I avanserte felter som romfart og romutforskning, må materialene oppnå en presis balanse mellom lettvektsdesign, funksjonell fullstendighet og toleranse for ekstreme termiske svingninger. Legeringer med formminne har lenge vært ansett som svært lovende materialsystemer på grunn av deres utmerkede styrke, seighet og potensial for tøyningsgjenoppretting. I februar 2025 utviklet forskerteamet ledet av Ryosuke Kainuma ved Tohoku University i Japan, i samarbeid med internasjonale forskere, en titan-aluminium-krom-basert legering. Dette materialet kombinerer ultra-høy styrke, utmerket seighet og tilpasningsevne over et bredt temperaturområde, og er ansett i industrien som en teknologisk målestokk for neste generasjon titanlegeringer. Sammenligninger av superelastiske temperaturområder og lette egenskaper er vist i figur 1.
1. Design av ny lettvekts høy-legeringssammensetning
Ved å introdusere lettvektselementene aluminium (Al) og krom (Cr) i en titan (Ti) matrise, ble det utviklet en legering med en sammensetning av Ti–20Al–4,75Cr (atomprosent). Denne legeringen har en lav tetthet (4,36 × 10³ kg/m³) og en høy spesifikk styrke på opptil 185 × 10³ Pa·m³/kg, noe som overgår konvensjonelle Ti-Nb-baserte legeringer og kommersielle Ni-Ti-legeringer, samtidig som de lette egenskapene til titanlegeringer opprettholdes. De superelastiske egenskapene til nær<110>enkelt-Ti-Al-Cr-legeringer er vist i figur 2.
2. Ultra-superelastisk ytelse ved temperaturområde
Titan-aluminium-krom-baserte formminnelegeringer viser fullstendig utvinnbar superelastisitet over et ekstremt temperaturområde fra 4,2 K (nær absolutt null) til 400 K (omtrent 127 grader), som dekker et driftstemperaturspenn på 396 K, som er mer enn det kommersielle intervallet på 396 K, som er mer enn det kommersielle 273–353 K). Denne egenskapen adresserer problemet med superelastisk svikt i konvensjonelle formminnelegeringer ved lave eller høye temperaturer.
3. Unormal temperatur-avhengig fasetransformasjonsspenningsmekanisme
Den unormale temperaturavhengigheten til den kritiske spenningen for fasetransformasjon ble først oppdaget i ikke-magnetisk Ti-baserte legeringer: ved lave temperaturer (<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. Høy utvinnbar belastnings- og tretthetsmotstand
Legeringen viser en utvinnbar tøyning på 7,3 % ved romtemperatur, nær den for kommersielle Ni-Ti-legeringer (~8 %), som er mer enn det dobbelte av konvensjonelle Ti-Nb--baserte legeringer (<3%). Moreover, it maintains stable superelasticity even after 200 loading-unloading cycles, demonstrating excellent functional fatigue resistance.
5. Bestilt B2 struktur og nanodomene forsterkning
Gjennom rask quenching og termisk syklus danner legeringens overordnede fase nanodomener med en ordnet B2-struktur (gjennomsnittlig størrelse 15 nm), atskilt av anti-fasegrenser (APB). Denne ordnede nanostrukturen hemmer effektivt dislokasjonsglidning, øker motstanden mot plastisk deformasjon, samtidig som den opprettholder en høy elastisk belastning.
