ახალი ვოლფრამის შენადნობები, რომლებიც მუშავდება შუჰ ჯგუფში MIT-ში, პოტენციურად შეიძლება ჩაანაცვლოს დაქვეითებული ურანი ჯავშანჟილეტის ჭურვებში. მეოთხე კურსის მასალების მეცნიერებათა და ინჟინერიის კურსდამთავრებული სტუდენტი Zachary C. Cordero მუშაობს დაბალი ტოქსიკურობის, მაღალი სიმტკიცის, მაღალი სიმკვრივის მასალაზე სტრუქტურულ სამხედრო პროგრამებში გაფუჭებული ურანის ჩანაცვლებისთვის. გაფუჭებული ურანი ჯარისკაცებისა და მშვიდობიანი მოსახლეობის ჯანმრთელობის პოტენციურ საფრთხეს წარმოადგენს. „ეს არის მისი შეცვლის მცდელობის მოტივაცია“, ამბობს კორდერო.

ნორმალური ვოლფრამი გაჩნდება ან ბლაგვი ზემოქმედებისას, რაც ყველაზე ცუდი შედეგია. ასე რომ, გამოწვევაა ისეთი შენადნობის შემუშავება, რომელიც შეიძლება შეესაბამებოდეს გაფუჭებული ურანის ეფექტურობას, რომელიც ხდება თვითმკვეთრი, რადგან ის ჭრის მასალას და ინარჩუნებს მკვეთრ ცხვირს შეღწევის სამიზნე ინტერფეისში. ”ვოლფრამი თავისთავად განსაკუთრებით ძლიერი და მყარია. ჩვენ ჩავსვით სხვა შენადნობის ელემენტები მის გასაკეთებლად, რათა შევძლოთ მისი კონსოლიდაცია ამ ნაყარ ობიექტში“, - ამბობს კორდერო.

ვოლფრამის შენადნობი ქრომთან და რკინით (W-7Cr-9Fe) მნიშვნელოვნად უფრო ძლიერი იყო, ვიდრე კომერციული ვოლფრამის შენადნობები, იტყობინება კორდერო სტატიაში უფროსი ავტორისა და მასალების მეცნიერებისა და ინჟინერიის დეპარტამენტის ხელმძღვანელთან კრისტოფერ ა. შუჰთან და კოლეგებთან ჟურნალში Metallurgical and Materials. ტრანზაქციები A. გაუმჯობესება მიღწეული იქნა ლითონის ფხვნილების დატკეპნით საველე დახმარებით ცხელ შედუღებამდე პრესა, საუკეთესო შედეგით, გაზომილი წვრილი მარცვლის სტრუქტურით და უმაღლესი სიმტკიცე, მიღწეული დამუშავების დროს 1 წუთი 1200 გრადუს ცელსიუსზე. დამუშავების ხანგრძლივმა დრომ და მაღალმა ტემპერატურამ განაპირობა უხეში მარცვლები და სუსტი მექანიკური მოქმედება. თანაავტორები იყვნენ MIT ინჟინერიისა და მასალების მეცნიერების კურსდამთავრებული სტუდენტი მანსო პარკი, ოუკ რიჯის პოსტდოქტორანტი ემილი ლ. ჰასკინსი, ბოისის შტატის ასოცირებული პროფესორი მეგან ფრეი და კურსდამთავრებული სტივენ ლივერსი და არმიის კვლევის ლაბორატორიის მექანიკოსი და გუნდის ლიდერი ბრაიან ე. შუსტერი. ასევე ჩატარდა ვოლფრამი-ქრომი-რკინის შენადნობის ქვემასშტაბიანი ბალისტიკური გამოცდები.

„თუ თქვენ შეგიძლიათ გააკეთოთ ნანოსტრუქტურული ან ამორფული ნაყარი ვოლფრამი (შენადნობი), ეს ნამდვილად იდეალური ბალისტიკური მასალა უნდა იყოს“, - ამბობს კორდერო. კორდერომ, ბრიჯუოტერში, ნიუ-ჯერსი, მიიღო ეროვნული თავდაცვის მეცნიერებისა და ინჟინერიის (NDSEG) სტიპენდია 2012 წელს საჰაერო ძალების სამეცნიერო კვლევების ოფისის მეშვეობით. მის კვლევას აფინანსებს აშშ-ის თავდაცვის საფრთხეების შემცირების სააგენტო.

