W-specjalistycznych dziedzinach, takich jak lotnictwo i eksploracja kosmosu, materiały muszą zapewniać precyzyjną równowagę między lekką konstrukcją, kompletnością funkcjonalną i tolerancją na ekstremalne wahania temperatury. Stopy z pamięcią kształtu od dawna uważane są za wysoce obiecujące systemy materiałowe ze względu na ich doskonałą wytrzymałość, udarność i potencjał odzyskiwania naprężeń. W lutym 2025 r. zespół badawczy kierowany przez Ryosuke Kainumę z Uniwersytetu Tohoku w Japonii we współpracy z międzynarodowymi naukowcami pomyślnie opracował stop na bazie tytanu-aluminium-chromu-. Materiał ten łączy w sobie ultra-wysoką wytrzymałość, doskonałą wytrzymałość i zdolność adaptacji w szerokim zakresie temperatur i jest powszechnie uważany w branży za technologiczny punkt odniesienia dla następnej generacji stopów tytanu. Porównanie supersprężystych zakresów temperatur i właściwości lekkich pokazano na rysunku 1.
1. Projekt nowej lekkiej kompozycji stopowej-o wysokiej wytrzymałości
Wprowadzając lekkie pierwiastki aluminium (Al) i chrom (Cr) do osnowy tytanu (Ti), opracowano stop o składzie Ti–20Al–4,75Cr (w procentach atomowych). Stop ten ma niską gęstość (4,36 × 103 kg/m3) i wysoką wytrzymałość właściwą do 185 × 103 Pa·m3/kg, co znacznie przewyższa konwencjonalne stopy na bazie Ti-Nb i komercyjne stopy Ni-Ti, przy jednoczesnym zachowaniu lekkości stopów tytanu. Supersprężyste właściwości blisko<110>Stopy monokrystaliczne Ti-Al-Cr pokazano na rysunku 2.
2. Superelastyczne działanie w-szerokim zakresie temperatur
Stopy z pamięcią kształtu na bazie tytanu-aluminium-chromu- wykazują w pełni odzyskiwalną supersprężystość w ekstremalnym zakresie temperatur od 4,2 K (blisko zera absolutnego) do 400 K (około 127 stopni), w zakresie temperatur roboczych 396 K, czyli ponad pięć razy więcej niż komercyjne stopy Ni-Ti (zwykle 273–353 K). Ta cecha rozwiązuje problem supersprężystego uszkodzenia konwencjonalnych stopów z pamięcią kształtu w niskich lub wysokich temperaturach.
3. Nieprawidłowa temperatura-Mechanizm naprężenia zależnej transformacji fazowej
Nieprawidłową zależność naprężenia krytycznego transformacji fazowej od temperatury po raz pierwszy odkryto w niemagnetycznych stopach na bazie Ti-Ti-: w niskich temperaturach (<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. Wysoka odzyskiwalna odporność na odkształcenia i zmęczenie
Stop wykazuje możliwe do odzyskania odkształcenie 7,3% w temperaturze pokojowej, zbliżone do komercyjnego stopu Ni-Ti (~8%), czyli ponad dwukrotnie więcej niż w przypadku konwencjonalnych stopów na bazie Ti-Nb- (<3%). Moreover, it maintains stable superelasticity even after 200 loading-unloading cycles, demonstrating excellent functional fatigue resistance.
5. Uporządkowana struktura B2 i wzmocnienie nanodomeny
Dzięki szybkiemu hartowaniu i cyklom termicznym faza macierzysta stopu tworzy nanodomeny o uporządkowanej strukturze B2 (średnia wielkość 15 nm), oddzielone anty-granicami faz (APB). Ta uporządkowana nanostruktura skutecznie hamuje poślizg dyslokacyjny, zwiększa odporność na odkształcenia plastyczne, zachowując jednocześnie wysokie odkształcenie sprężyste.
