סגסוגות טונגסטן חדשות המפותחות בקבוצת Schuh ב-MIT עשויות להחליף אורניום מדולדל בקליעים חודרי שריון. סטודנט ללימודי מדעי והנדסה בחומרים שנה ד', זכרי סי. קורדרו, עובד על חומר בעל רעילות נמוכה, חוזק גבוה וצפיפות גבוהה להחלפת אורניום מדולדל ביישומים צבאיים מבניים. אורניום מדולדל מהווה סכנה בריאותית פוטנציאלית לחיילים ולאזרחים. "זו המניע לנסות להחליף אותו", אומר קורדרו.

טונגסטן רגיל היה פטריות או קהה בפגיעה, הביצועים הגרועים ביותר האפשריים. אז האתגר הוא לפתח סגסוגת שיכולה להתאים לביצועים של אורניום מדולדל, שהופך לחידוד עצמי כשהוא חותך חומר ושומר על אף חד בממשק חודר-מטרה. "טונגסטן כשלעצמו הוא חזק וקשה במיוחד. הכנסנו אלמנטים סגסוגים אחרים כדי להפוך אותו כך שנוכל לאחד אותו לתוך החפץ בתפזורת הזה", אומר Cordero.

סגסוגת טונגסטן עם כרום וברזל (W-7Cr-9Fe) הייתה חזקה משמעותית מסגסוגות טונגסטן מסחריות, כך דיווח Cordero במאמר עם המחבר הבכיר וראש המחלקה למדע והנדסת חומרים כריסטופר א. שוה ועמיתיו בכתב העת Metallurgical and Materials עסקאות א. השיפור הושג ע"י דחיסת אבקות מתכת במכבש חם סינטר בעזרת שדה, כשהתוצאה הטובה ביותר, נמדדת במבנה הגרגיר העדין והקשיות הגבוהה ביותר, הושגה בזמן עיבוד של דקה אחת ב-1,200 מעלות צלזיוס. זמני עיבוד ארוכים יותר וטמפרטורות גבוהות יותר הובילו לגרגרים גסים יותר ולביצועים מכניים חלשים יותר. מחברים שותפים כללו את הסטודנט לתארים מתקדמים בהנדסה ומדעי החומרים ב-MIT Mansoo Park, עמיתת פוסט-דוקטורט באוק רידג' אמילי ל. הוסקינס, פרופסור חבר במדינת Boise, מייגן פריי והסטודנט לתואר שני סטיבן ליברס, ומהנדס מכונות וראש צוות במעבדת המחקר של הצבא בריאן א. שוסטר. כמו כן בוצעו בדיקות בליסטיות תת-סקאלה של סגסוגת טונגסטן-כרום-ברזל.

"אם אתה יכול לייצר טונגסטן (סגסוגת) בתפזורת ננו-מובנית או אמורפית, זה באמת צריך להיות חומר בליסטי אידיאלי", אומר קורדרו. קורדרו, יליד ברידג'ווטר, ניו ג'רזי, קיבל מלגת מדע והנדסה להגנה לאומית (NDSEG) בשנת 2012 דרך משרד חיל האוויר למחקר מדעי. המחקר שלו ממומן על ידי הסוכנות האמריקאית להפחתת איומי ההגנה.

מבנה גרגר עדין במיוחד

"הדרך שבה אני מייצרת את החומרים שלי היא באמצעות עיבוד אבקה, שבו קודם אנו מייצרים אבקה ננו-גבישית ואז אנו מאחדים אותה לאובייקט בתפזורת. אבל האתגר הוא שגיבוש מצריך חשיפת החומר לטמפרטורות גבוהות יותר", אומר קורדרו. חימום הסגסוגות לטמפרטורות גבוהות עלול לגרום להגדלת הגרגרים, או תחומים גבישיים בודדים, בתוך המתכת, מה שמחליש אותם. Cordero הצליח להשיג מבנה גרגר עדין במיוחד של כ-130 ננומטר בקומפקט W-7Cr-9Fe, שאושר על ידי מיקרוגרפים אלקטרוניים. "באמצעות נתיב עיבוד אבקה זה, נוכל ליצור דגימות גדולות בקוטר של עד 2 ס"מ, או שנוכל להגדיל את גודלן, עם עוצמות דחיסה דינמיות של 4 GPa (gigapascal). העובדה שאנחנו יכולים לייצר את החומרים האלה באמצעות תהליך שניתן להרחבה היא אולי אפילו מרשימה יותר", אומר Cordero.

"מה שאנחנו מנסים לעשות כקבוצה הוא ליצור דברים בכמות גדולה עם ננו-מבנים עדינים. הסיבה שאנחנו רוצים לעשות זאת היא כי לחומרים האלה יש תכונות מעניינות מאוד שיש בהן שימוש פוטנציאלי ביישומים רבים", מוסיף Cordero.

