Новыя вальфрамавыя сплавы, якія распрацоўваюцца ў Schuh Group у Масачусецкім тэхналагічным інстытуце, патэнцыйна могуць замяніць збеднены ўран у бранябойных снарадах. Аспірант чацвёртага курса матэрыялазнаўства і інжынерыі Захары С. Кардэра працуе над матэрыялам з нізкай таксічнасцю, высокай трываласцю і высокай шчыльнасцю для замены збедненага ўрану ў канструкцыйных ваенных прымяненнях. Збеднены ўран уяўляе патэнцыйную небяспеку для здароўя салдат і грамадзянскіх асоб. "Гэта матывацыя для спробы замяніць яго", - кажа Кардэра.

Звычайны вальфрам можа ўзнікнуць у выглядзе грыба або затупіцца пры ўдары, гэта найгоршая з магчымых характарыстык. Такім чынам, задача складаецца ў тым, каб распрацаваць сплаў, які можа адпавядаць прадукцыйнасці збедненага ўрану, які становіцца самазавострываючыся, калі адрывае матэрыял і падтрымлівае востры нос на мяжы пранікнення і мішэні. «Вальфрам сам па сабе выключна моцны і цвёрды. Мы дадаем іншыя легіруючыя элементы, каб зрабіць гэта так, каб мы маглі кансалідаваць яго ў гэты аб'ёмны аб'ект», - кажа Кардэра.

Сплаў вальфраму з хромам і жалезам (W-7Cr-9Fe) быў значна мацнейшым за камерцыйныя сплавы вальфраму, паведаміў Кардэра ў артыкуле са старэйшым аўтарам і кіраўніком аддзела матэрыялазнаўства і інжынерыі Крыстаферам А. Шухам і яго калегамі ў часопісе Metallurgical and Materials Транзакцыі А. Паляпшэнне было дасягнута шляхам ушчыльнення металічных парашкоў у гарачым прэсе з палявым выкарыстаннем, з найлепшы вынік, вымераны дробназярністай структурай і найвышэйшай цвёрдасцю, дасягнуты пры часе апрацоўкі 1 хвіліна пры 1200 градусах Цэльсія. Большы час апрацоўкі і больш высокія тэмпературы прывялі да больш грубага збожжа і пагаршэння механічных характарыстык. Сааўтарамі былі аспірант інжынерыі і матэрыялазнаўства Масачусецкага тэхналагічнага інстытута Мансу Парк, дактарант з Ок-Рыджа Эмілі Л. Хаскінс, дацэнт штата Бойсе Меган Фрай і аспірант Стывен Ліверс, а таксама інжынер-механік і кіраўнік каманды Армейскай даследчай лабараторыі Браян Э. Шустэр. Таксама былі праведзены субмаштабныя балістычныя выпрабаванні сплаву вальфрам-хром-жалеза.

«Калі вы можаце зрабіць нанаструктураваны або аморфны аб'ёмны вальфрам (сплаў), гэта сапраўды павінен быць ідэальны балістычны матэрыял», - кажа Кардэра. Кардэра, ураджэнец Брыджуотэра, штат Нью-Джэрсі, атрымаў стыпендыю Нацыянальнай абароннай навукі і тэхнікі (NDSEG) у 2012 годзе праз Упраўленне навуковых даследаванняў ВПС. Яго даследаванне фінансуецца Агенцтвам па зніжэнні пагрозы Міністэрства абароны ЗША.

Ультратонкая зярністая структура

«Я раблю свае матэрыялы з дапамогай апрацоўкі парашкоў, калі спачатку мы робім нанакрышталічны парашок, а потым кансалідуем яго ў аб'ёмны аб'ект. Але праблема заключаецца ў тым, што кансалідацыя патрабуе ўздзеяння матэрыялу на больш высокія тэмпературы», - кажа Кардэра. Награванне сплаваў да высокіх тэмператур можа прывесці да павелічэння зерняў або асобных крышталічных даменаў у метале, што аслабляе іх. Cordero змог дасягнуць звышдробнай зярністай структуры каля 130 нанаметраў у кампакце W-7Cr-9Fe, што пацверджана электроннымі мікрафатаграфіямі. «Выкарыстоўваючы гэты спосаб апрацоўкі парашка, мы можам зрабіць вялікія ўзоры дыяметрам да 2 сантыметраў, або мы можам пайсці больш, з дынамічнай трываласцю на сціск 4 ГПа (гігапаскаль). Той факт, што мы можам вырабляць гэтыя матэрыялы з дапамогай маштабаванага працэсу, можа быць яшчэ больш уражлівым», - кажа Кардэра.

«Тое, што мы спрабуем зрабіць як група, - гэта вырабляць аб'ёмныя рэчы з тонкімі нанаструктурамі. Прычына, па якой мы гэтага хочам, заключаецца ў тым, што гэтыя матэрыялы валодаюць вельмі цікавымі ўласцівасцямі, якія патэнцыйна могуць быць выкарыстаны ў многіх сферах прымянення», — дадае Кардэра.

