MIT-is Schuhi rühmas väljatöötatavad uued volframisulamid võivad potentsiaalselt asendada vaesestatud uraani soomust läbistavates mürskudes. Neljanda kursuse materjaliteaduse ja inseneriteaduse magistrant Zachary C. Cordero töötab madala toksilisuse, kõrge tugevusega ja suure tihedusega materjaliga, et asendada vaesestatud uraani struktuursetes sõjalistes rakendustes. Vaesestatud uraan kujutab endast potentsiaalset ohtu sõdurite ja tsiviilisikute tervisele. "See on motivatsioon selle asendamiseks, " ütleb Cordero.

Tavaline volfram võib kokkupõrkel seene või nüriks muutuda, mis on halvim võimalik jõudlus. Seega on väljakutseks välja töötada sulam, mis sobiks vaesestatud uraani jõudlusega, mis muutub materjali maha lõikamisel iseterituks ja säilitab läbitungija ja sihtmärgi liideses terava nina. "Volfram on iseenesest erakordselt tugev ja kõva. Panime selle valmistamiseks sisse muid legeerivaid elemente, et saaksime selle sellesse hulgiobjekti koondada, ”ütleb Cordero.

Volframisulam kroomi ja rauaga (W-7Cr-9Fe) oli oluliselt tugevam kui kaubanduslikud volframisulamid, teatas Cordero ajakirjas Metallurgical and Materials vanemautori ja materjaliteaduse ja tehnika osakonna juhataja Christopher A. Schuhi ja kolleegidega koostatud artiklis. Tehingud A. Parendamine saavutati metallipulbrite tihendamisel väliabiga paagutava kuumpressiga. Parim tulemus, mõõdetuna peeneteralise struktuuri ja kõrgeima kareduse järgi, saavutati 1-minutilise töötlemisajaga 1200 kraadi Celsiuse järgi. Pikemad töötlemisajad ja kõrgemad temperatuurid tõid kaasa jämedamad terad ja nõrgema mehaanilise jõudluse. Kaasautorite hulka kuulusid MIT inseneri- ja materjaliteaduse magistrant Mansoo Park, Oak Ridge'i järeldoktor Emily L. Huskins, Boise'i osariigi dotsent Megan Frary ja kraadiõppur Steven Livers ning armee uurimislabori mehaanikainsener ja meeskonna juht Brian E. Schuster. Samuti on tehtud volframi-kroom-raua sulami ballistilised testid.

"Kui saate valmistada kas nanostruktureeritud või amorfset volframit (sulamit), peaks see tõesti olema ideaalne ballistiline materjal, " ütleb Cordero. Cordero, kes on pärit Bridgewaterist (NJ), sai 2012. aastal õhujõudude teadusuuringute büroo kaudu riikliku kaitseteaduse ja tehnika (NDSEG) stipendiumi. Tema uurimistööd rahastab USA kaitseohtude vähendamise agentuur.

Ülipeen teraline struktuur

"Ma valmistan oma materjale pulbri töötlemisega, kus kõigepealt valmistame nanokristallilist pulbrit ja seejärel ühendame selle lahtiseks objektiks. Kuid väljakutse seisneb selles, et tihendamine nõuab materjali eksponeerimist kõrgematele temperatuuridele, ”ütleb Cordero. Sulamite kuumutamine kõrgetel temperatuuridel võib põhjustada metalli terade või üksikute kristallide domeenide suurenemist, mis nõrgendab neid. Cordero suutis kompaktis W-7Cr-9Fe saavutada ülipeene, umbes 130 nanomeetrise terastruktuuri, mida kinnitasid elektronmikrograafid. „Seda pulbritöötlemise teed kasutades saame teha suuri kuni 2-sentimeetrise läbimõõduga proove või võiksime minna suuremaks, dünaamilise survetugevusega 4 GPa (gigapaskalit). Tõsiasi, et saame neid materjale skaleeritava protsessi abil valmistada, on võib-olla veelgi muljetavaldavam, ”ütleb Cordero.

"See, mida me rühmana teha üritame, on teha peente nanostruktuuridega hulgi asju. Põhjus, miks me seda soovime, on see, et neil materjalidel on väga huvitavad omadused, mida saab kasutada paljudes rakendustes,” lisab Cordero.

