Trong-các lĩnh vực cao cấp như hàng không vũ trụ và thám hiểm không gian, vật liệu cần đạt được sự cân bằng chính xác giữa thiết kế nhẹ, tính hoàn thiện về chức năng và khả năng chịu biến động nhiệt cực độ. Hợp kim ghi nhớ hình dạng từ lâu đã được coi là hệ thống vật liệu có triển vọng cao do độ bền, độ dẻo dai và khả năng phục hồi biến dạng tuyệt vời của chúng. Vào tháng 2 năm 2025, nhóm nghiên cứu do Ryosuke Kainuma tại Đại học Tohoku ở Nhật Bản dẫn đầu, phối hợp với các học giả quốc tế, đã phát triển thành công hợp kim dựa trên titan{4}}nhôm-crom{6}}. Vật liệu này kết hợp độ bền cực cao, độ dẻo dai tuyệt vời và khả năng thích ứng trong phạm vi nhiệt độ rộng và được coi rộng rãi trong ngành như một chuẩn mực công nghệ cho thế hệ hợp kim titan tiếp theo. So sánh phạm vi nhiệt độ siêu đàn hồi và đặc tính nhẹ được thể hiện trong Hình 1.
1. Thiết kế thành phần hợp kim có độ bền cao{1}}nhẹ nhẹ mới
Bằng cách đưa các nguyên tố nhẹ nhôm (Al) và crom (Cr) vào ma trận titan (Ti), một hợp kim có thành phần Ti–20Al–4,75Cr (phần trăm nguyên tử) đã được phát triển. Hợp kim này có mật độ thấp (4,36 × 10³ kg/m³) và cường độ riêng cao lên tới 185 × 10³ Pa·m³/kg, vượt trội đáng kể so với các hợp kim dựa trên Ti-Nb thông thường và hợp kim Ni-Ti thương mại, trong khi vẫn duy trì các đặc tính nhẹ của hợp kim titan. Tính chất siêu đàn hồi của gần<110>hợp kim đơn-tinh thể Ti-Al-Cr được thể hiện trong Hình 2.
2. Hiệu suất siêu đàn hồi ở phạm vi nhiệt độ cực rộng
Hợp kim ghi nhớ hình dạng dựa trên titan{0}}nhôm-crom{2}} thể hiện tính siêu đàn hồi có thể phục hồi hoàn toàn trong phạm vi nhiệt độ cực cao từ 4,2 K (gần độ không tuyệt đối) đến 400 K (khoảng 127 độ ), bao gồm khoảng nhiệt độ hoạt động là 396 K, gấp hơn năm lần so với hợp kim Ni-Ti thương mại (thường là 273–353 K). Đặc tính này giải quyết vấn đề hư hỏng siêu đàn hồi trong các hợp kim nhớ hình dạng thông thường ở nhiệt độ thấp hoặc cao.
3. Nhiệt độ bất thường-Cơ chế ứng suất chuyển pha phụ thuộc
Sự phụ thuộc bất thường vào nhiệt độ của ứng suất tới hạn đối với sự biến đổi pha lần đầu tiên được phát hiện trong các hợp kim dựa trên Ti-không từ tính: ở nhiệt độ thấp (<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. Khả năng phục hồi cao và khả năng chống mỏi
Hợp kim này có độ biến dạng có thể phục hồi là 7,3% ở nhiệt độ phòng, gần bằng độ biến dạng của hợp kim Ni-Ti thương mại (~8%), cao hơn gấp đôi so với hợp kim dựa trên Ti-Nb-thông thường (<3%). Moreover, it maintains stable superelasticity even after 200 loading-unloading cycles, demonstrating excellent functional fatigue resistance.
5. Cấu trúc B2 có trật tự và tăng cường tên miền nano
Thông qua quá trình làm nguội nhanh và chu kỳ nhiệt, pha gốc của hợp kim tạo thành các miền nano có cấu trúc B2 có trật tự (kích thước trung bình 15 nm), được phân tách bằng các ranh giới phản pha (APB). Cấu trúc nano có trật tự này ngăn chặn hiệu quả sự trượt trật khớp, tăng cường khả năng chống biến dạng dẻo, đồng thời duy trì độ biến dạng đàn hồi cao.
