改进的钛合金 - 比目前市场上的任何商业钛合金更强 - 从原子排列形成特殊纳米结构的新方式获得其强度。有史以来第一次，研究人员已经能够看到这种对齐，然后对其进行操作，以制造出最坚固的钛合金，并且开发成本更低。

　　他们在4月1日由Nature Communications发表的一篇论文中指出，该材料是生产轻型汽车零件的理想选择，而这种新发现的理解可能会导致其他高强度合金的产生。

　　能源部太平洋西北国家实验室的研究人员知道，他们之前开创的低成本工艺制造的钛合金具有非常好的机械性能，但他们想知道如何使其更强大。使用强大的电子显微镜和独特的原子探针成像方法，他们能够深入了解合金的纳米结构，看看发生了什么。一旦他们理解了纳米结构，他们就能够制造出迄今为止最坚固的钛合金。

　　把它混合起来

　　低碳钢重量的45%，钛是轻质但不是超强元素。它通常与其他金属混合使其更强。五十年前，冶金学家尝试将其与廉价的铁，钒和铝混合。由此产生的合金，称为Ti185非常强 - 但只在某些地方。混合物倾向于结块 - 就像任何食谱一样。铁聚集在某些区域，在材料中产生称为β斑点的缺陷，使得难以可靠地商业生产该合金。

　　大约六年前，PNNL及其合作者找到了解决这个问题的方法，并开发了一种低成本的工艺生产材料，这是以前没有做过的。该团队用氢化钛粉代替了熔融钛。通过使用这种原料，他们将处理时间缩短了一半，并且大大降低了能源需求 - 导致一家名为Advance Materials Inc.的公司现在使用的低成本工艺ADMA与PNNL冶金学家Curt Lavender共同开发了这一工艺。并将氢化钛粉末和其他先进材料出售给航空航天业和其他公司。

　　现代铁匠

　　就像中世纪的铁匠一样，研究人员知道他们可以通过热处理使这种合金更加坚固。在不同温度下在炉子中加热合金然后将其插入冷水中基本上以不同方式在原子水平上重新排列元素，从而使得到的材料更强。

　　锻造现在已从艺术形式转变为更科学的领域。虽然基本原理是相同的，但冶金学家现在能够更好地根据应用需求改变属性。PNNL团队知道他们是否能够看到纳米级的微观结构，他们可以优化热处理工艺来定制纳米结构并实现非常高的强度。

　　“我们发现，如果你在低温热处理步骤之前首先用更高的温度对其进行热处理，你可以制造比目前市场上任何商业钛合金强10-15%的钛合金，并且它的强度大约是其两倍“钢铁，”PNNL的材料科学家Arun Devaraj说道。PNNL的冶金学家Vineet Joshi补充说：“这种合金仍然比钢更贵，但凭借其强度与成本比，它变得更加经济实惠，具有更大的轻型汽车应用潜力。”

　　Devaraj和团队使用电子显微镜以数百纳米的比例放大合金 - 约为人类头发平均宽度的1000倍。然后，他们进一步放大，看看各个原子是如何使用位于PNNL的DOE科学用户设施环境分子科学实验室EMSL的原子探针层析成像系统以3-D排列的。

　　原子探针一次只移除一个原子并将其发送到检测器。较轻的原子更快地“飞”到探测器，而较重的物体稍后到达。根据每个原子到达探测器所需的时间来识别每种原子类型，并且每个原子的位置由探测器识别。因此，科学家们能够构建样本的原子图，以查看每个原子在样本中的位置。

　　通过使用如此广泛的显微镜方法，研究人员发现，通过优化的热处理工艺，他们在称为β相的基质中产生了微米级和纳米级的沉淀区域 - 称为α相 - 各自具有高浓度的某些元素。

　　“铝和钛原子喜欢在纳米尺寸的α相内沉淀，而钒和铁更喜欢转移到β基质相，”Devaraj说。原子在这两个区域中排列不同。在1,450华氏度的较高温度下处理区域实现了独特的分层纳米结构。

　　当通过拉伸或施加张力并将其拉伸直至其失效来测量强度时，经处理的材料实现了10-15%的强度增加，这是显着的，特别是考虑到生产过程的低成本。

　　如果你用力拉动它并将其除以材料的面积，你可以得到以兆帕为单位的拉伸强度。用于生产汽车的钢材具有800-900兆帕斯卡的抗拉强度，而PNNL的10-15%的增加使Ti185达到近1,700兆帕斯卡，或大约是汽车钢强度的两倍，而几乎是光的一半。

　　该团队与德克萨斯A&M材料科学与工程部助理教授Ankit Srivastava合作开发了一个简单的数学模型，用于解释分层纳米结构如何产生极高的强度。该模型与显微镜结果和加工相比，发现了迄今为止最强的钛合金。

　　“这推动了我们用钛合金做的事情的界限，”Devaraj说。“现在我们了解发生了什么以及为什么这种合金具有如此高的强度，研究人员相信他们可以通过故意创造看起来像Ti185中的微观结构来修改其他合金。”

　　例如，铝是一种较便宜的金属，如果可以看到铝合金的纳米结构并以类似的方式分层排列，这也将有助于汽车工业建造更轻的车辆，使用更少的燃料，减少二氧化碳的排放，气候变暖。