ულტრა დახვეწილი მარცვლის სტრუქტურა

„ჩემს მასალებს ვამზადებ ფხვნილის დამუშავებით, სადაც ჯერ ნანოკრისტალურ ფხვნილს ვაკეთებთ და შემდეგ ვამაგრებთ ნაყარ ობიექტად. მაგრამ გამოწვევა ის არის, რომ კონსოლიდაცია მოითხოვს მასალის მაღალ ტემპერატურაზე ზემოქმედებას“, - ამბობს კორდერო. შენადნობების მაღალ ტემპერატურაზე გაცხელებამ შეიძლება გამოიწვიოს მარცვლების, ან ცალკეული კრისტალური დომენების გადიდება ლითონის შიგნით, რაც ასუსტებს მათ. კორდერომ შეძლო მიეღწია ულტრა წვრილმარცვლოვანი სტრუქტურის დაახლოებით 130 ნანომეტრის W-7Cr-9Fe კომპაქტში, რაც დადასტურებულია ელექტრონული მიკროგრაფიებით. „ფხვნილის დამუშავების ამ მარშრუტის გამოყენებით, ჩვენ შეგვიძლია გავაკეთოთ დიდი ნიმუშები 2 სანტიმეტრამდე დიამეტრის, ან შეგვიძლია უფრო დიდი, დინამიური კომპრესიული სიმტკიცით 4 GPa (გიგაპასკალი). ის ფაქტი, რომ ჩვენ შეგვიძლია ამ მასალების დამზადება მასშტაბირებადი პროცესის გამოყენებით, შეიძლება კიდევ უფრო შთამბეჭდავი იყოს“, - ამბობს კორდერო.

„რაც ჩვენ ჯგუფურად ვცდილობთ გავაკეთოთ არის ნაყარი ნივთების დახვეწილი ნანოსტრუქტურებით. მიზეზი, რის გამოც ეს გვინდა, არის ის, რომ ამ მასალებს აქვთ ძალიან საინტერესო თვისებები, რომლებიც პოტენციურად გამოიყენება ბევრ აპლიკაციაში,“ - დასძენს კორდერო.

ბუნებაში არ არის ნაპოვნი

კორდერომ ასევე შეისწავლა ლითონის შენადნობის ფხვნილების სიძლიერე ნანომასშტაბიანი მიკროსტრუქტურებით Acta Materialia-ს ჟურნალში. კორდერომ, უფროს ავტორ შუჰთან ერთად, გამოიყენა როგორც გამოთვლითი სიმულაციები, ასევე ლაბორატორიული ექსპერიმენტები, რათა ეჩვენებინა, რომ ლითონების შენადნობები, როგორიცაა ვოლფრამი და ქრომი, მსგავსი საწყისი სიძლიერით, მიდრეკილია ჰომოგენიზაციისკენ და უფრო ძლიერი საბოლოო პროდუქტის წარმოქმნას, მაშინ როცა დიდი საწყისი სიძლიერის მქონე ლითონების კომბინაციები ემთხვევა რადგან ვოლფრამი და ცირკონიუმი აწარმოებდა უფრო სუსტ შენადნობს ერთზე მეტი ფაზით.

”მაღალი ენერგიის ბურთის დაფქვის პროცესი არის პროცესების უფრო დიდი ოჯახის მაგალითი, რომლის დროსაც თქვენ დეფორმირებთ მასალას, რათა მისი მიკროსტრუქტურა უცნაურ არაბალანსურ მდგომარეობაში გადაიყვანოთ. ნამდვილად არ არსებობს კარგი ჩარჩო გამოსული მიკროსტრუქტურის პროგნოზირებისთვის, ასე რომ, ხშირად ეს არის საცდელი და შეცდომა. ჩვენ ვცდილობდით ამოგვეღო ემპირიზმი იმ შენადნობების დიზაინიდან, რომლებიც წარმოქმნიან მეტასტაბილურ მყარ ხსნარს, რაც არაბალანსური ფაზის ერთ-ერთი მაგალითია“, - განმარტავს კორდერო.

