Nei settori-di fascia alta, come quello aerospaziale e dell'esplorazione spaziale, i materiali devono raggiungere un equilibrio preciso tra design leggero, completezza funzionale e tolleranza alle fluttuazioni termiche estreme. Le leghe a memoria di forma sono state a lungo considerate sistemi di materiali altamente promettenti grazie alla loro eccellente resistenza, tenacità e potenziale di recupero della deformazione. Nel febbraio 2025, il gruppo di ricerca guidato da Ryosuke Kainuma presso l'Università di Tohoku in Giappone, in collaborazione con studiosi internazionali, ha sviluppato con successo una lega a base di titanio-alluminio-cromo-. Questo materiale combina resistenza ultra-elevata, eccellente tenacità e adattabilità in un ampio intervallo di temperature ed è ampiamente considerato nel settore come un punto di riferimento tecnologico per la prossima generazione di leghe di titanio. I confronti tra gli intervalli di temperatura superelastici e le proprietà leggere sono mostrati nella Figura 1.
1. Progettazione di una nuova composizione in lega-leggera e ad alta resistenza
Introducendo elementi leggeri alluminio (Al) e cromo (Cr) in una matrice di titanio (Ti), è stata sviluppata una lega con una composizione di Ti–20Al–4,75Cr (percentuale atomica). Questa lega ha una bassa densità (4,36 × 10³ kg/m³) e un'elevata resistenza specifica fino a 185 × 10³ Pa·m³/kg, superando significativamente le tradizionali leghe a base di Ti-Nb e le leghe commerciali di Ni-Ti, pur mantenendo le caratteristiche di leggerezza delle leghe di titanio. Le proprietà superelastiche del vicino<110>le leghe mono-cristallo Ti-Al-Cr sono mostrate nella Figura 2.
2. Prestazioni superelastiche con intervallo di temperature ultra-ampio
Le leghe a memoria di forma a base di titanio-alluminio-cromo- mostrano una superelasticità completamente recuperabile in un intervallo di temperature estreme da 4,2 K (vicino allo zero assoluto) a 400 K (circa 127 gradi), coprendo un intervallo di temperature operative di 396 K, che è più di cinque volte quello delle leghe commerciali Ni-Ti (tipicamente 273–353 K). Questa caratteristica affronta il problema del cedimento superelastico nelle leghe a memoria di forma convenzionali a basse o alte temperature.
3. Meccanismo di stress di trasformazione di fase dipendente dalla temperatura anomala
La dipendenza anomala dalla temperatura dello stress critico per la trasformazione di fase è stata scoperta per la prima volta nelle leghe non magnetiche a base di Ti-: a basse temperature (<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. Elevata resistenza alla deformazione e alla fatica recuperabile
La lega presenta una deformazione recuperabile del 7,3% a temperatura ambiente, vicina a quella delle leghe commerciali Ni-Ti (~8%), che è più del doppio di quella delle leghe convenzionali a base Ti-Nb- (<3%). Moreover, it maintains stable superelasticity even after 200 loading-unloading cycles, demonstrating excellent functional fatigue resistance.
5. Struttura ordinata B2 e rafforzamento dei nanodomini
Attraverso il rapido raffreddamento e il ciclo termico, la fase madre della lega forma nanodomini con una struttura B2 ordinata (dimensione media 15 nm), separati da confini di fase anti- (APB). Questa nanostruttura ordinata inibisce efficacemente lo scivolamento delle lussazioni, migliora la resistenza alla deformazione plastica, pur mantenendo un'elevata deformazione elastica.
