นักวิจัยของ MIT ระบุเส้นทางสู่โลหะผสมไทเทเนียมที่แข็งแกร่งขึ้น

การค้นพบนี้อธิบายไว้ในวารสาร Advanced Materials ในบทความของ Shaolou Wei ScD '22, Professor C. Cem Tasan, postdoc Kyung-Shik Kim และ John Foltz จาก ATI Inc. การปรับปรุงนี้ทีมงานกล่าวว่าเกิดขึ้นจากการปรับแต่ง องค์ประกอบทางเคมีและโครงสร้างโครงตาข่ายของโลหะผสม พร้อมทั้งปรับเทคนิคการประมวลผลที่ใช้ในการผลิตวัสดุในระดับอุตสาหกรรมด้วย

โลหะผสมไททาเนียมมีความสำคัญเนื่องจากมีคุณสมบัติทางกลที่ยอดเยี่ยม ทนต่อการกัดกร่อน และมีน้ำหนักเบาเมื่อเทียบกับเหล็กกล้า ด้วยการเลือกองค์ประกอบโลหะผสมอย่างระมัดระวังและสัดส่วนสัมพัทธ์ และวิธีการแปรรูปวัสดุ "คุณสามารถสร้างโครงสร้างต่างๆ ได้ และสิ่งนี้จะสร้างพื้นที่ขนาดใหญ่สำหรับคุณในการได้รับการผสมผสานคุณสมบัติที่ดี ทั้งสำหรับอุณหภูมิที่เย็นจัดและอุณหภูมิที่สูงขึ้น" ทาสกล่าว.

แต่ความเป็นไปได้มากมายนั้นกลับต้องอาศัยแนวทางในการเลือกเพื่อผลิตวัสดุที่ตรงกับความต้องการเฉพาะของการใช้งานเฉพาะ ผลการวิเคราะห์และการทดลองที่อธิบายไว้ในการศึกษาครั้งใหม่ให้คำแนะนำดังกล่าว

โครงสร้างของโลหะผสมไทเทเนียมไปจนถึงระดับอะตอมจะควบคุมคุณสมบัติของพวกมัน Tasan อธิบาย และในโลหะผสมไททาเนียมบางชนิด โครงสร้างนี้มีความซับซ้อนมากยิ่งขึ้น ประกอบด้วยเฟสผสมสองเฟสที่แตกต่างกัน ซึ่งเรียกว่าเฟสอัลฟ่าและเบต้า

"กลยุทธ์สำคัญในแนวทางการออกแบบนี้คือการพิจารณาขนาดต่างๆ" เขากล่าว "สเกลหนึ่งคือโครงสร้างของคริสตัลแต่ละชิ้น ตัวอย่างเช่น โดยการเลือกองค์ประกอบโลหะผสมอย่างระมัดระวัง คุณจะมีโครงสร้างผลึกในอุดมคติมากขึ้นของเฟสอัลฟ่าที่ทำให้เกิดกลไกการเปลี่ยนรูปโดยเฉพาะ อีกสเกลคือสเกลโพลีคริสตัลที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยา ของขั้นตอนอัลฟ่าและเบต้า ดังนั้น แนวทางที่ตามมาในที่นี้จะเกี่ยวข้องกับการพิจารณาการออกแบบสำหรับทั้งสองขั้นตอน"

นอกเหนือจากการเลือกวัสดุและสัดส่วนการผสมที่เหมาะสมแล้ว ขั้นตอนในการประมวลผลยังมีบทบาทสำคัญอีกด้วย ทีมงานพบว่าเทคนิคที่เรียกว่าการกลิ้งขวางเป็นกุญแจสำคัญอีกประการหนึ่งในการบรรลุการผสมผสานระหว่างความแข็งแกร่งและความเหนียวอย่างเหนือชั้น

เมื่อทำงานร่วมกับนักวิจัยของ ATI ทีมงานได้ทดสอบโลหะผสมหลายชนิดภายใต้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดในขณะที่พวกมันถูกเปลี่ยนรูป ซึ่งเผยให้เห็นรายละเอียดว่าโครงสร้างจุลภาคของพวกเขาตอบสนองต่อภาระทางกลภายนอกอย่างไร พวกเขาพบว่ามีชุดพารามิเตอร์เฉพาะ เช่น องค์ประกอบ สัดส่วน และวิธีการประมวลผล ซึ่งให้โครงสร้างที่เฟสอัลฟ่าและเบต้าแบ่งปันการเสียรูปอย่างสม่ำเสมอ ซึ่งช่วยลดแนวโน้มการแตกร้าวที่อาจเกิดขึ้นระหว่างเฟสเมื่อตอบสนอง แตกต่างกัน "ระยะต่างๆ เปลี่ยนรูปไปอย่างกลมกลืน" Tasan กล่าว พวกเขาพบว่าการตอบสนองแบบร่วมมือกันต่อการเสียรูปนี้สามารถให้ผลลัพธ์ที่ดีกว่าได้

"เราดูโครงสร้างของวัสดุเพื่อทำความเข้าใจทั้งสองเฟสและสัณฐานวิทยาของทั้งสองเฟสนี้ และเราดูที่เคมีของพวกมันด้วยการวิเคราะห์ทางเคมีในท้องถิ่นในระดับอะตอม เราได้นำเทคนิคที่หลากหลายมาใช้ในการหาปริมาณคุณสมบัติต่างๆ ของวัสดุทั่วทั้ง Tasan ซึ่งเป็นศาสตราจารย์ด้านวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ของ POSCO และรองศาสตราจารย์ด้านโลหะวิทยากล่าวว่า "เมื่อเราดูคุณสมบัติโดยรวม" ของโลหะผสมไทเทเนียมที่ผลิตตามระบบของมัน "คุณสมบัติจะดีกว่ามาก" โลหะผสมที่เทียบเคียงได้”

นี่เป็นงานวิจัยทางวิชาการที่ได้รับการสนับสนุนจากอุตสาหกรรมซึ่งมีจุดมุ่งหมายเพื่อพิสูจน์หลักการออกแบบสำหรับโลหะผสมที่สามารถผลิตได้ในเชิงพาณิชย์ในวงกว้าง ตาม Tasan กล่าว "สิ่งที่เราทำในความร่วมมือครั้งนี้คือความเข้าใจพื้นฐานของความเป็นพลาสติกของคริสตัล" เขากล่าว “เราแสดงให้เห็นว่ากลยุทธ์การออกแบบนี้ได้รับการตรวจสอบแล้ว และเราแสดงให้เห็นทางวิทยาศาสตร์ว่ามันทำงานอย่างไร” เขากล่าวเสริม โดยสังเกตว่ายังมีช่องว่างที่สำคัญสำหรับการปรับปรุงเพิ่มเติมต่อไป

สำหรับการนำไปประยุกต์ใช้ที่เป็นไปได้ของการค้นพบนี้ เขากล่าวว่า "สำหรับการใช้งานด้านการบินและอวกาศใดๆ ที่การผสมผสานระหว่างความแข็งแรงและความเหนียวที่ได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้นนั้นมีประโยชน์ สิ่งประดิษฐ์ประเภทนี้กำลังให้โอกาสใหม่ๆ"

งานนี้ได้รับการสนับสนุนจาก ATI Specialty Rolled Products และสิ่งอำนวยความสะดวกที่ใช้แล้วของ MIT Nano และศูนย์ระบบนาโนสเกลที่มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด