محققان MIT مسیرهایی را برای رسیدن به آلیاژهای تیتانیوم قوی تر شناسایی کردند

این یافته ها در مجله Advanced Materials، در مقاله ای توسط Shaolou Wei ScD '22، پروفسور C. Cem Tasan، دکتر کیونگ-شیک کیم، و جان فولتز از ATI Inc توضیح داده شده است. ترکیب شیمیایی و ساختار شبکه آلیاژ، در حالی که تکنیک های پردازش مورد استفاده برای تولید مواد در مقیاس صنعتی را نیز تنظیم می کند.

آلیاژهای تیتانیوم به دلیل خواص مکانیکی استثنایی، مقاومت در برابر خوردگی و وزن سبک در مقایسه با فولاد از اهمیت بالایی برخوردار بوده اند. از طریق انتخاب دقیق عناصر آلیاژی و نسبت‌های نسبی آنها و نحوه پردازش مواد، "شما می‌توانید ساختارهای مختلفی ایجاد کنید، و این یک زمین بازی بزرگ را برای شما ایجاد می‌کند تا ترکیب‌های خوبی را برای شما ایجاد کند، هم برای دماهای برودتی و هم برای دمای بالا." تاسان می گوید.

اما این مجموعه بزرگ از امکانات به نوبه خود نیازمند راهی برای هدایت انتخاب ها برای تولید ماده ای است که نیازهای خاص یک برنامه خاص را برآورده می کند. تجزیه و تحلیل و نتایج تجربی توصیف شده در مطالعه جدید این راهنمایی را ارائه می دهد.

تاسان توضیح می‌دهد که ساختار آلیاژهای تیتانیوم، تا مقیاس اتمی، بر خواص آنها حاکم است. و در برخی از آلیاژهای تیتانیوم، این ساختار حتی پیچیده‌تر است و از دو فاز مختلف در هم آمیخته تشکیل شده است که به فازهای آلفا و بتا معروف هستند.

او می گوید: «استراتژی کلیدی در این رویکرد طراحی، در نظر گرفتن مقیاس های مختلف است. "یک مقیاس ساختار تک کریستال است. به عنوان مثال، با انتخاب دقیق عناصر آلیاژی، می توانید ساختار بلوری ایده آل تری از فاز آلفا داشته باشید که مکانیسم های تغییر شکل خاصی را فعال می کند. مقیاس دیگر مقیاس پلی کریستالی است که شامل فعل و انفعالات است. از فازهای آلفا و بتا بنابراین، رویکردی که در اینجا دنبال می‌شود شامل ملاحظات طراحی برای هر دو است.

علاوه بر انتخاب مواد آلیاژی و نسبت‌های مناسب، مراحل پردازش نقش مهمی ایفا کردند. به گفته این تیم، تکنیکی به نام کراس نورد کلید دیگری برای دستیابی به ترکیب استثنایی از استحکام و شکل‌پذیری است.

این تیم با همکاری محققان ATI، آلیاژهای مختلفی را تحت یک میکروسکوپ الکترونی روبشی در حین تغییر شکل آزمایش کردند و جزئیاتی از نحوه واکنش ریزساختار آنها به بار مکانیکی خارجی را آشکار کردند. آنها دریافتند که مجموعه خاصی از پارامترها - از ترکیب، نسبت ها، و روش پردازش - وجود دارد که ساختاری را ایجاد می کند که در آن فازهای آلفا و بتا تغییر شکل را به طور یکنواخت به اشتراک می گذارند و تمایل به ترک خوردگی را که احتمالاً بین فازها هنگام پاسخ دادن رخ می دهد کاهش می دهد. متفاوت تاسان می گوید: «فازها در هماهنگی تغییر شکل می دهند. آنها دریافتند که این پاسخ مشارکتی به تغییر شکل می تواند ماده ای برتر به دست دهد.

ما به ساختار ماده برای درک این دو فاز و مورفولوژی آنها نگاه کردیم و با انجام تجزیه و تحلیل شیمیایی محلی در مقیاس اتمی به مواد شیمیایی آنها نگاه کردیم. ما طیف گسترده ای از تکنیک ها را برای تعیین کمیت خواص مختلف مواد در سراسر جهان اتخاذ کردیم. تاسان که پروفسور علوم و مهندسی مواد POSCO و دانشیار متالورژی است، می گوید: «وقتی به خواص کلی آلیاژهای تیتانیوم تولید شده بر اساس سیستم آنها نگاه می کنیم، «خواص بسیار بهتر از این است. آلیاژهای قابل مقایسه."

به گزارش تاسان، این تحقیق دانشگاهی با حمایت صنعت با هدف اثبات اصول طراحی برای آلیاژهایی بود که می‌توانند در مقیاس تجاری تولید شوند. او می‌گوید: «کاری که ما در این همکاری انجام می‌دهیم، واقعاً در جهت درک اساسی از پلاستیک‌پذیری کریستال است. او می افزاید: «ما نشان می دهیم که این استراتژی طراحی اعتبار دارد و به صورت علمی نشان می دهیم که چگونه کار می کند.

در مورد کاربردهای بالقوه این یافته‌ها، او می‌گوید: "برای هر کاربرد هوافضایی که در آن ترکیب بهبودیافته استحکام و شکل‌پذیری مفید است، این نوع اختراع فرصت‌های جدیدی را فراهم می‌کند."

این کار توسط ATI Specialty Rolled Products پشتیبانی شد و از امکانات MIT Nano و مرکز سیستم‌های مقیاس نانو در دانشگاه هاروارد استفاده شد.