”თქვენ წარმოქმნით ამ არაბალანსურ ფაზებს, რასაც ჩვეულებრივ ვერ ნახავთ თქვენს გარშემო არსებულ სამყაროში, ბუნებაში, ამ მართლაც უკიდურესი დეფორმაციის პროცესების გამოყენებით”, - ამბობს ის. მაღალენერგეტიკული ბურთის დაფქვის პროცესი მოიცავს ლითონის ფხვნილების განმეორებით გაპარსვას, თერმულად გააქტიურებული აღდგენის პროცესების დროს, როდესაც თერმულად გააქტიურებული აღდგენის პროცესები საშუალებას აძლევს შენადნობას დაუბრუნდეს წონასწორობის მდგომარეობას, რაც ხშირ შემთხვევაში ფაზაში განცალკევებაა. . ”ასე რომ, არის ეს კონკურენცია ამ ორ პროცესს შორის”, - განმარტავს კორდერო. მისმა ნაშრომმა შესთავაზა მარტივი მოდელი მოცემულ შენადნობში ქიმიის პროგნოზირებისთვის, რომელიც წარმოქმნის მყარ ხსნარს და დაადასტურა ის ექსპერიმენტებით. „როგორც დაფქული ფხვნილები ერთ-ერთი ყველაზე მყარი ლითონია, რაც ხალხს უნახავს“, - ამბობს კორდერო და აღნიშნავს, რომ ტესტებმა აჩვენა, რომ ვოლფრამის ქრომის შენადნობას აქვს ნანო ჩაღრმავების სიმტკიცე 21 GPa. ეს მათ დაახლოებით ორმაგად აჭარბებს ნანოკრისტალურ რკინაზე დაფუძნებულ შენადნობებს ან მსხვილმარცვლოვან ვოლფრამს.

მეტალურგია მოითხოვს მოქნილობას

ვოლფრამი-ქრომი-რკინის შენადნობის ულტრა წვრილმარცვლოვან კომპაქტებში, რომელიც მან შეისწავლა, შენადნობებმა რკინა ამოიღეს ფოლადის საფქვავი მედიისა და ფლაკონის აბრაზიისგან მაღალი ენერგიის ბურთის დაფქვის დროს. „მაგრამ აღმოჩნდა, რომ ეს შეიძლება კარგიც იყოს, რადგან, როგორც ჩანს, ის აჩქარებს გამკვრივებას დაბალ ტემპერატურაზე, რაც ამცირებს იმ დროს, რაც თქვენ უნდა გაატაროთ იმ მაღალ ტემპერატურაზე, რამაც შეიძლება გამოიწვიოს მიკროსტრუქტურის ცუდი ცვლილებები. კორდერო განმარტავს. ”დიდი რამ არის მოქნილობა და მეტალურგიაში შესაძლებლობების აღიარება.”

დატკეპნილი ლითონის შენადნობის გრანულები ზის დაფქული ვოლფრამი-ქრომის რკინის ლითონის ფხვნილების გვერდით ნავში, რომელიც გამოიყენება ლითონების ასაწონად. ფოლადის ბურთები გამოიყენება ლითონების დეფორმირებისთვის მაღალი ენერგიის ბურთულ წისქვილში. კრედიტი: დენის პაისტე/მასალების დამუშავების ცენტრი
კორდერომ 2010 წელს დაამთავრა MIT ბაკალავრის ხარისხით ფიზიკაში და ერთი წელი მუშაობდა ლოურენს ბერკლის ეროვნულ ლაბორატორიაში. იქ იგი შთაგონებული იყო საინჟინრო პერსონალის მიერ, რომლებმაც ისწავლეს მეტალურგების წინა თაობისგან, რომლებიც ამზადებდნენ სპეციალურ ჭურჭელს მეორე მსოფლიო ომის დროს მანჰეტენის პროექტისთვის პლუტონიუმის შესანახად. „რაზეც ისინი მუშაობდნენ, მე ძალიან აღმაფრთოვანა და მაინტერესებდა ლითონების დამუშავებით. ეს ასევე ძალიან სახალისოა“, - ამბობს კორდერო. მასალების მეცნიერების სხვა ქვედისციპლინებში ის ამბობს: „არ შეიძლება ღუმელის გახსნა 1000 C ტემპერატურაზე და დაინახო რაღაც წითლად ანათებს. თქვენ არ გაქვთ რაიმე თერმული დამუშავება. ” ის ელოდება დოქტორანტურის დასრულებას 2015 წელს.

მიუხედავად იმისა, რომ მისი ამჟამინდელი ნამუშევარი ფოკუსირებულია სტრუქტურულ აპლიკაციებზე, ფხვნილის დამუშავების სახეობა, რომელსაც ის აკეთებს, ასევე გამოიყენება მაგნიტური მასალების დასამზადებლად. ”ბევრი ინფორმაცია და ცოდნა შეიძლება გამოყენებულ იქნას სხვა საკითხებზე,” - ამბობს ის. ”მიუხედავად იმისა, რომ ეს არის ტრადიციული სტრუქტურული მეტალურგია, თქვენ შეგიძლიათ გამოიყენოთ ეს ძველი სკოლის მეტალურგია ახალი სკოლის მასალებზე.”