Naukowcy z MIT identyfikują sposoby uzyskania mocniejszych stopów tytanu

Odkrycia opisano w czasopiśmie Advanced Materials w artykule Shaolou Wei ScD '22, profesora C. Cem Tasana, postdoc Kyung-Shik Kima i Johna Foltza z ATI Inc. Zespół twierdzi, że ulepszenia wynikają z dostosowania składu chemicznego i struktury siatkowej stopu, przy jednoczesnym dostosowaniu technik przetwarzania stosowanych do produkcji materiału na skalę przemysłową.

Stopy tytanu są ważne ze względu na ich wyjątkowe właściwości mechaniczne, odporność na korozję i lekkość w porównaniu ze stalą. Poprzez staranny dobór pierwiastków stopowych i ich względnych proporcji, a także sposobu obróbki materiału, „można tworzyć różne struktury, co stwarza duże pole do popisu dla uzyskania dobrych kombinacji właściwości, zarówno w temperaturach kriogenicznych, jak i podwyższonych”, – mówi Tasan.

Jednak tak duży asortyment możliwości wymaga z kolei sposobu kierowania wyborem, aby wyprodukować materiał spełniający specyficzne potrzeby konkretnego zastosowania. Analizy i wyniki eksperymentów opisane w nowym badaniu dostarczają takich wskazówek.

Struktura stopów tytanu, aż do skali atomowej, reguluje ich właściwości, wyjaśnia Tasan. W przypadku niektórych stopów tytanu struktura ta jest jeszcze bardziej złożona i składa się z dwóch różnych zmieszanych faz, znanych jako fazy alfa i beta.

„Kluczową strategią w tym podejściu do projektowania jest uwzględnienie różnych skal” – mówi. „Jedna skala to struktura pojedynczego kryształu. Na przykład, starannie dobierając pierwiastki stopowe, można uzyskać bardziej idealną strukturę krystaliczną fazy alfa, która umożliwia określone mechanizmy odkształcenia. Druga skala to skala polikrystaliczna, która obejmuje interakcje fazy alfa i beta, zatem zastosowane tutaj podejście obejmuje rozważania projektowe w obu przypadkach.

Oprócz doboru odpowiednich materiałów stopowych i proporcji, ważną rolę okazały się etapy obróbki. Zespół odkrył, że kolejnym kluczem do osiągnięcia wyjątkowego połączenia wytrzymałości i plastyczności jest technika zwana walcowaniem poprzecznym.

Współpracując z naukowcami z ATI, zespół przetestował różne stopy pod skaningowym mikroskopem elektronowym w trakcie ich odkształcania, ujawniając szczegóły reakcji ich mikrostruktur na zewnętrzne obciążenie mechaniczne. Odkryli, że istnieje szczególny zestaw parametrów – składu, proporcji i metody przetwarzania – pozwalający uzyskać strukturę, w której fazy alfa i beta równomiernie poddają się odkształceniu, łagodząc tendencję do pękania, która prawdopodobnie wystąpi pomiędzy fazami, gdy reagują różnie. „Fazy odkształcają się harmonijnie” – mówi Tasan. Odkryli, że ta wspólna reakcja na odkształcenie może skutkować powstaniem lepszego materiału.

„Przyjrzeliśmy się strukturze materiału, aby zrozumieć te dwie fazy i ich morfologię, a także przyjrzeliśmy się ich składowi chemicznemu, przeprowadzając lokalną analizę chemiczną w skali atomowej. Przyjęliśmy szeroką gamę technik w celu ilościowego określenia różnych właściwości materiału w całej wielu skalach długości, mówi Tasan, profesor nauk o materiałach i inżynierii POSCO oraz profesor nadzwyczajny metalurgii. „Kiedy przyjrzymy się ogólnym właściwościom” stopów tytanu wytwarzanych zgodnie z ich systemem, „właściwości są znacznie lepsze niż porównywalnych stopów.”

Według Tasana były to wspierane przez przemysł badania akademickie, których celem było sprawdzenie zasad projektowania stopów, które można produkować na skalę komercyjną na dużą skalę. „To, co robimy w ramach tej współpracy, tak naprawdę zmierza w stronę fundamentalnego zrozumienia plastyczności kryształów” – mówi. „Pokazujemy, że ta strategia projektowania została sprawdzona i pokazujemy naukowo, jak ona działa” – dodaje, zauważając, że pozostaje jeszcze wiele do zrobienia.

Jeśli chodzi o potencjalne zastosowania tych odkryć, mówi: „W przypadku każdego zastosowania w lotnictwie i kosmonautyce, gdzie przydatne jest ulepszone połączenie wytrzymałości i plastyczności, ten rodzaj wynalazku zapewnia nowe możliwości”.

W pracach wspierała firma ATI Specialty Rolled Products i korzystała z obiektów MIT Nano oraz Center for Nanoscale Systems na Uniwersytecie Harvarda.