Ný wolfram málmblöndur sem verið er að þróa í Schuh Group við MIT gætu hugsanlega komið í stað tæmts úrans í brynjaskotum. Fjórða árs efnisvísinda- og verkfræðinemi, Zachary C. Cordero, vinnur að lág-eitrun, hár-styrk, hár-þéttleika efni til að skipta um rýrt úran í byggingu hernaðarlegum forritum. Eyðst úran skapar hugsanlega heilsuhættu fyrir hermenn og almenna borgara. "Það er hvatinn til að reyna að skipta um það," segir Cordero.

Venjulegt wolfram myndi sveppa eða sljófa við högg, versta mögulega árangur. Þannig að áskorunin er að þróa málmblöndu sem getur jafnast á við frammistöðu tæmts úrans, sem verður sjálfskerpandi þegar það klippir af efni og heldur beittum nefi við snertifleti milli skotmarks. „Wolfram í sjálfu sér er einstaklega sterkt og hart. Við setjum í aðra málmblöndur til að gera það þannig að við getum sameinað það í þennan lausa hlut,“ segir Cordero.

Wolfram málmblöndur með króm og járni (W-7Cr-9Fe) var umtalsvert sterkari en wolfram málmblöndur í atvinnuskyni, sagði Cordero í grein með yfirhöfundi og yfirmanni efnisvísinda og verkfræðideildar Christopher A. Schuh og samstarfsmönnum í tímaritinu Metallurgical and Materials Viðskipti A. Framfarirnar náðust með því að þjappa málmdufti í vettvangsstýrðri hertupressu, með besta árangri, mæld með fínkorna uppbyggingu og hæstu hörku, sem náðist á 1 mínútu vinnslutíma við 1.200 gráður á Celsíus. Lengri vinnslutími og hærra hitastig leiddu til grófara korna og veikari vélrænni frammistöðu. Meðal höfunda voru MIT verkfræði- og efnisfræðinemi Mansoo Park, Oak Ridge postdoctoral náungi Emily L. Huskins, Boise State dósent Megan Frary og framhaldsnemi Steven Livers, og herrannsóknarrannsóknarstofa vélaverkfræðingur og liðsstjóri Brian E. Schuster. Einnig hafa verið gerðar undirskala ballistic prófanir á wolfram-króm-járnblöndunni.

„Ef þú getur búið til annað hvort nanóbyggt eða myndlaust magn wolfram (bland), ætti það í raun að vera tilvalið ballískt efni,“ segir Cordero. Cordero, innfæddur maður í Bridgewater, NJ, fékk National Defense Science and Engineering (NDSEG) styrk árið 2012 í gegnum flugherinn fyrir vísindarannsóknir. Rannsóknir hans eru styrktar af bandarísku varnarógnunarstofnuninni.

Ofurfín kornbygging

„Leiðin sem ég bý til efnin mín er með duftvinnslu þar sem við gerum fyrst nanókristallað duft og síðan sameinum við það í lausan hlut. En áskorunin er sú að þétting krefst þess að efnið verði útsett fyrir hærra hitastigi,“ segir Cordero. Hitun málmblöndunnar í háan hita getur valdið því að kornin, eða einstök kristallað lén, innan málmsins stækka, sem veikir þau. Cordero var fær um að ná ofurfínu kornabyggingu upp á um 130 nanómetra í W-7Cr-9Fe compact, staðfest með rafeindasmámyndum. „Með því að nota þessa duftvinnsluleið getum við gert stór sýni allt að 2 sentímetra í þvermál, eða við gætum farið stærri, með kraftmiklum þjöppunarstyrk upp á 4 GPa (gigapascals). Sú staðreynd að við getum búið til þessi efni með því að nota stigstærð ferli er kannski enn áhrifameiri,“ segir Cordero.

„Það sem við erum að reyna að gera sem hópur er að búa til hluti með fínum nanóbyggingum. Ástæðan fyrir því að við viljum það er sú að þessi efni hafa mjög áhugaverða eiginleika sem nýtast mögulega í mörgum forritum,“ bætir Cordero við.

