2016年4月5日
比目前在市场上的任何商业钛合金都强的钛合金合金从创新的原子安排形成特殊的纳米结构。来自能源部西北国家实验室（PNNL）成功地观察了这种安排，并操纵它以创造有史以来最强的钛合金，并以较低的流程成本。
使用原子探针断层扫描，研究人员能够创建该钛合金中各种原子布置的“原子图”。（信用：太平洋西北国家实验室）
研究人员在《自然通信杂志》中报道的一篇论文中描述了他们的工作。根据他们的说法，这种材料是制造较轻的车辆组件的理想选择，研究人员所取得的进步可以帮助开发其他高强度合金。
在较早的研究中，研究人员已经证明了钛合金从低成本工艺产生的卓越机械性能。在新研究中，他们探索了如何制造更强大的钛合金。他们能够使用独特的原子探针成像方法和强大的电子显微镜来了解合金的纳米结构。有了这些知识，他们开发了有史以来最强的钛合金。
钛是轻量级的，占低碳钢重量的45％，并且没有优势的强度。为了获得更强的合金，通常将其与其他材料混合。亚博网站下载五十年前，冶金学家通过将钛与低成本铁，铝和钒融合在一起，创建了一种名为TI185的合金。但是，仅在某些地方观察到这种合金的优势强度，并且合金具有结块的趋势。铁在某些地区聚集，导致β斑点缺陷，使该合金不适合可靠的商业生产。
在大约六年前进行的一项早期研究中，PNNL研究人员及其合作者为合金的工业规模生产设计了一个低成本的过程。他们使用氢化钛粉代替熔融钛作为起始材料，从而大大减少了能量需求，并将加工时间缩短了一半。这导致了Advance Materials Inc当前正在使用的低成本流程，后者与PNNL冶金学Curt薰衣草共同开发了该方法亚博网站下载。该公司将高级材料（例如氢化钛粉末）出售给包括航空航天在亚博网站下载内的行业。
PNNL团队更像是中世纪的铁匠，知道使用热处理过程可能会产生更强的合金。可以通过在各种温度下加热炉子中的材料，然后在冷水中冷却，以产生更强的材料，然后将其加热，然后在原子水平上以不同的方式重新排列这些元素。
锻造现已从艺术形式转变为一种更科学的方法。即使基本原理保持不变，冶金学家也可以根据特定应用程序的要求来完善属性。PNNL研究人员知道，如果可以观察合金的纳米结构，他们可以改善热处理过程，以获得量身定制的纳米结构并制造有史以来最强的钛合金。
我们发现，如果您在低温热处理步骤之前先以较高的温度进行热处理，则可以创建比目前市场上任何商业钛合金强10-15％的钛合金，并且其强度大约是一倍钢。
Arun Devaraj，材亚博网站下载料科学家，PNNL
“这种合金仍然比钢昂贵，但其强度与成本的比率更加负担得起，并且具有更大的轻型汽车应用潜力，”在PNNL担任冶金学家的Vineet Joshi添加了Joshi。
使用电子显微镜，Devaraj和合作者以数百个纳米尺度的分辨率观察了合金的显微结构。位于PNNL的科学用户设施办公室（EMSL）环境分子科学实验室（EMSL）的原子探针断层扫描系统用于观察3D中单个原子的排列。亚博老虎机网登录
原子探针单独移动原子并将其发送到检测器。与较重的原子相比，打火机的到达时间较低。每个原子的识别基于原子到达检测器所花费的时间。检测器能够识别每个原子的位置，从而使研究人员能够生成样品的原子图，以观察每个原子在其内部的位置。
研究人员发现，他们优化的热处理过程产生了具有α相的合金，该合金由称为β相的基质中的微米大小和纳米化沉淀区组成。每个区域的某些元素浓度较高。
铝和钛原子喜欢在纳米大小的α相沉淀物内，而钒和铁更喜欢移动到β基质相。
阿伦Devaraj，材亚博网站下载料科学家，pnnl
在这两个区域中，原子布置有所不同。当在1,450°F处理区域时，获得了独特的分层纳米结构。
经过处理的材料显示，拉伸强度增加了10％至15％，这是一项重要的成就，同时考虑了该过程的低成本。汽车钢的拉伸强度约为800-900 mPa，而PNNL研究人员获得的10％至15％的增加，导致Ti185，其张力强度（1700 MPa）的自动钢钢的重量近一倍，重量近一-一半。
PNNL研究人员使用了与德克萨斯A＆M的材料科学和工程系的助理教授Ankit Srivastava合作开发的简单数学模型，对由于等级纳米结构而获得的极高强度的洞察力。亚博老虎机网登录使用模拟结果，显微镜结果和过程，PNNL团队发现了有史以来最强的钛合金。
这推动了我们可以使用钛合金的边界。现在，我们了解正在发生的事情以及这种合金具有如此高强度的原因，研究人员认为，他们可能能够通过故意创建看起来像TI185中的微观结构来修饰其他合金。
阿伦Devaraj，材亚博网站下载料科学家，pnnl
例如，如果可以观察廉价铝合金的纳米结构，并以类似的方式进行分层排列，则汽车制造商可以生产更轻的车辆，减少燃料和释放较少的二氧化碳，为全球造成的温室气体释放，为全球造成全球含量变暖。
DOE的车辆技术办公室 - 推进材料计划为这项研究工作提供了支持，利用PNNL内部资助的化学成亚博网站下载像计划开发的能力。