آلیاژهای تنگستن جدید در حال توسعه در گروه شوه در MIT می توانند به طور بالقوه جایگزین اورانیوم ضعیف شده در پرتابه های سوراخ کننده زره شوند. زاخاری سی. کوردرو، دانشجوی سال چهارم فارغ التحصیل رشته علوم و مهندسی مواد، روی مواد کم سمیت، استحکام بالا و چگالی بالا برای جایگزینی اورانیوم ضعیف شده در کاربردهای نظامی ساختاری کار می کند. اورانیوم ضعیف شده یک خطر بالقوه برای سلامتی سربازان و غیرنظامیان است. کوردرو می‌گوید: «این انگیزه‌ای برای تلاش برای جایگزینی آن است.

تنگستن معمولی در اثر ضربه رشد می‌کند یا کند می‌شود که بدترین عملکرد ممکن است. بنابراین چالش ایجاد آلیاژی است که بتواند با عملکرد اورانیوم ضعیف شده مطابقت داشته باشد، این آلیاژ با برش دادن مواد و حفظ دماغه تیز در رابط نفوذگر-هدف، خود تیز شونده می شود. تنگستن به خودی خود فوق العاده قوی و سخت است. ما عناصر آلیاژی دیگری را برای ساخت آن قرار دادیم تا بتوانیم آن را در این جسم حجیم ادغام کنیم.» کوردرو می گوید.

کوردرو در مقاله ای با نویسنده ارشد و رئیس بخش علوم و مهندسی مواد، کریستوفر آ. شوه و همکارانش در مجله Metallurgical and Materials گزارش داد که یک آلیاژ تنگستن با کروم و آهن (W-7Cr-9Fe) به طور قابل توجهی قوی تر از آلیاژهای تنگستن تجاری بود. معاملات A. بهبود با فشرده سازی پودرهای فلزی در یک تف جوشی گرم به کمک میدان به دست آمد. پرس، با بهترین نتیجه، اندازه گیری شده توسط ساختار دانه ریز و بالاترین سختی، در زمان پردازش 1 دقیقه در 1200 درجه سانتیگراد به دست می آید. زمان‌های پردازش طولانی‌تر و دمای بالاتر منجر به دانه‌های درشت‌تر و عملکرد مکانیکی ضعیف‌تر شد. نویسندگان مشترک شامل منسو پارک دانشجوی فارغ التحصیل مهندسی و علوم مواد MIT، امیلی ال. هاسکینز، دانشجوی فوق دکتری Oak Ridge، مگان فرای دانشیار ایالت Boise و استیون لیورز دانشجوی فارغ التحصیل، و مهندس مکانیک آزمایشگاه تحقیقات ارتش و رهبر تیم برایان ای. شوستر بودند. آزمایش‌های بالستیک زیر مقیاس آلیاژ تنگستن-کروم-آهن نیز انجام شده است.

کوردرو می‌گوید: «اگر می‌توانید تنگستن توده‌ای نانوساختار یا آمورف (آلیاژ) بسازید، واقعاً باید یک ماده بالستیک ایده‌آل باشد. کوردرو، اهل بریج واتر، نیوجرسی، بورسیه علوم و مهندسی دفاع ملی (NDSEG) را در سال 2012 از طریق دفتر تحقیقات علمی نیروی هوایی دریافت کرد. تحقیقات او توسط آژانس کاهش تهدیدات دفاعی ایالات متحده تأمین مالی می شود.

ساختار دانه بسیار ریز

روشی که من موادم را می‌سازم با پردازش پودر است که در آن ابتدا پودر نانو کریستالی می‌سازیم و سپس آن را به یک جسم حجیم تبدیل می‌کنیم. اما چالش این است که یکپارچه سازی مستلزم قرار دادن مواد در معرض دماهای بالاتر است. حرارت دادن آلیاژها به دماهای بالا می‌تواند باعث بزرگ شدن دانه‌ها یا حوزه‌های کریستالی منفرد درون فلز شود که باعث ضعیف شدن آن‌ها می‌شود. کوردرو توانست به ساختار دانه بسیار ریز حدود 130 نانومتر در فشرده W-7Cr-9Fe دست یابد که توسط میکروگراف های الکترونی تایید شد. با استفاده از این مسیر پردازش پودر، می‌توانیم نمونه‌های بزرگ تا قطر ۲ سانتی‌متر یا بزرگ‌تر با مقاومت فشاری دینامیکی ۴ GPa (گیگاپاسکال) بسازیم. این واقعیت که ما می‌توانیم این مواد را با استفاده از یک فرآیند مقیاس‌پذیر بسازیم، شاید حتی چشمگیرتر باشد.» Cordero می‌گوید.

کاری که ما به عنوان یک گروه در تلاش هستیم انجام دهیم این است که چیزهای حجیم با نانوساختارهای خوب بسازیم. دلیلی که ما می خواهیم این است که این مواد دارای خواص بسیار جالبی هستند که بالقوه در بسیاری از کاربردها استفاده می شوند.

