Titaniumlegeringen zijn belangrijke structurele materialen voor een breed scala aan toepassingen, van ruimtevaart- en energie -infrastructuur tot biomedische apparaten. Zoals bij de meeste metalen, omvat het optimaliseren van de prestaties van Titanium vaak een afweging tussen twee belangrijke eigenschappen: sterkte en ductiliteit. Sterkere materialen zijn meestal minder vervormbaar, terwijl vervormbare materialen meestal mechanisch zwakker zijn.
Onlangs ontdekten onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT), in samenwerking met onderzoekers van ATI Specialty Materials, een manier om nieuwe titaniumlegeringen te maken. Deze methode kan nieuwe titaniumlegeringen produceren met een combinatie van superieure sterkte en ductiliteit, wat kan leiden tot nieuwe toepassingen. De ontdekking is gepubliceerd in het Journal Advanced Materials.
Het team zegt dat de verbeteringen voortkomen uit het aanpassen van de chemische samenstelling en roosterstructuur van de legering, samen met verwerkingstechnieken. Titaniumlegeringen zijn bijvoorbeeld belangrijk vanwege hun uitstekende mechanische eigenschappen, corrosieweerstand en lichtgewicht in vergelijking met staal. De verscheidenheid aan structuren die kunnen worden gecreëerd door een zorgvuldige selectie van de legeringselementen en hun relatieve proporties, evenals de manier waarop het materiaal wordt verwerkt, zowel bij lage als hoge temperaturen, creëert een enorme ruimte voor het verkrijgen van een goede combinatie van eigenschappen.
De keuze voor het verhoudingen van de legeringselementen moet worden geleid door een methodologie om materialen te produceren die voldoen aan specifieke toepassingen en specifieke behoeften. De analytische en experimentele resultaten die in deze studie worden beschreven, bieden een dergelijke benadering.
Volgens de onderzoekers is de belangrijkste strategie van deze ontwerpbenadering om verschillende schalen te overwegen. Eén schaal is de structuur van een enkel kristal. Door bijvoorbeeld een zorgvuldige selectie van legeringselementen, kan een meer optimale alfa-fase kristalstructuur worden verkregen, waardoor specifieke vervormingsmechanismen mogelijk zijn. De andere schaal is de polykristallijne schaal, die de interactie van de - en -fasen omvat. De hier gevolgde aanpak omvat dus ontwerpoverwegingen voor beide.
Naast het kiezen van het juiste legeringsmateriaal en de schaal, spelen de verwerkingsstappen ook een belangrijke rol. De onderzoekers ontdekten dat een techniek genaamd "cross-rollen" de sleutel is tot het bereiken van de combinatie van kracht en ductiliteit. Verschillende vervormde legeringen werden getest onder een scanning -elektronenmicroscoop en onthulden details over hoe hun microstructuur reageert op externe mechanische belastingen. Een specifieke set van compositionele, proportionele en verwerkingsmethodeparameters produceert een structuur waarin de alfa- en bèta-fasen de vervorming uniform delen, waardoor de neiging tot kraken tussen de fasen wordt verminderd en de vervorming fase-bescharmer wordt. Deze synergetische reactie op vervorming kan superieure materialen produceren.
De structuur van het materiaal wordt waargenomen om de twee fasen en hun morfologie te begrijpen. Hun chemische eigenschappen worden waargenomen door gelokaliseerde chemische analyse op een atomaire schaal. Er worden verschillende technieken gebruikt om de verschillende eigenschappen van de materialen op meerdere lengteschalen te kwantificeren. Bij het bekijken van de algemene eigenschappen van titaniumlegeringen die volgens hun systeem zijn geproduceerd, bleek dat deze eigenschappen inderdaad veel beter waren.
De onderzoekers zeggen dat dit door de industrie wordt ondersteund academisch onderzoek is gericht op het valideren van de ontwerpprincipes van commercieel beschikbare legeringen. Het doel van de samenwerking was om een fundamenteel begrip te krijgen van de plasticiteit van kristallen. De ontwerpstrategie bleek effectief te zijn, wetenschappelijk aantonen hoe het werkt, maar er is nog steeds voldoende ruimte voor verbetering.
