Gallai aloion twngsten newydd sy'n cael eu datblygu yn y Schuh Group yn MIT o bosibl ddisodli wraniwm wedi'i ddihysbyddu mewn taflegrau tyllu arfwisg. Mae myfyriwr graddedig gwyddoniaeth deunyddiau a pheirianneg yn y bedwaredd flwyddyn, Zachary C. Cordero, yn gweithio ar ddeunydd gwenwyndra isel, cryfder uchel, dwysedd uchel ar gyfer disodli wraniwm disbyddedig mewn cymwysiadau milwrol strwythurol. Mae wraniwm disbyddedig yn achosi perygl iechyd posibl i filwyr a sifiliaid. “Dyna’r cymhelliad dros geisio ei ddisodli,” meddai Cordero.

Byddai twngsten arferol yn madarch neu'n swrth ar effaith, y perfformiad gwaethaf posibl. Felly yr her yw datblygu aloi a all gyd-fynd â pherfformiad wraniwm disbyddedig, sy'n dod yn hunan-miniogi wrth iddo gneifio deunydd i ffwrdd a chynnal trwyn miniog ar y rhyngwyneb targed treiddiwr. “Mae twngsten ynddo'i hun yn eithriadol o gryf a chaled. Rydyn ni'n rhoi elfennau aloi eraill i mewn i'w wneud fel y gallwn ei gydgrynhoi yn y gwrthrych swmp hwn, ”meddai Cordero.

Roedd aloi twngsten â chromiwm a haearn (W-7Cr-9Fe) yn sylweddol gryfach nag aloion twngsten masnachol, adroddodd Cordero mewn papur gydag uwch awdur a phennaeth yr Adran Gwyddoniaeth Deunyddiau a Pheirianneg Christopher A. Schuh a chydweithwyr yn y cyfnodolyn Metallurgical and Materials Trafodion A. Cyflawnwyd y gwelliant trwy gywasgu powdrau metel mewn gwasg poeth sintro â chymorth maes, gyda'r canlyniad gorau, wedi'i fesur gan y strwythur grawn mân a'r caledwch uchaf, wedi'i gyflawni ar amser prosesu o 1 munud ar 1,200 gradd Celsius. Arweiniodd amseroedd prosesu hirach a thymheredd uwch at grawn mwy bras a pherfformiad mecanyddol gwannach. Roedd y cyd-awduron yn cynnwys myfyriwr graddedig peirianneg a gwyddoniaeth deunyddiau MIT Mansoo Park, cymrawd ôl-ddoethurol Oak Ridge Emily L. Huskins, Athro Cyswllt Boise State Megan Fary a myfyriwr graddedig Steven Livers, a pheiriannydd mecanyddol ac arweinydd tîm Labordy Ymchwil y Fyddin Brian E. Schuster. Mae profion balistig is-raddfa o'r aloi twngsten-cromiwm-haearn hefyd wedi'u perfformio.

“Os gallwch chi wneud twngsten swmp nanostrwythuredig neu amorffaidd (aloi), dylai fod yn ddeunydd balistig delfrydol mewn gwirionedd,” meddai Cordero. Derbyniodd Cordero, sy'n frodor o Bridgewater, NJ, Gymrodoriaeth Gwyddoniaeth a Pheirianneg Amddiffyn Genedlaethol (NDSEG) yn 2012 trwy Swyddfa Ymchwil Gwyddonol yr Awyrlu. Ariennir ei ymchwil gan Asiantaeth Lleihau Bygythiad Amddiffyn yr Unol Daleithiau.

Strwythur grawn ultrafine

“Y ffordd rydw i'n gwneud fy nefnyddiau yw gyda phrosesu powdr, lle rydyn ni'n gwneud powdr nanocrystalline yn gyntaf ac yna rydyn ni'n ei gyfuno'n wrthrych swmp. Ond yr her yw bod cydgrynhoi yn gofyn am ddatgelu’r deunydd i dymereddau uwch, ”meddai Cordero. Gall gwresogi'r aloion i dymheredd uchel achosi'r grawn, neu'r parthau crisialog unigol, o fewn y metel i ehangu, sy'n eu gwanhau. Llwyddodd Cordero i gyflawni strwythur grawn ultrafine o tua 130 nanometr yn y compact W-7Cr-9Fe, a gadarnhawyd gan ficrograffau electron. “Gan ddefnyddio’r llwybr prosesu powdr hwn, gallwn wneud samplau mawr hyd at 2 centimetr mewn diamedr, neu gallem fynd yn fwy, gyda chryfderau cywasgol deinamig o 4 GPa (gigapascals). Mae’r ffaith y gallwn wneud y deunyddiau hyn gan ddefnyddio proses scalable efallai hyd yn oed yn fwy trawiadol, ”meddai Cordero.

“Yr hyn rydyn ni’n ceisio ei wneud fel grŵp yw gwneud pethau swmpus gyda nanostrwythurau cain. Y rheswm pam rydyn ni eisiau hynny yw bod gan y deunyddiau hyn briodweddau diddorol iawn a allai fod o ddefnydd mewn llawer o gymwysiadau,” ychwanega Cordero.

