Nuwe wolframlegerings wat in die Schuh-groep by MIT ontwikkel word, kan moontlik uitgeputte uraan in pantserdeurdringende projektiele vervang. Vierdejaar materiaalwetenskap en ingenieurswese gegradueerde student Zachary C. Cordero werk aan lae-toksisiteit, hoë sterkte, hoë-digtheid materiaal vir die vervanging van uitgeputte uraan in strukturele militêre toepassings. Uitgeputte uraan hou 'n potensiële gesondheidsgevaar vir soldate en burgerlikes in. "Dit is die motivering om dit te probeer vervang," sê Cordero.

Normale wolfraam sal sampioene of stomp wees by impak, die swakste moontlike prestasie. Die uitdaging is dus om 'n legering te ontwikkel wat ooreenstem met die werkverrigting van uitgeputte uraan, wat selfskerpend word soos dit materiaal afskeer en 'n skerp neus by die penetrator-teiken-koppelvlak behou. “Wolfram op sigself is besonder sterk en hard. Ons sit ander legeringselemente in om dit so te maak dat ons dit in hierdie grootmaatvoorwerp kan konsolideer,” sê Cordero.

'n Wolframlegering met chroom en yster (W-7Cr-9Fe) was aansienlik sterker as kommersiële wolfraamlegerings, berig Cordero in 'n referaat met senior skrywer en Departement Materiaalwetenskap en Ingenieurshoof Christopher A. Schuh en kollegas in die joernaal Metallurgical and Materials Transaksies A. Die verbetering is behaal deur metaalpoeiers in 'n veldgesteunde sinterwarmpers te verdig, met die beste resultaat, gemeet aan die fynkorrelstruktuur en hoogste hardheid, bereik teen 'n verwerkingstyd van 1 minuut by 1 200 grade Celsius. Langer verwerkingstye en hoër temperature het gelei tot growwer korrels en swakker meganiese werkverrigting. Mede-outeurs sluit in MIT-ingenieurswese en materiaalwetenskap-gegradueerde student Mansoo Park, Oak Ridge-nadoktorale genoot Emily L. Huskins, Boise State-medeprofessor Megan Frary en nagraadse student Steven Livers, en Army Research Laboratory meganiese ingenieur en spanleier Brian E. Schuster. Subskaal ballistiese toetse van die wolfram-chroom-yster-legering is ook uitgevoer.

"As jy óf nanogestruktureerde óf amorfe grootmaat wolfram (legering) kan maak, moet dit regtig 'n ideale ballistiese materiaal wees," sê Cordero. Cordero, 'n boorling van Bridgewater, NJ, het 'n Nasionale Verdedigingswetenskap en Ingenieurswese (NDSEG)-genootskap in 2012 deur die Lugmagkantoor vir Wetenskaplike Navorsing ontvang. Sy navorsing word gefinansier deur die US Defence Threat Reduction Agency.

Ultrafyn korrelstruktuur

“Die manier waarop ek my materiaal maak, is met poeierverwerking waar ons eers nanokristallyne poeier maak en dit dan in 'n grootmaat voorwerp konsolideer. Maar die uitdaging is dat konsolidasie vereis dat die materiaal aan hoër temperature blootgestel word,” sê Cordero. Verhitting van die legerings tot hoë temperature kan veroorsaak dat die korrels, of individuele kristallyne domeine, binne die metaal vergroot, wat hulle verswak. Cordero kon 'n ultrafyn korrelstruktuur van ongeveer 130 nanometer in die W-7Cr-9Fe kompakte bereik, bevestig deur elektronmikrograwe. “Deur hierdie poeierverwerkingsroete te gebruik, kan ons groot monsters tot 2 sentimeter in deursnee maak, of ons kan groter word, met dinamiese druksterktes van 4 GPa (gigapascal). Die feit dat ons hierdie materiale met 'n skaalbare proses kan maak, is miskien selfs meer indrukwekkend,” sê Cordero.

“Wat ons as 'n groep probeer doen, is om grootmaat goed met fyn nanostrukture te maak. Die rede waarom ons dit wil hê, is omdat hierdie materiale baie interessante eienskappe het wat van potensiële gebruik in baie toepassings is,” voeg Cordero by.

