Az MIT Schuh-csoportjában kifejlesztett új volfrámötvözetek potenciálisan helyettesíthetik a páncéltörő lövedékekben a szegényített uránt. Zachary C. Cordero, a negyedik éves anyagtudományi és mérnöki végzős hallgató alacsony toxicitású, nagy szilárdságú, nagy sűrűségű anyagokon dolgozik a szegényített urán helyettesítésére szerkezeti katonai alkalmazásokban. A szegényített urán potenciális egészségügyi kockázatot jelent a katonák és a civilek számára. „Ez a motiváció annak, hogy megpróbáljuk lecserélni” – mondja Cordero.

A normál wolfram gombagombásodás vagy tompa ütés hatására a lehető legrosszabb teljesítmény. A kihívás tehát az, hogy olyan ötvözetet fejlesszünk ki, amely megfelel a szegényített urán teljesítményének, amely önélezővé válik, ahogy lenyírja az anyagot, és éles orrot tart fenn a behatoló-cél felületen. „A wolfram önmagában rendkívül erős és kemény. Más ötvözőelemeket is beépítettünk az elkészítéshez, hogy megszilárdíthassuk ebbe az ömlesztett tárgyba” – mondja Cordero.

A krómot és vasat tartalmazó volfrámötvözet (W-7Cr-9Fe) lényegesen erősebb volt, mint a kereskedelmi volfrámötvözetek – számolt be Cordero a vezető szerzővel, az Anyagtudományi és Mérnöki Tanszék vezetőjével, Christopher A. Schuh-val és munkatársaival a Metallurgical and Materials folyóiratban. Tranzakciók A. A javulást a fémporok terepi rásegítésű szinterező melegprésben történő tömörítésével érték el, a legjobb A finomszemcsés szerkezettel és a legnagyobb keménységgel mért eredmény 1 perces feldolgozási idővel 1200 Celsius fokon érhető el. A hosszabb feldolgozási idő és a magasabb hőmérséklet durvább szemcséket és gyengébb mechanikai teljesítményt eredményezett. A társszerzők között volt az MIT mérnöki és anyagtudományi végzős hallgatója, Mansoo Park, az Oak Ridge posztdoktori ösztöndíjasa, Emily L. Huskins, Boise állam docense, Megan Frary és végzős hallgató, Steven Livers, valamint az Army Research Laboratory gépészmérnöke és Brian E. Schuster csapatvezető. A volfrám-króm-vas ötvözet kisméretű ballisztikai vizsgálatait is elvégezték.

"Ha nanostrukturált vagy amorf ömlesztett volfrámot (ötvözetet) tud készíteni, akkor valóban ideális ballisztikus anyagnak kell lennie" - mondja Cordero. Cordero, aki Bridgewater államban született, 2012-ben National Defense Science and Engineering (NDSEG) ösztöndíjat kapott a Légierő Tudományos Kutatási Hivatalán keresztül. Kutatását az Egyesült Államok Védelmi Fenyegetéscsökkentési Ügynöksége finanszírozza.

Ultrafinom szemcseszerkezet

„Az anyagaimat porfeldolgozással készítem, ahol először nanokristályos port készítünk, majd ömlesztett tárggyá konszolidáljuk. A kihívás azonban az, hogy a tömörítéshez az anyagot magasabb hőmérsékletnek kell kitenni” – mondja Cordero. Az ötvözetek magas hőmérsékletre való hevítése a fémen belüli szemcsék vagy egyes kristályos domének megnagyobbodását okozhatja, ami gyengíti azokat. A Cordero körülbelül 130 nanométeres ultrafinom szemcseszerkezetet tudott elérni a W-7Cr-9Fe kompaktban, amit elektronmikroszkópos felvételek is megerősítettek. „Ezzel a porfeldolgozási módszerrel akár 2 centiméter átmérőjű nagy mintákat is készíthetünk, de akár nagyobbat is készíthetünk, 4 GPa (gigapascal) dinamikus nyomószilárdsággal. Az a tény, hogy ezeket az anyagokat méretezhető eljárással tudjuk elkészíteni, talán még lenyűgözőbb” – mondja Cordero.

„Csoportként arra törekszünk, hogy tömeges dolgokat készítsünk finom nanostruktúrákkal. Azért akarjuk ezt, mert ezeknek az anyagoknak nagyon érdekes tulajdonságaik vannak, amelyek számos alkalmazásban felhasználhatók” – teszi hozzá Cordero.

