I ricercatori del MIT identificano le vie per raggiungere leghe di titanio più resistenti

I risultati sono descritti nella rivista Advanced Materials, in un articolo di Shaolou Wei ScD '22, del professor C. Cem Tasan, del postdoc Kyung-Shik Kim e di John Foltz di ATI Inc. I miglioramenti, afferma il team, derivano dalla personalizzazione del composizione chimica e la struttura reticolare della lega, adeguando anche le tecniche di lavorazione utilizzate per produrre il materiale su scala industriale.

Le leghe di titanio sono state importanti per le loro eccezionali proprietà meccaniche, resistenza alla corrosione e leggerezza rispetto all'acciaio. Attraverso un'attenta selezione degli elementi di lega e delle loro relative proporzioni, e del modo in cui il materiale viene lavorato, "è possibile creare varie strutture, e questo crea un grande parco giochi per ottenere buone combinazioni di proprietà, sia per temperature criogeniche che elevate", Tasan dice.

Ma questo vasto assortimento di possibilità a sua volta richiede un modo per guidare le selezioni per produrre un materiale che soddisfi le esigenze specifiche di una particolare applicazione. L’analisi e i risultati sperimentali descritti nel nuovo studio forniscono tale guida.

La struttura delle leghe di titanio, fino alla scala atomica, ne governa le proprietà, spiega Tasan. E in alcune leghe di titanio, questa struttura è ancora più complessa, composta da due diverse fasi mescolate, note come fasi alfa e beta.

"La strategia chiave in questo approccio progettuale è prendere in considerazione scale diverse", afferma. "Una scala è la struttura del singolo cristallo. Ad esempio, scegliendo attentamente gli elementi di lega, si può avere una struttura cristallina più ideale della fase alfa che consente particolari meccanismi di deformazione. L'altra scala è la scala policristallina, che coinvolge interazioni delle fasi alfa e beta, quindi l'approccio seguito qui implica considerazioni di progettazione per entrambe."

Oltre alla scelta dei giusti materiali di lega e delle giuste proporzioni, le fasi della lavorazione si sono rivelate svolgere un ruolo importante. Il team ha scoperto che una tecnica chiamata cross-rolling è un’altra chiave per ottenere l’eccezionale combinazione di resistenza e duttilità.

Lavorando insieme ai ricercatori dell'ATI, il team ha testato una varietà di leghe al microscopio elettronico a scansione mentre venivano deformate, rivelando dettagli su come le loro microstrutture rispondono al carico meccanico esterno. Hanno scoperto che esisteva un particolare insieme di parametri – di composizione, proporzioni e metodo di lavorazione – che producevano una struttura in cui le fasi alfa e beta condividevano la deformazione in modo uniforme, mitigando la tendenza alla fessurazione che è probabile che si verifichi tra le fasi quando rispondono diversamente. "Le fasi si deformano in armonia", afferma Tasan. Hanno scoperto che questa risposta cooperativa alla deformazione può produrre un materiale superiore.

"Abbiamo esaminato la struttura del materiale per comprendere queste due fasi e le loro morfologie, e abbiamo esaminato la loro chimica eseguendo analisi chimiche locali su scala atomica. Abbiamo adottato un'ampia varietà di tecniche per quantificare le varie proprietà del materiale attraverso scale di lunghezza multiple, afferma Tasan, professore POSCO di Scienza e Ingegneria dei Materiali e professore associato di metallurgia "Quando guardiamo le proprietà complessive" delle leghe di titanio prodotte secondo il loro sistema, "le proprietà sono molto migliori di paragonabile leghe."

Secondo Tasan, si trattava di una ricerca accademica supportata dall'industria volta a dimostrare i principi di progettazione delle leghe che possono essere prodotte commercialmente su larga scala. "Ciò che facciamo in questa collaborazione è in realtà finalizzato a una comprensione fondamentale della plasticità dei cristalli", afferma. "Dimostriamo che questa strategia di progettazione è validata e mostriamo scientificamente come funziona", aggiunge, sottolineando che rimane un ampio margine di ulteriore miglioramento.

Per quanto riguarda le potenziali applicazioni di questi risultati, afferma: "Per qualsiasi applicazione aerospaziale in cui sia utile una migliore combinazione di resistenza e duttilità, questo tipo di invenzione offre nuove opportunità".

Il lavoro è stato supportato da ATI Specialty Rolled Products e ha utilizzato le strutture del MIT Nano e del Center for Nanoscale Systems dell'Università di Harvard.