Titanlegeringar är viktiga strukturella material för ett brett utbud av applikationer, från flyg- och energiinfrastruktur till biomedicinska anordningar. Liksom med de flesta metaller innebär optimering av titanens prestanda ofta en avvägning mellan två viktiga egenskaper: styrka och duktilitet. Starkare material tenderar att vara mindre deformerbara, medan deformerbara material tenderar att vara mekaniskt svagare.
Nyligen upptäckte forskare vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) i samarbete med forskare vid ATI Special Materials ett sätt att skapa nya titanlegeringar. Denna metod kan producera nya titanlegeringar med en kombination av överlägsen styrka och duktilitet, vilket kan leda till nya tillämpningar. Upptäckten har publicerats i tidskriften Advanced Materials.
Teamet säger att förbättringarna härrör från att finjustera legeringens kemiska sammansättning och gitterstruktur, tillsammans med bearbetningstekniker. Titanlegeringar är till exempel viktiga på grund av deras utmärkta mekaniska egenskaper, korrosionsbeständighet och lättvikt jämfört med stål. De olika strukturerna som kan skapas genom noggrant urval av legeringselement och deras relativa proportioner, liksom hur materialet bearbetas, både vid låga och höga temperaturer, skapar ett enormt utrymme för att få en god kombination av egenskaper.
Valet av legeringselementproportioner måste styras av en metod för att producera material som uppfyller specifika applikationer och specifika behov. De analytiska och experimentella resultaten som beskrivs i denna studie ger en sådan metod.
Enligt forskarna är den viktigaste strategin för denna designmetod att överväga olika skalor. En skala är strukturen för en enda kristall. Till exempel, genom noggrant val av legeringselement, kan en mer optimal alfa-fas kristallstruktur erhållas, vilket möjliggör specifika deformationsmekanismer. Den andra skalan är den polykristallina skalan, som involverar interaktionen mellan - och -faserna. Således involverar den metod som följs här designöverväganden för båda.
Förutom att välja rätt legeringsmaterial och skala spelar bearbetningsstegen också en viktig roll. Forskarna fann att en teknik som kallas "tvärrullning" är nyckeln till att uppnå kombinationen av styrka och duktilitet. Olika deformerade legeringar testades under ett skanningselektronmikroskop, vilket avslöjade detaljer om hur deras mikrostruktur svarar på externa mekaniska belastningar. En specifik uppsättning av kompositions-, proportionella och bearbetningsmetodparametrar producerar en struktur där alfa- och beta-faserna delar deformationen enhetligt, vilket minskar tendensen till sprickbildning mellan faserna och fasharonisering av deformationen. Detta synergistiska svar på deformation kan producera överlägsna material.
Materialets struktur observeras förstå de två faserna och deras morfologi. Deras kemiska egenskaper observeras genom lokal kemisk analys på en atomisk skala. En mängd olika tekniker används för att kvantifiera de olika egenskaperna hos materialen med flera längdskalor. När man tittade på de totala egenskaperna hos titanlegeringar som producerades enligt deras system konstaterades att dessa egenskaper verkligen var mycket bättre.
Forskarna säger att detta är branschstödd akademisk forskning som syftar till att validera designprinciperna för kommersiellt tillgängliga legeringar. Syftet med samarbetet var att få en grundläggande förståelse för kristallernas plasticitet. Designstrategin visade sig vara effektiv och visade vetenskapligt hur det fungerar, men det finns fortfarande gott om utrymme för förbättringar.
