从航空航天、能源基础设施到生物医学设备，钛合金是各种应用领域必不可少的结构材料。但与大多数金属一样，优化钛合金的性能往往需要在两个关键特性之间进行权衡：强度和延展性。强度较高的材料往往不易变形，而易变形的材料往往机械强度较低。

现在，麻省理工学院的研究人员与 ATI Specialty Materials 公司的研究人员合作，发现了一种制造新型钛合金的方法，可以超越这种历史性的权衡，从而制造出强度和延展性兼备的新型合金，这可能会带来新的应用。

这项研究成果发表在《先进材料》（Advanced Materials）杂志上，论文作者包括魏少楼（ScD '22 Shaolou Wei）、C. Cem Tasan教授、博士后Kyung-Shik Kim和ATI公司的John Foltz。研究小组表示，这些改进来自于对合金的化学成分和晶格结构的定制，同时还调整了用于工业化生产这种材料的加工技术。

钛合金之所以重要，是因为与钢材等相比，它具有优异的机械性能、耐腐蚀性和轻质等特点。通过精心选择合金元素及其相对比例，以及材料的加工方式，"可以创造出各种不同的结构，这为获得良好的性能组合，无论是低温还是高温创造了一个大舞台，"Tasan 说。但是，如此多的可能性反过来又需要一种方法来指导选择，以生产出满足特定应用需求的材料。新研究中描述的分析和实验结果提供了这种指导。

钛合金的结构一直到原子尺度都决定着其特性。在某些钛合金中，这种结构甚至更为复杂，由两种不同的混合相组成，即α相和β相。他说："这种设计方法的关键策略是考虑不同的尺度。一个尺度是单个晶体的结构。例如，通过精心选择合金元素，你可以获得更理想的α相晶体结构，从而实现特定的变形机制。另一个尺度是多晶体尺度，涉及α相和β相的相互作用。因此，这里所采用的方法涉及对两者的设计考虑。"

交叉轧制：增强性能的关键技术

除了选择正确的合金材料和比例外，加工步骤也发挥了重要作用。研究小组发现，一种名为交叉轧制的技术是实现强度和延展性完美结合的另一个关键。

研究小组与 ATI 研究人员合作，在扫描电子显微镜下测试了各种合金的变形情况，揭示了合金微观结构对外部机械负载的响应细节。他们发现，有一组特定的参数--成分、比例和加工方法--可以产生一种结构，在这种结构中，α相和β相均匀地分担了变形，减轻了当两相反应不同时可能出现的开裂倾向。Tasan说："各相变形和谐一致。他们发现，这种对变形的合作反应可以产生一种优质材料。"

"我们研究了材料的结构，以了解这两相及其形态，并通过在原子尺度上进行局部化学分析来研究它们的化学性质。我们采用了多种技术来量化材料在多个长度尺度上的各种特性，"浦项材料科学与工程教授兼冶金学副教授 Tasan 说。"当我们观察根据他们的系统生产的钛合金的整体特性时"，其特性确实比同类合金要好得多"。

这是一项由工业界支持的学术研究，旨在证明可大规模商业化生产的合金的设计原则。Tasan说："我们在这项合作中所做的工作实际上是为了从根本上理解晶体塑性。证明了这种设计策略是有效的，并从科学角度展示了它是如何工作的。至于这些研究成果的潜在应用，对于任何有助于提高强度和延展性组合的航空航天应用，这种发明都提供了新的机会。"