Dalam-bidang kelas atas seperti eksplorasi luar angkasa dan luar angkasa, material harus mencapai keseimbangan yang tepat antara desain ringan, kelengkapan fungsional, dan toleransi terhadap fluktuasi termal ekstrem. Paduan memori bentuk telah lama dianggap sebagai sistem material yang sangat menjanjikan karena kekuatan, ketangguhan, dan potensi pemulihan regangannya yang luar biasa. Pada bulan Februari 2025, tim peneliti yang dipimpin oleh Ryosuke Kainuma di Universitas Tohoku di Jepang, bekerja sama dengan pakar internasional, berhasil mengembangkan paduan berbasis titanium-aluminium-kromium-. Bahan ini menggabungkan kekuatan ultra-tinggi, ketangguhan luar biasa, dan kemampuan beradaptasi pada rentang suhu yang luas, dan secara luas dianggap dalam industri sebagai tolok ukur teknologi untuk paduan titanium generasi berikutnya. Perbandingan rentang suhu superelastis dan sifat ringan ditunjukkan pada Gambar 1.
1. Desain Komposisi Paduan Kekuatan Tinggi-Ringan Baru
Dengan memasukkan unsur ringan aluminium (Al) dan kromium (Cr) ke dalam matriks titanium (Ti), dikembangkan paduan dengan komposisi Ti–20Al–4,75Cr (persen atom). Paduan ini memiliki kepadatan yang rendah (4,36 × 10³ kg/m³) dan kekuatan spesifik yang tinggi hingga 185 × 10³ Pa·m³/kg, secara signifikan mengungguli paduan berbasis Ti-Nb konvensional dan paduan Ni-Ti komersial, dengan tetap mempertahankan karakteristik ringan dari paduan titanium. Sifat superelastis dari dekat<110>paduan-kristal Ti-Al-Cr tunggal ditunjukkan pada Gambar 2.
2. Kinerja superelastis rentang suhu ultra-lebar
Paduan memori bentuk berbasis titanium-aluminium-kromium- menunjukkan superelastisitas yang dapat dipulihkan sepenuhnya pada rentang suhu ekstrem dari 4,2 K (mendekati nol mutlak) hingga 400 K (sekitar 127 derajat ), yang mencakup rentang suhu operasional 396 K, yang lebih dari lima kali lipat paduan Ni-Ti komersial (biasanya 273–353 K). Karakteristik ini mengatasi masalah kegagalan superelastis pada paduan memori bentuk konvensional pada suhu rendah atau tinggi.
3. Suhu Tidak Normal-Mekanisme Stres Transformasi Fase Bergantung
Ketergantungan tegangan kritis pada suhu yang tidak normal untuk transformasi fasa pertama kali ditemukan pada paduan berbasis Ti-non-magnetik: pada suhu rendah (<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. Regangan tinggi yang dapat dipulihkan dan ketahanan lelah
Paduan tersebut menunjukkan regangan yang dapat diperoleh kembali sebesar 7,3% pada suhu kamar, mendekati regangan paduan Ni-Ti komersial (~8%), yang lebih dari dua kali lipat paduan berbasis Ti-Nb-konvensional (<3%). Moreover, it maintains stable superelasticity even after 200 loading-unloading cycles, demonstrating excellent functional fatigue resistance.
5. Struktur B2 yang tertata dan penguatan nanodomain
Melalui pendinginan cepat dan siklus termal, fase induk paduan membentuk nanodomain dengan struktur B2 yang teratur (ukuran rata-rata 15 nm), dipisahkan oleh batas anti-fase (APB). Struktur nano yang teratur ini secara efektif menghambat slip dislokasi, meningkatkan ketahanan terhadap deformasi plastis, sekaligus mempertahankan regangan elastis yang tinggi.
