Novaj volframaj alojoj estantaj evoluigitaj en la Schuh Group ĉe MIT povus eble anstataŭigi malplenigitan uranion en kiras-penetraj kugloj. Kvara-jara materiala scienco kaj inĝenierado gradstudanto Zachary C. Cordero laboras pri malalt-tokseco, alt-forta, alt-denseca materialo por anstataŭigi malplenigitan uranion en strukturaj armeaj aplikoj. Malplenigita uranio prezentas eblan sandanĝeron al soldatoj kaj civiluloj. "Tio estas la instigo por provi anstataŭigi ĝin," Cordero diras.

Normala volframo fungo aŭ malakrus sur efiko, la plej malbona ebla agado. Do la defio estas evoluigi alojon kiu povas egali la agadon de malplenigita uranio, kiu iĝas mem-akriga kiam ĝi fortranĉas materialon kaj konservas akran nazon ĉe la penetranto-cela interfaco. “Tungsteno per si mem estas escepte forta kaj malmola. Ni enmetas aliajn alojajn elementojn por fari ĝin, por ke ni povu solidigi ĝin en ĉi tiun pograndan objekton," Cordero diras.

Alojo de volframo kun kromo kaj fero (W-7Cr-9Fe) estis signife pli forta ol komercaj alojoj de volframo, Cordero raportis en artikolo kun altranga verkinto kaj Fako pri Materiala Scienco kaj Inĝenieristiko-estro Christopher A. Schuh kaj kolegoj en la revuo Metallurgical and Materials. Transakcioj A. La plibonigo estis atingita per kompaktado de metalaj pulvoroj en kampo-helpata sinteriza varma gazetaro, kun la plej bona rezulto, mezurita per la fajna grena strukturo kaj plej alta malmoleco, atingita je pretiga tempo de 1 minuto je 1,200 celsiusgradoj. Pli longaj pretigtempoj kaj pli altaj temperaturoj kondukis al pli krudaj grajnoj kaj pli malforta mekanika efikeco. Kunaŭtoroj inkludis MIT-inĝenieristikon kaj materialsciencon gradstudanto Mansoo Park, Oak Ridge postdoktoriĝan kunulon Emily L. Huskins, Boise State Associate Professor Megan Frary kaj gradstudanto Steven Livers, kaj Army Research Laboratory mekanikan inĝenieron kaj teamgvidanton Brian E. Schuster. Sub-skalaj balistikaj testoj de la volfram-kromo-fera alojo ankaŭ estis faritaj.

"Se vi povas fari aŭ nanostrukturitan aŭ amorfan pograndan volframon (alojo), ĝi vere devus esti ideala balistika materialo," diras Cordero. Cordero, hejmanto de Bridgewater, NJ, ricevis National Defence Science and Engineering (NDSEG) Kunecon en 2012 tra la Aera Forto-Oficejo de Scienca Esplorado. Lia esplorado estas financita de la Usona Defenda Minaco-Redukto-Agentejo.

Ultrafina grajna strukturo

"La maniero, kiel mi faras miajn materialojn, estas per pulvora pretigo, kie unue ni faras nanokristalan pulvoron kaj poste ni solidigas ĝin en pograndan objekton. Sed la defio estas, ke firmiĝo postulas elmontri la materialon al pli altaj temperaturoj, "diras Cordero. Varmigi la alojojn al altaj temperaturoj povas igi la grajnojn, aŭ individuajn kristalajn domajnojn, ene de la metalo pligrandigi, kiu malfortigas ilin. Cordero povis atingi ultrafajnan grenstrukturon de proksimume 130 nanometroj en la kompakto W-7Cr-9Fe, konfirmita per elektronmikrografoj. "Uzante ĉi tiun pulvoran pretigan vojon, ni povas fari grandajn specimenojn ĝis 2 centimetrojn en diametro, aŭ ni povus pligrandiĝi, kun dinamikaj kunpremaj fortoj de 4 GPa (gigapaskaloj). La fakto, ke ni povas fari ĉi tiujn materialojn uzante skaleblan procezon, estas eble eĉ pli impresa,” Cordero diras.

“Kion ni provas fari kiel grupo estas fari grandajn aferojn per bonaj nanostrukturoj. La kialo, ke ni volas tion, estas ĉar ĉi tiuj materialoj havas tre interesajn ecojn, kiuj estas eblaj uzeblaj en multaj aplikoj, "aldonas Cordero.

