Các nhà nghiên cứu của MIT xác định lộ trình tạo ra hợp kim titan mạnh hơn

Những phát hiện này được mô tả trên tạp chí Advanced Materials, trong một bài báo của Shaolou Wei ScD '22, Giáo sư C. Cem Tasan, postdoc Kyung-Shik Kim và John Foltz từ ATI Inc. Nhóm nghiên cứu cho biết, những cải tiến này xuất phát từ việc điều chỉnh thành phần hóa học và cấu trúc mạng tinh thể của hợp kim, đồng thời điều chỉnh các kỹ thuật xử lý được sử dụng để sản xuất vật liệu ở quy mô công nghiệp.

Hợp kim titan rất quan trọng vì tính chất cơ học đặc biệt, khả năng chống ăn mòn và trọng lượng nhẹ so với thép. Thông qua việc lựa chọn cẩn thận các nguyên tố hợp kim và tỷ lệ tương đối của chúng cũng như cách xử lý vật liệu, "bạn có thể tạo ra nhiều cấu trúc khác nhau và điều này tạo ra một sân chơi lớn để bạn có được sự kết hợp đặc tính tốt, cho cả nhiệt độ đông lạnh và nhiệt độ cao". Tasan nói.

Nhưng đến lượt mình, sự đa dạng về khả năng đó đòi hỏi một cách hướng dẫn các lựa chọn để tạo ra vật liệu đáp ứng nhu cầu cụ thể của một ứng dụng cụ thể. Các kết quả phân tích và thử nghiệm được mô tả trong nghiên cứu mới cung cấp hướng dẫn đó.

Tasan giải thích: Cấu trúc của hợp kim titan, cho đến cấp độ nguyên tử, đều chi phối các đặc tính của chúng. Và trong một số hợp kim titan, cấu trúc này thậm chí còn phức tạp hơn, được tạo thành từ hai pha trộn lẫn khác nhau, được gọi là pha alpha và beta.

Ông nói: “Chiến lược quan trọng trong phương pháp thiết kế này là xem xét các quy mô khác nhau”. "Một thang đo là cấu trúc của từng tinh thể. Ví dụ, bằng cách chọn cẩn thận các nguyên tố hợp kim, bạn có thể có cấu trúc tinh thể lý tưởng hơn của pha alpha cho phép thực hiện các cơ chế biến dạng cụ thể. Thang đo kia là thang đo đa tinh thể, bao gồm các tương tác của giai đoạn alpha và beta. Vì vậy, cách tiếp cận được thực hiện ở đây liên quan đến việc cân nhắc thiết kế cho cả hai."

Ngoài việc lựa chọn vật liệu và tỷ lệ hợp kim phù hợp, các bước trong quá trình xử lý hóa ra cũng đóng một vai trò quan trọng. Nhóm nghiên cứu nhận thấy một kỹ thuật được gọi là lăn chéo là một chìa khóa khác để đạt được sự kết hợp đặc biệt giữa độ bền và độ dẻo.

Làm việc cùng với các nhà nghiên cứu ATI, nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm nhiều loại hợp kim dưới kính hiển vi điện tử quét khi chúng bị biến dạng, tiết lộ chi tiết về cách cấu trúc vi mô của chúng phản ứng với tải trọng cơ học bên ngoài. Họ phát hiện ra rằng có một tập hợp các tham số cụ thể - về thành phần, tỷ lệ và phương pháp xử lý - mang lại cấu trúc trong đó các pha alpha và beta chia sẻ biến dạng đồng đều, giảm thiểu xu hướng nứt có thể xảy ra giữa các pha khi chúng phản ứng. khác nhau. “Các pha biến dạng một cách hài hòa,” Tasan nói. Họ nhận thấy phản ứng hợp tác này đối với sự biến dạng có thể mang lại một loại vật liệu ưu việt hơn.

"Chúng tôi đã xem xét cấu trúc của vật liệu để hiểu hai giai đoạn này và hình thái của chúng, đồng thời chúng tôi đã xem xét thành phần hóa học của chúng bằng cách tiến hành phân tích hóa học cục bộ ở quy mô nguyên tử. Chúng tôi đã áp dụng nhiều kỹ thuật khác nhau để định lượng các tính chất khác nhau của vật liệu trên khắp Tasan, Giáo sư Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu POSCO và phó giáo sư luyện kim cho biết: “Khi chúng tôi xem xét các đặc tính tổng thể” của hợp kim titan được sản xuất theo hệ thống của họ, “các đặc tính này tốt hơn nhiều”. hợp kim tương đương."

Theo Tasan, đây là nghiên cứu học thuật được ngành hỗ trợ nhằm mục đích chứng minh các nguyên tắc thiết kế cho hợp kim có thể được sản xuất thương mại ở quy mô lớn. Ông nói: “Những gì chúng tôi làm trong sự hợp tác này thực sự hướng tới sự hiểu biết cơ bản về tính dẻo của tinh thể”. Ông nói thêm: “Chúng tôi cho thấy rằng chiến lược thiết kế này đã được xác thực và chúng tôi cho thấy nó hoạt động như thế nào một cách khoa học”.

Đối với các ứng dụng tiềm năng của những phát hiện này, ông nói: “Đối với bất kỳ ứng dụng hàng không vũ trụ nào mà sự kết hợp cải tiến giữa độ bền và độ dẻo là hữu ích, thì loại phát minh này đang mang lại những cơ hội mới”.

Công trình được hỗ trợ bởi ATI Specialty Roll Products và sử dụng cơ sở vật chất của MIT Nano và Trung tâm Hệ thống quy mô nano tại Đại học Harvard.