MIT:n Schuh Groupissa kehitetyt uudet volframiseokset voisivat mahdollisesti korvata köyhdytetyn uraanin panssaria lävistävissä ammuksissa. Neljännen vuoden materiaalitieteen ja tekniikan jatko-opiskelija Zachary C. Cordero työskentelee vähätoksisen, lujan ja tiheän materiaalin parissa köyhdytetyn uraanin korvaamiseksi rakenteellisissa sotilaallisissa sovelluksissa. Köyhdytetty uraani on mahdollinen terveysriski sotilaille ja siviileille. "Se on motivaatio yrittää korvata se", Cordero sanoo.

Normaali volframi sieni tai tylsistyy iskussa, huonoin mahdollinen suorituskyky. Haasteena on siis kehittää seos, joka vastaa köyhdytetyn uraanin suorituskykyä. Uraani teroittuu itsestään, kun se leikkaa materiaalia ja säilyttää terävän nokan tunkeutumisen ja kohteen välisessä rajapinnassa. ”Volframi itsessään on poikkeuksellisen vahvaa ja kovaa. Lisäsimme muita seosaineita tehdäksemme sen, jotta voimme yhdistää sen tähän bulkkiesineeseen”, Cordero sanoo.

Volframiseos kromin ja raudan kanssa (W-7Cr-9Fe) oli huomattavasti vahvempi kuin kaupalliset volframiseokset, Cordero raportoi vanhemman kirjailijan ja materiaalitieteen ja tekniikan osaston johtajan Christopher A. Schuhin ja kollegoiden kanssa Metallurgical and Materials -lehdessä. Tapahtumat A. Parannus saavutettiin tiivistämällä metallijauheita kenttäavusteisessa sintrauskuumapuristimessa parhaimmillaan tulos mitattuna hienorakeisella rakenteella ja korkeimmalla kovuudella, joka saavutetaan 1 minuutin käsittelyajalla 1 200 celsiusasteessa. Pidemmät käsittelyajat ja korkeammat lämpötilat johtivat karkeampiin rakeisiin ja heikompaan mekaaniseen suorituskykyyn. Yhteiskirjoittajiin kuuluivat MIT:n tekniikan ja materiaalitieteen jatko-opiskelija Mansoo Park, Oak Ridge -tutkija Emily L. Huskins, Boisen osavaltion apulaisprofessori Megan Frary ja jatko-opiskelija Steven Livers sekä armeijan tutkimuslaboratorion koneinsinööri ja ryhmän johtaja Brian E. Schuster. Myös volframi-kromi-rauta-lejeeringin ballistisia testejä on tehty.

"Jos voit valmistaa joko nanorakenteista tai amorfista volframia (seosta), sen pitäisi todella olla ihanteellinen ballistinen materiaali", Cordero sanoo. Cordero, joka on kotoisin Bridgewaterista, NJ, sai National Defense Science and Engineering (NDSEG) -stipendin vuonna 2012 Air Force Office of Scientific Researchin kautta. Hänen tutkimustaan ​​rahoittaa Yhdysvaltain puolustusuhkien vähentämisvirasto.

Ultrahieno raerakenne

”Valmistan materiaalini jauhekäsittelyllä, jossa valmistamme ensin nanokiteistä jauhetta ja sitten yhdistämme sen bulkkikappaleeksi. Mutta haasteena on se, että lujittaminen vaatii materiaalin altistamista korkeammalle lämpötilalle”, Cordero sanoo. Seosten kuumentaminen korkeisiin lämpötiloihin voi saada metallin sisällä olevat rakeet tai yksittäiset kiteiset alueet suurenemaan, mikä heikentää niitä. Cordero pystyi saavuttamaan noin 130 nanometrin ultrahienon raerakenteen W-7Cr-9Fe-kompakissa, mikä vahvistettiin elektronimikrokuvalla. "Tällä jauhekäsittelyreitillä voimme tehdä suuria näytteitä, joiden halkaisija on jopa 2 senttimetriä, tai voisimme tehdä suurempia, dynaamisilla puristuslujuuksilla 4 GPa (gigapascalia). Se, että voimme valmistaa näitä materiaaleja skaalautuvalla prosessilla, on ehkä vieläkin vaikuttavampi”, Cordero sanoo.

”Yritämme ryhmänä tehdä bulkkituotteita hienoilla nanorakenteilla. Haluamme sen siksi, että näillä materiaaleilla on erittäin mielenkiintoisia ominaisuuksia, joita voidaan käyttää monissa sovelluksissa”, Cordero lisää.

