Nije wolfraam-legeringen dy't ûntwikkele wurde yn 'e Schuh-groep by MIT kinne mooglik ferwûne uranium ferfange yn pânser-piercing projektilen. Fjirde-jier materialen wittenskip en technyk ôfstudearre studint Zachary C. Cordero wurket oan lege-toxicity, hege sterkte, hege tichtheid materiaal foar it ferfangen fan ferarm uranium yn strukturele militêre applikaasjes. Depleted uranium stelt in potinsjele sûnensgefaar foar soldaten en boargers. "Dat is de motivaasje om te besykjen it te ferfangen," seit Cordero.

Normaal wolfraam soe mushroom of stomp op ynfloed, de minste mooglike prestaasje. Dat de útdaging is om in legearing te ûntwikkeljen dy't oerienkomt mei de prestaasjes fan ferarm uranium, dat selsskerpend wurdt as it materiaal ôfskeart en in skerpe noas behâldt by de penetrator-doel-ynterface. "Wolfram op himsels is útsûnderlik sterk en hurd. Wy sette oare legere eleminten yn om it sa te meitsjen dat wy it kinne konsolidearje yn dit bulk-objekt, "seit Cordero.

In wolfraam alloy mei chromium en izer (W-7Cr-9Fe) wie signifikant sterker as kommersjele wolfraam alloys, Cordero rapportearre yn in papier mei senior auteur en Department of Materials Science and Engineering haad Christopher A. Schuh en kollega's yn it tydskrift Metallurgical and Materials Transaksjes A. De ferbettering waard berikt troch komprimearjen fan metalen poeders yn in fjild-assistearre sintering hot parse, mei it bêste resultaat, mjitten troch de fyn nôt struktuer en heechste hurdens, berikt op in ferwurkingstiid fan 1 minút by 1.200 graden Celsius. Langere ferwurkingstiden en hegere temperatueren liede ta grouwe kerrels en swakkere meganyske prestaasjes. Co-auteurs opnommen MIT engineering en materialen wittenskip ôfstudearre studint Mansoo Park, Oak Ridge postdoctoral fellow Emily L. Huskins, Boise State Associate Professor Megan Frary en ôfstudearre studint Steven Livers, en Army Research Laboratory meganyske yngenieur en teamlieder Brian E. Schuster. Sub-skaal ballistyske tests fan de wolfraam-chroom-izer alloy binne ek útfierd.

"As jo ​​​​nanostrukturearre of amorfe bulk wolfraam (legering) kinne meitsje, soe it echt in ideaal ballistysk materiaal wêze moatte," seit Cordero. Cordero, in lânseigen fan Bridgewater, NJ, krige in National Defense Science and Engineering (NDSEG) Fellowship yn 2012 fia it Air Force Office of Scientific Research. Syn ûndersyk wurdt finansierd troch it Amerikaanske Defense Threat Reduction Agency.

Ultrafine nôt struktuer

"De manier wêrop ik myn materialen meitsje is mei poederferwurking wêr't wy earst nanokristallijn poeder meitsje en it dan konsolidearje yn in bulk foarwerp. Mar de útdaging is dat konsolidaasje fereasket it bleatstellen fan it materiaal oan hegere temperatueren, ”seit Cordero. It ferwaarmjen fan de alloys nei hege temperatueren kin feroarsaakje de korrels, of yndividuele kristallijne domeinen, binnen it metaal te fergrutsjen, dy't ferswakke se. Cordero wie yn steat om ultrafine nôtstruktuer fan sawat 130 nanometer te berikken yn 'e W-7Cr-9Fe kompakt, befêstige troch elektroanenmikrografen. "Mei dizze poederferwurkingsrûte kinne wy ​​​​grutte samples meitsje oant 2 sintimeter yn diameter, of wy kinne grutter wurde, mei dynamyske kompresjesterkten fan 4 GPa (gigapascals). It feit dat wy dizze materialen kinne meitsje mei in skalberber proses is miskien noch yndrukwekkender, "seit Cordero.

"Wat wy as groep besykje te dwaan is om bulk dingen te meitsjen mei moaie nanostruktueren. De reden dat wy dat wolle is om't dizze materialen tige nijsgjirrige eigenskippen hawwe dy't fan potensjeel gebrûk binne yn in protte tapassingen, "foeget Cordero ta.

