Istraživači MIT-a identificiraju rute do jačih legura titana

Nalazi su opisani u časopisu Advanced Materials, u radu Shaolou Wei ScD '22, profesora C. Cema Tasana, postdoktoranada Kyung-Shika Kima i Johna Foltza iz ATI Inc. Poboljšanja, kaže tim, proizlaze iz prilagođavanja kemijski sastav i rešetkastu strukturu legure, dok se također prilagođavaju tehnike obrade koje se koriste za proizvodnju materijala u industrijskim razmjerima.

Legure titana važne su zbog svojih iznimnih mehaničkih svojstava, otpornosti na koroziju i male težine u usporedbi s čelikom. Pažljivim odabirom legirajućih elemenata i njihovih relativnih omjera te načina na koji se materijal obrađuje, "možete stvoriti različite strukture, a to stvara veliko igralište za dobivanje dobrih kombinacija svojstava, i za kriogene i za povišene temperature," Tasan kaže.

Ali taj veliki izbor mogućnosti zauzvrat zahtijeva način usmjeravanja odabira za proizvodnju materijala koji zadovoljava specifične potrebe određene primjene. Analiza i eksperimentalni rezultati opisani u novoj studiji daju te smjernice.

Struktura legura titana, sve do atomske ljestvice, upravlja njihovim svojstvima, objašnjava Tasan. A u nekim legurama titana ova je struktura još složenija, sastoji se od dviju različitih međusobno pomiješanih faza, poznatih kao alfa i beta faza.

"Ključna strategija u ovom pristupu dizajnu je uzeti u obzir različite razmjere", kaže on. "Jedna skala je struktura pojedinačnog kristala. Na primjer, pažljivim odabirom legirajućih elemenata, možete imati idealniju kristalnu strukturu alfa faze koja omogućuje određene mehanizme deformacije. Druga skala je polikristalna skala, koja uključuje interakcije alfa i beta faza, dakle, pristup koji se ovdje primjenjuje uključuje razmatranje dizajna za obje."

Osim odabira pravih materijala za legiranje i omjera, pokazalo se da su koraci u obradi igrali važnu ulogu. Tim je otkrio da je tehnika zvana unakrsno valjanje još jedan ključ za postizanje iznimne kombinacije čvrstoće i rastegljivosti.

Radeći zajedno s ATI istraživačima, tim je testirao razne legure pod skenirajućim elektronskim mikroskopom dok su se deformirale, otkrivajući detalje o tome kako njihove mikrostrukture reagiraju na vanjska mehanička opterećenja. Otkrili su da postoji određeni skup parametara - sastava, proporcija i metode obrade - koji je dao strukturu u kojoj alfa i beta faza ravnomjerno dijele deformaciju, ublažavajući tendenciju pucanja koja će se vjerojatno pojaviti između faza kada reagiraju različito. "Faze se deformiraju u skladu", kaže Tasan. Ova kooperativna reakcija na deformaciju može dati vrhunski materijal, otkrili su.

"Promatrali smo strukturu materijala kako bismo razumjeli ove dvije faze i njihovu morfologiju, a promatrali smo i njihove kemije provodeći lokalnu kemijsku analizu na atomskoj razini. Usvojili smo široku paletu tehnika za kvantificiranje različitih svojstava materijala diljem višestruke ljestvice duljine, kaže Tasan, koji je profesor znanosti o materijalima i inženjerstva POSCO-a i izvanredni profesor metalurgije "Kada pogledamo ukupna svojstva" legura titana proizvedenih prema njihovom sustavu, "svojstva su mnogo bolja od usporedive legure."

To je bilo akademsko istraživanje koje je poduprla industrija s ciljem dokazivanja načela dizajna za legure koje se mogu komercijalno proizvoditi u velikom obimu, prema Tasanu. "Ono što radimo u ovoj suradnji zapravo je prema temeljnom razumijevanju kristalne plastičnosti", kaže on. "Pokazujemo da je ova strategija dizajna potvrđena i pokazujemo znanstveno kako funkcionira", dodaje, napominjući da ostaje značajan prostor za daljnja poboljšanja.

Što se tiče potencijalnih primjena ovih otkrića, on kaže: "Za svaku primjenu u zrakoplovstvu gdje je korisna poboljšana kombinacija čvrstoće i duktilnosti, ova vrsta izuma pruža nove mogućnosti."

Rad je podržan od strane ATI Specialty Rolled Products i korištenih objekata MIT Nano i Centra za nanosne sustave na Sveučilištu Harvard.