Titaniumlegeringer er vigtige strukturelle materialer til en lang række anvendelser, fra luftfart og energiinfrastruktur til biomedicinske enheder. Som med de fleste metaller involverer optimering af Titaniums ydeevne ofte en afvejning mellem to nøgleegenskaber: styrke og duktilitet. Stærkere materialer har en tendens til at være mindre deformerbare, mens deformerbare materialer har en tendens til at være mekanisk svagere.
For nylig opdagede forskere ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) i samarbejde med forskere ved ATI Specialitetsmaterialer en måde at skabe nye titanlegeringer på. Denne metode kunne producere nye titanlegeringer med en kombination af overlegen styrke og duktilitet, hvilket kan føre til nye applikationer. Opdagelsen er blevet offentliggjort i tidsskriftet Advanced Materials.
Holdet siger, at forbedringerne stammer fra at finpusse den kemiske sammensætning og gitterstruktur for legeringen sammen med behandlingsteknikker. Titaniumlegeringer er for eksempel vigtige på grund af deres fremragende mekaniske egenskaber, korrosionsbestandighed og let vægt sammenlignet med stål. Mangfoldigheden af strukturer, der kan skabes ved omhyggelig valg af legeringselementer og deres relative proportioner, såvel som den måde, hvorpå materialet behandles, både ved lave og høje temperaturer, skaber et enormt omfang til opnåelse af en god kombination af egenskaber.
Valget af legeringselementproportioner skal styres af en metode for at fremstille materialer, der imødekommer specifikke applikationer og specifikke behov. De analytiske og eksperimentelle resultater, der er beskrevet i denne undersøgelse, giver en sådan tilgang.
Ifølge forskerne er den vigtigste strategi for denne designtilgang at overveje forskellige skalaer. En skala er strukturen i en enkelt krystal. For eksempel ved omhyggelig valg af legeringselementer kan der opnås en mere optimal alfa-fase-krystalstruktur, hvilket muliggør specifikke deformationsmekanismer. Den anden skala er den polykrystallinske skala, der involverer interaktion mellem - og -faserne. Således involverer fremgangsmåden, der fulgte her, designovervejelser for begge.
Ud over at vælge det rigtige legeringsmateriale og skala spiller behandlingstrinnene også en vigtig rolle. Forskerne fandt, at en teknik kaldet "krydsrulling" er nøglen til at opnå kombinationen af styrke og duktilitet. Forskellige deformerede legeringer blev testet under et scanningselektronmikroskop, hvilket afslørede detaljer om, hvordan deres mikrostruktur reagerer på eksterne mekaniske belastninger. Et specifikt sæt sammensætnings-, proportional- og behandlingsmetodeparametre producerer en struktur, hvor alfa- og beta-faserne deler deformation ensartet, hvilket reducerer tendensen til, at revner kan forekomme mellem faserne og fase-harmonisering af deformationen. Denne synergistiske respons på deformation kan producere overlegne materialer.
Materialets struktur observeres at forstå de to faser og deres morfologi. Deres kemiske egenskaber observeres gennem lokaliseret kemisk analyse i atomskala. Der anvendes en række teknikker til at kvantificere de forskellige egenskaber ved materialerne i flere længdeskalaer. Når man kiggede på de samlede egenskaber ved titanlegeringer produceret i henhold til deres system, blev det konstateret, at disse egenskaber faktisk var meget bedre.
Forskerne siger, at dette er branchestøttet akademisk forskning, der sigter mod at validere designprincipperne for kommercielt tilgængelige legeringer. Formålet med samarbejdet var at få en grundlæggende forståelse af krystallernes plasticitet. Designstrategien viste sig at være effektiv og videnskabeligt demonstrere, hvordan den fungerer, men der er stadig masser af plads til forbedring.
