“钛合金Pro”来了！MIT科学家发现制造高性能钛合金的新方法

作为一种有着广泛应用的重要结构材料，钛合金的应用领域从航空航天和能源基础设施到生物医学设备等。

但与其他大多数金属一样，优化其性能往往需要在两个关键特性之间进行权衡：强度和延展性。很大程度上，这两者难以同时兼顾，更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。

近期，麻省理工学院的研究人员与 ATI 特种材料公司的研发人员联合开发出一种制造钛合金的新方法，可以“超越艰难的权衡”，从而生产出兼具优异的强度和延展性组合的新型合金，而这可能会催生更多新的应用。

（来源：Advanced Materials）

目前，这项研究成果已经以“Discovering Pyramidal Treasures: Multi-Scale Design of High Strength–Ductility Titanium Alloys”（发现金字塔宝藏：高强延展性钛合金的多尺度设计）为题发表在 Advanced Materials 上。

参与此次项目的研究人员包括麻省理工学院材料科学与工程系的 Shaolou Wei、Kyung-Shik Kim、Cemal Cem Tasan，以及 ATI 特种材料公司的 John Foltz。

该研究团队表示，这些改进源于调整合金的化学成分和晶格结构，同时还调整了用于在工业规模生产材料的加工技术。

钛合金之所以在工业中举足轻重，是因为与钢相比其具有优异的机械性能、耐腐蚀性以及较小的密度。“通过仔细选择合金元素及其相对比例以及材料的加工方式，你可以创造各种不同的结构，这相当于是为你开辟了一个大游乐场，无论是低温还是高温条件下都可以获得良好的性能组合。”这篇论文的通讯作者、麻省理工学院材料科学与工程系教授 Cemal Cem Tasan 说。

但各种各样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。这项研究中描述的分析和实验结果提供了这一指导。

“钛合金的结构，一直到原子尺度，决定着它们的性能。在某些钛合金中，这种结构甚至更加复杂，由两种不同的混合相（称为 α 相和 β 相）组成。”Cemal Cem Tasan 解释说。

“这种设计方法的关键策略是考虑不同的规模。一个尺度是单个晶体的结构，例如，通过仔细选择合金元素，你可以获得更理想的 α 相晶体结构，从而实现特定的变形机制；另一种尺度是多晶尺度，涉及 α 相和 β 相的相互作用，因此，这里遵循的方法涉及两者的设计考虑。”他表示。

除了选择正确的合金材料和比例之外，加工步骤也发挥着重要作用。该研究团队发现，一种名为“交叉轧制”的技术是实现强度和延展性结合的另一个关键。

麻省理工学院团队与 ATI 特种材料公司的研究人员展开合作，他们在扫描电子显微镜下测试了各种变形的合金，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，有一组特定的参数（包括成分、比例、加工方法等）产生了一种 α 相和 β 相均匀分担变形的结构，从而缓解了当它们的反应不同时，相之间可能发生的开裂趋势。

“这些相位‘和谐’地变形。我们发现这种对变形的协同反应可以产生性能更优越材料。”Cemal Cem Tasan 说。

“我们研究了材料的结构以了解这两个相及其形态，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性质。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。当我们观察根据系统生产的钛合金的整体性能时，这些性能确实比同类合金要好得多。”他补充说。

在 Cemal Cem Tasan 看来，这是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理。“我们在这次合作中所做的实际上是为了从根本上理解晶体的可塑性，我们证明了这种设计策略是经过验证的，并且我们科学地展示了它的工作原理和机制。当然，对于这种方法我们还有很大的改进空间。”他表示。

（来源：MIT News）

至于这些发现的潜在应用，他说，“对于任何需要改进强度和延展性组合的航空航天应用，我们的这项研究都提供了新的机会。”

参考资料：

1.https://news.mit.edu/2024/mit-researchers-identify-routes-to-stronger-titanium-alloys-0702

2.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202406382