در طبیعت یافت نمی شود

کوردرو همچنین استحکام پودرهای آلیاژ فلزی را با ریزساختارهای نانومقیاس در مقاله مجله Acta Materialia بررسی کرد. کوردرو، با نویسنده ارشد Schuh، هم از شبیه‌سازی‌های محاسباتی و هم از آزمایش‌های آزمایشگاهی استفاده کرد تا نشان دهد که آلیاژهای فلزاتی مانند تنگستن و کروم با استحکام اولیه مشابه، تمایل به همگن شدن و تولید محصول نهایی قوی‌تری دارند، در حالی که ترکیبی از فلزات با استحکام اولیه زیاد با این موارد مطابقت ندارند. تنگستن و زیرکونیوم تمایل به تولید آلیاژ ضعیف تری با بیش از یک فاز دارند.

فرآیند آسیاب گلوله ای با انرژی بالا نمونه ای از یک خانواده بزرگتر از فرآیندها است که در آن شما مواد را تغییر شکل می دهید تا ریزساختار آن را به حالت غیر تعادلی عجیب هدایت کنید. چارچوب خوبی برای پیش‌بینی ساختاری که ظاهر می‌شود واقعاً وجود ندارد، بنابراین در بسیاری از مواقع این آزمایش و خطا است. کوردرو توضیح می‌دهد که ما سعی می‌کردیم تجربه‌گرایی را از طراحی آلیاژهایی حذف کنیم که محلول جامد ناپایدار را تشکیل می‌دهند، که نمونه‌ای از فاز غیرتعادلی است.

او می‌گوید: «شما این فازهای غیرتعادلی را تولید می‌کنید، چیزهایی که معمولاً در دنیای اطرافتان، در طبیعت، با استفاده از این فرآیندهای تغییر شکل واقعاً شدید نمی‌بینید». فرآیند آسیاب گلوله ای پرانرژی شامل برش مکرر پودرهای فلز با برش دادن عناصر آلیاژی به مخلوط شدن در حالی که رقابت می کند، فرآیندهای بازیابی حرارتی فعال شده به آلیاژ اجازه می دهد تا به حالت تعادل خود بازگردد، که در بسیاری از موارد جداسازی فاز است. . کوردرو توضیح می‌دهد: «پس این رقابت بین این دو فرآیند وجود دارد. مقاله او یک مدل ساده برای پیش‌بینی مواد شیمیایی در یک آلیاژ معین که محلول جامد را تشکیل می‌دهد پیشنهاد کرد و آن را با آزمایش‌ها تایید کرد. کوردرو می‌گوید: «پودرهای آسیاب‌شده برخی از سخت‌ترین فلزاتی هستند که مردم دیده‌اند. این باعث می‌شود که سختی نانو فرورفتگی آلیاژهای نانوکریستالی مبتنی بر آهن یا تنگستن دانه درشت دو برابر شود.

متالورژی نیاز به انعطاف دارد

در ترکیبات فشرده آلیاژ تنگستن-کروم-آهن دانه بسیار ریز که او مطالعه کرد، آلیاژها آهن را از ساییدگی محیط سنگ زنی فولاد و ویال در طی آسیاب گلوله ای با انرژی بالا برداشتند. اما به نظر می‌رسد که این می‌تواند چیز خوبی نیز باشد، زیرا به نظر می‌رسد که چگالش را در دماهای پایین تسریع می‌کند، که مدت زمانی را که باید در آن دماهای بالا صرف کنید که می‌تواند منجر به تغییرات بد در ریزساختار شود، کاهش می‌دهد. کوردرو توضیح می دهد. نکته مهم انعطاف پذیر بودن و شناخت فرصت ها در متالورژی است.

یک گلوله فشرده از آلیاژ فلزی در کنار پودرهای فلزی آهن تنگستن و کروم آسیاب شده در قایق مورد استفاده برای وزن کردن فلزات قرار می گیرد. از گلوله های فولادی برای تغییر شکل فلزات در آسیاب گلوله ای پر انرژی استفاده می شود. اعتبار: Denis Paiste/مرکز پردازش مواد
کوردرو در سال 2010 با مدرک لیسانس فیزیک از MIT فارغ التحصیل شد و به مدت یک سال در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی کار کرد. در آنجا، او از کارکنان مهندسی الهام گرفت که از نسل قبلی متالورژیست‌ها یاد گرفتند که بوته‌های مخصوصی برای نگهداری پلوتونیوم برای پروژه منهتن در طول جنگ جهانی دوم می‌ساختند. "شنیدن چیزهایی که آنها روی آنها کار می کردند، من را بسیار هیجان زده کرد و به پردازش فلزات علاقه مند شدم. کوردرو می‌گوید: «این فقط بسیار سرگرم‌کننده است. او در دیگر زیرشاخه‌های علم مواد می‌گوید: «نمی‌توان کوره‌ای را با دمای 1000 درجه سانتی‌گراد باز کرد و چیزی را دید که قرمز داغ می‌درخشد. شما نمی توانید چیزهای حرارتی را انجام دهید." او انتظار دارد دکترای خود را در سال 2015 به پایان برساند.

اگرچه کار فعلی او بر کاربردهای ساختاری متمرکز است، اما از نوع پردازش پودری که او انجام می دهد برای ساخت مواد مغناطیسی نیز استفاده می شود. او می گوید: «بسیاری از اطلاعات و دانش را می توان در موارد دیگر به کار برد. اگرچه این متالورژی سازه‌ای سنتی است، اما می‌توانید این متالورژی قدیمی را در مواد جدید مدرسه اعمال کنید.