In High-End-Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt sowie der Weltraumforschung müssen Materialien ein präzises Gleichgewicht zwischen leichtem Design, funktionaler Vollständigkeit und Toleranz gegenüber extremen thermischen Schwankungen erreichen. Formgedächtnislegierungen gelten aufgrund ihrer hervorragenden Festigkeit, Zähigkeit und ihres Dehnungsrückgewinnungspotenzials seit langem als vielversprechende Materialsysteme. Im Februar 2025 entwickelte das Forschungsteam unter der Leitung von Ryosuke Kainuma an der Tohoku-Universität in Japan in Zusammenarbeit mit internationalen Wissenschaftlern erfolgreich eine Legierung auf Titan-Aluminium-Chrom--Basis. Dieses Material vereint ultrahohe Festigkeit, hervorragende Zähigkeit und Anpassungsfähigkeit über einen weiten Temperaturbereich und gilt in der Branche weithin als technologischer Maßstab für die nächste Generation von Titanlegierungen. Vergleiche der superelastischen Temperaturbereiche und Leichtbaueigenschaften sind in Abbildung 1 dargestellt.
1. Design einer neuen leichten, hochfesten Legierungszusammensetzung
Durch das Einbringen der Leichtelemente Aluminium (Al) und Chrom (Cr) in eine Titanmatrix (Ti) wurde eine Legierung mit einer Zusammensetzung von Ti–20Al–4,75Cr (Atomprozent) entwickelt. Diese Legierung hat eine geringe Dichte (4,36 × 10³ kg/m³) und eine hohe spezifische Festigkeit von bis zu 185 × 10³ Pa·m³/kg und übertrifft damit herkömmliche Legierungen auf Ti-Nb-Basis und kommerzielle Ni-Ti-Legierungen deutlich, während die leichten Eigenschaften von Titanlegierungen erhalten bleiben. Die superelastischen Eigenschaften von near<110>Einkristalline Ti-Al-Cr-Legierungen sind in Abbildung 2 dargestellt.
2. Superelastische Leistung über einen extrem breiten Temperaturbereich
Formgedächtnislegierungen auf Titan-Aluminium-Chrom--Basis weisen eine vollständig wiederherstellbare Superelastizität über einen extremen Temperaturbereich von 4,2 K (nahe dem absoluten Nullpunkt) bis 400 K (ca. 127 Grad Celsius) auf und decken eine Betriebstemperaturspanne von 396 K ab, was mehr als dem Fünffachen der kommerziellen Ni-Ti-Legierungen (typischerweise 273–353 K) entspricht. Diese Eigenschaft befasst sich mit dem Problem des superelastischen Versagens herkömmlicher Formgedächtnislegierungen bei niedrigen oder hohen Temperaturen.
3. Abnormale Temperatur-Abhängiger Spannungsmechanismus der Phasenumwandlung
Die abnormale Temperaturabhängigkeit der kritischen Spannung für die Phasenumwandlung wurde erstmals in nicht-magnetischen Legierungen auf Ti--Basis entdeckt: bei niedrigen Temperaturen (<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. Hohe erholbare Dehnung und Ermüdungsbeständigkeit
Die Legierung weist bei Raumtemperatur eine erzielbare Dehnung von 7,3 % auf, was nahe an der von kommerziellen Ni-Ti-Legierungen (~8 %) liegt, was mehr als doppelt so hoch ist wie die von herkömmlichen Legierungen auf Ti-Nb--Basis (<3%). Moreover, it maintains stable superelasticity even after 200 loading-unloading cycles, demonstrating excellent functional fatigue resistance.
5. Geordnete B2-Struktur und Nanodomänenverstärkung
Durch schnelles Abschrecken und thermische Zyklen bildet die Ausgangsphase der Legierung Nanodomänen mit einer geordneten B2-Struktur (durchschnittliche Größe 15 nm), getrennt durch Anti---Phasengrenzen (APB). Diese geordnete Nanostruktur verhindert wirksam das Versetzungsrutschen, erhöht den Widerstand gegen plastische Verformung und behält gleichzeitig eine hohe elastische Spannung bei.
