διαδρομές προς ισχυρότερα κράματα τιτανίου
Τα ευρήματα περιγράφονται στο περιοδικό Advanced Materials, σε μια εργασία από τον Shaolou Wei ScD '22, τον καθηγητή C. Cem Tasan, τον μεταδιδάκτορα Kyung-Shik Kim και τον John Foltz από την ATI Inc. Οι βελτιώσεις, λέει η ομάδα, προκύπτουν από την προσαρμογή του τη χημική σύνθεση και τη δομή του πλέγματος του κράματος, προσαρμόζοντας επίσης τις τεχνικές επεξεργασίας που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή του υλικού σε βιομηχανική κλίμακα.
Τα κράματα τιτανίου είναι σημαντικά λόγω των εξαιρετικών μηχανικών ιδιοτήτων, της αντοχής στη διάβρωση και του ελαφρού βάρους σε σύγκριση με τον χάλυβα. Μέσω προσεκτικής επιλογής των στοιχείων κράματος και των σχετικών αναλογιών τους και του τρόπου επεξεργασίας του υλικού, "μπορείτε να δημιουργήσετε διάφορες δομές και αυτό δημιουργεί μια μεγάλη παιδική χαρά για να έχετε καλούς συνδυασμούς ιδιοτήτων, τόσο για κρυογονικές όσο και για υψηλές θερμοκρασίες." λέει ο Τασάν.
Αλλά αυτή η μεγάλη ποικιλία δυνατοτήτων με τη σειρά της απαιτεί έναν τρόπο καθοδήγησης των επιλογών για την παραγωγή ενός υλικού που ανταποκρίνεται στις συγκεκριμένες ανάγκες μιας συγκεκριμένης εφαρμογής. Η ανάλυση και τα πειραματικά αποτελέσματα που περιγράφονται στη νέα μελέτη παρέχουν αυτή την καθοδήγηση.
Η δομή των κραμάτων τιτανίου, μέχρι την ατομική κλίμακα, διέπει τις ιδιότητές τους, εξηγεί ο Tasan. Και σε ορισμένα κράματα τιτανίου, αυτή η δομή είναι ακόμη πιο περίπλοκη, αποτελούμενη από δύο διαφορετικές αναμεμειγμένες φάσεις, γνωστές ως φάσεις άλφα και βήτα.
«Η βασική στρατηγική σε αυτή τη σχεδιαστική προσέγγιση είναι να ληφθούν υπόψη διαφορετικές κλίμακες», λέει. "Η μία κλίμακα είναι η δομή του μεμονωμένου κρυστάλλου. Για παράδειγμα, επιλέγοντας προσεκτικά τα στοιχεία κράματος, μπορείτε να έχετε μια πιο ιδανική κρυσταλλική δομή της άλφα φάσης που επιτρέπει συγκεκριμένους μηχανισμούς παραμόρφωσης. Η άλλη κλίμακα είναι η πολυκρυσταλλική κλίμακα, που περιλαμβάνει αλληλεπιδράσεις των φάσεων άλφα και βήτα, λοιπόν, η προσέγγιση που ακολουθείται εδώ περιλαμβάνει σχεδιαστικές εκτιμήσεις και για τις δύο.
Εκτός από την επιλογή των σωστών υλικών και αναλογιών κράματος, τα βήματα στην επεξεργασία αποδείχτηκαν ότι έπαιξαν σημαντικό ρόλο. Μια τεχνική που ονομάζεται cross-rolling είναι ένα άλλο κλειδί για την επίτευξη του εξαιρετικού συνδυασμού αντοχής και ολκιμότητας, διαπίστωσε η ομάδα.
Σε συνεργασία με ερευνητές της ATI, η ομάδα εξέτασε μια ποικιλία κραμάτων κάτω από ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης καθώς παραμορφώνονταν, αποκαλύπτοντας λεπτομέρειες για το πώς οι μικροδομές τους ανταποκρίνονται στο εξωτερικό μηχανικό φορτίο. Διαπίστωσαν ότι υπήρχε ένα συγκεκριμένο σύνολο παραμέτρων -σύνθεσης, αναλογιών και μεθόδου επεξεργασίας- που απέδωσε μια δομή όπου οι φάσεις άλφα και βήτα μοιράζονταν ομοιόμορφα την παραμόρφωση, μετριάζοντας την τάση ρωγμών που είναι πιθανό να συμβεί μεταξύ των φάσεων όταν αποκρίνονται διαφορετικά. «Οι φάσεις παραμορφώνονται σε αρμονία», λέει ο Tasan. Αυτή η συνεργατική αντίδραση στην παραμόρφωση μπορεί να αποφέρει ένα ανώτερο υλικό, βρήκαν.
"Εξετάσαμε τη δομή του υλικού για να κατανοήσουμε αυτές τις δύο φάσεις και τις μορφολογίες τους και εξετάσαμε τις χημικές τους χημικές αναλύσεις πραγματοποιώντας τοπική χημική ανάλυση σε ατομική κλίμακα. Υιοθετήσαμε μια μεγάλη ποικιλία τεχνικών για να ποσοτικοποιήσουμε τις διάφορες ιδιότητες του υλικού κατά μήκος ζυγαριές πολλαπλών μήκων, λέει ο Tasan, ο οποίος είναι καθηγητής POSCO Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών και αναπληρωτής καθηγητής μεταλλουργίας "Όταν εξετάζουμε τις συνολικές ιδιότητες". από τα κράματα τιτανίου που παράγονται σύμφωνα με το σύστημά τους, «οι ιδιότητες είναι πολύ καλύτερες από συγκρίσιμα κράματα».
Αυτή ήταν ακαδημαϊκή έρευνα που υποστηρίχθηκε από τη βιομηχανία με στόχο την απόδειξη αρχών σχεδιασμού για κράματα που μπορούν να παραχθούν εμπορικά σε κλίμακα, σύμφωνα με την Tasan. «Αυτό που κάνουμε σε αυτή τη συνεργασία είναι πραγματικά προς μια θεμελιώδη κατανόηση της κρυσταλλικής πλαστικότητας», λέει. «Δείχνουμε ότι αυτή η στρατηγική σχεδιασμού είναι επικυρωμένη και δείχνουμε επιστημονικά πώς λειτουργεί», προσθέτει, σημειώνοντας ότι υπάρχουν σημαντικά περιθώρια περαιτέρω βελτίωσης.
Όσον αφορά τις πιθανές εφαρμογές αυτών των ευρημάτων, λέει, «Για οποιαδήποτε αεροδιαστημική εφαρμογή όπου είναι χρήσιμος ένας βελτιωμένος συνδυασμός αντοχής και ολκιμότητας, αυτού του είδους η εφεύρεση παρέχει νέες ευκαιρίες».
Η εργασία υποστηρίχθηκε από την ATI Specialty Rolled Products και χρησιμοποιήθηκαν εγκαταστάσεις του MIT Nano και του Κέντρου Συστημάτων Νανοκλίμακας στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ.