Heb ei ganfod mewn natur

Archwiliodd Cordero hefyd gryfder powdrau aloi metel gyda microstrwythurau nanoraddfa mewn papur cyfnodolyn Acta Materialia. Defnyddiodd Cordero, gyda'r uwch awdur Schuh, efelychiadau cyfrifiannol ac arbrofion labordy i ddangos bod aloion metelau fel twngsten a chromiwm â chryfderau cychwynnol tebyg yn tueddu i homogeneiddio a chynhyrchu cynnyrch terfynol cryfach, tra bod cyfuniadau o fetelau â chryfder cychwynnol mawr yn anghyson â'i gilydd. gan fod twngsten a zirconium yn tueddu i gynhyrchu aloi gwannach gyda mwy nag un cyfnod yn bresennol.

“Mae’r broses o felino peli ynni uchel yn un enghraifft o deulu mwy o brosesau lle rydych chi’n dadffurfio’r hec allan o ddeunydd i yrru ei ficrostrwythur i gyflwr rhyfedd heb gydbwysedd. Nid oes fframwaith da mewn gwirionedd ar gyfer rhagfynegi'r microstrwythur sy'n dod allan, felly llawer o weithiau mae hyn yn brawf a chamgymeriad. Roeddem yn ceisio cael gwared ar yr empirigiaeth o ddylunio aloion a fydd yn ffurfio datrysiad solet metasefydlog, sy’n un enghraifft o gyfnod nad yw’n gydbwysedd,” eglura Cordero.

“Rydych chi'n cynhyrchu'r cyfnodau di-ecwilibriwm hyn, pethau na fyddech chi'n eu gweld fel arfer yn y byd o'ch cwmpas, o ran natur, gan ddefnyddio'r prosesau anffurfio eithafol hyn,” meddai. Mae'r broses o felino pêl ynni uchel yn cynnwys cneifio'r powdrau metel dro ar ôl tro gyda'r cneifio yn gyrru'r elfennau aloi i gymysgu tra'n cystadlu, mae prosesau adfer wedi'u hysgogi'n thermol yn caniatáu i'r aloi ddychwelyd i'w gyflwr ecwilibriwm, sydd mewn llawer o achosion i wahanu fesul cam. . “Felly mae’r gystadleuaeth hon rhwng y ddwy broses hyn,” eglura Cordero. Cynigiodd ei bapur fodel syml i ragfynegi cemegau mewn aloi penodol a fydd yn ffurfio hydoddiant solet a'i ddilysu ag arbrofion. “Y powdrau wedi’u melino yw rhai o’r metelau anoddaf y mae pobl wedi’u gweld,” meddai Cordero, gan nodi bod profion yn dangos bod gan yr aloi twngsten-cromiwm galedwch nanoindentation o 21 GPa. Mae hynny'n eu gwneud tua dwywaith caledwch nanoindentation aloion haearn nanocrystalline neu twngsten graen bras.

Mae angen hyblygrwydd ar feteleg

Yn y compactau aloi twngsten-cromiwm-haearn graen ultrafine a astudiwyd ganddo, cododd yr aloion yr haearn o grafu'r cyfrwng malu dur a'r ffiol yn ystod melino pêl egni uchel. “Ond mae’n troi allan y gall hynny hefyd fod yn fath o beth da, oherwydd mae’n edrych fel ei fod yn cyflymu dwyseddu ar dymheredd isel, sy’n lleihau faint o amser sydd gennych i’w dreulio ar y tymereddau uchel hynny a allai arwain at newidiadau drwg mewn microstrwythur,” Mae Cordero yn esbonio. “Y peth mawr yw bod yn hyblyg a chydnabod cyfleoedd mewn meteleg.”

Mae pelen aloi metel cywasgedig yn eistedd wrth ymyl powdrau metel haearn twngsten-cromiwm wedi'u melino mewn cwch a ddefnyddir i bwyso'r metelau. Defnyddir y peli dur i ddadffurfio'r metelau mewn melin bêl ynni uchel. Credyd: Denis Paiste/Canolfan Prosesu Deunyddiau
Graddiodd Cordero o MIT yn 2010 gyda baglor mewn ffiseg a gweithiodd am flwyddyn yn Labordy Cenedlaethol Lawrence Berkeley. Yno, cafodd ei ysbrydoli gan y staff peirianneg a ddysgodd gan genhedlaeth gynharach o fetelegwyr a oedd yn gwneud crucibles arbennig i ddal plwtoniwm ar gyfer Prosiect Manhattan yn ystod yr Ail Ryfel Byd. “Roedd clywed y math o bethau roedden nhw'n gweithio arnyn nhw wedi fy nghyffroi ac yn awyddus iawn i brosesu metelau. Mae hefyd yn llawer o hwyl,” meddai Cordero. Mewn is-ddisgyblaethau gwyddoniaeth deunyddiau eraill, mae'n dweud, “Dydych chi ddim yn cael agor ffwrnais ar 1,000 C, a gweld rhywbeth yn disgleirio'n boeth iawn. Dydych chi ddim yn cael trin pethau â gwres.” Mae'n disgwyl gorffen ei PhD yn 2015.

Er bod ei waith presennol yn canolbwyntio ar gymwysiadau strwythurol, mae'r math o brosesu powdr y mae'n ei wneud hefyd yn cael ei ddefnyddio i wneud deunyddiau magnetig. “Gellir cymhwyso llawer o’r wybodaeth a’r wybodaeth at bethau eraill,” meddai. “Er mai meteleg strwythurol traddodiadol yw hwn, gallwch chi gymhwyso'r meteleg hen ysgol hon at ddeunyddiau ysgol newydd.”