एमआईटी में शुह समूह में विकसित की जा रही नई टंगस्टन मिश्र धातुएं संभावित रूप से कवच-भेदी प्रोजेक्टाइल में घटते यूरेनियम की जगह ले सकती हैं। चौथे वर्ष के सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग स्नातक छात्र ज़ाचरी सी. कोर्डेरो संरचनात्मक सैन्य अनुप्रयोगों में घटते यूरेनियम को बदलने के लिए कम विषाक्तता, उच्च शक्ति, उच्च घनत्व वाली सामग्री पर काम कर रहे हैं। घटता हुआ यूरेनियम सैनिकों और नागरिकों के स्वास्थ्य के लिए संभावित खतरा पैदा करता है। कोर्डेरो कहते हैं, "इसे बदलने की कोशिश करने की यही प्रेरणा है।"

सामान्य टंगस्टन प्रभाव पड़ने पर कुंद या कुंद हो जाएगा, जो कि सबसे खराब प्रदर्शन है। तो चुनौती एक ऐसे मिश्र धातु को विकसित करने की है जो घटते यूरेनियम के प्रदर्शन से मेल खा सके, जो सामग्री को काटते समय स्वयं-तीक्ष्ण हो जाता है और भेदक-लक्ष्य इंटरफ़ेस पर एक तेज नाक बनाए रखता है। “टंगस्टन अपने आप में असाधारण रूप से मजबूत और कठोर है। हम इसे बनाने के लिए अन्य मिश्रधातु तत्व डालते हैं ताकि हम इसे इस बड़ी वस्तु में समेकित कर सकें," कोर्डेरो कहते हैं।

क्रोमियम और लोहे के साथ एक टंगस्टन मिश्र धातु (W-7Cr-9Fe) वाणिज्यिक टंगस्टन मिश्र धातुओं की तुलना में काफी मजबूत थी, कोर्डेरो ने वरिष्ठ लेखक और सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग विभाग के प्रमुख क्रिस्टोफर ए शुह और सहकर्मियों के साथ मेटलर्जिकल एंड मैटेरियल्स पत्रिका में एक पेपर में बताया। लेन-देन ए. क्षेत्र-सहायता प्राप्त सिंटरिंग हॉट प्रेस में धातु पाउडर को कॉम्पैक्ट करके सुधार प्राप्त किया गया था, सबसे अच्छे परिणाम के साथ, बारीक अनाज संरचना द्वारा मापा गया और उच्चतम कठोरता, 1,200 डिग्री सेल्सियस पर 1 मिनट के प्रसंस्करण समय पर हासिल की गई। लंबे प्रसंस्करण समय और उच्च तापमान के कारण अनाज मोटे हो गए और यांत्रिक प्रदर्शन कमजोर हो गया। सह-लेखकों में एमआईटी इंजीनियरिंग और सामग्री विज्ञान स्नातक छात्र मंसूर पार्क, ओक रिज पोस्टडॉक्टरल फेलो एमिली एल. हस्किन्स, बोइस स्टेट एसोसिएट प्रोफेसर मेगन फ्रैरी और स्नातक छात्र स्टीवन लिवर्स, और आर्मी रिसर्च लेबोरेटरी मैकेनिकल इंजीनियर और टीम लीडर ब्रायन ई. शूस्टर शामिल हैं। टंगस्टन-क्रोमियम-लौह मिश्र धातु के उप-स्तरीय बैलिस्टिक परीक्षण भी किए गए हैं।

"यदि आप नैनोस्ट्रक्चर्ड या अनाकार बल्क टंगस्टन (मिश्र धातु) बना सकते हैं, तो यह वास्तव में एक आदर्श बैलिस्टिक सामग्री होनी चाहिए," कोर्डेरो कहते हैं। ब्रिजवाटर, एनजे के मूल निवासी कोर्डेरो को 2012 में वायु सेना कार्यालय वैज्ञानिक अनुसंधान के माध्यम से राष्ट्रीय रक्षा विज्ञान और इंजीनियरिंग (एनडीएसईजी) फैलोशिप प्राप्त हुई। उनके शोध को अमेरिकी रक्षा खतरा न्यूनीकरण एजेंसी द्वारा वित्त पोषित किया गया है।

