MIT-onderzoekers identificeren routes naar sterkere titaniumlegeringen

De bevindingen worden beschreven in het tijdschrift Advanced Materials, in een artikel van Shaolou Wei ScD '22, professor C. Cem Tasan, postdoc Kyung-Shik Kim, en John Foltz van ATI Inc. De verbeteringen komen volgens het team voort uit het afstemmen van de chemische samenstelling en de roosterstructuur van de legering, terwijl ook de verwerkingstechnieken worden aangepast die worden gebruikt om het materiaal op industriële schaal te produceren.

Titaniumlegeringen zijn belangrijk geweest vanwege hun uitzonderlijke mechanische eigenschappen, corrosieweerstand en lichtgewicht vergeleken met staal. Door zorgvuldige selectie van de legeringselementen en hun relatieve verhoudingen, en van de manier waarop het materiaal wordt verwerkt, "kun je verschillende structuren creëren, en dit creëert een grote speeltuin voor je om goede eigenschappencombinaties te krijgen, zowel voor cryogene als verhoogde temperaturen." zegt Tasan.

Maar dat grote assortiment aan mogelijkheden vereist op zijn beurt een manier om de selecties te begeleiden om een ​​materiaal te produceren dat voldoet aan de specifieke behoeften van een bepaalde toepassing. De analyse en experimentele resultaten die in de nieuwe studie worden beschreven, bieden die leidraad.

De structuur van titaniumlegeringen, tot op atomaire schaal, bepaalt hun eigenschappen, legt Tasan uit. En bij sommige titaniumlegeringen is deze structuur zelfs nog complexer, bestaande uit twee verschillende onderling gemengde fasen, bekend als de alfa- en bètafase.

"De belangrijkste strategie in deze ontwerpaanpak is om rekening te houden met verschillende schaalniveaus", zegt hij. "Eén schaal is de structuur van het individuele kristal. Door bijvoorbeeld de legeringselementen zorgvuldig te kiezen, kun je een idealere kristalstructuur van de alfafase krijgen die bepaalde vervormingsmechanismen mogelijk maakt. De andere schaal is de polykristallijne schaal, die interacties met zich meebrengt. van de alfa- en bètafase. De aanpak die hier wordt gevolgd, omvat dus ontwerpoverwegingen voor beide.'

Naast het kiezen van de juiste legeringsmaterialen en verhoudingen bleken stappen in de verwerking een belangrijke rol te spelen. Een techniek genaamd cross-rolling is een andere sleutel tot het bereiken van de uitzonderlijke combinatie van sterkte en ductiliteit, ontdekte het team.

In samenwerking met ATI-onderzoekers testte het team een ​​verscheidenheid aan legeringen onder een scanning-elektronenmicroscoop terwijl ze werden vervormd, waarbij details werden onthuld over hoe hun microstructuren reageren op externe mechanische belasting. Ze ontdekten dat er een bepaalde reeks parameters was – samenstelling, verhoudingen en verwerkingsmethode – die een structuur opleverden waarbij de alfa- en bètafasen de vervorming uniform deelden, waardoor de neiging tot barsten werd verzacht die waarschijnlijk zal optreden tussen de fasen wanneer ze reageren. anders. "De fasen vervormen in harmonie", zegt Tasan. Deze coöperatieve reactie op vervorming kan een superieur materiaal opleveren, ontdekten ze.

"We keken naar de structuur van het materiaal om deze twee fasen en hun morfologieën te begrijpen, en we keken naar hun chemie door lokale chemische analyses op atomaire schaal uit te voeren. We gebruikten een grote verscheidenheid aan technieken om verschillende eigenschappen van het materiaal over de hele wereld te kwantificeren. meerdere lengteschalen, zegt Tasan, POSCO-hoogleraar Materials Science and Engineering en universitair hoofddocent metallurgie. "Als we kijken naar de algemene eigenschappen" van de titaniumlegeringen die volgens hun systeem worden geproduceerd, "zijn de eigenschappen veel beter dan vergelijkbaar legeringen."

Volgens Tasan was dit door de industrie ondersteund academisch onderzoek gericht op het bewijzen van ontwerpprincipes voor legeringen die op grote schaal commercieel kunnen worden geproduceerd. "Wat we in deze samenwerking doen, is eigenlijk gericht op een fundamenteel begrip van de plasticiteit van kristallen", zegt hij. "We laten zien dat deze ontwerpstrategie gevalideerd is, en we laten wetenschappelijk zien hoe het werkt", voegt hij eraan toe, waarbij hij opmerkt dat er nog steeds aanzienlijke ruimte is voor verdere verbetering.

Over mogelijke toepassingen van deze bevindingen zegt hij: "Voor elke lucht- en ruimtevaarttoepassing waarbij een verbeterde combinatie van sterkte en ductiliteit nuttig is, biedt dit soort uitvinding nieuwe kansen."

Het werk werd ondersteund door ATI Specialty Rolled Products en gebruikte faciliteiten van MIT Nano en het Center for Nanoscale Systems aan de Harvard University.