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從航空航天、能源基礎(chǔ)設(shè)施到生物醫(yī)學(xué)設(shè)備，鈦合金是各種應(yīng)用領(lǐng)域必不可少的結(jié)構(gòu)材料。但與大多數(shù)金屬一樣，優(yōu)化鈦合金的性能往往需要在兩個關(guān)鍵特性之間進(jìn)行權(quán)衡：強(qiáng)度和延展性。強(qiáng)度較高的材料往往不易變形，而易變形的材料往往機(jī)械強(qiáng)度較低。

現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的研究人員與 ATI Specialty Materials 公司的研究人員合作，發(fā)現(xiàn)了一種制造新型鈦合金的方法，可以超越這種歷史性的權(quán)衡，從而制造出強(qiáng)度和延展性兼?zhèn)涞男滦秃辖穑@可能會帶來新的應(yīng)用。

這項研究成果發(fā)表在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）雜志上，論文作者包括魏少樓（ScD '22 Shaolou Wei）、C. Cem Tasan教授、博士后Kyung-Shik Kim和ATI公司的John Foltz。研究小組表示，這些改進(jìn)來自于對合金的化學(xué)成分和晶格結(jié)構(gòu)的定制，同時還調(diào)整了用于工業(yè)化生產(chǎn)這種材料的加工技術(shù)。

鈦合金之所以重要，是因為與鋼材等相比，它具有優(yōu)異的機(jī)械性能、耐腐蝕性和輕質(zhì)等特點。通過精心選擇合金元素及其相對比例，以及材料的加工方式，"可以創(chuàng)造出各種不同的結(jié)構(gòu)，這為獲得良好的性能組合，無論是低溫還是高溫創(chuàng)造了一個大舞臺，"Tasan 說。但是，如此多的可能性反過來又需要一種方法來指導(dǎo)選擇，以生產(chǎn)出滿足特定應(yīng)用需求的材料。新研究中描述的分析和實驗結(jié)果提供了這種指導(dǎo)。

鈦合金的結(jié)構(gòu)一直到原子尺度都決定著其特性。在某些鈦合金中，這種結(jié)構(gòu)甚至更為復(fù)雜，由兩種不同的混合相組成，即α相和β相。他說："這種設(shè)計方法的關(guān)鍵策略是考慮不同的尺度。一個尺度是單個晶體的結(jié)構(gòu)。例如，通過精心選擇合金元素，你可以獲得更理想的α相晶體結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)特定的變形機(jī)制。另一個尺度是多晶體尺度，涉及α相和β相的相互作用。因此，這里所采用的方法涉及對兩者的設(shè)計考慮。"

交叉軋制：增強(qiáng)性能的關(guān)鍵技術(shù)

除了選擇正確的合金材料和比例外，加工步驟也發(fā)揮了重要作用。研究小組發(fā)現(xiàn)，一種名為交叉軋制的技術(shù)是實現(xiàn)強(qiáng)度和延展性完美結(jié)合的另一個關(guān)鍵。

研究小組與 ATI 研究人員合作，在掃描電子顯微鏡下測試了各種合金的變形情況，揭示了合金微觀結(jié)構(gòu)對外部機(jī)械負(fù)載的響應(yīng)細(xì)節(jié)。他們發(fā)現(xiàn)，有一組特定的參數(shù)--成分、比例和加工方法--可以產(chǎn)生一種結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)中，α相和β相均勻地分擔(dān)了變形，減輕了當(dāng)兩相反應(yīng)不同時可能出現(xiàn)的開裂傾向。Tasan說："各相變形和諧一致。他們發(fā)現(xiàn)，這種對變形的合作反應(yīng)可以產(chǎn)生一種優(yōu)質(zhì)材料。"

"我們研究了材料的結(jié)構(gòu)，以了解這兩相及其形態(tài)，并通過在原子尺度上進(jìn)行局部化學(xué)分析來研究它們的化學(xué)性質(zhì)。我們采用了多種技術(shù)來量化材料在多個長度尺度上的各種特性，"浦項材料科學(xué)與工程教授兼冶金學(xué)副教授 Tasan 說。"當(dāng)我們觀察根據(jù)他們的系統(tǒng)生產(chǎn)的鈦合金的整體特性時"，其特性確實比同類合金要好得多"。

這是一項由工業(yè)界支持的學(xué)術(shù)研究，旨在證明可大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)的合金的設(shè)計原則。Tasan說："我們在這項合作中所做的工作實際上是為了從根本上理解晶體塑性。證明了這種設(shè)計策略是有效的，并從科學(xué)角度展示了它是如何工作的。至于這些研究成果的潛在應(yīng)用，對于任何有助于提高強(qiáng)度和延展性組合的航空航天應(yīng)用，這種發(fā)明都提供了新的機(jī)會。"