לא נמצא בטבע

Cordero בדק גם את חוזקן של אבקות סגסוגת מתכת עם מבנים מיקרו בקנה מידה ננומטרי במאמר יומן של Acta Materialia. Cordero, עם המחבר הבכיר Schuh, השתמשה הן בסימולציות חישוביות והן בניסויי מעבדה כדי להראות שסגסוגות של מתכות כגון טונגסטן וכרום בעלות חוזק ראשוני דומים נטו להומוגזציה ולייצר תוצר סופי חזק יותר, בעוד ששילובים של מתכות עם אי התאמה של חוזק ראשוני גדול כגון כמו טונגסטן וזירקוניום נטו לייצר סגסוגת חלשה יותר עם יותר מפאזה אחת.

"התהליך של כרסום כדורים באנרגיה גבוהה הוא דוגמה אחת למשפחה גדולה יותר של תהליכים שבהם אתה מעוות את החומר כדי להניע את המיקרו-מבנה שלו למצב מוזר שאינו שיווי משקל. אין מסגרת טובה באמת לחיזוי המיקרו-מבנה שיוצא, אז הרבה פעמים זה ניסוי וטעייה. ניסינו להסיר את האמפיריזם מתכנון סגסוגות שיהוו פתרון מוצק מט-יציב, שהוא דוגמה אחת לשלב שאינו שיווי משקל", מסביר קורדרו.

"אתה מייצר את השלבים הלא-שיווי משקל האלה, דברים שבדרך כלל לא היית רואה בעולם שסביבך, בטבע, תוך שימוש בתהליכי העיוות הקיצוניים באמת האלה", הוא אומר. התהליך של כרסום כדורים באנרגיה גבוהה כולל גזירה חוזרת ונשנית של אבקות המתכת כשהגזירה מניעה את אלמנטי הסגסוג להתערבב תוך כדי תהליכי התאוששות מתחרים, המופעלים תרמית מאפשרים לסגסוגת לחזור למצב שיווי המשקל שלה, שבמקרים רבים הוא הפרדת שלב. . "אז יש תחרות בין שני התהליכים האלה", מסביר קורדרו. המאמר שלו הציע מודל פשוט לניבוי כימיה בסגסוגת נתונה שתהווה פתרון מוצק ואימת אותו בניסויים. "האבקות הטחונות הן מהמתכות הקשות ביותר שאנשים ראו", אומר קורדרו, ומציין שבדיקות הראו שלסגסוגת הטונגסטן-כרום יש קשיות ננו-אינדנטציה של 21 GPa. זה הופך אותם לכפול מהקשיות הננו-אינדנטציה של סגסוגות מבוססות ברזל ננו-גבישי או טונגסטן גס.

מטלורגיה דורשת גמישות

בקומפקטיות סגסוגת טונגסטן-כרום-ברזל של גרגירים עדינים במיוחד שהוא חקר, הסגסוגות קלטו את הברזל משחיקה של אמצעי השחזה והבקבוקון של פלדה במהלך כרסום כדורים באנרגיה גבוהה. "אבל מסתבר שזה יכול להיות גם משהו טוב, כי זה נראה כאילו זה מאיץ את הצפיפות בטמפרטורות נמוכות, מה שמפחית את כמות הזמן שאתה צריך לבלות בטמפרטורות גבוהות אלה שעלולות להוביל לשינויים רעים במבנה המיקרו", קורדרו מסביר. "הדבר הגדול הוא להיות גמיש ולזהות הזדמנויות במטלורגיה."

קורדרו סיים את לימודיו ב-MIT בשנת 2010 עם תואר ראשון בפיזיקה ועבד במשך שנה במעבדה הלאומית של לורנס ברקלי. שם, הוא קיבל השראה מצוות ההנדסה שלמד מדור מוקדם יותר של מטלורגים שיצר כור היתוך מיוחד כדי להחזיק פלוטוניום עבור פרויקט מנהטן במהלך מלחמת העולם השנייה. "לשמוע את סוג הדברים שהם עבדו עליהם התרגשתי מאוד והתלהבתי מעיבוד מתכות. זה גם פשוט מאוד כיף", אומר קורדרו. בתת-מקצועות אחרים של מדעי החומרים, הוא אומר, "אתה לא יכול לפתוח תנור ב-1,000 C ולראות משהו זוהר לוהט אדום. אתה לא מגיע לטיפול בחום". הוא מצפה לסיים את הדוקטורט שלו ב-2015.

למרות שעבודתו הנוכחית מתמקדת ביישומים מבניים, סוג עיבוד האבקה שהוא עושה משמש גם לייצור חומרים מגנטיים. "אפשר ליישם הרבה מהמידע והידע לדברים אחרים", הוא אומר. "למרות שמדובר במטלורגיה מבנית מסורתית, אתה יכול ליישם את המטלורגיה של בית הספר הישן על חומרים מבית הספר החדש."