MIT科学家发现制造高性能钛合金的新方法

一种有着较广使用范围的关键结构材料是它, 是チタン, 其应用的领域涵盖航空航天, 以及能源基础设施, 接着还有生物医学设备等。

如同其他多数金属那般, 对其性能予以优化, 常常得在两个关键特性间权衡: 强度、与之对应延展性。于很大程度而言, 这两者很难同时兼顾, 材料强度更强, 往往不易产生形变, 材料若能变形, 其机械性能通常较弱。

近期, 麻省理工学院有研究人员, ATI特种材料公司也有研发人员, 双方联合起来, 开发出了一种制造钛合金的新方法, 这种新方法能“超越艰难的权衡”, 进而可以生产出新型合金, 该新型合金兼具优异的强度以及延展性, 而这一情况可能会催生更多新的应用。

当前, 此项研究得出的成果, 已经凭借“ : Multi-Scale of High – ”（该标题为发现金字塔宝藏: 高强延展性钛合金的多尺度设计）作为题目, 发表在了 之上。

该研究团体宣称, 这些改良源自把合金的化学成分予以调整, 以及将晶格结构加以调整, 并且还对用于在工业规模制造材料的加工技术进行了调整。

因相较于钢而言其具备优异的机械性能、耐腐蚀性以及较小的密度这个缘由, 所以钛合金在工业里的分量举足轻重。这篇论文的通讯作者、麻省理工学院材料科学与工程系教授Cemal Cem Tasan讲, “借助仔细选用合金元素及其相对比例以及材料的加工方式, 你能够创造出各类不同的结构, 这就好比为你开拓了一个大游乐场, 不管是在低温条件下还是高温条件下都可以获取良好的性能组合。”。

但存在着形形色色、林林总总的可能性, 而这些可能性反过来又需求具备一种方法, 用以指导选择。并且其目的是为了生产能够满足特定应用、特定需求的材料的这项研究中所记述的分析, 以及相关实施的实验而得出的结果, 给出了这一具有指引作用的指导。

关于性能由什么所决定, 答案是钛合金的原子尺度的完整结构, 在某些钛合金之中结构又极具复杂性, 乃是特别设计由 α 相及 β 相两种不同混合相所构筑组合而成的, Cemal Cem Tasan以解说方式表示。

对这种设计方法而言, 关键策略是要去考量不一样的规模, 其中一个尺度是单个晶体的结构, 具体来说, 像是借助精心挑选合金元素这一方式, 能够获取更为理想的α相晶体结构, 进而达成特定的变形机制, 还有另一种尺度是多晶尺度, 此跨度涉及α相和β相间的相互作用, 所以, 在此遵循的方法涵盖了针对两者的设计考虑。他如此表明。

除去挑选正确的合金材料以及比例之外, 加工步骤同样起着重要的作用, 该研究团队发觉, 一种称作“交叉轧制”的技术是达成强度与延展性相结合的另外一个关键。

麻省理工学院团队, 会同ATI特种材料公司的研究人员, 一同展开了合作, 他们针对各种变形的合金, 于扫描电子显微镜下进行了测试, 进而将它们微观结构对外部机械载荷响应的细节揭示了出来。

他们发觉, 存在一组特定参数, 这组参数涵盖成分、比例、加工方法等, 产生了一种结构, 该结构是α相和β相均匀分担变形的, 借此缓解了开裂趋势, 此开裂趋势是当它们反应不同时相之间可能会发生的。

Cemal Cem Tasan说, 这些相位有一种“和谐”的变形情况, 我们发觉这样一种对于变形而出现的协同反应能够造就出性能更为优越的材料。

对于材料的结构, 我们加以研究, 目的在于了解那两个相以及它们的形态, 并且借助在原子尺度上开展局部化学分析, 以此来研究它们的化学性质。我们运用了多种技术, 用以量化材料在多个长度尺度上的各类特性。当我们观察依据系统生产出来的钛合金的整体性能之际, 这些性能确实比同类合金要好很多。他补充说道。

Cemal Cem Tasan觉得, 这属于行业予以支持的学术研究, 其目的在于证实能够进行大规模商业化生产的合金的设计原理。他还说, “实际上, 我们于此次合作里所开展的工作是为了从根本上去理解晶体的可塑性, 我们证实了这种设计策略是经过验证的, 而且我们科学地展现了它的工作原理与机制。当然, 对于这种方法而言我们还有很大的改进空间。”。

对于这些发现所拥有的潜在应用, 他讲道, “针对任何一种航空航天应用来讲，只要这种应用是需要提升强度以及延展性这二者的组合情况, 那么我们所做的这项研究便都给出了新的机会。” 其中所涉及的地点为（麻省）。