Ei löydy luonnosta

Cordero tutki myös nanomittakaavan mikrorakenteiden metalliseosjauheiden lujuutta Acta Materialian aikakauslehtipaperissa. Cordero yhdessä vanhempi kirjailija Schuhin kanssa käytti sekä laskennallisia simulaatioita että laboratoriokokeita osoittaakseen, että metalliseokset, kuten volframi ja kromi, joilla on samanlainen alkulujuus, pyrkivät homogenisoitumaan ja tuottamaan vahvemman lopputuotteen, kun taas metallien yhdistelmät, joilla on suuri alkulujuusero, koska volframi ja zirkonium pyrkivät tuottamaan heikomman seoksen, jossa oli useampi kuin yksi faasi.

"Korkean energian kuulajyrsintäprosessi on yksi esimerkki suuremmasta prosessiperheestä, jossa materiaalia muotoillaan niin, että sen mikrorakenne viedään oudolle epätasapainotilaan. Ei ole olemassa hyvää viitekehystä tulevan mikrorakenteen ennustamiseen, joten usein tämä on yritys ja erehdystä. Yritimme poistaa empirismin sellaisten metalliseosten suunnittelusta, jotka muodostavat metastabiilin kiinteän liuoksen, joka on yksi esimerkki epätasapainosta", Cordero selittää.

"Tuot näitä epätasapainoisia vaiheita, asioita, joita et normaalisti näkisi ympäröivässä maailmassa, luonnossa käyttämällä näitä todella äärimmäisiä muodonmuutosprosesseja", hän sanoo. Suurienerginen kuulajyrsintäprosessi sisältää metallijauheiden toistuvan leikkaamisen, jolloin leikkaus ajaa seosaineet sekoittumaan, kun taas kilpailevat, termisesti aktivoidut talteenottoprosessit mahdollistavat lejeeringin palautumisen tasapainotilaansa, joka monissa tapauksissa tarkoittaa faasien erottelua. . "Joten näiden kahden prosessin välillä on kilpailua", Cordero selittää. Hänen artikkelinsa ehdotti yksinkertaista mallia kemiallisten aineiden ennustamiseksi tietyssä seoksessa, joka muodostaa kiinteän liuoksen, ja validoi sen kokein. "Juuri jauhetut jauheet ovat joitain kovimmista metalleista, joita ihmiset ovat nähneet", Cordero sanoo ja huomauttaa, että testit osoittivat volframi-kromiseoksen nanopainumakovuuden olevan 21 GPa. Tämä tekee niistä noin kaksinkertaisen nanokiteisten rautapohjaisten metalliseosten tai karkearakeisen volframin kovuuden nanosisälle.

Metallurgia vaatii joustavuutta

Hänen tutkimissaan erittäin hienorakeisissa volframi-kromi-rauta-seospuristeissa lejeeringit poimivat raudan teräksen hiomaväliaineen ja pullon hankauksesta korkeaenergisen kuulajyrsinnän aikana. "Mutta käy ilmi, että se voi olla myös hyvä asia, koska näyttää siltä, ​​​​että se nopeuttaa tiivistymistä alhaisissa lämpötiloissa, mikä vähentää aikaa, joka sinun on vietettävä korkeissa lämpötiloissa, jotka voivat johtaa huonoihin muutoksiin mikrorakenteessa." Cordero selittää. "Iso asia on joustavuus ja metallurgian mahdollisuuksien tunnistaminen."

Puristettu metalliseospelletti istuu jauhettujen volframi-kromirautametallijauheiden vieressä metallien punnitsemiseen käytettävässä veneessä. Teräskuulia käytetään metallien muodonmuutokseen korkeaenergiaisessa kuulamyllyssä. Luotto: Denis Paiste/Materials Processing Center
Cordero valmistui MIT:stä vuonna 2010 fysiikan kandidaatin tutkinnolla ja työskenteli vuoden Lawrence Berkeley National Labissa. Siellä hänet inspiroivat insinöörit, jotka oppivat aikaisemmalta metallurgien sukupolvelta, että ne tekivät erityisiä upokkaita plutoniumin säilyttämiseksi Manhattan-projektia varten toisen maailmansodan aikana. ”Kuullessani, minkälaisten asioiden parissa he työskentelivät, innostuin ja innostuin metallien käsittelystä. Se on myös vain hauskaa”, Cordero sanoo. Muilla materiaalitieteen ala-aloilla hän sanoo: "Et saa avata uunia 1000 C:ssa ja nähdä jotain hehkuvan punaisena. Et saa lämpökäsittelyä tavaroita." Hän aikoo valmistua tohtoriksi vuonna 2015.

Vaikka hänen nykyinen työnsä keskittyy rakenteellisiin sovelluksiin, hänen tekemänsä jauhekäsittelyä käytetään myös magneettisten materiaalien valmistukseen. "Paljon tietoa ja osaamista voidaan soveltaa muihin asioihin", hän sanoo. "Vaikka tämä on perinteistä rakennemetallurgiaa, voit soveltaa tätä vanhan koulun metallurgiaa uuden koulun materiaaleihin."