Des chercheurs du MIT identifient des voies menant à des alliages de titane plus résistants
Les résultats sont décrits dans la revue Advanced Materials, dans un article rédigé par Shaolou Wei ScD '22, le professeur C. Cem Tasan, le postdoc Kyung-Shik Kim et John Foltz d'ATI Inc. Les améliorations, selon l'équipe, découlent de l'adaptation du composition chimique et la structure réticulaire de l'alliage, tout en ajustant également les techniques de traitement utilisées pour produire le matériau à l'échelle industrielle.
Les alliages de titane sont importants en raison de leurs propriétés mécaniques exceptionnelles, de leur résistance à la corrosion et de leur légèreté par rapport à l'acier. Grâce à une sélection minutieuse des éléments d'alliage et de leurs proportions relatives, ainsi que de la manière dont le matériau est traité, "vous pouvez créer diverses structures, ce qui crée un grand terrain de jeu pour obtenir de bonnes combinaisons de propriétés, à la fois pour les températures cryogéniques et élevées". » dit Tasan.
Mais ce large éventail de possibilités nécessite à son tour un moyen de guider les sélections afin de produire un matériau répondant aux besoins spécifiques d’une application particulière. L’analyse et les résultats expérimentaux décrits dans la nouvelle étude fournissent cette orientation.
La structure des alliages de titane, jusqu'à l'échelle atomique, détermine leurs propriétés, explique Tasan. Et dans certains alliages de titane, cette structure est encore plus complexe, composée de deux phases mélangées différentes, appelées phases alpha et bêta.
"La stratégie clé de cette approche de conception consiste à prendre en compte différentes échelles", explique-t-il. "Une échelle est la structure du cristal individuel. Par exemple, en choisissant soigneusement les éléments d'alliage, vous pouvez obtenir une structure cristalline plus idéale de la phase alpha qui permet des mécanismes de déformation particuliers. L'autre échelle est l'échelle polycristalline, qui implique des interactions. des phases alpha et bêta. Ainsi, l'approche suivie ici implique des considérations de conception pour les deux.
Outre le choix des matériaux d'alliage et des proportions appropriées, les étapes de traitement se sont avérées jouer un rôle important. Une technique appelée cross-rolling est une autre clé pour obtenir la combinaison exceptionnelle de résistance et de ductilité, a découvert l’équipe.
En collaboration avec les chercheurs de l'ATI, l'équipe a testé divers alliages au microscope électronique à balayage alors qu'ils étaient déformés, révélant des détails sur la façon dont leurs microstructures réagissent à une charge mécanique externe. Ils ont découvert qu'il existait un ensemble particulier de paramètres - de composition, de proportions et de méthode de traitement - qui produisaient une structure dans laquelle les phases alpha et bêta partageaient la déformation de manière uniforme, atténuant ainsi la tendance à la fissuration susceptible de se produire entre les phases lorsqu'elles répondent. différemment. "Les phases se déforment en harmonie", explique Tasan. Cette réponse coopérative à la déformation peut produire un matériau supérieur, ont-ils découvert.
"Nous avons examiné la structure du matériau pour comprendre ces deux phases et leurs morphologies, et nous avons étudié leur chimie en effectuant une analyse chimique locale à l'échelle atomique. Nous avons adopté une grande variété de techniques pour quantifier diverses propriétés du matériau à travers échelles de longueur multiples, explique Tasan, professeur POSCO de science et d'ingénierie des matériaux et professeur agrégé de métallurgie. "Quand nous examinons les propriétés globales" des alliages de titane produits selon leur système, "les propriétés sont bien meilleures que celles-ci". alliages comparables.
Selon Tasan, il s'agissait d'une recherche universitaire soutenue par l'industrie et visant à prouver les principes de conception d'alliages pouvant être produits commercialement à grande échelle. "Ce que nous faisons dans cette collaboration vise vraiment à une compréhension fondamentale de la plasticité cristalline", dit-il. "Nous montrons que cette stratégie de conception est validée et nous montrons scientifiquement comment elle fonctionne", ajoute-t-il, notant qu'il reste encore beaucoup à faire.
Quant aux applications potentielles de ces découvertes, dit-il : "Pour toute application aérospatiale où une combinaison améliorée de résistance et de ductilité est utile, ce type d'invention offre de nouvelles opportunités."
Les travaux ont été soutenus par ATI Specialty Rolled Products et ont utilisé les installations du MIT Nano et du Center for Nanoscale Systems de l'Université Harvard.