In hoogwaardige- gebieden zoals lucht- en ruimtevaart moeten materialen een nauwkeurig evenwicht bereiken tussen lichtgewicht ontwerp, functionele volledigheid en tolerantie voor extreme thermische schommelingen. Legeringen met vormgeheugen worden lange tijd beschouwd als veelbelovende materiaalsystemen vanwege hun uitstekende sterkte, taaiheid en rekherstelpotentieel. In februari 2025 ontwikkelde het onderzoeksteam onder leiding van Ryosuke Kainuma van de Tohoku Universiteit in Japan, in samenwerking met internationale wetenschappers, met succes een legering op basis van titanium-aluminium-chroom-. Dit materiaal combineert ultra-hoge sterkte, uitstekende taaiheid en aanpassingsvermogen over een breed temperatuurbereik, en wordt binnen de industrie algemeen beschouwd als een technologische maatstaf voor de volgende generatie titaniumlegeringen. Vergelijkingen van superelastische temperatuurbereiken en lichtgewichteigenschappen worden getoond in Figuur 1.
1. Ontwerp van een nieuwe lichtgewicht legeringssamenstelling met hoge- sterkte
Door de lichtgewicht elementen aluminium (Al) en chroom (Cr) in een titanium (Ti) matrix te introduceren, werd een legering met een samenstelling van Ti–20Al–4,75Cr (atoompercentage) ontwikkeld. Deze legering heeft een lage dichtheid (4,36 × 10³ kg/m³) en een hoge specifieke sterkte tot 185 × 10³ Pa·m³/kg, en presteert aanzienlijk beter dan conventionele Ti-Nb-gebaseerde legeringen en commerciële Ni-Ti-legeringen, terwijl de lichtgewichteigenschappen van titaniumlegeringen behouden blijven. De superelastische eigenschappen van dichtbij<110>Enkel-kristallen Ti-Al-Cr-legeringen worden weergegeven in Figuur 2.
2. Superelastische prestaties met ultra-breed temperatuurbereik
Op titanium-aluminium-chroom-gebaseerde legeringen met vormgeheugen vertonen een volledig herstelbare superelasticiteit over een extreem temperatuurbereik van 4,2 K (bijna het absolute nulpunt) tot 400 K (ongeveer 127 graden), wat neerkomt op een operationeel temperatuurbereik van 396 K, wat meer is dan vijf keer dat van commerciële Ni-Ti-legeringen (doorgaans 273–353 K). Dit kenmerk pakt het probleem aan van superelastisch falen in conventionele legeringen met vormgeheugen bij lage of hoge temperaturen.
3. Abnormale temperatuur-Afhankelijk fase-transformatie-stressmechanisme
De abnormale temperatuurafhankelijkheid van de kritische spanning voor fasetransformatie werd voor het eerst ontdekt in niet-magnetische Ti--gebaseerde legeringen: bij lage temperaturen (<200 K), the critical stress increases as the temperature decreases. This phenomenon is revealed through lattice dynamics analysis and is attributed to the significant increase in the shear modulus (C') of the parent phase (B2 structure) at low temperatures, which enhances the lattice's resistance to shear deformation, thereby broadening the temperature range for superelasticity.
4. Hoge herstelbare weerstand tegen spanning en vermoeidheid
De legering vertoont een herstelbare rek van 7,3% bij kamertemperatuur, dicht bij die van commerciële Ni-Ti-legeringen (~8%), wat meer dan tweemaal zo groot is als die van conventionele op Ti-Nb-gebaseerde legeringen (<3%). Moreover, it maintains stable superelasticity even after 200 loading-unloading cycles, demonstrating excellent functional fatigue resistance.
5. Bestelde B2-structuur en nanodomeinversterking
Door snelle uitdoving en thermische cycli vormt de moederfase van de legering nanodomeinen met een geordende B2-structuur (gemiddelde grootte 15 nm), gescheiden door anti{2}}fasegrenzen (APB). Deze geordende nanostructuur remt effectief dislocatieslip, verbetert de weerstand tegen plastische vervorming, terwijl een hoge elastische spanning behouden blijft.
