Legure titanijuma su osnovni strukturni materijali za širok spektar primena, od vazduhoplovne i energetske infrastrukture do biomedicinske opreme. Ali kao i većina metala, optimizacija njihovih svojstava obično uključuje kompromis između dve ključne karakteristike: čvrstoće i duktilnosti. Jači materijali imaju tendenciju da se manje deformišu, a deformabilni materijali imaju tendenciju da budu mehanički slabi.
Sada, istraživači sa MIT-a, u saradnji sa istraživačima iz ATI Specialty Materials, otkrili su pristup za stvaranje novih legura titanijuma koji mogu da prevaziđu ovaj istorijski kompromis, što dovodi do novih legura sa izuzetnim kombinacijama čvrstoće i duktilnosti, što bi moglo dovesti do novih primena.
Nalazi su opisani u časopisu Napredni materijali, u radu Shaolou Vei ScD, profesora C. Cem Tasana, postdoktora Kiung-Shik Kim, i Johna Foltza iz ATI Inc. Tim kaže da poboljšanja proizilaze iz prilagođavanja hemijskog sastava i rešetkastom strukturom legure, uz prilagođavanje tehnika obrade koje se koriste za proizvodnju materijala u industrijskoj skali.
Legure titanijuma su važne zbog svojih izuzetnih mehaničkih svojstava, otpornosti na koroziju i male težine u poređenju sa, na primer, čelikom. Pažljivim odabirom legirajućih elemenata i njihovih relativnih proporcija, kao i načina obrade materijala.
„Možete kreirati različite različite strukture, a ovo stvara veliko igralište za vas da dobijete dobre kombinacije svojstava, kako za kriogene tako i za povišene temperature“, kaže Tasan.
Ali taj veliki izbor mogućnosti zauzvrat zahteva način na koji se vodi izbor kako bi se proizveo materijal koji zadovoljava specifične potrebe određene primene. Analiza i eksperimentalni rezultati opisani u novoj studiji daju te smernice.
Struktura legura titanijuma, sve do atomske skale, upravlja njihovim svojstvima, objašnjava Tasan. A u nekim legurama titanijuma, ova struktura je još složenija, sastavljena od dve različite međusobno pomešane faze, poznate kao alfa i beta faze.
„Ključna strategija u ovom pristupu dizajnu je uzimanje u obzir različitih razmera“, kaže on. „Jedna skala je struktura pojedinačnog kristala. Na primer, pažljivim odabirom legirajućih elemenata, možete imati idealniju kristalnu strukturu alfa faze koja omogućava određene mehanizme deformacije. Druga skala je polikristalna skala, koja uključuje interakcije alfa i beta faza Dakle, pristup koji se ovde prati uključuje razmatranje dizajna za obe.
Pored izbora pravih legirajućih materijala i proporcija, ispostavilo se da važnu ulogu igraju koraci u preradi. Tehnika koja se zove unakrsno valjanje je još jedan ključ za postizanje izuzetne kombinacije snage i duktilnosti, otkrio je tim.
Radeći zajedno sa ATI istraživačima, tim je testirao različite legure pod skenirajućim elektronskim mikroskopom dok su se deformisale, otkrivajući detalje o tome kako njihove mikrostrukture reaguju na spoljašnje mehaničko opterećenje. Otkrili su da postoji određeni skup parametara – sastava, proporcija i metoda obrade – koji je dao strukturu u kojoj alfa i beta faze dele deformaciju ujednačeno, ublažavajući tendenciju pucanja koja će se verovatno pojaviti između faza kada reaguju drugačije.
„Faze se deformišu u harmoniji“, kaže Tasan. Ovaj kooperativni odgovor na deformaciju može dati vrhunski materijal, otkrili su.
„Pogledali smo strukturu materijala da bismo razumeli ove dve faze i njihove morfologije, i pogledali smo njihovu hemiju tako što smo sproveli lokalnu hemijsku analizu na atomskoj skali. Usvojili smo širok spektar tehnika za kvantifikaciju različitih svojstava materijala širom višestruke skale dužine“, kaže Tasan, koji je POSCO profesor nauke o materijalima i inženjerstva i vanredni profesor metalurgije.
„Kada pogledamo ukupna svojstva” legura titanijuma proizvedenih prema njihovom sistemu, „osobine su zaista mnogo bolje od uporedivih legura”.
Prema Tasanu, ovo je bilo akademsko istraživanje podržano od strane industrije koje je imalo za cilj da dokaže principe dizajna za legure koje se mogu komercijalno proizvoditi u velikom obimu.
„Ono što radimo u ovoj saradnji je zaista u pravcu fundamentalnog razumevanja plastičnosti kristala. Pokazujemo da je ova strategija dizajna potvrđena i naučno pokazujemo kako funkcioniše“, dodaje on, napominjući da ostaje značajan prostor za dalje unapređenje.
Što se tiče potencijalnih primena ovih otkrića, kaže on, „za bilo koju primenu u vazduhoplovstvu gde je korisna poboljšana kombinacija snage i duktilnosti, ova vrsta pronalaska pruža nove mogućnosti“.