अति सूक्ष्म अनाज संरचना

“जिस तरह से मैं अपनी सामग्री बनाता हूं वह पाउडर प्रसंस्करण के साथ होता है जहां पहले हम नैनोक्रिस्टलाइन पाउडर बनाते हैं और फिर हम इसे एक बड़ी वस्तु में समेकित करते हैं। लेकिन चुनौती यह है कि समेकन के लिए सामग्री को उच्च तापमान पर उजागर करने की आवश्यकता होती है, ”कोर्डेरो कहते हैं। मिश्रधातुओं को उच्च तापमान पर गर्म करने से धातु के भीतर कण, या व्यक्तिगत क्रिस्टलीय डोमेन बड़े हो सकते हैं, जो उन्हें कमजोर कर देता है। कोर्डेरो W-7Cr-9Fe कॉम्पैक्ट में लगभग 130 नैनोमीटर की अल्ट्राफाइन अनाज संरचना प्राप्त करने में सक्षम था, जिसकी पुष्टि इलेक्ट्रॉन माइक्रोग्राफ द्वारा की गई थी। “इस पाउडर प्रसंस्करण मार्ग का उपयोग करके, हम 2 सेंटीमीटर व्यास तक के बड़े नमूने बना सकते हैं, या हम 4 जीपीए (गीगापास्कल) की गतिशील संपीड़ित ताकत के साथ बड़े नमूने बना सकते हैं। तथ्य यह है कि हम इन सामग्रियों को एक स्केलेबल प्रक्रिया का उपयोग करके बना सकते हैं, शायद और भी अधिक प्रभावशाली है, ”कोर्डेरो कहते हैं।

“एक समूह के रूप में हम जो करने की कोशिश कर रहे हैं वह बढ़िया नैनोस्ट्रक्चर के साथ बड़ी मात्रा में चीजें बनाना है। हम ऐसा इसलिए चाहते हैं क्योंकि इन सामग्रियों में बहुत दिलचस्प गुण हैं जो कई अनुप्रयोगों में संभावित उपयोग के हैं, ”कॉर्डेरो कहते हैं।

प्रकृति में नहीं पाया जाता

कोर्डेरो ने एक्टा मटेरियलिया जर्नल पेपर में नैनोस्केल माइक्रोस्ट्रक्चर के साथ धातु मिश्र धातु पाउडर की ताकत की भी जांच की। वरिष्ठ लेखक शुह के साथ कोर्डेरो ने कम्प्यूटेशनल सिमुलेशन और प्रयोगशाला प्रयोगों दोनों का उपयोग करके दिखाया कि टंगस्टन और क्रोमियम जैसी धातुओं के मिश्र धातु समान प्रारंभिक ताकत के साथ समरूप होते हैं और एक मजबूत अंत उत्पाद का उत्पादन करते हैं, जबकि बड़ी प्रारंभिक ताकत वाले धातुओं के संयोजन बेमेल होते हैं चूंकि टंगस्टन और ज़िरकोनियम एक से अधिक चरण की उपस्थिति के साथ एक कमजोर मिश्र धातु का उत्पादन करते हैं।

“उच्च-ऊर्जा बॉल मिलिंग की प्रक्रिया प्रक्रियाओं के एक बड़े परिवार का एक उदाहरण है जिसमें आप सामग्री की सूक्ष्म संरचना को एक अजीब गैर-संतुलन स्थिति में ले जाने के लिए उसे विकृत करते हैं। वास्तव में सामने आने वाली सूक्ष्म संरचना की भविष्यवाणी करने के लिए कोई अच्छा ढाँचा नहीं है, इसलिए कई बार यह परीक्षण और त्रुटि होती है। हम मिश्रधातुओं को डिजाइन करने से अनुभववाद को हटाने की कोशिश कर रहे थे जो एक मेटास्टेबल ठोस समाधान बनाएगा, जो एक गैर-संतुलन चरण का एक उदाहरण है," कोर्डेरो बताते हैं।

