Используя компьютерное моделирование, Альберто Феррари (Alberto Ferrari) из Междисциплинарного центра современного моделирования материалов Icams предложил проектное предложение для сплава с памятью формы, которое прослужит долго даже при высоких температурах. Александр Полсен из Института материалов Рурского университета в Бохуме подготовил и подтвердил прогноз экспериментально. Сплав титана, тантала и скандия — это не просто новый высокотемпературный сплав с памятью формы. Исследовательская группа показала, как использовать теоретические прогнозы, чтобы быстрее получать новые материалы.
Сплавы с памятью формы могут вернуться к своей первоначальной форме после деформации при изменении температуры. Это фазовое превращение основано на преобразовании кристаллической решетки, в которой расположены атомы металлов. «В дополнение к желаемым фазам существуют также те, которые формируют постоянно и значительно ослабляют эффект памяти формы или даже полностью разрушают его», — объясняет Ян Френцель из Института материалов. Омега-фаза всегда происходит при определенной температуре, которая зависит от состава материала. Многие предыдущие сплавы с памятью формы в высокотемпературной области, у каждого из которых было всего несколько деформаций, оказались непригодными для использования из-за образования омега-фазы.
Высокотемпературные сплавы с эффектом памяти формы основаны на смеси титана и тантала. Изменяя пропорции этих металлов в сплаве, исследователи могут влиять на температуру, при которой происходит омега-фаза. «Однако, к сожалению, случай, когда эту температуру можно повысить, также снижает температуру желаемого фазового превращения», — говорит Ян Френцель. Исследователи хотели детально понять механизмы входа омега-фазы и, таким образом, найти способы улучшить характеристики сплавов с памятью формы для диапазона высоких температур. Альберто Феррари (Alberto Ferrari), аспирант Icams, рассчитал стабильность соответствующих фаз в зависимости от температуры для различных составов титана и тантала.
На следующем этапе Альберто Феррари смоделировал включение небольших количеств третьих элементов в сплав с памятью формы из титана и тантала. Он отбирал кандидатов в соответствии с определенными критериями, например, они должны быть максимально нетоксичными. Выяснилось, что примесь нескольких процентов скандия должна была заставить сплав работать хорошо даже при высоких температурах. «Скандий действительно является одной из редких земель и, соответственно, дорогой. Но так как нам нужно только очень мало, это все равно стоит усилий», — объясняет Ян Френцель. Затем Александр Полсен произвел сплав, рассчитанный Альберто Феррари в Институте материалов, и проверил его свойства в эксперименте.
Результаты подтвердили расчеты. Микроскопическое исследование образцов позже показало, что даже после многих деформаций в кристаллической решетке сплава не было обнаружено омега-фазы. «Мы не только расширили наши базовые знания о сплавах с памятью формы на основе титана, но и разработали потенциально новые высокотемпературные сплавы с памятью формы», — говорит Ян Френцель. «Также замечательно, что прогнозы компьютерного моделирования настолько точны». Поскольку производство таких сплавов стоит очень дорого, реализация предложений по проектированию с помощью компьютера для новых материалов обещает гораздо более быстрый успех.