MIT-də Schuh Qrupunda hazırlanan yeni volfram ərintiləri potensial olaraq zirehdələn mərmilərdə tükənmiş uranı əvəz edə bilər. Dördüncü kurs materialşünaslıq və mühəndislik aspirantı Zachary C. Cordero struktur hərbi tətbiqlərdə tükənmiş uranı əvəz etmək üçün aşağı toksiklik, yüksək möhkəmlik, yüksək sıxlıqlı material üzərində işləyir. Tükənmiş uran əsgərlər və mülki şəxslər üçün potensial sağlamlıq təhlükəsi yaradır. "Bu, onu əvəz etməyə çalışmaq üçün motivasiyadır" dedi Cordero.

Normal volfram zərbə zamanı göbələk kimi görünər və ya küt olar, mümkün olan ən pis performansdır. Beləliklə, problem materialı kəsdikcə öz-özünə itilənən və nüfuz edən-hədəf interfeysində kəskin burnu saxlayan tükənmiş uranın performansına uyğun ola biləcək bir ərinti hazırlamaqdır. “Volfram özlüyündə olduqca güclü və sərtdir. Bunu etmək üçün başqa ərinti elementləri qoyuruq ki, onu bu toplu obyektdə birləşdirə bilək,” Kordero deyir.

Xrom və dəmir (W-7Cr-9Fe) ilə volfram ərintisi kommersiya volfram ərintilərindən əhəmiyyətli dərəcədə güclü idi, Cordero baş müəllif və Material Elmləri və Mühəndislik Departamentinin rəhbəri Kristofer A. Schuh və Metallurgical and Materials jurnalında həmkarları ilə bir məqalədə bildirdi. Əməliyyatlar A. Təkmilləşdirməyə metal tozlarının sahə yardımı ilə isti presdə sıxılması ilə nail olunub. 1200 dərəcə Selsi temperaturunda 1 dəqiqəlik emal müddətində əldə edilən incə taxıl quruluşu və ən yüksək sərtlik ilə ölçülən ən yaxşı nəticə. Daha uzun emal müddətləri və yüksək temperatur daha qaba taxıllara və zəif mexaniki performansa səbəb oldu. Həmmüəlliflər arasında MİT mühəndisliyi və material elmləri üzrə aspirant Mansoo Park, Oak Ridge üzrə doktoranturadan sonrakı tədqiqatçı Emili L. Huskins, Boise ştatının dosenti Meqan Frari və aspirant Stiven Livers, Ordu Tədqiqat Laboratoriyasının mexaniki mühəndisi və komanda rəhbəri Brayan E. Şuster var idi. Volfram-xrom-dəmir ərintisi üçün kiçik ballistik sınaqlar da aparılmışdır.

"Əgər siz nanostrukturlu və ya amorf kütləvi volfram (ərinti) hazırlaya bilirsinizsə, bu, həqiqətən də ideal ballistik material olmalıdır" dedi Cordero. Bridgewater, New Jerseydən olan Cordero, 2012-ci ildə Hərbi Hava Qüvvələri Elmi Tədqiqatlar İdarəsi vasitəsilə Milli Müdafiə Elmi və Mühəndisliyi (NDSEG) Təqaüdü almışdır. Onun tədqiqatları ABŞ Müdafiə Təhdidlərinin Azaldılması Agentliyi tərəfindən maliyyələşdirilir.

Ultra incə taxıl quruluşu

“Materiallarımı hazırlamağım yolu toz emalıdır, burada əvvəlcə nanokristal toz hazırlayırıq, sonra isə onu toplu obyektə birləşdiririk. Lakin problem ondadır ki, konsolidasiya materialın daha yüksək temperaturlara məruz qalmasını tələb edir,” Cordero deyir. Ərintilərin yüksək temperatura qədər qızdırılması metalın içərisindəki taxılların və ya ayrı-ayrı kristal domenlərin böyüməsinə səbəb ola bilər ki, bu da onları zəiflədir. Cordero elektron mikroqraflarla təsdiqlənən W-7Cr-9Fe kompaktında təxminən 130 nanometrlik ultra incə taxıl quruluşuna nail ola bildi. “Bu toz emalı marşrutundan istifadə edərək, diametri 2 santimetrə qədər olan böyük nümunələr hazırlaya bilərik və ya 4 GPa (giqapaskal) dinamik sıxılma gücü ilə daha da böyüyə bilərik. Bu materialları genişləndirilə bilən bir prosesdən istifadə edərək edə bilməyimiz bəlkə də daha təsir edicidir "dedi Cordero.

“Bizim bir qrup olaraq etməyə çalışdığımız şey incə nanostrukturlarla kütləvi əşyalar hazırlamaqdır. Bunu istəməyimizin səbəbi, bu materialların bir çox tətbiqlərdə istifadə oluna biləcək çox maraqlı xüsusiyyətlərə malik olmasıdır”, - deyə Cordero əlavə edir.