"आप इन गैर-संतुलन चरणों का उत्पादन करते हैं, ऐसी चीजें जो आप आमतौर पर अपने आस-पास की दुनिया में, प्रकृति में, इन अत्यधिक विरूपण प्रक्रियाओं का उपयोग करके नहीं देखते हैं," वे कहते हैं। उच्च-ऊर्जा बॉल मिलिंग की प्रक्रिया में धातु पाउडर की बार-बार कतरनी शामिल होती है, कतरनी के साथ मिश्रधातु तत्वों को प्रतिस्पर्धा करते हुए आपस में मिलाने के लिए प्रेरित किया जाता है, थर्मली-सक्रिय पुनर्प्राप्ति प्रक्रियाएं मिश्रधातु को अपनी संतुलन स्थिति में लौटने की अनुमति देती हैं, जो कई मामलों में चरणबद्ध रूप से अलग होती है। . "तो इन दोनों प्रक्रियाओं के बीच यह प्रतिस्पर्धा है," कोर्डेरो बताते हैं। उनके पेपर ने किसी दिए गए मिश्र धातु में रसायन विज्ञान की भविष्यवाणी करने के लिए एक सरल मॉडल प्रस्तावित किया जो एक ठोस समाधान बनाएगा और इसे प्रयोगों के साथ मान्य किया जाएगा। "एज़-मिल्ड पाउडर कुछ सबसे कठोर धातुएं हैं जिन्हें लोगों ने देखा है," कोर्डेरो कहते हैं, परीक्षणों से पता चला है कि टंगस्टन-क्रोमियम मिश्र धातु में 21 जीपीए की नैनोइंडेंटेशन कठोरता है। इससे उन्हें नैनोक्रिस्टलाइन लौह-आधारित मिश्र धातु या मोटे अनाज वाले टंगस्टन की नैनोइंडेंटेशन कठोरता दोगुनी हो जाती है।

धातुकर्म में लचीलेपन की आवश्यकता होती है

उनके द्वारा अध्ययन किए गए अल्ट्राफाइन ग्रेन टंगस्टन-क्रोमियम-लौह मिश्र धातु कॉम्पैक्ट में, मिश्र धातुओं ने उच्च-ऊर्जा बॉल मिलिंग के दौरान स्टील पीसने वाले मीडिया और शीशी के घर्षण से लोहा उठाया। "लेकिन यह पता चला है कि यह एक अच्छी बात भी हो सकती है, क्योंकि ऐसा लगता है कि यह कम तापमान पर घनत्व को तेज करता है, जिससे आपको उन उच्च तापमान पर खर्च करने की मात्रा कम हो जाती है जो माइक्रोस्ट्रक्चर में खराब बदलाव का कारण बन सकती है।" कोर्डेरो बताते हैं। "बड़ी बात लचीला होना और धातुकर्म में अवसरों को पहचानना है।"

कोर्डेरो ने 2010 में एमआईटी से भौतिकी में स्नातक की उपाधि प्राप्त की और लॉरेंस बर्कले नेशनल लैब में एक वर्ष तक काम किया। वहां, वह इंजीनियरिंग स्टाफ से प्रेरित हुए, जिन्होंने द्वितीय विश्व युद्ध के दौरान मैनहट्टन परियोजना के लिए प्लूटोनियम रखने के लिए विशेष क्रूसिबल बनाने वाले धातुकर्मियों की पिछली पीढ़ी से सीखा था। “जिस तरह की चीज़ों पर वे काम कर रहे थे, उसे सुनकर मैं बहुत उत्साहित हो गया और धातु प्रसंस्करण के प्रति उत्सुक हो गया। यह बहुत मज़ेदार भी है,” कोर्डेरो कहते हैं। अन्य सामग्री विज्ञान उप-विषयों में, वह कहते हैं, “आपको 1,000 C पर भट्ठी खोलने और लाल गर्म चमकती हुई कोई चीज़ देखने को नहीं मिलती है। आपको हीट-ट्रीट सामान नहीं मिलता है।" उन्हें 2015 में अपनी पीएचडी पूरी करने की उम्मीद है।

यद्यपि उनका वर्तमान कार्य संरचनात्मक अनुप्रयोगों पर केंद्रित है, वह जिस प्रकार का पाउडर प्रसंस्करण कर रहे हैं उसका उपयोग चुंबकीय सामग्री बनाने के लिए भी किया जाता है। वे कहते हैं, ''बहुत सी जानकारी और ज्ञान को अन्य चीज़ों पर लागू किया जा सकता है।'' "भले ही यह पारंपरिक संरचनात्मक धातु विज्ञान है, आप इस पुराने स्कूल धातु विज्ञान को नए स्कूल की सामग्रियों पर लागू कर सकते हैं।"