Titanlegeringer er viktige strukturelle materialer for et bredt spekter av applikasjoner, fra luftfarts- og energiinfrastruktur til biomedisinske enheter. Som med de fleste metaller, innebærer optimalisering av Titaniums ytelse ofte en avveining mellom to viktige egenskaper: styrke og duktilitet. Sterkere materialer har en tendens til å være mindre deformerbare, mens deformerbare materialer har en tendens til å være mekanisk svakere.
Nylig oppdaget forskere ved Massachusetts Institute of Technology (MIT), i samarbeid med forskere ved ATI spesialitetsmateriell, en måte å lage nye titanlegeringer. Denne metoden kan produsere nye titanlegeringer med en kombinasjon av overlegen styrke og duktilitet, noe som kan føre til nye applikasjoner. Oppdagelsen er publisert i tidsskriftet Advanced Materials.
Teamet sier at forbedringene stammer fra å finjustere den kjemiske sammensetningen og gitterstrukturen til legeringen, sammen med prosesseringsteknikker. Titanlegeringer er for eksempel viktig på grunn av deres utmerkede mekaniske egenskaper, korrosjonsmotstand og lett vekt sammenlignet med stål. Ulike strukturer som kan skapes ved nøye valg av legeringselementer og deres relative proporsjoner, så vel som måten materialet behandles, både ved lave og høye temperaturer, skaper et stort omfang for å oppnå en god kombinasjon av egenskaper.
Valget av legeringselementforhold må styres av en metodikk for å produsere materialer som oppfyller spesifikke applikasjoner og spesifikke behov. De analytiske og eksperimentelle resultatene beskrevet i denne studien gir en slik tilnærming.
I følge forskerne er nøkkelstrategien for denne designtilnærmingen å vurdere forskjellige skalaer. En skala er strukturen til en enkelt krystall. For eksempel, ved nøye valg av legeringselementer, kan en mer optimal alfa-fase krystallstruktur oppnås, noe som muliggjør spesifikke deformasjonsmekanismer. Den andre skalaen er den polykrystallinske skalaen, som involverer interaksjonen mellom - og -fasene. Dermed involverer tilnærmingen fulgt her designhensyn for begge.
I tillegg til å velge riktig legeringsmateriale og skala, spiller behandlingstrinnene også en viktig rolle. Forskerne fant at en teknikk som kalles "kryssrulling" er nøkkelen til å oppnå kombinasjonen av styrke og duktilitet. Ulike deformerte legeringer ble testet under et skanningselektronmikroskop, og avslørte detaljer om hvordan mikrostrukturen deres reagerer på eksterne mekaniske belastninger. Et spesifikt sett med komposisjons-, proporsjonal- og prosesseringsmetodeparametere produserer en struktur der alfa- og betafasene deler deformasjonen jevnt, reduserer tendensen til at sprekking skal oppstå mellom fasene og fase-harmonisere deformasjonen. Denne synergistiske responsen på deformasjon kan gi overlegne materialer.
Strukturen til materialet observeres å forstå de to fasene og deres morfologi. Deres kjemiske egenskaper blir observert gjennom lokalisert kjemisk analyse på en atomskala. Det brukes en rekke teknikker for å kvantifisere de forskjellige egenskapene til materialene i flere lengder. Når man ser på de samlede egenskapene til titanlegeringer produsert i henhold til systemet deres, ble det funnet at disse egenskapene faktisk var mye bedre.
Forskerne sier at dette er bransjestøttet akademisk forskning som tar sikte på å validere designprinsippene for kommersielt tilgjengelige legeringer. Målet med samarbeidet var å få en grunnleggende forståelse av plastisiteten til krystaller. Designstrategien viste seg å være effektiv og vitenskapelig demonstrere hvordan den fungerer, men det er fremdeles god rom for forbedring.