Finnst ekki í náttúrunni

Cordero kannaði einnig styrk málmblendidufts með nanóskala örbyggingu í Acta Materialia tímariti. Cordero, ásamt eldri höfundi Schuh, notaði bæði reiknihermun og tilraunastofutilraunir til að sýna fram á að málmblöndur eins og wolfram og króm með svipaðan upphafsstyrk höfðu tilhneigingu til að einsleitast og framleiða sterkari lokaafurð, en samsetningar málma með mikið upphafsstyrk misræmi s.s. þar sem wolfram og sirkon höfðu tilhneigingu til að framleiða veikari málmblöndu með fleiri en einum fasa til staðar.

„Ferlið við háorkukúlamölun er eitt dæmi um stærri fjölskyldu ferla þar sem þú afmyndar út úr efninu til að keyra örbyggingu þess í undarlegt ójafnvægisástand. Það er í raun ekki góður rammi til að spá fyrir um örbygginguna sem kemur út, svo oft er þetta tilraun og villa. Við vorum að reyna að fjarlægja reynsluhyggjuna frá því að hanna málmblöndur sem munu mynda metstable solid lausn, sem er eitt dæmi um ójafnvægisfasa,“ útskýrir Cordero.

„Þú framleiðir þessa ójafnvægisfasa, hluti sem þú myndir venjulega ekki sjá í heiminum í kringum þig, í náttúrunni, með því að nota þessi mjög öfgafullu aflögunarferli,“ segir hann. Ferlið við háorkukúlamölun felur í sér endurtekið klippingu á málmduftinu með klippingunni sem knýr málmblöndunarefnin til að blandast saman á meðan samkeppni, hitavirkt endurheimtarferli gerir málmblöndunni kleift að fara aftur í jafnvægisástand sitt, sem í mörgum tilfellum er aðskilið í fasa. . „Þannig að það er þessi samkeppni á milli þessara tveggja ferla,“ útskýrir Cordero. Ritgerð hans lagði til einfalt líkan til að spá fyrir um efnafræði í tiltekinni málmblöndu sem myndar fasta lausn og staðfesti það með tilraunum. „Eins og malað duftið er einhver af hörðustu málmunum sem fólk hefur séð,“ segir Cordero og tekur fram að prófanir hafi sýnt að wolfram-króm álfelgur hefur nanóinndráttarhörku upp á 21 GPa. Það gerir þá um það bil tvöfalt hærra nanóinndráttarhörku en nanókristallað járn-undirstaða málmblöndur eða grófkornað wolfram.

Málmvinnsla krefst sveigjanleika

Í ofurfínkorna wolfram-króm-járnblendiþjöppunum sem hann rannsakaði tóku málmblöndurnar upp járnið frá núningi á stálslípimiðlinum og hettuglasinu við háorkukúlamölun. „En það kemur í ljós að það getur líka verið nokkuð gott, því það lítur út fyrir að það flýti fyrir þéttingu við lágt hitastig, sem dregur úr þeim tíma sem þú þarft að eyða við háan hita sem gæti leitt til slæmra breytinga á örbyggingu. Cordero útskýrir. „Stóra málið er að vera sveigjanlegur og viðurkenna tækifæri í málmvinnslu.

Cordero útskrifaðist frá MIT árið 2010 með BS í eðlisfræði og starfaði í eitt ár hjá Lawrence Berkeley National Lab. Þar var hann innblásinn af verkfræðingum sem lærðu af fyrri kynslóð málmfræðinga sem bjuggu til sérstakar deiglur til að geyma plútón fyrir Manhattan verkefnið í seinni heimsstyrjöldinni. „Að heyra svona hluti sem þeir voru að vinna að vakti mig mjög spennt og áhugasamur um málmvinnslu. Þetta er líka bara mjög skemmtilegt,“ segir Cordero. Í öðrum undirgreinum efnisfræði segir hann: „Þú færð ekki að opna ofn við 1.000 C og sjá eitthvað glóandi heitt. Þú færð ekki að hitameðhöndla dót.“ Hann gerir ráð fyrir að ljúka doktorsprófi árið 2015.

Þrátt fyrir að núverandi starf hans beinist að burðarvirkjum er sú duftvinnsla sem hann er að gera einnig notuð til að búa til segulmagnaðir efni. „Mikið af upplýsingum og þekkingu er hægt að heimfæra á aðra hluti,“ segir hann. „Jafnvel þó að þetta sé hefðbundin burðarmálmvinnsla, þá er hægt að nota þessa gömlu málmvinnslu á nýskólaefni.