麻省理工学院的科学家使钛合金比以往更坚韧、更灵活

麻省理工学院的研究人员已经开发出一种制造钛合金的新方法，这种方法超越了传统的强度和延展性之间的权衡。

通过调整化学成分、晶格结构和加工技术，他们创造了具有增强机械性能的材料。这一创新可用于生产强度和延展性结合的金属，用于航空航天和其他应用。

钛合金是广泛应用的基本结构材料，从航空航天和能源基础设施到生物医学设备。但像大多数金属一样，优化其性能往往涉及两个关键特性之间的权衡：强度和延展性。较强的材料往往不易变形，而可变形的材料往往机械性能较弱。

麻省理工学院钛合金研究的突破

现在，麻省理工学院的研究人员与ATI特种材料公司的研究人员合作，发现了一种制造新型钛合金的方法，这种方法可以超越这种历史权衡，从而产生具有特殊强度和延展性组合的新合金，这可能会带来新的应用。

这一发现发表在《先进材料》杂志上，作者是来自ATI公司的Shaolou Wei、C. Cem Tasan教授、博士后Kyung-Shik Kim和John Foltz。研究小组说，这些改进来自于调整合金的化学成分和晶格结构，同时也调整了用于工业规模生产这种材料的加工技术。

新合金背后的科学

钛合金具有特殊的机械性能，耐腐蚀性，与钢相比重量轻等优点。通过仔细选择合金元素和它们的相对比例，以及材料的加工方式，Tasan教授说：“你可以创造出各种不同的结构，这为你创造了一个大的游乐场，让你获得良好的性能组合，无论是低温还是高温。”

但是，这种巨大的可能性反过来又需要一种方法来指导选择，以生产满足特定应用特定需求的材料。新研究中描述的分析和实验结果提供了指导。

钛合金的原子尺度结构

Tasan教授解释说，钛合金的结构，一直到原子尺度，决定了它们的性能。在一些钛合金中，这种结构甚至更复杂，由两种不同的混合相组成，即α相和β相。

“这种设计方法的关键策略是考虑不同的尺度，”他说。“一个尺度是单个晶体的结构。例如，通过仔细选择合金元素，可以获得更理想的α相晶体结构，从而实现特定的变形机制。另一个尺度是多晶尺度，涉及到相和相的相互作用。因此，这里遵循的方法涉及到两方面的设计考虑。”

交叉轧制：增强性能的关键技术

除了选择合适的合金材料和比例外，加工中的步骤也起着重要的作用。研究小组发现，一种被称为交叉轧制的技术是实现强度和延展性卓越结合的另一个关键。

该团队与ATI研究人员合作，在扫描电子显微镜下测试了各种合金的变形情况，揭示了它们的微观结构如何响应外部机械载荷的细节。他们发现有一组特殊的参数 —— 成分、比例和加工方法 —— 产生了一种结构，在这种结构中，α相和β相均匀地共享变形，减轻了当它们的反应不同时可能发生的开裂趋势。“这些阶段和谐地变形，”Tasan教授说。他们发现，这种对变形的协同反应可以产生更好的材料。

未来发展方向及应用

“我们研究了材料的结构，以了解这两种相及其形态，并通过在原子尺度上进行局部化学分析来研究它们的化学成分。浦项制铁材料科学与工程教授兼冶金学副Tasan教授说：“我们采用了多种技术来量化材料在多个长度尺度上的各种特性。当我们观察根据他们的系统生产的钛合金的整体性能时，其性能确实比同类合金好得多。”

Tasan教授表示，这是一项由行业支持的学术研究，旨在证明可以大规模商业化生产的合金的设计原则。“我们在这次合作中所做的实际上是为了从根本上了解晶体可塑性，”他补充道：“我们证明了这种设计策略是经过验证的，并且科学地展示了它的工作原理。”他还指出，进一步改进的空间仍然很大。 至于这些发现的潜在应用，他表示，“对于任何改进强度和韧性组合有用的航空航天应用来说，这种发明正在提供新的机会。”

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