A természetben nem található

Cordero a nanoméretű mikroszerkezetű fémötvözet porok szilárdságát is megvizsgálta egy Acta Materialia folyóiratban. Cordero, Schuh vezető szerzővel, számítási szimulációkat és laboratóriumi kísérleteket is alkalmazott annak kimutatására, hogy a hasonló kezdeti szilárdságú fémötvözetek, mint például a volfrám és a króm, hajlamosak homogenizálódni és erősebb végterméket produkálni, míg a nagy kezdeti szilárdságú fémek kombinációi, pl. mivel a volfrám és a cirkónium gyengébb ötvözetet hoz létre egynél több fázissal.

„A nagyenergiájú golyós marás az egyik példa a folyamatok nagyobb családjára, amelyek során az anyagot tönkreteszed, hogy a mikroszerkezetét furcsa, nem egyensúlyi állapotba hozd. Valójában nincs jó keret a megjelenő mikrostruktúra előrejelzésére, ezért ez sokszor próbálkozás és hiba. Megpróbáltuk eltávolítani az empíriát az olyan ötvözetek tervezéséből, amelyek metastabil szilárd oldatot képeznek, ami egy példa a nem egyensúlyi fázisra” – magyarázza Cordero.

„Ezekkel az igazán szélsőséges deformációs folyamatokkal állítja elő ezeket a nem egyensúlyi fázisokat, olyan dolgokat, amelyeket a körülöttünk lévő világban, a természetben általában nem látna” – mondja. A nagyenergiájú golyós őrlés folyamata a fémporok ismételt nyírását foglalja magában, miközben a nyírás az ötvözőelemeket összekeverik, miközben a versengő, termikusan aktivált visszanyerési eljárások lehetővé teszik az ötvözet egyensúlyi állapotának visszaállítását, ami sok esetben fázisszétválasztás. . „Tehát verseny van a két folyamat között” – magyarázza Cordero. Írása egy egyszerű modellt javasolt egy adott ötvözet kémiájának előrejelzésére, amely szilárd oldatot képez, és ezt kísérletekkel validálta. "Az őrölt porok a legkeményebb fémek közé tartoznak, amelyeket az emberek láttak" - mondja Cordero, megjegyezve, hogy a tesztek kimutatták, hogy a volfrám-króm ötvözet nanobenyomódási keménysége 21 GPa. Ez körülbelül kétszerese a nanokristályos vasalapú ötvözetek vagy a durva szemcsés volfrám nanobenyomódási keménységének.

A kohászat rugalmasságot igényel

Az általa vizsgált ultrafinom szemcsés volfrám-króm-vas ötvözet tömörítőkben az ötvözetek felvették a vasat az acél csiszolóközeg és fiola kopásából a nagy energiájú golyósmarás során. "De kiderült, hogy ez egyfajta jó dolog is lehet, mert úgy tűnik, hogy alacsony hőmérsékleten felgyorsítja a sűrűsödést, ami csökkenti azt az időt, amelyet azokon a magas hőmérsékleteken kell töltenie, amelyek rossz mikroszerkezeti változásokhoz vezethetnek." Cordero elmagyarázza. „A nagy dolog az, hogy rugalmasak vagyunk, és felismerjük a kohászatban rejlő lehetőségeket.”

A fémek mérésére használt csónakban őrölt volfrám-króm vas fémporok mellett tömörített fémötvözet pellet ül. Az acélgolyókat a fémek deformálására használják nagy energiájú golyósmalomban. Köszönetnyilvánítás: Denis Paiste/Materials Processing Center
Cordero 2010-ben szerzett diplomát az MIT-n fizikából, és egy évig a Lawrence Berkeley National Labnál dolgozott. Ott az a mérnöki stáb ihlette meg, akik egy korábbi kohászgenerációtól tanulták meg, hogy a második világháború idején speciális tégelyeket készítettek plutónium tárolására a Manhattan Project számára. „Hallottam, hogy milyen dolgokon dolgoznak, nagyon izgatott lettem, és lelkesedett a fémfeldolgozás. Ez is nagyon szórakoztató” – mondja Cordero. Más anyagtudományi résztudományokban ezt mondja: „Nem szabad 1000 C-on kinyitni a kemencét, és látni, hogy valami vörösen izzik. Nem szabad hőkezelni a dolgokat.” Várhatóan 2015-ben fejezi be a doktori fokozatot.

Bár jelenlegi munkája a szerkezeti alkalmazásokra összpontosít, az általa végzett porfeldolgozást mágneses anyagok előállítására is használják. „Sok információ és tudás más dolgokra is alkalmazható” – mondja. "Annak ellenére, hogy ez a hagyományos szerkezeti kohászat, ezt az old-school kohászatot alkalmazhatja az új iskolai anyagokra."