Naukowcy z MIT opracowali nowe podejście do tworzenia stopów tytanu, które przewyższają tradycyjne kompromisy między wytrzymałością a ciągliwością.
Dostosowując skład chemiczny, strukturę sieci i techniki przetwarzania, stworzyli materiały o ulepszonych właściwościach mechanicznych. Innowację tę można wykorzystać do produkcji metali o wyjątkowej kombinacji wytrzymałości i plastyczności do zastosowań w przemyśle lotniczym i innych.
Stopy tytanu są niezbędnymi materiałami konstrukcyjnymi do szerokiej gamy zastosowań, od infrastruktury lotniczej i energetycznej po sprzęt biomedyczny. Jednak podobnie jak w przypadku większości metali, optymalizacja ich właściwości zwykle wiąże się z kompromisem pomiędzy dwiema kluczowymi cechami: wytrzymałością i ciągliwością. Mocniejsze materiały są zwykle mniej odkształcalne, a materiały odkształcalne są zwykle słabe mechanicznie.
Przełom w badaniach nad stopami tytanu w MIT
Teraz naukowcy z MIT we współpracy z badaczami z ATI Specialty Materials odkryli podejście do tworzenia nowych stopów tytanu, które mogą przekroczyć ten historyczny kompromis, prowadząc do nowych stopów o wyjątkowych kombinacjach wytrzymałości i plastyczności, co może prowadzić do nowych zastosowań.
Odkrycia opisano w czasopiśmie Zaawansowane materiaływ 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 sieciowej stopjednocześnie dostosowując techniki przetwarzania stosowane do produkcji materiału na skalę przemysłową.
Nauka kryjąca się za nowymi stopami
Stopy tytanu odgrywają ważną rolę ze względu na ich wyjątkowe właściwości mechaniczne, odporność na korozję i niewielką wagę w porównaniu na przykład ze stalami. Poprzez staranny dobór pierwiastków stopowych i ich względnych proporcji, a także sposobu obróbki materiału, „można tworzyć różne różne struktury, co stwarza duże pole do popisu dla uzyskania dobrych kombinacji właściwości, zarówno dla temperatur kriogenicznych, jak i podwyższonych, – mówi Tasan.
Jednak tak duży asortyment możliwości wymaga z kolei sposobu kierowania wyborem, tak aby wyprodukować materiał spełniający specyficzne potrzeby konkretnego zastosowania. Analizy i wyniki eksperymentów opisane w nowym badaniu dostarczają takich wskazówek.
Struktury w skali atomowej w stopach tytanu
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. Drugą skalą jest skala polikrystaliczna, która obejmuje interakcje faz alfa i beta. Zastosowane tutaj podejście uwzględnia zatem kwestie projektowe w obu przypadkach”.
Walcowanie krzyżowe: kluczowa technika zapewniająca ulepszone właściwości
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 określony zestaw parametrów – skład, proporcje i metoda 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.
Przyszłe kierunki i zastosowania
„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 do ilościowego określenia różnych właściwości materiału w różnych skalach długości, mówi Tasan, profesor POSCO w dziedzinie nauki i inżynierii materiałowej oraz profesor nadzwyczajny metalurgii. „Kiedy spojrzymy na ogólne właściwości” stopów tytanu wytwarzanych zgodnie z ich systemem, „właściwości są naprawdę znacznie lepsze niż porównywalnych stopów”.
Według Tasana były to wspierane przez przemysł badania akademickie, których celem było sprawdzenie zasad projektowania stopów, które można produkować komercyjnie na dużą skalę. „To, co robimy w ramach tej współpracy, tak naprawdę zmierza w kierunku 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 każdym zastosowaniu lotniczym, w którym przydatne jest ulepszone połączenie wytrzymałości i plastyczności, tego rodzaju wynalazek zapewnia nowe możliwości”.
Odniesienie: „Odkrywanie skarbów piramidy: wieloskalowe projektowanie stopów tytanu o wysokiej wytrzymałości i ciągliwości”, Shaolou Wei, Kyung-Shik Kim, John Foltz i Cemal Cem Tasan, 6 czerwca 2024 r., Zaawansowane materiały.
DOI: 10.1002/adma.202406382
W pracach pomagała firma ATI Specialty Rolled Products i korzystano z obiektów MIT.nano oraz Center for Nanoscale Systems na Uniwersytecie Harvarda.
