Дослідники Массачусетського технологічного інституту визначають шляхи отримання більш міцних титанових сплавів

Висновки описані в журналі Advanced Materials у статті Шаолоу Вей ScD '22, професора C. Cem Tasan, постдока Кюнг-Шік Кіма та Джона Фольца з ATI Inc. Покращення, за словами команди, виникли в результаті адаптації хімічний склад і структуру решітки сплаву, а також коригування технологій обробки, що використовуються для виробництва матеріалу в промислових масштабах.

Титанові сплави важливі завдяки своїм винятковим механічним властивостям, стійкості до корозії та легкості порівняно зі сталлю. Завдяки ретельному вибору легуючих елементів і їх відносних пропорцій, а також способу обробки матеріалу «ви можете створювати різні структури, і це створює великий майданчик для отримання хороших комбінацій властивостей як для кріогенних, так і для підвищених температур». Тасан каже.

Але цей великий асортимент можливостей, у свою чергу, вимагає способу керувати вибором для виробництва матеріалу, який відповідає конкретним потребам конкретного застосування. Результати аналізу та експериментів, описані в новому дослідженні, забезпечують це керівництво.

Структура титанових сплавів, аж до атомного масштабу, визначає їхні властивості, пояснює Тасан. А в деяких титанових сплавах ця структура ще складніша, складається з двох різних змішаних фаз, відомих як альфа- та бета-фази.

«Ключова стратегія цього підходу до проектування полягає в тому, щоб враховувати різні масштаби», — каже він. «Одна шкала — це структура окремого кристала. Наприклад, ретельно вибираючи легуючі елементи, ви можете отримати більш ідеальну кристалічну структуру альфа-фази, яка забезпечує певні механізми деформації. Інша шкала — полікристалічна шкала, яка включає взаємодії альфа- та бета-фаз. Таким чином, підхід, який тут дотримується, передбачає конструкцію обох».

Крім вибору правильних легуючих матеріалів і пропорцій, важливу роль відіграють етапи обробки. Команда виявила, що техніка, яка називається поперечним прокатуванням, є ще одним ключем до досягнення виняткової комбінації міцності та пластичності.

Працюючи разом із дослідниками ATI, команда перевірила різноманітні сплави під скануючим електронним мікроскопом під час їх деформації, виявивши деталі того, як їхні мікроструктури реагують на зовнішнє механічне навантаження. Вони виявили, що існує певний набір параметрів - складу, пропорцій і методу обробки - який дає структуру, в якій альфа- і бета-фази рівномірно розподіляють деформацію, пом’якшуючи тенденцію до розтріскування, яка може виникнути між фазами, коли вони реагують. інакше. «Фази деформуються в гармонії», — каже Тасан. Вони виявили, що ця спільна реакція на деформацію може дати чудовий матеріал.

«Ми розглянули структуру матеріалу, щоб зрозуміти ці дві фази та їх морфологію, і ми розглянули їх хімічні властивості, виконавши локальний хімічний аналіз в атомному масштабі. Ми застосували широкий спектр методів для кількісної оцінки різних властивостей матеріалу через кілька масштабів довжини, - каже Тасан, який є професором матеріалознавства та інженерії POSCO та доцентом металургії властивості" титанових сплавів, виготовлених відповідно до їхньої системи, "властивості набагато кращі, ніж у порівнянних сплавів".

За словами Тасана, це було підтримуване галуззю академічне дослідження, спрямоване на підтвердження принципів проектування сплавів, які можна комерційно виробляти в масштабах. «Те, що ми робимо в рамках цієї співпраці, насправді спрямоване на фундаментальне розуміння кристалічної пластичності», — каже він. «Ми показуємо, що ця стратегія дизайну підтверджена, і показуємо науково, як вона працює», — додає він, зазначивши, що залишається значний простір для подальшого вдосконалення.

Щодо можливих застосувань цих знахідок, він каже: «Для будь-якого аерокосмічного застосування, де є корисним покращене поєднання міцності та пластичності, цей вид винаходу відкриває нові можливості».

Робота була підтримана ATI Specialty Rolled Products і використано обладнання MIT Nano і Центру нанорозмірних систем Гарвардського університету.