У прыродзе не сустракаецца

Кардэра таксама даследаваў трываласць парашкоў металічных сплаваў з нанаразмернымі мікраструктурамі ў артыкуле часопіса Acta Materialia. Кардэра разам са старэйшым аўтарам працы Шухам выкарыстаў як вылічальнае мадэляванне, так і лабараторныя эксперыменты, каб паказаць, што сплавы металаў, такіх як вальфрам і хром з аднолькавай пачатковай трываласцю, маюць тэндэнцыю да гамагенізацыі і вырабляюць больш трывалы канчатковы прадукт, у той час як камбінацыі металаў з вялікім неадпаведнасцю пачатковай трываласці, напрыклад паколькі вальфрам і цырконій, як правіла, вырабляюць больш слабы сплаў з больш чым адной фазай.

«Працэс шаравога памолу з высокай энергіяй з'яўляецца адным з прыкладаў больш шырокага сямейства працэсаў, у якіх вы дэфармуеце матэрыял, каб перавесці яго мікраструктуру ў дзіўны нераўнаважны стан. На самай справе няма добрай асновы для прагназавання атрыманай мікраструктуры, таму часта гэта метад спроб і памылак. Мы спрабавалі пазбавіцца ад эмпірызму пры распрацоўцы сплаваў, якія ўтвараюць метастабільны цвёрды раствор, які з'яўляецца адным з прыкладаў нераўнаважнай фазы», ​​- тлумачыць Кардэра.

«Вы ствараеце гэтыя нераўнаважныя фазы, рэчы, якія звычайна не бачыце ў свеце вакол вас, у прыродзе, выкарыстоўваючы гэтыя сапраўды экстрэмальныя працэсы дэфармацыі», — кажа ён. Працэс шаравога памолу з высокай энергіяй уключае неаднаразовае зрушэнне металічных парашкоў, прычым зрух прымушае легіруючыя элементы змешвацца, канкуруючы, працэсы аднаўлення з тэрмічнай актывацыяй дазваляюць сплаву вярнуцца ў раўнаважны стан, які ў многіх выпадках заключаецца ў раздзяленні фаз . «Такім чынам, паміж гэтымі двума працэсамі існуе канкурэнцыя», — тлумачыць Кардэра. У яго артыкуле была прапанавана простая мадэль для прагназавання хімічных рэчываў у дадзеным сплаве, які ўтворыць цвёрды раствор, і пацверджана гэта з дапамогай эксперыментаў. «Здробненыя парашкі з'яўляюцца аднымі з самых цвёрдых металаў, якія людзі бачылі», - кажа Кардэра, адзначаючы, што выпрабаванні паказалі, што сплаў вальфраму і хрому мае цвёрдасць нанаіндэнта 21 ГПа. Гэта робіць іх прыкладна ў два разы больш цвёрдасці нанаіндэнтавання, чым нанакрышталічных сплаваў на аснове жалеза або крупнозерністой вальфраму.

Металургія патрабуе гнуткасці

У кампактах са сплаву вальфраму, хрому і жалеза з ультрадробным зернем, якія ён вывучаў, сплавы ўбіралі жалеза ў выніку ізаляцыі сталёвых мелючых асяроддзяў і флакона падчас шаравога млына з высокай энергіяй. «Але аказваецца, што гэта таксама можа быць добрай рэччу, таму што, падобна, паскараецца ўшчыльненне пры нізкіх тэмпературах, што скарачае колькасць часу, якое вам трэба правесці пры гэтых высокіх тэмпературах, якія могуць прывесці да дрэнных змен у мікраструктуры», - тлумачыць Кардэра. «Самае вялікае — быць гнуткім і прызнаваць магчымасці ў металургіі».

Ушчыльненая гранула металічнага сплаву змяшчаецца побач з парашкамі металічнага жалеза вальфраму і хрому ў лодцы, якая выкарыстоўваецца для ўзважвання металаў. Сталёвыя шарыкі выкарыстоўваюцца для дэфармацыі металаў у высокаэнергетычнай шаравой млыне. Аўтар: Denis Paiste / Цэнтр апрацоўкі матэрыялаў
Кардэра скончыў Масачусецкі тэхналагічны інстытут у 2010 годзе са ступенню бакалаўра фізікі і год працаваў у Нацыянальнай лабараторыі Лоўрэнса Берклі. Там яго натхніў інжынерны персанал, які вучыўся ў ранейшага пакалення металургаў вырабляць спецыяльныя тыглі для ўтрымання плутонію для Манхэтэнскага праекта падчас Другой сусветнай вайны. «Пачуўшы, над чым яны працуюць, я вельмі ўзбудзіўся і захапіўся апрацоўкай металаў. Гэта таксама вельмі весела», — кажа Кардэра. У іншых паддысцыплінах матэрыялазнаўства ён кажа: «Вы не можаце адкрыць печ пры тэмпературы 1000 C і ўбачыць нешта, што свеціцца дачырвана. Вы не можаце падвяргаць тэрмічнай апрацоўцы». Ён разлічвае скончыць доктарскую ступень у 2015 годзе.

Хаця яго цяперашняя праца сканцэнтравана на прымяненні ў канструкцыях, апрацоўка парашка, якой ён займаецца, таксама выкарыстоўваецца для вырабу магнітных матэрыялаў. «Шмат інфармацыі і ведаў можна прымяніць да іншых рэчаў», — кажа ён. «Нягледзячы на ​​тое, што гэта традыцыйная канструкцыйная металургія, вы можаце прымяніць гэтую металургію старой школы да матэрыялаў новай школы».