Nie in die natuur gevind nie

Cordero het ook die sterkte van metaallegeringspoeiers met nanoskaal-mikrostrukture in 'n Acta Materialia-joernaalartikel ondersoek. Cordero, saam met senior skrywer Schuh, het beide rekenaarsimulasies en laboratorium-eksperimente gebruik om aan te toon dat legerings van metale soos wolfram en chroom met soortgelyke aanvanklike sterktes geneig was om te homogeniseer en 'n sterker eindproduk te produseer, terwyl kombinasies van metale met 'n groot aanvanklike sterkte-wanverhouding soos bv. aangesien wolfram en sirkonium geneig was om 'n swakker legering te produseer met meer as een fase teenwoordig.

“Die proses van hoë-energie kogelmaal is een voorbeeld van 'n groter familie van prosesse waarin jy die hele materiaal vervorm om die mikrostruktuur daarvan in 'n vreemde nie-ewewigstoestand te dryf. Daar is nie 'n goeie raamwerk vir die voorspelling van die mikrostruktuur wat uitkom nie, so baie keer is dit proef en fout. Ons het probeer om die empirisme te verwyder van die ontwerp van legerings wat 'n metstabiele vaste oplossing sal vorm, wat een voorbeeld is van 'n nie-ewewigsfase,” verduidelik Cordero.

“Jy produseer hierdie nie-ewewigsfases, dinge wat jy nie normaalweg in die wêreld om jou sal sien nie, in die natuur, deur hierdie werklik uiterste vervormingsprosesse te gebruik,” sê hy. Die proses van hoë-energie kogelmaal behels herhaalde skeer van die metaalpoeiers met die skeer wat die legeringselemente dryf om te meng terwyl mededingende, termies-geaktiveerde herstelprosesse die legering in staat stel om terug te keer na sy ewewigstoestand, wat in baie gevalle faseskei is. . "Daar is dus hierdie mededinging tussen hierdie twee prosesse," verduidelik Cordero. Sy referaat het 'n eenvoudige model voorgestel om chemie in 'n gegewe legering te voorspel wat 'n soliede oplossing sal vorm en dit met eksperimente bekragtig. "Die as-gemaalde poeiers is van die hardste metale wat mense al gesien het," sê Cordero, en let op toetse het getoon dat die wolfram-chroom-legering 'n nano-inkepingshardheid van 21 GPa het. Dit maak hulle omtrent dubbel die nano-inkepings hardheid van nanokristallyne yster-gebaseerde legerings of grofkorrelige wolfram.

Metallurgie vereis buigsaamheid

In die ultrafynkorrel wolfram-chroom-yster-legeringskompakte wat hy bestudeer het, het die legerings die yster opgetel van skuur van die staalmaalmedia en flessie tydens hoë-energie balmaal. "Maar dit blyk dat dit ook 'n goeie ding kan wees, want dit lyk asof dit verdigting by lae temperature versnel, wat die hoeveelheid tyd wat jy moet spandeer by daardie hoë temperature verminder wat tot slegte veranderinge in mikrostruktuur kan lei," Cordero verduidelik. "Die groot ding is om buigsaam te wees en geleenthede in metallurgie te erken."

'n Gekompakte metaallegeringkorrel sit langs as-gemaalde wolfram-chroom-ystermetaalpoeiers in 'n boot wat gebruik word om die metale te weeg. Die staalballe word gebruik om die metale in 'n hoë-energie balmeul te vervorm. Krediet: Denis Paiste/Materiaalverwerkingsentrum
Cordero het in 2010 aan MIT gegradueer met 'n baccalaureusgraad in fisika en het vir 'n jaar by Lawrence Berkeley National Lab gewerk. Daar is hy geïnspireer deur die ingenieurspersoneel wat by 'n vroeëre generasie metallurge geleer het wat spesiale smeltkroeë gemaak het om plutonium te hou vir die Manhattan-projek tydens die Tweede Wêreldoorlog. “Om die soort goed te hoor waaraan hulle gewerk het, het my baie opgewonde gemaak en lus vir metaalverwerking. Dit is ook net baie pret,” sê Cordero. In ander materiaalwetenskap-subdissiplines sê hy: “Jy hoef nie 'n oond teen 1 000 C oop te maak en iets rooiwarm te sien gloei nie. Jy kan nie goed hittebehandel nie.” Hy verwag om sy PhD in 2015 te voltooi.

Alhoewel sy huidige werk op strukturele toepassings gefokus is, word die soort poeierverwerking wat hy doen ook gebruik om magnetiese materiale te maak. "Baie van die inligting en kennis kan op ander dinge toegepas word," sê hy. "Al is dit tradisionele strukturele metallurgie, kan jy hierdie ou-skool metallurgie toepas op nuwe-skool materiaal."