Looduses ei leidu

Cordero uuris ka nanomõõtmeliste mikrostruktuuridega metallisulamipulbrite tugevust ajakirjas Acta Materialia. Cordero koos vanemautori Schuhiga kasutas nii arvutuslikke simulatsioone kui ka laborikatseid, et näidata, et sarnase algtugevusega metallisulamid, nagu volfram ja kroom, kaldusid homogeniseeruma ja andma tugevama lõpptoote, samas kui suure algtugevusega metallide kombinatsioonid kuna volfram ja tsirkoonium kaldusid tootma nõrgemat sulamit, milles oli rohkem kui üks faas.

"Suure energiaga kuuljahvatamise protsess on üks näide suuremast protsesside perekonnast, mille käigus deformeerite materjali, et viia selle mikrostruktuur veidrasse mittetasakaalusse olekusse. Väljatuleva mikrostruktuuri ennustamiseks ei ole tegelikult head raamistikku, seega on see sageli katse-eksituse meetod. Püüdsime eemaldada empiirilisuse sulamite kavandamisel, mis moodustavad metastabiilse tahke lahuse, mis on üks näide mittetasakaalufaasist, ”selgitab Cordero.

"Te loote neid mittetasakaalufaase, asju, mida te ümbritsevas maailmas looduses tavaliselt ei näeks, kasutades neid tõeliselt äärmuslikke deformatsiooniprotsesse," ütleb ta. Suure energiaga kuuljahvatamise protsess hõlmab metallipulbrite korduvat lõikamist, mille käigus lõikamine paneb legeerelemendid segunema, samal ajal kui konkureerivad termiliselt aktiveeritavad regenereerimisprotsessid võimaldavad sulamil naasta tasakaaluolekusse, mis paljudel juhtudel on faaside eraldamine. . "Nii et nende kahe protsessi vahel on konkurents, " selgitab Cordero. Tema artikkel pakkus välja lihtsa mudeli, et ennustada keemiat antud sulamis, mis moodustab tahke lahuse, ja kinnitas selle katsetega. "Jahvatatud pulbrid on ühed kõvemad metallid, mida inimesed on näinud," ütleb Cordero, märkides, et katsed näitasid, et volframi-kroomi sulami nanosõlmimise kõvadus on 21 GPa. See muudab need nanokristalliliste rauapõhiste sulamite või jämedateralise volframi nanosõlmimise kõvaduse umbes kahekordseks.

Metallurgia nõuab paindlikkust

Tema uuritud ülipeeneteralistes volframi-kroomi-raua sulamite tihendites võtsid sulamid suure energiaga kuuljahvatamise käigus terasest lihvimisvahendi ja viaali hõõrdumise tõttu rauda. "Kuid selgub, et see võib olla ka hea asi, sest tundub, et see kiirendab tihenemist madalatel temperatuuridel, mis vähendab aega, mille peate veetma kõrgetel temperatuuridel, mis võivad põhjustada halbu muutusi mikrostruktuuris." Cordero selgitab. "Suur asi on paindlikkus ja metallurgia võimaluste tunnustamine."

Cordero lõpetas 2010. aastal MIT-i füüsika bakalaureuseõppe ja töötas aasta Lawrence Berkeley riiklikus laboris. Seal inspireerisid teda insenerid, kes õppisid varasemalt metallurgide põlvkonnalt, et nad valmistasid Teise maailmasõja ajal Manhattani projekti jaoks plutooniumi hoidmiseks spetsiaalseid tiigleid. „Kui kuulsin, milliste asjade kallal nad töötasid, sain ma väga elevil ja kiindumus metallide töötlemise vastu. See on ka lihtsalt väga lõbus,” ütleb Cordero. Teistes materjaliteaduse alavaldkondades ütleb ta: "Te ei saa avada ahju temperatuuril 1000 C ja näha midagi punaselt kuumalt hõõguvat. Sa ei saa asju kuumtöödelda. Ta kavatseb lõpetada doktorikraadi 2015. aastal.

Kuigi tema praegune töö on keskendunud konstruktsioonilistele rakendustele, kasutatakse tema poolt tehtavat pulbertöötlust ka magnetmaterjalide valmistamiseks. "Palju teavet ja teadmisi saab rakendada muude asjade jaoks, " ütleb ta. "Kuigi see on traditsiooniline struktuurne metallurgia, saate seda vana kooli metallurgiat rakendada uue kooli materjalide puhul."