يحدد الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الطرق للحصول على سبائك تيتانيوم أقوى

تم وصف النتائج في مجلة المواد المتقدمة، في ورقة بحثية كتبها Shaolou Wei ScD '22، والبروفيسور C. Cem Tasan، وباحث ما بعد الدكتوراه Kyung-Shik Kim، وJohn Foltz من ATI Inc. ويقول الفريق إن التحسينات تنشأ من تصميم التركيب الكيميائي والبنية الشبكية للسبائك، مع تعديل تقنيات المعالجة المستخدمة لإنتاج المادة على نطاق صناعي.

كانت سبائك التيتانيوم مهمة بسبب خصائصها الميكانيكية الاستثنائية، ومقاومتها للتآكل، وخفيفة الوزن مقارنة بالفولاذ. من خلال الاختيار الدقيق لعناصر صناعة السبائك ونسبها النسبية، وطريقة معالجة المواد، "يمكنك إنشاء هياكل مختلفة، وهذا يخلق ملعبًا كبيرًا لك للحصول على مجموعات خصائص جيدة، سواء بالنسبة لدرجات الحرارة المبردة أو المرتفعة،" يقول تاسان.

لكن هذه المجموعة الكبيرة من الاحتمالات تتطلب بدورها طريقة لتوجيه الاختيارات لإنتاج مادة تلبي الاحتياجات المحددة لتطبيق معين. التحليل والنتائج التجريبية الموضحة في الدراسة الجديدة توفر هذا التوجيه.

يوضح تاسان أن بنية سبائك التيتانيوم، وصولاً إلى المقياس الذري، تحكم خصائصها. وفي بعض سبائك التيتانيوم، يكون هذا الهيكل أكثر تعقيدًا، ويتكون من مرحلتين مختلطتين مختلفتين، تعرفان باسم مرحلتي ألفا وبيتا.

ويقول: "إن الإستراتيجية الرئيسية في نهج التصميم هذا هي أخذ الاعتبارات ذات المقاييس المختلفة". "أحد المقاييس هو بنية البلورة الفردية. على سبيل المثال، من خلال اختيار عناصر صناعة السبائك بعناية، يمكنك الحصول على بنية بلورية أكثر مثالية لمرحلة ألفا التي تمكن آليات تشوه معينة. المقياس الآخر هو المقياس متعدد البلورات، الذي يتضمن التفاعلات لمرحلتي ألفا وبيتا، لذا، فإن النهج المتبع هنا يتضمن اعتبارات التصميم لكليهما."

بالإضافة إلى اختيار المواد والنسب المناسبة لصناعة السبائك، تبين أن خطوات المعالجة تلعب دورًا مهمًا. وجد الفريق أن تقنية تسمى التدحرج المتقاطع هي مفتاح آخر لتحقيق مزيج استثنائي من القوة والليونة.

من خلال العمل مع باحثين من ATI، اختبر الفريق مجموعة متنوعة من السبائك تحت المجهر الإلكتروني الماسح أثناء تعرضها للتشوه، وكشف عن تفاصيل حول كيفية استجابة بنيتها المجهرية للحمل الميكانيكي الخارجي. ووجدوا أن هناك مجموعة معينة من العوامل - من التركيب والنسب وطريقة المعالجة - التي أسفرت عن بنية تتقاسم فيها مرحلتا ألفا وبيتا التشوه بشكل موحد، مما يخفف من ميل التشقق الذي من المحتمل أن يحدث بين المراحل عندما تستجيب بشكل مختلف. يقول تاسان: "إن المراحل تتشوه بانسجام". ووجدوا أن هذه الاستجابة التعاونية للتشوه يمكن أن تنتج مادة متفوقة.

"لقد نظرنا إلى بنية المادة لفهم هاتين المرحلتين ومورفولوجيتهما، ونظرنا إلى كيمياءهما من خلال إجراء تحليل كيميائي محلي على المستوى الذري. واعتمدنا مجموعة واسعة من التقنيات لتحديد الخصائص المختلفة للمادة عبرها. يقول تاسان، وهو أستاذ علوم وهندسة المواد في جامعة بوسكو وأستاذ مشارك في علم المعادن: "عندما ننظر إلى الخصائص العامة" لسبائك التيتانيوم المنتجة وفقًا لنظامها، "فإن الخصائص أفضل بكثير من تلك". سبائك مماثلة."

كان هذا بحثًا أكاديميًا مدعومًا من الصناعة يهدف إلى إثبات مبادئ التصميم للسبائك التي يمكن إنتاجها تجاريًا على نطاق واسع، وفقًا لتاسان. ويقول: "ما نقوم به في هذا التعاون هو في الحقيقة نحو فهم أساسي لللدونة البلورية". ويضيف: "لقد أظهرنا أن استراتيجية التصميم هذه قد تم التحقق من صحتها، ونظهر بشكل علمي كيف تعمل"، مشيرًا إلى أنه لا يزال هناك مجال كبير لمزيد من التحسين.

أما بالنسبة للتطبيقات المحتملة لهذه النتائج، فيقول: "بالنسبة لأي تطبيق في مجال الطيران حيث يكون الجمع المحسن بين القوة والمرونة مفيدًا، فإن هذا النوع من الاختراعات يوفر فرصًا جديدة".

تم دعم هذا العمل من خلال المنتجات المدرفلة المتخصصة من ATI والمرافق المستخدمة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا نانو ومركز أنظمة مقياس النانو في جامعة هارفارد.