Νέα κράματα βολφραμίου που αναπτύσσονται στον όμιλο Schuh στο MIT θα μπορούσαν ενδεχομένως να αντικαταστήσουν το απεμπλουτισμένο ουράνιο σε βλήματα διάτρησης θωράκισης. Ο τεταρτοετής φοιτητής επιστήμης και μηχανικής υλικών Zachary C. Cordero εργάζεται σε υλικό χαμηλής τοξικότητας, υψηλής αντοχής και υψηλής πυκνότητας για την αντικατάσταση του απεμπλουτισμένου ουρανίου σε δομικές στρατιωτικές εφαρμογές. Το απεμπλουτισμένο ουράνιο αποτελεί πιθανό κίνδυνο για την υγεία των στρατιωτών και των πολιτών. «Αυτό είναι το κίνητρο για την προσπάθεια αντικατάστασής του», λέει ο Cordero.

Το κανονικό βολφράμιο θα ξεφυτρώσει ή θα αμβλύνει κατά την κρούση, η χειρότερη δυνατή απόδοση. Έτσι, η πρόκληση είναι να αναπτυχθεί ένα κράμα που να μπορεί να ταιριάζει με την απόδοση του απεμπλουτισμένου ουρανίου, το οποίο γίνεται αυτοακονιζόμενο καθώς αποκόπτει το υλικό και διατηρεί μια αιχμηρή μύτη στη διεπαφή διεισδύτη-στόχου. «Το βολφράμιο από μόνο του είναι εξαιρετικά ισχυρό και σκληρό. Βάλαμε άλλα στοιχεία κράματος για να το κάνουμε έτσι ώστε να μπορούμε να το ενοποιήσουμε σε αυτό το χύμα αντικείμενο», λέει ο Cordero.

Ένα κράμα βολφραμίου με χρώμιο και σίδηρο (W-7Cr-9Fe) ήταν σημαντικά ισχυρότερο από τα εμπορικά κράματα βολφραμίου, ανέφερε ο Cordero σε μια εργασία με τον ανώτερο συγγραφέα και επικεφαλής του Τμήματος Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών Christopher A. Schuh και τους συνεργάτες του στο περιοδικό Metallurgical and Materials Συναλλαγές Α. Η βελτίωση επιτεύχθηκε με συμπίεση μεταλλικών σκονών σε θερμή πρέσα πυροσυσσωμάτωσης με υποβοήθηση πεδίου, με το καλύτερο αποτέλεσμα, μετρούμενο από τη δομή των λεπτών κόκκων και την υψηλότερη σκληρότητα, που επιτυγχάνεται σε χρόνο επεξεργασίας 1 λεπτού στους 1.200 βαθμούς Κελσίου. Οι μεγαλύτεροι χρόνοι επεξεργασίας και οι υψηλότερες θερμοκρασίες οδήγησαν σε χονδρότερους κόκκους και ασθενέστερη μηχανική απόδοση. Μεταξύ των συγγραφέων ήταν ο μεταπτυχιακός φοιτητής μηχανικής και επιστήμης υλικών του MIT Mansoo Park, η μεταδιδακτορική υπότροφος του Oak Ridge, Emily L. Huskins, η αναπληρώτρια καθηγήτρια του Boise State Megan Frary και ο μεταπτυχιακός φοιτητής Steven Livers και ο μηχανολόγος μηχανικός και αρχηγός ομάδας του Army Research Laboratory Brian E. Schuster. Έχουν επίσης πραγματοποιηθεί βαλλιστικές δοκιμές υποκλίμακας του κράματος βολφραμίου-χρωμίου-σιδήρου.

«Εάν μπορείτε να φτιάξετε είτε νανοδομημένο είτε άμορφο χύμα βολφράμιο (κράμα), θα πρέπει πραγματικά να είναι ένα ιδανικό βαλλιστικό υλικό», λέει ο Cordero. Ο Cordero, με καταγωγή από το Bridgewater, NJ, έλαβε υποτροφία National Defense Science and Engineering (NDSEG) το 2012 μέσω του Γραφείου Επιστημονικής Έρευνας της Πολεμικής Αεροπορίας. Η έρευνά του χρηματοδοτείται από την Υπηρεσία Μείωσης Αμυντικών Απειλών των ΗΠΑ.