Təbiətdə tapılmır

Cordero həmçinin Acta Materialia jurnalında nanoölçülü mikrostrukturlu metal ərintisi tozlarının gücünü araşdırdı. Cordero, baş müəllif Schuh ilə birlikdə, eyni ilkin gücə malik volfram və xrom kimi metal ərintilərinin homojenləşməyə və daha güclü son məhsul istehsal etməyə meylli olduğunu göstərmək üçün həm hesablama simulyasiyalarından, həm də laboratoriya təcrübələrindən istifadə etdi, halbuki böyük başlanğıc gücü uyğunsuzluğu olan metalların birləşmələri belədir. volfram və sirkonium birdən çox faza ilə daha zəif bir ərinti istehsal etməyə meyllidir.

“Yüksək enerjili top frezeleme prosesi, materialın mikro strukturunu qəribə qeyri-tarazlıq vəziyyətinə gətirmək üçün onu deformasiya etdiyiniz daha böyük proseslər ailəsinə bir nümunədir. Ortaya çıxan mikro quruluşu proqnozlaşdırmaq üçün həqiqətən yaxşı bir çərçivə yoxdur, buna görə də çox vaxt bu sınaq və səhvdir. Biz qeyri-tarazlıq fazasının bir nümunəsi olan metastabil bərk məhlul əmələ gətirəcək ərintilərin layihələndirilməsindən empirizmi aradan qaldırmağa çalışırdıq”, - Kordero izah edir.

"Siz bu qeyri-tarazlıq fazalarını, adətən ətrafınızdakı dünyada, təbiətdə görmədiyiniz şeyləri, bu həqiqətən də həddindən artıq deformasiya proseslərindən istifadə edərək istehsal edirsiniz" deyir. Yüksək enerjili bilyalı frezeləmə prosesi rəqabət zamanı ərinti elementlərini bir-birinə qarışmağa sövq edən kəsmə ilə metal tozlarının təkrar kəsilməsini nəzərdə tutur, istiliklə aktivləşdirilmiş bərpa prosesləri ərintinin tarazlıq vəziyyətinə qayıtmasına imkan verir ki, bu da bir çox hallarda mərhələlərlə ayrılır. . "Beləliklə, bu iki proses arasında rəqabət var" dedi Cordero. Onun məqaləsi bərk məhlul əmələ gətirəcək müəyyən bir ərintidə kimyaları proqnozlaşdırmaq üçün sadə bir model təklif etdi və təcrübələrlə təsdiq etdi. Kordero testlərin volfram-xrom ərintisi 21 GPa nano girinti sərtliyinə malik olduğunu göstərdiyini qeyd edərək, "Öğütülmüş tozlar insanların gördükləri ən sərt metallardan bəziləridir" deyir. Bu, onları nanokristalin dəmir əsaslı ərintilərin və ya qaba dənəli volframın nanokristal sərtliyini iki qat artırır.

Metallurgiya çeviklik tələb edir

Tədqiq etdiyi ultra incə taxıl volfram-xrom-dəmir ərintisi kompaktlarında, ərintilər yüksək enerjili top frezeleme zamanı polad üyüdmə mühitinin və flakonun aşınmasından dəmiri götürdü. "Ancaq belə çıxır ki, bu da yaxşı bir şey ola bilər, çünki o, aşağı temperaturda sıxlaşmanı sürətləndirir, bu da mikrostrukturda pis dəyişikliklərə səbəb ola biləcək yüksək temperaturda sərf etməli olduğunuz vaxtı azaldır" Cordero izah edir. "Ən böyük şey çevik olmaq və metallurgiyada imkanları tanımaqdır."

Sıxlaşdırılmış metal ərintisi qranul, metalları çəkmək üçün istifadə edilən qayıqda öğütülmüş volfram-xromlu dəmir metal tozlarının yanında oturur. Polad toplar yüksək enerjili bilyalı dəyirmanda metalları deformasiya etmək üçün istifadə olunur. Kredit: Denis Paiste/Materialların Emalı Mərkəzi
Cordero 2010-cu ildə MIT-ni fizika üzrə bakalavr dərəcəsi ilə bitirib və bir il Lawrence Berkeley Milli Laboratoriyasında işləyib. Orada o, İkinci Dünya Müharibəsi zamanı Manhetten Layihəsi üçün plutonium saxlamaq üçün xüsusi tigelər hazırlayan əvvəlki nəsil metallurqlardan öyrənən mühəndis heyətindən ilham aldı. “Üzərində işlədiklərini eşitmək məni çox həyəcanlandırdı və metalların emalına həvəsləndirdi. Bu həm də çox əyləncəlidir,” Cordero deyir. Digər materialşünaslıq alt fənlərində o, deyir: “Siz 1000 C-də sobanı açıb qırmızı isti bir şey görə bilməzsiniz. Siz əşyaları istiliklə müalicə edə bilməyəcəksiniz." O, 2015-ci ildə namizədlik dissertasiyasını bitirməyi planlaşdırır.

Onun hazırkı işi struktur tətbiqlərə yönəldilsə də, etdiyi toz emalı növü maqnit materialları hazırlamaq üçün də istifadə olunur. "Bir çox məlumat və bilik başqa şeylərə tətbiq edilə bilər" deyir. "Bu, ənənəvi struktur metallurgiya olsa da, bu köhnə məktəb metallurgiyasını yeni məktəb materiallarına tətbiq edə bilərsiniz."