في المجالات المتطورة-مثل الفضاء واستكشاف الفضاء، تحتاج المواد إلى تحقيق توازن دقيق بين التصميم خفيف الوزن، والاكتمال الوظيفي، والقدرة على تحمل التقلبات الحرارية الشديدة. لطالما اعتبرت سبائك ذاكرة الشكل أنظمة مواد واعدة للغاية نظرًا لقوتها وصلابتها وإمكانية استعادة الضغط. في فبراير 2025، نجح فريق البحث بقيادة ريوسوكي كاينوما في جامعة توهوكو في اليابان، بالتعاون مع علماء دوليين، في تطوير سبيكة أساسها التيتانيوم-الألومنيوم-الكروم-. تجمع هذه المادة بين -القوة العالية جدًا والمتانة الممتازة والقدرة على التكيف عبر نطاق واسع من درجات الحرارة، وتُعتبر على نطاق واسع داخل الصناعة بمثابة معيار تكنولوجي للجيل القادم من سبائك التيتانيوم. يظهر الشكل 1 مقارنات بين نطاقات درجات الحرارة فائقة المرونة وخصائص الوزن الخفيف.
1. تصميم تركيبة جديدة من السبائك خفيفة الوزن وعالية القوة-.
من خلال إدخال عناصر خفيفة الوزن مثل الألومنيوم (Al) والكروم (Cr) في مصفوفة التيتانيوم (Ti)، تم تطوير سبيكة بتركيبة Ti-20Al-4.75Cr (النسبة الذرية). تتميز هذه السبيكة بكثافة منخفضة (4.36 × 10³ كجم/م³) وقوة نوعية عالية تصل إلى 185 × 10³ Pa·m³/kg، وتتفوق بشكل ملحوظ على السبائك التقليدية القائمة على Ti-Nb وسبائك Ni-Ti التجارية، مع الحفاظ على خصائص الوزن الخفيف لسبائك التيتانيوم. خصائص المرونة الفائقة القريبة<110>تظهر سبائك -بلورة Ti-Al-Cr المفردة في الشكل 2.
2. نطاق درجة حرارة واسع جدًا-أداء فائق المرونة
تظهر سبائك ذاكرة الشكل القائمة على التيتانيوم-الألومنيوم-الكروم- مرونة فائقة قابلة للاسترداد بالكامل عبر نطاق درجة حرارة شديد يتراوح من 4.2 كلفن (بالقرب من الصفر المطلق) إلى 400 كلفن (حوالي 127 درجة)، مما يغطي نطاق درجة حرارة تشغيلية يبلغ 396 كلفن، وهو أكثر من خمسة أضعاف سبائك Ni-Ti التجارية (عادةً 273–353 كلفن). تعالج هذه الخاصية مشكلة فشل المرونة الفائقة في السبائك ذات الشكل التقليدي ذات الذاكرة عند درجات حرارة منخفضة أو عالية.
3. درجة الحرارة غير الطبيعية-آلية إجهاد تحويل الطور التابع
تم اكتشاف الاعتماد غير الطبيعي على درجة الحرارة للإجهاد الحرج لتحويل الطور لأول مرة في السبائك غير القائمة على -Ti-: عند درجات حرارة منخفضة (<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. مقاومة عالية للإجهاد والتعب
تعرض السبيكة سلالة قابلة للاسترداد بنسبة 7.3% في درجة حرارة الغرفة، قريبة من تلك الخاصة بسبائك Ni-Ti التجارية (~8%)، وهو أكثر من ضعف السبائك التقليدية القائمة على Ti-Nb- (<3%). Moreover, it maintains stable superelasticity even after 200 loading-unloading cycles, demonstrating excellent functional fatigue resistance.
5. تم طلب هيكل B2 وتقوية المجال النانوي
من خلال التبريد السريع والتدوير الحراري، يشكل الطور الأصلي للسبيكة مجالات نانوية ذات بنية B2 مرتبة (متوسط الحجم 15 نانومتر)، مفصولة بحدود الطور المضادة - (APB). تمنع هذه البنية النانوية المطلوبة بشكل فعال انزلاق الخلع، وتعزز مقاومة التشوه البلاستيكي، مع الحفاظ على إجهاد مرن عالي.