Εξαιρετικά λεπτή δομή κόκκων

«Ο τρόπος που φτιάχνω τα υλικά μου είναι με την επεξεργασία σκόνης όπου πρώτα φτιάχνουμε νανοκρυσταλλική σκόνη και μετά την ενοποιούμε σε χύμα αντικείμενο. Αλλά η πρόκληση είναι ότι η στερεοποίηση απαιτεί την έκθεση του υλικού σε υψηλότερες θερμοκρασίες», λέει ο Cordero. Η θέρμανση των κραμάτων σε υψηλές θερμοκρασίες μπορεί να προκαλέσει μεγέθυνση των κόκκων ή των επιμέρους κρυσταλλικών περιοχών εντός του μετάλλου, γεγονός που τους εξασθενεί. Το Cordero κατάφερε να επιτύχει εξαιρετικά λεπτή δομή κόκκων περίπου 130 νανόμετρων στο συμπαγές W-7Cr-9Fe, επιβεβαιωμένο από ηλεκτρονικές μικρογραφίες. «Χρησιμοποιώντας αυτή τη διαδρομή επεξεργασίας σκόνης, μπορούμε να φτιάξουμε μεγάλα δείγματα με διάμετρο έως 2 εκατοστά ή θα μπορούσαμε να μεγαλώσουμε, με δυναμικές αντοχές σε θλίψη 4 GPa (gigapascals). Το γεγονός ότι μπορούμε να φτιάξουμε αυτά τα υλικά χρησιμοποιώντας μια κλιμακούμενη διαδικασία είναι ίσως ακόμη πιο εντυπωσιακό», λέει ο Cordero.

«Αυτό που προσπαθούμε να κάνουμε ως ομάδα είναι να φτιάξουμε μαζικά πράγματα με λεπτές νανοδομές. Ο λόγος που το θέλουμε είναι επειδή αυτά τα υλικά έχουν πολύ ενδιαφέρουσες ιδιότητες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πολλές εφαρμογές», προσθέτει ο Cordero.

Δεν βρίσκεται στη φύση

Ο Cordero εξέτασε επίσης την αντοχή των σκονών από κράμα μετάλλων με μικροδομές νανοκλίμακας σε ένα έγγραφο περιοδικού Acta Materialia. Ο Cordero, με τον ανώτερο συγγραφέα Schuh, χρησιμοποίησε τόσο υπολογιστικές προσομοιώσεις όσο και εργαστηριακά πειράματα για να δείξει ότι κράματα μετάλλων όπως το βολφράμιο και το χρώμιο με παρόμοιες αρχικές αντοχές έτειναν να ομογενοποιούνται και να παράγουν ένα ισχυρότερο τελικό προϊόν, ενώ συνδυασμοί μετάλλων με μεγάλη αρχική αντοχή δεν ταιριάζουν π. καθώς το βολφράμιο και το ζιρκόνιο έτειναν να παράγουν ένα ασθενέστερο κράμα με περισσότερες από μία φάσεις.

«Η διαδικασία άλεσης με σφαίρα υψηλής ενέργειας είναι ένα παράδειγμα μιας μεγαλύτερης οικογένειας διαδικασιών στις οποίες παραμορφώνετε το υλικό για να οδηγήσετε τη μικροδομή του σε μια περίεργη κατάσταση μη ισορροπίας. Δεν υπάρχει πραγματικά καλό πλαίσιο για την πρόβλεψη της μικροδομής που βγαίνει, οπότε πολλές φορές αυτό είναι δοκιμή και λάθος. Προσπαθούσαμε να αφαιρέσουμε τον εμπειρισμό από το σχεδιασμό κραμάτων που θα σχηματίσουν ένα μετασταθερό στερεό διάλυμα, το οποίο είναι ένα παράδειγμα μιας φάσης μη ισορροπίας», εξηγεί ο Cordero.