Ne trovita en la naturo

Cordero ankaŭ ekzamenis la forton de metalalojaj pulvoroj kun nanoskalaj mikrostrukturoj en Acta Materialia ĵurnalo. Cordero, kun altranga verkinto Schuh, uzis kaj komputilajn simuladojn kaj laboratoriajn eksperimentojn por montri ke alojoj de metaloj kiel ekzemple volframo kaj kromo kun similaj komencaj fortoj emis homogenigi kaj produkti pli fortan finprodukton, dum kombinaĵoj de metaloj kun granda komenca forto miskongruas tia. ĉar volframo kaj zirkonio emis produkti pli malfortan alojon kun pli ol unu fazo ĉeestanta.

"La procezo de altenergia pilka muelado estas unu ekzemplo de pli granda familio de procezoj, en kiuj vi deformas el materialo por movi ĝian mikrostrukturon en strangan ne-ekvilibran staton. Ne ekzistas bona kadro por antaŭdiri la mikrostrukturon kiu aperas, do multfoje tio estas provo kaj eraro. Ni provis forigi la empirion de desegnado de alojoj kiuj formos metastablan solidan solvon, kio estas unu ekzemplo de ne-ekvilibra fazo, "klarigas Cordero.

"Vi produktas ĉi tiujn ne-ekvilibrajn fazojn, aferojn, kiujn vi kutime ne vidus en la mondo ĉirkaŭ vi, en la naturo, uzante ĉi tiujn vere ekstremajn deformajn procezojn," li diras. La procezo de alt-energia pilkmuelado implikas ripetan tondadon de la metalpulvoroj kie la tondo movas la alojajn elementojn al intermiksiĝo dum konkurado, termike aktivigitaj normaligprocezoj permesas al la alojo reveni al sia ekvilibra stato, kiu en multaj kazoj devas fazi apartigi. . "Do ekzistas ĉi tiu konkurado inter ĉi tiuj du procezoj," klarigas Cordero. Lia artikolo proponis simplan modelon por antaŭdiri kemiojn en antaŭfiksita alojo kiu formos solidan solvon kaj validigis ĝin per eksperimentoj. "La kiel muelitaj pulvoroj estas iuj el la plej malmolaj metaloj, kiujn homoj vidis," diras Cordero, rimarkante, ke provoj montris, ke la volfram-kroma alojo havas nanoindentan malmolecon de 21 GPa. Tio igas ilin proksimume duoble la nanoindenta malmoleco de nanokristalaj fer-bazitaj alojoj aŭ krud-grajna volframo.

Metalurgio postulas flekseblecon

En la ultrafajnaj grajnaj volframoj-krom-feraj alojaj kompaktaĵoj, kiujn li studis, la alojoj reprenis la feron el abrazio de la ŝtala muelanta amaskomunikilaro kaj fiolo dum altenergia pilka muelado. "Sed rezultas, ke tio ankaŭ povas esti bona afero, ĉar ŝajnas, ke ĝi akcelas densiĝon ĉe malaltaj temperaturoj, kio reduktas la kvanton da tempo, kiun vi devas pasigi ĉe tiuj altaj temperaturoj, kiuj povus konduki al malbonaj ŝanĝoj en mikrostrukturo," Cordero klarigas. "La grava afero estas esti fleksebla kaj rekoni ŝancojn en metalurgio."

Kompaktita metalalojo buleto sidas apud kiel-muelitaj volfram-kromaj fermetalaj pulvoroj en boato uzita por pesi la metalojn. La ŝtalaj pilkoj estas uzataj por misformi la metalojn en altenergia pilka muelejo. Kredito: Denis Paiste/Centro pri Pretigo de Materialoj
Cordero studentiĝis ĉe MIT en 2010 kun bakalaŭro pri fiziko kaj laboris por jaro ĉe Lawrence Berkeley National Lab. Tie, li estis inspirita fare de la inĝenieristikkunlaborantaro kiu lernis de pli frua generacio de metalurgiistoj kiuj faris specialajn krisolojn por teni plutonion por la Projekto Manhattan dum 2-a Mondmilito. "Aŭdi la specon de aĵoj pri kiuj ili laboris, tre ekscitigis min kaj fervoris pri metala prilaborado. Ankaŭ estas nur tre amuza,” Cordero diras. En aliaj subfakoj pri materialscienco, li diras, “Vi ne povas malfermi fornon je 1,000 C, kaj vidi ion ardan ruĝan. Vi ne povas varmtrakti aferojn.” Li atendas fini sian PhD en 2015.

Kvankam lia nuna laboro estas temigis strukturajn aplikojn, la speco de pulvora pretigo kiun li faras ankaŭ estas uzata por fari magnetajn materialojn. "Multaj informoj kaj scio povas esti aplikataj al aliaj aferoj," li diras. "Kvankam ĉi tio estas tradicia struktura metalurgio, vi povas apliki ĉi tiun malnovlernejan metalurgion al novlernejaj materialoj."