항공우주 및 우주 탐사와 같은 고급 분야에서{0}}재료는 경량 설계, 기능적 완전성, 극심한 열 변동에 대한 내성 사이에서 정밀한 균형을 이루어야 합니다. 형상기억합금은 우수한 강도, 인성 및 변형률 회복 가능성으로 인해 오랫동안 매우 유망한 재료 시스템으로 여겨져 왔습니다. 2025년 2월, 일본 도호쿠대학교 카이누마 료스케(Ryosuke Kainuma)가 이끄는 연구팀은 국제 학자들과 협력하여 티타늄-알루미늄-크롬- 기반 합금을 개발하는 데 성공했습니다. 이 소재는 초-초고강도, 우수한 인성, 넓은 온도 범위에 대한 적응성을 결합하고 업계 내에서 차세대 티타늄 합금에 대한 기술 벤치마크로 널리 간주됩니다. 초탄성 온도 범위와 경량 특성의 비교가 그림 1에 나와 있습니다.
1. 새로운 경량 고{1}}강도 합금 조성물 설계
티타늄(Ti) 매트릭스에 경량 원소인 알루미늄(Al)과 크롬(Cr)을 도입하여 Ti–20Al–4.75Cr(원자 백분율) 조성의 합금이 개발되었습니다. 이 합금은 밀도가 낮고(4.36 × 103 kg/m3) 최대 185 × 103 Pa·m3/kg의 높은 비강도를 가지며, 티타늄 합금의 경량 특성을 유지하면서 기존 Ti-Nb 기반 합금 및 상업용 Ni{8}}Ti 합금보다 훨씬 뛰어난 성능을 발휘합니다. 근처의 초탄성 특성<110>단결정-Ti-Al-Cr 합금이 그림 2에 나와 있습니다.
2. 매우-온도 범위가 넓은 초탄성 성능
티타늄-알루미늄-크롬- 기반 형상 기억 합금은 4.2K(절대 영도에 가깝다)부터 400K(약 127도)까지의 극한 온도 범위에서 완전히 회복 가능한 초탄성을 나타내며, 396K의 작동 온도 범위를 포괄합니다. 이는 상업용 Ni-Ti 합금(일반적으로 273~353K)의 5배 이상입니다. 이 특성은 저온 또는 고온에서 기존 형상기억합금의 초탄성 파손 문제를 해결합니다.
3. 비정상적인 온도-의존 상변태 응력 메커니즘
상변태를 위한 임계 응력의 비정상적인 온도 의존성은 비자성 Ti-계 합금에서 처음으로 발견되었습니다.<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. 높은 회복성 변형률 및 피로 저항성
이 합금은 실온에서 7.3%의 회복 가능한 변형률을 나타냅니다. 이는 상용 Ni-Ti 합금(~8%)에 가까운 수치이며, 이는 기존 Ti-Nb- 기반 합금의 두 배 이상입니다(<3%). Moreover, it maintains stable superelasticity even after 200 loading-unloading cycles, demonstrating excellent functional fatigue resistance.
5. B2 구조 정렬 및 나노도메인 강화
빠른 담금질과 열 순환을 통해 합금의 모상은 역상 경계(APB)로 분리된 정렬된 B2 구조(평균 크기 15 nm)를 갖는 나노 도메인을 형성합니다. 이 정렬된 나노구조는 전위 미끄러짐을 효과적으로 억제하고 소성 변형에 대한 저항성을 강화하는 동시에 높은 탄성 변형률을 유지합니다.