Net fûn yn 'e natuer

Cordero ûndersocht ek de sterkte fan poeders fan metaallegering mei nanoskaal mikrostruktueren yn in Acta Materialia-sjoernaalpapier. Cordero, mei senior auteur Schuh, brûkte sawol berekkeningssimulaasjes as laboratoarium-eksperiminten om oan te toanen dat alloys fan metalen lykas wolfraam en chroom mei ferlykbere begjinsterkten de neiging hawwe om in sterker einprodukt te homogenisearjen en te produsearjen, wylst kombinaasjes fan metalen mei in grutte initial sterkte net oerienkomme mei sa'n as wolfraam en zirconium oanstriid te produsearje in swakkere alloy mei mear as ien faze oanwêzich.

"It proses fan hege-enerzjy koalfrezen is ien foarbyld fan in gruttere famylje fan prosessen wêryn't jo it heul út materiaal ferfoarmje om har mikrostruktuer yn in nuvere net-lykwichtige steat te bringen. D'r is net echt in goed ramt foar it foarsizzen fan 'e mikrostruktuer dy't útkomt, dus in protte kearen is dit probearje en flater. Wy besochten it empirisme te ferwiderjen fan it ûntwerpen fan alloys dy't in metastabiele solide oplossing sille foarmje, wat ien foarbyld is fan in net-lykwichtige faze, "fertelt Cordero.

"Jo produsearje dizze net-lykwichtige fazen, dingen dy't jo normaal net soene sjen yn 'e wrâld om jo hinne, yn' e natuer, mei dizze echt ekstreme deformaasjeprosessen," seit er. It proses fan hege-enerzjy koalfrezen omfettet werhelle skjirre fan 'e metalen poeders mei it skuorjen fan' e legeringseleminten driuwt om te mingd, wylst konkurrearjende, thermysk aktivearre herstelprosessen de legering tastean om werom te gean nei syn lykwichtssteat, wat yn in protte gefallen is om faze te skieden . "Dat d'r is dizze konkurrinsje tusken dizze twa prosessen," ferklearret Cordero. Syn papier stelde in ienfâldich model foar om chemie te foarsizzen yn in bepaalde alloy dy't in solide oplossing sil foarmje en validearre it mei eksperiminten. "De as-mûne poeders binne guon fan 'e hurdste metalen dy't minsken hawwe sjoen," seit Cordero, en merkt op dat tests sjen litte dat de wolfraam-chromium-legering in nano-indentaasje-hurdheid hat fan 21 GPa. Dat makket se sawat dûbel de nano-ynjeksje hurdens fan nanokristalline izer-basearre alloys of grofkorrelige wolfraam.

Metallurgy freget fleksibiliteit

Yn de ultrafine nôt wolfraam-chroom-izer alloy compacts hy studearre, de alloys helle it izer fan slijtage fan de stielen grinding media en vial ûnder hege-enerzjy ball milling. "Mar it docht bliken dat dat ek in goed ding kin wêze, om't it liket as it fertinking by lege temperatueren fersnelt, wat de tiid ferminderet dy't jo moatte besteegje oan dy hege temperatueren dy't liede kinne ta minne feroaringen yn mikrostruktuer," Cordero ferklearret. "It grutte ding is fleksibel te wêzen en kânsen te erkennen yn metallurgy."

In kompakte metalen alloy pellet sit njonken as-mûne wolfraam-chromium izer metaal poeders yn in boat brûkt foar it weagjen fan de metalen. De stielen ballen wurde brûkt om de metalen te ferfoarmjen yn in hege-enerzjy kogelmole. Credit: Denis Paiste / Material Processing Center
Cordero studearre ôf oan MIT yn 2010 mei in bachelorstitel yn natuerkunde en wurke in jier by Lawrence Berkeley National Lab. Dêr waard er ynspirearre troch de yngenieurs dy't learden fan in eardere generaasje metallurgen dy't yn de Twadde Wrâldoarloch spesjale kroes makken om plutoanium te hâlden foar it Manhattan-projekt. "It hearren fan it soarte dingen dêr't se oan wurken, makke my heul optein en entûsjast foar metalen ferwurkjen. It is ek gewoan in protte wille”, seit Cordero. Yn oare subdisiplines fan materiaalwittenskip seit er: "Jo kinne gjin oven op 1.000 C iepenje en iets sjen dat readhiem gloeit. Jo komme net ta waarmtebehanneling." Hy ferwachtet syn PhD yn 2015 ôf te meitsjen.

Hoewol syn hjoeddeistige wurk rjochte is op strukturele tapassingen, wurdt it soarte poederferwurking dat hy docht ek brûkt om magnetyske materialen te meitsjen. "In protte fan 'e ynformaasje en kennis kin tapast wurde op oare dingen," seit er. "Ek al is dit tradisjonele strukturele metallurgy, kinne jo dizze âlde-skoalle metallurgy tapasse op nije-skoalle materialen."