日本东北大学研发新型钛铝合金：从近宇宙最低温-269℃到127℃保持超弹性

来自日本东北大学的科学家在《Nature》杂志发表研究成果，发现一种新型钛铝合金（Ti–Al–Cr），解决了航空航天和深空探索中材料轻质化与极端温差适应的难题，展现出卓越的超弹性和温度波动抵抗能力。

图：近<110>单晶Ti–Al–Cr合金的超弹性特性

在航空航天和深空探索领域，材料需兼顾轻质、功能性和极端温差适应性。传统形状记忆合金（如镍钛合金）在低温下性能受限，难以满足深空探索和液化气体储存等极端环境需求。因此，开发轻质且能在极端温差下稳定工作的新型形状记忆合金成为迫切需求。

研究团队通过热力学分析和相图指导，设计了一种以钛和铝为主成分的新型合金（Ti75.25Al20Cr4.75）。通过高温淬火稳定β相，并利用透射电子显微镜（TEM）、原位中子衍射和数字图像相关技术（DIC）等手段，研究了合金的微观结构、相变机制和力学性能。实验中，合金经过高温热处理后快速淬火，制备出大尺寸单晶样品用于力学测试。

图：Ti–Al–Cr合金在宽温度范围内的超弹性行为

新型Ti–Al–Cr合金在室温下展现出7.3%的可恢复应变，接近商业镍钛合金，远超传统钛基合金。其密度为4.36×10³ kg/m³，比强度高达185×10³ Pa·m³/kg，是传统轻质形状记忆合金的两倍。该合金在4.2 K至400 K的宽温度范围内保持超弹性，操作温度窗口为396 K，是镍钛合金的五倍。其超弹性源于B2到B19的马氏体相变，且在低温下表现出异常的抗剪切强度增加特性。

 图：不同形状记忆合金的超弹性温度范围和轻量化性能比较。a. Ti–Al–Cr形状记忆合金的超弹性温度范围与地球、火星和月球的实际应用环境温度波动的比较。b. 不同形状记忆合金的密度与超弹性操作温度范围的比较。

该合金因其轻质、高强度和超宽温度范围的超弹性，有望应用于深空探索、深海探测和医疗领域，为开发高性能轻质多功能材料提供了新的可能性。

更多信息：Song, Y., Xu, S., Sato, S. et al. A lightweight shape-memory alloy with superior temperature-fluctuation resistance. Nature 638, 965–971 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08583-7