«Παράγετε αυτές τις φάσεις μη ισορροπίας, πράγματα που κανονικά δεν θα βλέπατε στον κόσμο γύρω σας, στη φύση, χρησιμοποιώντας αυτές τις πραγματικά ακραίες διαδικασίες παραμόρφωσης», λέει. Η διαδικασία άλεσης με σφαίρες υψηλής ενέργειας περιλαμβάνει επαναλαμβανόμενη διάτμηση των μεταλλικών σκονών με τη διάτμηση να οδηγεί τα στοιχεία κράματος σε ανάμιξη ενώ οι ανταγωνιστικές, θερμικά ενεργοποιημένες διαδικασίες ανάκτησης επιτρέπουν στο κράμα να επιστρέψει στην κατάσταση ισορροπίας του, η οποία σε πολλές περιπτώσεις είναι ο διαχωρισμός φάσης . "Υπάρχει λοιπόν αυτός ο ανταγωνισμός μεταξύ αυτών των δύο διαδικασιών", εξηγεί ο Cordero. Η εργασία του πρότεινε ένα απλό μοντέλο για την πρόβλεψη χημειών σε ένα δεδομένο κράμα που θα σχηματίσει ένα στερεό διάλυμα και το επικύρωσε με πειράματα. «Οι αλεσμένες σκόνες είναι μερικά από τα πιο σκληρά μέταλλα που έχουν δει οι άνθρωποι», λέει ο Cordero, σημειώνοντας ότι οι δοκιμές έδειξαν ότι το κράμα βολφραμίου-χρωμίου έχει σκληρότητα 21 GPa. Αυτό τα κάνει να διπλασιάζουν τη σκληρότητα νανοκοκκοποίησης από τα νανοκρυσταλλικά κράματα με βάση τον σίδηρο ή το βολφράμιο με χονδρόκοκκο.

Η μεταλλουργία απαιτεί ευελιξία

Στα συμπαγή συμπαγή κράματος βολφραμίου-χρωμίου-σιδηρού με εξαιρετικά λεπτούς κόκκους που μελέτησε, τα κράματα παρέλαβαν τον σίδηρο από την τριβή των μέσων λείανσης χάλυβα και του φιαλιδίου κατά τη διάρκεια της σφαιρικής άλεσης υψηλής ενέργειας. «Αλλά αποδεικνύεται ότι μπορεί επίσης να είναι κάτι καλό, επειδή φαίνεται ότι επιταχύνει την πύκνωση σε χαμηλές θερμοκρασίες, γεγονός που μειώνει τον χρόνο που πρέπει να αφιερώσετε σε αυτές τις υψηλές θερμοκρασίες που θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε κακές αλλαγές στη μικροδομή». εξηγεί ο Κορδέρο. «Το μεγάλο πράγμα είναι να είσαι ευέλικτη και να αναγνωρίζεις ευκαιρίες στη μεταλλουργία».

Ο Cordero αποφοίτησε από το MIT το 2010 με πτυχίο στη φυσική και εργάστηκε για ένα χρόνο στο Lawrence Berkeley National Lab. Εκεί, εμπνεύστηκε από το μηχανικό προσωπικό που έμαθε από μια προηγούμενη γενιά μεταλλουργών που κατασκεύαζαν ειδικά χωνευτήρια για να συγκρατούν πλουτώνιο για το έργο του Μανχάταν κατά τη διάρκεια του Β' Παγκοσμίου Πολέμου. «Ακούγοντας το είδος των πραγμάτων με τα οποία εργάζονταν με ενθουσίασε πολύ και με ενθουσίασε την επεξεργασία μετάλλων. Είναι επίσης πολύ διασκεδαστικό», λέει ο Cordero. Σε άλλους επιμέρους κλάδους της επιστήμης των υλικών, λέει, «Δεν μπορείς να ανοίξεις έναν φούρνο στους 1.000 C και να δεις κάτι να λάμπει κόκκινο. Δεν προλαβαίνεις να κάνεις θερμική επεξεργασία». Αναμένει να τελειώσει το διδακτορικό του το 2015.

Αν και η τρέχουσα δουλειά του επικεντρώνεται σε δομικές εφαρμογές, το είδος της επεξεργασίας σκόνης που κάνει χρησιμοποιείται επίσης για την κατασκευή μαγνητικών υλικών. «Πολλές από τις πληροφορίες και τη γνώση μπορούν να εφαρμοστούν σε άλλα πράγματα», λέει. «Αν και αυτή είναι η παραδοσιακή δομική μεταλλουργία, μπορείτε να εφαρμόσετε αυτήν τη μεταλλουργία της παλιάς σχολής σε υλικά νέας σχολής».