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從航空航天、能源基礎設施到生物醫學設備，鈦合金是各種應用領域必不可少的結構材料。但與大多數金屬一樣，優化鈦合金的性能往往需要在兩個關鍵特性之間進行權衡：強度和延展性。強度較高的材料往往不易變形，而易變形的材料往往機械強度較低。

現在，麻省理工學院的研究人員與 ATI Specialty Materials 公司的研究人員合作，發現了一種制造新型鈦合金的方法，可以超越這種歷史性的權衡，從而制造出強度和延展性兼備的新型合金，這可能會帶來新的應用。

這項研究成果發表在《先進材料》（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，這些改進來自于對合金的化學成分和晶格結構的定制，同時還調整了用于工業化生產這種材料的加工技術。

鈦合金之所以重要，是因為與鋼材等相比，它具有優異的機械性能、耐腐蝕性和輕質等特點。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，"可以創造出各種不同的結構，這為獲得良好的性能組合，無論是低溫還是高溫創造了一個大舞臺，"Tasan 說。但是，如此多的可能性反過來又需要一種方法來指導選擇，以生產出滿足特定應用需求的材料。新研究中描述的分析和實驗結果提供了這種指導。

鈦合金的結構一直到原子尺度都決定著其特性。在某些鈦合金中，這種結構甚至更為復雜，由兩種不同的混合相組成，即α相和β相。他說："這種設計方法的關鍵策略是考慮不同的尺度。一個尺度是單個晶體的結構。例如，通過精心選擇合金元素，你可以獲得更理想的α相晶體結構，從而實現特定的變形機制。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計考慮。"

交叉軋制：增強性能的關鍵技術

除了選擇正確的合金材料和比例外，加工步驟也發揮了重要作用。研究小組發現，一種名為交叉軋制的技術是實現強度和延展性完美結合的另一個關鍵。

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，揭示了合金微觀結構對外部機械負載的響應細節。他們發現，有一組特定的參數--成分、比例和加工方法--可以產生一種結構，在這種結構中，α相和β相均勻地分擔了變形，減輕了當兩相反應不同時可能出現的開裂傾向。Tasan說："各相變形和諧一致。他們發現，這種對變形的合作反應可以產生一種優質材料。"

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

這是一項由工業界支持的學術研究，旨在證明可大規模商業化生產的合金的設計原則。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。證明了這種設計策略是有效的，并從科學角度展示了它是如何工作的。至于這些研究成果的潛在應用，對于任何有助于提高強度和延展性組合的航空航天應用，這種發明都提供了新的機會。"