Investigadores del MIT identifican rutas hacia aleaciones de titanio más fuertes
Los hallazgos se describen en la revista Advanced Materials, en un artículo de Shaolou Wei ScD '22, el profesor C. Cem Tasan, el postdoctorado Kyung-Shik Kim y John Foltz de ATI Inc. Las mejoras, dice el equipo, surgen de la adaptación de la composición química y la estructura reticular de la aleación, al tiempo que se ajustan las técnicas de procesamiento utilizadas para producir el material a escala industrial.
Las aleaciones de titanio han sido importantes debido a sus excepcionales propiedades mecánicas, resistencia a la corrosión y peso ligero en comparación con el acero. A través de una cuidadosa selección de los elementos de aleación y sus proporciones relativas, y de la forma en que se procesa el material, "se pueden crear varias estructuras, y esto crea un gran campo de juego para obtener buenas combinaciones de propiedades, tanto para temperaturas criogénicas como elevadas". dice Tasan.
Pero esa gran variedad de posibilidades, a su vez, requiere una forma de guiar las selecciones para producir un material que satisfaga las necesidades específicas de una aplicación particular. El análisis y los resultados experimentales descritos en el nuevo estudio proporcionan esa orientación.
La estructura de las aleaciones de titanio, hasta la escala atómica, gobierna sus propiedades, explica Tasan. Y en algunas aleaciones de titanio, esta estructura es aún más compleja, formada por dos fases diferentes entremezcladas, conocidas como fases alfa y beta.
"La estrategia clave en este enfoque de diseño es tener en cuenta diferentes escalas", afirma. "Una escala es la estructura del cristal individual. Por ejemplo, al elegir cuidadosamente los elementos de aleación, se puede tener una estructura cristalina más ideal de la fase alfa que permite mecanismos de deformación particulares. La otra escala es la escala policristalina, que involucra interacciones de las fases alfa y beta, por lo que el enfoque que se sigue aquí implica consideraciones de diseño para ambas".
Además de elegir los materiales y las proporciones de aleación adecuados, los pasos del procesamiento resultaron desempeñar un papel importante. El equipo descubrió que una técnica llamada laminado cruzado es otra clave para lograr la combinación excepcional de resistencia y ductilidad.
Trabajando junto con investigadores de ATI, el equipo probó una variedad de aleaciones bajo un microscopio electrónico de barrido mientras se deformaban, revelando detalles de cómo responden sus microestructuras a la carga mecánica externa. Descubrieron que había un conjunto particular de parámetros (de composición, proporciones y método de procesamiento) que producían una estructura en la que las fases alfa y beta compartían la deformación de manera uniforme, mitigando la tendencia al agrietamiento que probablemente ocurra entre las fases cuando responden. diferentemente. "Las fases se deforman en armonía", dice Tasan. Descubrieron que esta respuesta cooperativa a la deformación puede producir un material superior.
"Observamos la estructura del material para comprender estas dos fases y sus morfologías, y observamos sus químicas mediante la realización de análisis químicos locales a escala atómica. Adoptamos una amplia variedad de técnicas para cuantificar diversas propiedades del material a través de múltiples escalas de longitud, dice Tasan, profesor de Ciencia e Ingeniería de Materiales de POSCO y profesor asociado de metalurgia. "Cuando observamos las propiedades generales" de las aleaciones de titanio producidas según su sistema, "las propiedades son mucho mejores que las anteriores". aleaciones comparables."
Según Tasan, se trataba de una investigación académica respaldada por la industria destinada a demostrar los principios de diseño de aleaciones que pueden producirse comercialmente a escala. "Lo que hacemos en esta colaboración realmente apunta a una comprensión fundamental de la plasticidad de los cristales", dice. "Demostramos que esta estrategia de diseño está validada y demostramos científicamente cómo funciona", añade, señalando que todavía hay un margen importante para seguir mejorando.
En cuanto a las posibles aplicaciones de estos hallazgos, afirma: "Para cualquier aplicación aeroespacial en la que sea útil una combinación mejorada de resistencia y ductilidad, este tipo de invención ofrece nuevas oportunidades".
El trabajo contó con el apoyo de ATI Specialty Rolled Products y utilizó las instalaciones del MIT Nano y el Centro de Sistemas a Nanoescala de la Universidad de Harvard.