钛合金是航空航天和能源基础设施以及生物医学设备等各种应用领域必不可少的结构材料。但与大多数金属一样，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。强度较高的材料往往不易变形，而可变形的材料往往机械性能较弱。
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，可以超越这种历史权衡，从而生产出具有出色强度和延展性组合的新型合金，这可能会带来新的应用。
该研究成果发表在《先进材料》杂志上，由 Shaolou Wei ScD、C. Cem Tasan 教授、博士后 Kyung-Shik Kim 和 ATI Inc. 的 John Foltz 撰写。研究小组表示，改进源于调整合金的化学成分和晶格结构，同时调整用于在工业规模上生产该材料的加工技术。
钛合金之所以重要，是因为与钢相比，钛合金具有出色的机械性能、耐腐蚀性和轻质。通过精心选择合金元素及其相对比例，以及材料的加工方式。
“你可以创建各种不同的结构，这为你提供了一个巨大的平台，让你可以获得良好的性能组合，无论是在低温下还是在高温下，”塔桑说。
但如此众多的可能性反过来又需要一种方法来指导选择，以生产出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这种指导。
塔桑解释说，钛合金的结构，直至原子级，都决定了其性能。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组成，称为 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，你可以得到更理想的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α相和β相的相互作用。因此，这里采用的方法涉及两者的设计考虑。”
除了选择正确的合金材料和比例外，加工步骤也发挥着重要作用。研究小组发现，一种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，有一组特定的参数(成分、比例和加工方法)可以产生一种结构，其中 α 相和 β 相均匀地共享变形，从而减轻了当它们响应不同时可能在相之间发生的开裂趋势。
塔桑说：“各个相会和谐地变形。”他们发现，这种变形的协同反应可以产生更优异的材料。
“我们研究了材料的结构，以了解这两个阶段及其形态，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。我们采用了各种各样的技术来量化材料在多个长度尺度上的各种特性，” POSCO 材料科学与工程教授兼冶金学副教授 Tasan 说道。
“当我们观察按照他们的系统生产的钛合金的整体性能时，我们发现其性能确实比同类合金好得多。”
塔桑表示，这是一项由行业支持的学术研究，旨在证明可大规模商业生产的合金的设计原理。
“我们在这次合作中所做的工作实际上是为了从根本上理解晶体可塑性。我们证明了这种设计策略是有效的，并且我们科学地展示了它是如何工作的，”他补充道，并指出还有很大的改进空间。
至于这些发现的潜在应用，他说，“对于任何需要改善强度和延展性组合的航空航天应用来说，这种发明都提供了新的机遇。”